Учебник Физика 9 класс Турдиев

V. Н. Ш. ТУРДИЕВ ФИЗИКА 9 • ОСНОВЫ молекулярной ФИЗИКИ и ТЕРМОДИНАМИКИ • ОПТИКА • основы АТОМНОЙ ФИЗИКИ • ПРЕДСТАВЛЕНИЕ О СТРОЕНИИ ВСЕЛЕННОЙ • РОЛЬ ФИЗИКИ В ПОЗНАНИИ ПРИРОДЫ и в РАЗВИТИИ ОБЩЕСТВА. СОВРЕМЕННОЕ РАЗВР1ТИЕ ФИЗИКИ И ТЕХНИКИ ТАШКЕНТ - 2006 Рекомендовано Министерством народною образования Республики Узбекистан в качестве учебника — важнейшие формулы; обратите внимание, запомните; ~ физические величины; основные законы; — после изучения темы ответьте на поставленные вопросы; — практическая работа, выполняемая учанщмися; — познавательные материалы; * — темы, предназначенные для более глубокого изучения физики. Учебник сп печатан для «Оборотного фонда учебников» (ОФУ) за счет бюджетных средств. ^4362120000-010 Т--------------2006 М36И04) - 2006 «Amapriiit», 2006 г. Н. Ш. Турдиев, 2006 г. Издательство «TURON-IQBOL», 2006 г ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ, ИЗУЧЕННЫЕ В 6—8 КЛАССАХ Физические величины Формула Единица измерения CKqpocTb г» = - t м/с Усксфение а- 1 м/с^ Плотность вещества Р=у КГ/мЗ Сила F = та Ньютон (Н) Механическая работа А = F-S Джоуль (Дж) Механическая мощность N = ^ t Вап' (Вт) Потенциальная энергия Е„ = mgh Джоуль (Дж) Кинетическая энергия —Г Джоуль (Дж) Момент силы М= И Н-м Коэффициент полезного действия Давление p=F/S Паскаль (Па) Сила тока 1= дЦ Ампер (А) Электрическое напряжение U=A!q Вольт (В) Сопротиазение проводника R = p- l/S Ом Работа электрического тока A= lUt Джоуль (Дж) Мощность электрического тока P = IV Ватт (Вт) Опттеская сила линзы D=]/F Диоптрия (дптр) Интеисивноспь звука — Белл Частота звука _ 1 ^ T Герц (Гц) Количество заряда q = I ■ t Кулон (Кл) Напряженность электрического E=f- т поля q Период колебания T=t/N Секуззда (с) Частоза колебания v=N/t Герц (Гц) Период колебательного конзура T= 2л41с Секунда (с) ЗАКОНЫ Законы Формула Определение Закон Кулона р — k Сила взаимодействия дву'х заряженных точечных тел, расположенных в вакууме, прямо пропорциона;1Ы1а произведению модулей зарядив и ибрагно пропорциональна квадрату расстояния межд>' ними Закон Ома Сила тока на учас1хе цепи прямо пропорциональна пршюженному к этому участку напряжению и обратно пропорциональна сопротиазеиию. Первый закон Ньютона V = const Й = 0 Любое тело, если его состояние не изменяется действием других тел, сохраняет ссютоянис покоя или равномерного прямолинейного движения. Второй закон Н ьютона ^ F а-—\ т с -* г=та Ускорение любого тела прямо пропорционально приложенной силе и обратно пропорциоиапьно массе тела. Третий закон Ньютона -> -» F,=-F, Силы, с когорыми действуют друг на друга з^ла, по абсолюгиому .значению равны и направлены по одной и той же прямой в противоположные стороны. Закон всемирного таготения F.G у Все тела притягивают’ друт друт а с силой, пропорционачьной произведению масс этих чел и образно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Закон Джоуля-Ленца Q = fRt Количество теплоты, выделяемое в проводнике при прохождении по нему тока, прямо пропорционально квадрагу' силы тока, сопротивлению проводника и времени, в течении которого проходил ток. Закон Паскаля p — const Внешнее давление, производимое на жидкость или 1ДЗ в сосзюянии покоя, передается во все стороны одинаково. Закон Архимеда Р'лё ^ На тело, погруэкенное в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, равная весу жидкости или газа, взятом в объеме тела. ПРОВЕРКА ПОДГОТОВЛЕННОСТИ Дорогие ученики! Вы в младших классах проходили предметы «Физика», «Природоведение», «Мир вокруг нас», «Химия», где изучали строение вещества и тепловые процессы. В 9 классе вы будете изучать молекулярную физику и термодинамические процессы. Прежде, чем изучать раздел, проверьте уровень своих знаний, ответив на 10 тестовых вопросов. ТЕСТОВЫЕ ВОПРОСЫ 1. Фатима любит спать вместе с кошкой. При этом кто кого греет? A) Нккто, так как они находятся в одной комнате. B) Фатима греет кошку. C) Кошка греет Фатиму. D) Обе греют друг друга. E) OiBCT зависит от породы кошки. 2. Почему водяные пары поднимаются вверх от поверхности Земли? A) Из-за того, что молекулы водяных паров легче, чем молекулы воздуха. B) Из-за того, что температура воды выше, чем температура воздуха. C) Из-за того, что температу'ра водяных паров выше, чем температура воды. D) Из-за влияния ветра. E) Правильный ответ не приведен. 3. Что такое конвекция? A) Взаимный обмен теплоты тел через излy^гeниe. B) Теплообмен между непосредственно соприкасающимися телами. C) Теплообмен между неравномерно нагретыми слоями жид- кости или газа за счет силы тяжести. D) Образование везра между неравномерно нагретыми слоями воздуха. E) Образование ветра между слоями воздуха, имеющих различные давления. 4. Каким образом тепло передается 03 Солнца к Земле? A) Благодаря конвекции. B) Через излучение. C) Теплопроводностью. D) Способом А, В. E) Способом А, В, С. 5. Как взаимодействуют между собой молекулы твердого тела? A) Молекулы взаимно притягиваются. B) Молекулы взаимно оггалкива-ются. C) Взаимодействие между молекулами равно нулю. D) Нет никакой силы взаимодействия между молекулами. E) Сила притяжения между молекулами больше силы отталкивания. 6. Почему при строительстве железных дорог оставляют зазор меж^ту рельсами? A) Чтобы сэкономить материал. B) Чтобы окисление от одного рельса не перешло к другому. C) Чтобы учесть расширение рельсов при нагревании и сокращение при охлаждении. D) Чтобы увеличить трение между колесами вагона и железнодорожного рельса. E) Чтобы насекомые без проблем могли пересекать железную до-рогу. 7. Как зависит плотиоечь воды от темперачуры? A) Плотность увеличивается с ростом температуры. B) Плотность уменьшается с ростом температуры. C) Плотность не зависит от темпе-рачуры. D) Плотность увеличивается с ростом температуры только при температурах, превышающих 4'С. E) Плотность уменьшается с ростом температуры только при температурах, превышающих 4‘'С. 8. Почему уменьшается чемперату-ра воздуха по мере подъема над по-верхноечью Земли? A) Из-за уменьшения плотности воздуха по мере подъема. B) Из-за отсутствия ветра в верхних слоях. C) Вопрос неверный. Потому что нагретый воздух поднимается вверх и с повышением высоты температура увеличивается. D) Воздух, расположенный вблизи поверхности Земли, нагревается за счет отраженных от поверхности тепла и солнечных лучей. E) Из-за причин, приведенных в ответах пунктов А, В, D. 9. Оч каких из следующих параметров зависит виуч реиняя энергия вещества; объем (Е), температура (Т), плотность (р)? A) Только от объема. B) Только от температуры. C) Только от плотности. D) От температуры и объема. E) От температуры и плотности. 10. Явление перемешивания двух веществ в результате беспорядочного движения молекул вещеечва называется... A) ... конвекцией; B) ... диффузией; C) ... тепловым обменом; D) ... изменением вЕчутренней энергии; E) ... внутренним трением. ГЛАВА I МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА В этой главе вы ознакомитесь со следующим материалом: молекулярно-кинетическое строение вещества; размеры и массы молекул; скорость движения молекул газа; основы молекулярно-кинетической теории идеального газа; температура вещества; уравнение состояния идеального газа; свойства и молекулярное строение жидкости; свойства твердых тел; испарение и конденсация, а также плавление и кристаллизация; внутренняя энергия, количество теплоты и термодинамическая работа; первый закон термодинамики. Глава I. Молекулярная физика и термодинамика ВВОДНАЯ БЕСЕДА Когда вы проснулись утром, у вас болела голова. Сразу же термометром измерили вашу температуру и сказали, что она равна 37,6°С. Быстро показали врачу и он выписал лекарства. Средняя температура здорового человека равна 36°С. При изменении температуры нашего тела всего на 1—2 градуса мы уже чувствуем недомогание. Точно таким же образом изменение температуры окружающей среды на 20—30°С при смене времени года изменяет все вокруг нас. Если бы температура на Земле была бы выше нынешней на 40—50°С, вся вода в морях и океанах испарилась. Тогда прекратилась бы и жизнь на Земле. Тепловых явлений вокруг нас много, поэтому мы изучаем тепловые процессы и связанное с ними строение вещества (вспомните пар, вода, лед). Первоначальное представление о строении вещества было изложено в трудах древнегреческого ученого Демокрита (460—370 годы до н.э.). Он считал, что все зела состоят из неделимых очень маленьких частиц— атомов. Беруни и Ибн Сино, жившие в IX—X веке, тоже утверждали, что вешество состоит из мельчайших частиц, объясняли причины того, почему идет дождь или снег и процессы теплового расширения. Известно, что вначапе сильное развитие получила раздел науки — механика. Законы механики, открытые великим ученым Ньютоном, были настолько велики, что их пытались применить и к движению частиц, из которых состоит вешество. Но из этого ничего не получилось. Так как здесь количество участвующих в движении частиц настолько велико и их движение абсолютно беспорядочно. Поэтому первоначальная теория теплоты была предложена в начале XVH века. К этому времени был изобретен и термометр. Впервые появилась возможность измерить температуру тепловых процессов. Но не было единого мнения о том, что измеряют при помощи термометра. До середины XVIII века не было определенной |раницы между понятиями «температура» и «количество теплоты». На вопрос, что такое теплота, существовало два ответа. В соответствии с первым, в веществах существовала невесомая и невидимая жидкость — «теплород». В теплых телах его много, а в холодных мало. Например, при сгорании дров «теплород», находящийся в них, переходит в жидкость в котле, и ее температура повышается. Камень не горит, поэтому в нем нет «теплорода». В соответствии со вторым, теплота — это движение частиц, из которого состоит тело. Чем быстрее движется частицы, тем выше температура тела. Эту теорию в начале называли корпускулярной теорией теплоты (от латинского corpusculum — частица). Эту теорию поддерживали такие великие ученые, как И. Ньютон, Р. Гук, Тема 1. Молекулярно-кинетическое строение вещества Р. Бойл. К середине XVIII века теория «теплорода» временно была побеждена, так как был открыт закон сохранения количества теялотьп при теплопередаче. Была создана качественная теория теплоемкости тела, теплоты плавления и удельной теплоты парообразования, а также теплопроводности. Мы до сих пор используем термины, введенные для опи сания тепловых процессов. К концу XVIII века теория теплорода не могла объяснить многие процессы. Например, в вакууме можно расплавить два кусочка льда, потерев их друг о друга (хотя теплород не передается). К середине XIX века экспериментально была определена эквивалентность механической работы и количества теплоты. После этого понятие теплорода было заменено более полным понятием — тепловая энергия. Во второй половине XIX века, когда был открыт закон сохранения энергии, была создана количественная теория тепловых процессов — раздел термодинамики. Открытие этого закона привело к развитию корпускулярной теории теплоты. Теперь она называется молекулярно-кинетической теорией. Только к началу XX века была обеспечена полная победа молекулярно-кинетической теории. Появилась наука статистическая физика, объясняющая поведение большого числа молекул. ТЕМА МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА В повседневной жизни мы сталкиваемся с различными веществами. Они встречаются в различных видах. Одни твердые, другие мягкие, некоторые жидкие, а некоторые имеют запах. Человек всегда ими пользовался. Если в начальный период человек пользовался веществами, существующими в природе, то после, изучив их свойства, стал создавать вещества с необходимыми ему свойствами. Например, различные лекарства, пластмассы и т. д. Из 6 класса вам известно, что вещества состоят из мельчайших частиц — молекул и атомов. Они постоянно находятся в движении и взаимодействуют друг с другом. А также знаете, доказательством того, что они постоянно находятся в движении, являются процессы диффузии и теплообмена. Также вам известно, что именно из-за движения частиц металлы хорошо проводят тепло, а дерево плохо. Явление диффузии тоже зависит от движения частиц. В нагретых веществах дифф>^зия протекает быстрее. Из выше сказанного следует, что вещества состоят из частиц и что движение частиц определяет их свойства. Такая трактовка называется объяснением строения вещества с молекулярно-кинетической точки зрения (I вставка). Глава I. Молекулярная физика и термодинамика I вставка Основы молекулярно-кинетической теории вещества: — вещества состоят из мельчайших частиц — молекул и атомов; — они находяггся в беспорядочном и непрерывном движении; — частицы взаимодейсгвуют друг с другом; — свойства вещества определяются движением этих мачекул и их взаимодействием. Известно, что пар, вода и лед состоят из одних и тех же частиц. Но одни из них находятся в газообразном, другие в жидком, а третьи в твердом состоянии. Как это объясняется с молекулярно-кинетической точки зрения? Как было сказано выше, частицы находятся в постоянном движении и взаимодействуют друг с другом. Значит, в парообразном состоянии частицы двигаются быстро и сила взаимодействия мала. В твердом состоянии движение частиц очень медленное и сила взаимодействия велика. Приведенные доводы считаются не прямыми. Закономерен вопрос, а кто-нибудь видел движение частиц? Да, есть люди, которые это видели. В настоящее время сутцествуют микроскопы с увеличением в 5 000 000 раз (вспомните микроскоп, который вы видели на уроке биологии). При помощи «туннельного микроскопа», созданного в конце 80-годов известной фирмой IBM (город Цюрих), можно получгггь увеличение в 100 000 000 раз. Ученые Г. Биннинг и Г. Рорер, создавшие этот микроскоп, были удостоены Нобелевской премии. При помощи таких микроскопов можно с большой точностью измерить размеры атомов. ]. Чем отличаются друг от друга частицы холодной и горячей воды? 2. Какие процессы подтверждают молекулярно-кинетическую трактовку вещества? 3. На рисунке показаны расположения частиц пара (а), воды (б) и льда (в). Чем они отличаются? а) О'' ^ б) е) 10 Тема 2. Размеры и масса молекул. Число Авогадро ТЕМА 2 '6: РАЗМЕРЫ И МАССА МОЛЕКУЛ. ЧИСЛО АВОГАДРО Из курса физики 6-класса и химии 7-ic'iacca известно, что молекулы состоят из атомов. Например, молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода (Н^О). Некоторые одинаковые атомы, соединившись, могут образовать молекулу. Например, водород — Н„ кислород — О,, азот — Nj. Некоторые вещества состоят только из атомов. Например, инертные газы такие, как гелий -- Не, аргон — Аг, ксенон — Хе. Молекулы некоторых веществ состоят из большого числа атомов. Примером этому могут служить полимеры. В полимерах «молекулы» могут состоять из тысячи и сотни тысяч атомов. Таким образом, чему равна масса и размеры молекул? Как было сказано выше, их размеры можно определить при помощи электронных и туннельных микроскопов. Но существуют методы, при помощи которых это могут определять и сами ученики. Х1ля этого берется стеклянный сосуд диаметром 8—10 см и высотой 1 см (чашка Петри). В ча1ику наливают немного воды. На электронных весах очень точно взвешивается чашка вместе с водой и определяется ее масса (///,). Затем па воду капают несколько капель расгительного масла. Масло растекается по поверхности воды и образует пленку толщиной в одну молекулу. На электронных весах определяется масса (дг,) чашки с водой и маслом, разность Ат= -/н, дает массу масла. При.помощи штангенциркуля измеряется диаметр пятна растекшегося масла (d) (рис. I). При помощи формулы S = ~- определяется площадь масляной пленки. Из справочника выписывается плотность масла (/)). На основании формулы Ат = р' V, Ат = р • S- И. Из формулы вычисляется толщина пленки И = Щ. Отсюда диаметр одной молекулы получается в преде- pS лах £)~ 10 ’ м. Величины, измеренные туннельным микроскопом, дают величину, близкую этому. Диаметр атома углерода, измеренного микроскопом, равен 1,4* 10 ®см. А у молекулы водорода он равен 2,3 • 10"** см. Насколько эта величина маленькая можно представить из следующего сравнения. Если по знаку волшебника размер молекулы станет равен размеру вашей головы, то ваша голова будет иметь размер Солнца. Теперь, злая размер одной молекулы, можно сосчитать количество молекул в 1 грамме воды. Объем капли будет равен 1 см\ Будем считать, что молеку- Рис- I 11 глава I. Молекулярная физика и термодинамика лы ПЛОТНО упакованы. Диаметр молекулы воды приблизительно равен 3 • 10 ** см. Тогда, считая, что объем молекулы равен (3 • Ю*" см)\ найдем число молекул. yv = —з,7 10Ч (3 10-*см)’ Чтобы представить себе это число, поступим следующим образом. Если такое количество людей станут друг за другом, то тогда они не поместятся на Земле. Отсюда подсчитаем массу одной молекулы воды. ! г .3,7 10' 22 «2,7.10 ” г. Относительная молекулярная масса. Так как массы молекул очень малы, для их измерения в качестве «гири» в 1961 году решили взять сами атомы. Здесь в качестве эталона была принята ^ часть массы атома углерода. Причина этого в том, что уллерод входит в состав большинства органических соединений. Если взять ^ часть, то массы большинства атомов можно представить целыми числами. Например, относительная масса атома водорода равна единице. Ф Относительной молекулярной (или атомной) массой вещества •V называют отношение массы молекулы (или атома) т^ к ^ части массы атома углерода т^.. Количество вещества. Из выше приведенных примеров видно, что атомы и молекулы в веществах бывают в очень больших количествах. Поэтому удобно выражать количество атомов в вегиестве не в абсолютных значениях, а в относительных. Для этого количество молекул или атомов в веществе сравнивают с количеством атомов в 12 г углерода. Ф Количеством вещества называют отношение количества молекул в 9У данном теле Nk количеству атомов содержащихся в 12 г углерода N Количество вещества измеряется в молях. 12 Тема 3. Скорость молекул газа. Опыты Штерна. ® Количество вещества в 12 г углерода принято считать равным 1 молю. Один моль — это количество вещества, содержащее столько же молекул, сколько содержится в 12 г углерода. Постоянная Авогадро. Сколько молекул будет в одном моле веще-сгва? Из определения 1 моля видно, чго количество аюмов (или молекул) в одном моле любого вешеста одинаково. Это число было названо в честь жившего в XIX веке итальянского ученою А. Авогадро. Оно равно 7V= 6,023- 10” моль ' Отсюда число молекул в I г водорода, 32 г кислорода или в 28 г азота равно N^. Ф Молярная масса. Молярной массой называется масса 1 моля вещества, выраженного в килограммах (граммах). Молярная масса равна произведению массы одной молекулы на число Авогадро. М = m^N. о А Используя понятие молярной массы, можно определить количество вещества следующим образом V — м Здесь т = от,, • Д'; от — масса вещества, Д — число молекул в веществе. /. Что вы понимаете под молярной массой ? 2. Как определяется молярная масса? 3. Как можно опреде/шть размеры молекул вещества? ТЕМА СКОРОСТЬ МОЛЕКУЛ ГАЗА. ОПЫТЫ ШТЕРНА. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ МОЛЕКУЛ ПО СКОРОСТЯМ Скорость движения молекул впервые была измерена О. Штерном в 1920 году. Метод измерения объясним при помощи устройства, показанного на рисунке 2. Платиновая проволока (7) покрыта тонким слоем се- 13 Глава I. Молекулярная физика и термодинамика ic::! — в 10> tJ Рис. 2 ребра. Вокруг проволоки находятся два цилиндра. Радиус внугреннего цилиндра (2) равен г, и в нем оставлена маленькая шель. Когда через проволоку пропускают электрический ток, проволока нагревается и из нее начинают вылетать атомы серебра. Вылетающие из проволоки атомы серебра пролетают через шель внутреннего цилиндра и оседают в точке А внутренней части внешнего цилиндра (.?). После этого оба цилиндра приводятся во вращение с угловой скоростью U). В этом случае за время, пока атомы, вылетающие из щели, достигнут виепшего цилиндра, сам внешний цилиндр сместтся на расстояние Д/. Зная расстояние между точками А и В, разность радиусов цилиндров R—rw угловую скоростью, можно вычислить скорость атомов из следующей формулы. ft) /? (Д-г) V = ’----^ л/ Опыты показывают, что атомы серебра попадают не только в начало и конец отрезка Д/, но покрывают весь отрезок. При изучении полоски серебра оказалось, что его толщина не везде одинакова. Поперечное сечение полоски имело вид, приведенный на рисунке 3. Поэтому большая часть атомов имела определенную среднюю скорость. Так почему вся полоска длиной Д/ была покрыта серебром и почему его толщина различная? Теоретическое распределение молекул по скоростям разработал в 1860 году английский физик Дж. Максвелл. Из теории Максвелла и опытов Штерна можно заключить следующее: 1. Не все молекулы (атомы) движутся с одинаковой скоростью. Атомы с большей скоростью оседают около точки А, а атомы с меньшей скоростью около точки В. 2. Число молекул (атомов) не одинаково распределено по скоростям. Здесь молекул с большей и меньшей скоростью меньше. 3. С повышением температуры повышается число молекул с большей скоростью. 14 Тема 3. Скорость молекул газа. Опыты Штерна. Скорость молекул некоторых веществ при / = 0° С приведена в таблице I. Таблица I Газ Г’, м/с Газ 1', м/с Водород 1838 Кислород 641 А'заг 493 Углекислый газ 393 Аргон 414 Пеон 580 Примеры решения задач. Задача. Какое количество вещества содержится в 100 г воды? Дано; т = 100 г = о, I кг М= 18- 10-^ — Требуется найти: V — ? Формула: т v = М Р е щ С н И е: О,! кг с сс V =----------^----------» 5, j5 ^ t/i- ■ IK 10 3 К1 МОЛЬ. моль Ответ: ~ 5,55 моль. об Задача. В опыте Штерна скорость вращения цилиндра равна 500 , j' г\ мин радиус внещнего цилиндра равна 60 см, а внутреннего 10 см. Если длина серебряной полоски равна 3 см, то чему равна скорость атомов серебра? Дано: и = -500 — МИН Д = 60 см = = 0,6 м г = 10 см = 0,1 м Д/ = 3 см = 0,03 м Т ребуется V — ? найти: Формула: wR{R-r) v = - А/ ,. _ 2лп (О =---- 60 Решение: 2.3,14 500 <0 =-------= 52,-5 — 60 с т, = 5М^==523м/с. Ответ: ~ 523 м/с. Упражнение 1. 1. Сколько молекул содержится в 1 литре воды? {Ответ: 3,33* 10^^). 2. Чему равна масса одной молекулы кислорода? Л/= 32* 10"^ кг/моль. {Ответ: « 5,33 • 10'^^ кг). 1-5 Глава I. Молекулярная физика и термодинамика 3. Сравните количество молекул в I г водорода и азота. 4. Какова масса 5 моль углекислого газа? Л/= 44 • 10 ’ кг/моль. (Ответ: 0,22 кг). /. Как изменяется скорость молекул вещество с падением температуры? Ф J 2. В опыте Штерна как изменяется Л /, если увеличить радиус внешнего цилиндра ? I ТЕМА 4 ОСНОВНОЕ УРАВНЕНИЕ МОЛЕКУЛЯРНОКИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА В повседневной жизни вещества вс1реча10тся в трех состояниях: твердом, жидком и газообразном. Это называют тремя агрегатными состояниями вещества. И:$учеиие свойств вещества начнем с изучения свойств газов. Известно, что молекулы газа совершают непрерывное и беспорядочное движение. Поэтому нет возможности написать уравнение, описывающее движение каждой молекулы. По :>той причине постараемся описать состояние газа другими параметрами. Для этого будем считать, что газ идеальный. Чтобы газ был идеальным необходимо, чтобы соблюдались следующие условия. 1. Молекулы газа такие маленькие, что их размерами можно пренебречь по сравнению с размерами сосуда. 2. Молекулы газа находятся на достаточно больщом расстоянии друг от друга и не взаимодействуют. 3. Они взаимодействуют только при столкновении. Для изучения газа поместим его в какой-то сосуд. Тогда газ занимает полный объем (V) сосуда. Из-за toio, что молекулы газа совершают непрерывное и беспорядочное движение они постоянно сталкиваются со стенками сосуда. Эти столкновения создают давление газа (вспомните из 6 класса). Если мы хотим изучать состояние газа с точки зрения молекулярнокинетической теории, то мы должны сделать привязку к движению молекул. Значит, состояние газа можно изучить, определив его давление. От чего зависит давление газа? Чем больше будет количество молекул, соударяющихся со стенкой сосуда, тем больше будет давление газа. В большом сосуде количество молекул будет больше, чем в маленьком. Но объем большого сосуда будет больше объема маленького сосуда. Поэтому давление газа будет зависеть от концентрации молекул. 16 Тема 4. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа f ] Количество молекул в единице объема называется концентрацией. п = yv V Значит можно считать, что давление нропорн,ионалыю концентрации молекул р ~ п. Давление, оказываемое молекулами на стенку сосуда, зависит также от их размера и скорости. ^2 и р~1Г Надо принять во внимание, что движение молекул происходит по 3 координатным осям х, у и В одном направлении движется ^ часть всех молекул. Тогда давление газа можно считать равным р = Ь1ЩУ^ Ф D3Ta формула считается основной формулой молекулярно-кинетической теории. Данное уравнение умножим и разделим на два. :г.2 Д=-| здесь Ek =“-----средняя кинетическая энергия, прихо- дящаяся на одну молекулу. С учетом этого основное уравнение молекулярно-кинетической теории запишется в следующем виде; p=zjnEk. Если учесть, что в уравнении ~ , _ 2 Awq 3 И 2 масса газа, р — плотность газа) основное уравнение запишется так: P=\pv^ /. Что было принято во внимание при выведении основного уравнения молекулярно-кинетической теории для идеального газа? 2. Почему было введено понятие идеального газа? 3. Может ли полностью описать состояние газа уравнение, учитывающее давление газа ? 17 Глава I. Молекулярная физика и термодинамика ТЕМА 5 ТЕМПЕРАТУРА. МОЛЕКУЛЯРНОКИНЕТИЧЕСКИЙ СМЫСЛ ТЕМПЕРАТУРЫ Вы из 6-класса имеете первоначальное представление о температуре и методы ее измерения термометром. Там температура рассматривалась как степень нагретости тела. Но это не открывает ее настоящего значения (смысла). Рассмотрим лед с температурой -10° С и -20° С. Можно ли назвать лед с температурой -10° С более «теплым», чем лед с температурой -20° С? Молекулярно-кинетическая теория вносит ясность в эту физическую величину. Рассмотрим это на примере: воду при температуре 10° С называем холодной, а при температуре 70° С горячей. Так чем же с точки зрения молекулярно-кинетической теории они отличаются друг от друга? Они отличаются движением молекул, т. е. их кинетической энергией. Молекулы воды при температуре 70° С двигаются быстрее, чем молекулы воды при 10° С. Строение жидкости и молекулы в обох случаях одинаковы. Также, если нагревать газ в сосуде, то его молекулы будут двигатся быстрее. Если сосуд заткнуть пробкой, то она вылетит (рис. 4). Значит, с повышением температуры повышается и его давление. р~ Т Здесь Т — абсолютная температура. Если ввести коэффициент связывающий р W Т, то р = пкТ Эта формула считается одним из уравнений молекулярно-кинетической теории. Если ее сравнить с формулой из предыдущей темы, то jwE =пкТ отсюда Т = ~ — 3 к Таким образом получаем молекулярно-кинетическое толкование температуры. Ф Температура газа. есть мера средней кинетической энергии молекул 18 Тема 5. Температура. Молекулярно-кинетический смысл температуры Из уравнения мы получим значение для к 3 т ф |Л Значит, она показывает, насколько изменяется энергия движе-’ ' ния одной молекулы при изменении температуры на 1 К. Этот коэффициент в науку вошел под названием постоянная Больцмана. Она равна к^ = 1,380662 10 23ДЖ-К Эта величина названа в честь австрийского физика Л. Больцмана, внесшего большой вклад в молекулярно-кинегическую теорию. В 6 классе вам рассказывали о температурной шкале Цельсия. В ней за 0° С принимают температуру тающего льда, а за 100° С принимают температуру кипения воды при норма.11ьном агмосферном давлении. Эта шкала имеет одно неудобство. При умножении температуры на другие величины при отрицательной темперазуре получаезся отрицательная величина. Эзо искажает физический смысл полученной величины. Использования молекулярно-кинетического толкования температуры дало возможность получить шкалу только с положительным значением гемперазуры. Там в качестве нуля берется температура, при которой прекращаезся движение молекул. Она называется абсолютным нулем. Шкала температуры, которая начиггается с абсолютного нуля, называется термодинамической шкалой температуры или тка-юй Кельвина и обозначается буквой °К. Абсолютный ноль по шкале Кельвина равен по шкале Цельсия — 273,16° С. При расчетах округленно принимают —273° С. Температура по шкале Кельвина обозначается буквой Т, а по шкале Цельсия t°C. Г=г+ 273 или t=T-m Для измерения температуры наряду с ртутными и спиртовыми термометрами исиолызу-ются и электронные (рис. 5). Основным элементом в них являются полупроводниковые датчики, у которых электрическое сопротивление очень чувствительно к изменению температуры. ггЛ Рис. 5 /. Из чего состоит молекулярно-кинетическое толкование температуры? 2. Какой физический смысл постоянной Больцмана? 3. Что вы понимаете под словом абсолютный нуль? 19 Глава I. Молекулярная физика и термодинамика Есть жи11Кость, каюрая ие переходит в твердое состояние даже при искусственном охлаждении. Это гелий. Он кипит при температуре -273°С. 'Гемпература жидкого азота -200°С, самая низкая температура, которая наблюдашсь на земле -88'С (Ашарктида). Средняя температура на Марсе -60°С, при температуре тела +42''С человек теряет сознание, а самая высокая температура, которая наблюдалась на земле +58°С (Северная Африка). ТЕМА 6 Л'о ИЗОПРОЦЕССЫ J '' о р, V, Г>-* W yi -> ^ О о J ^ Продолжим изучение свойства вещества в газообразном газовом состоянии. Сначала определим основные параметры, определяющие состояние газа. В систему, состоящую из цилиндра и поршня, поместим идеальный газ (рис. 6). Газ полностью займет объем сосуда. Газ в сосуде имеет определенную температуру (Г) и давление (р). Масса газа (т) и его состав (М) — постоятгные величины. Двигая поршнем, можно изменять давление и объем газа. Нагревая и охлаждая, можно изменить его температуру. Значит, состояние газа определяет три величины; давление — р, объем — Ги температура — Т Ф Изменение одного из параметров газа называется процессом. Если в течение npoirecca один из параметров остается без изменения, то такой процесс называется изопроцессом. 1. Пусть Т = const, этот процесс называется изотермическим. В этом случае изменяются р w V. Э-гот процесс в (660 году впервые изучил английский ученый Р. Бойль (1627—1691). Опыт проводился следующим образом (рис. 7). Берется изогнутая, как показано на рисунке, запаянная с одной стороны трубка и в нее наливают определенное количество ртути. Рис. 6 а) Рис. 7 20 Тема 6. Изопроцессы Меаду запаянным концом и ртутью остается воздух. В длинную часть трубки доливаю'! ртуть. При разнице столбиков ртути равной h = 760 мм объем газа в запаянной части трубки уменьшается в 2 раза. Значит, при увеличении давления газа в 2 раза объем уменьшается в 2 раза. В течение опыта температура окружающей среды остается постоянной. Впоследствии французский ученый Е. Мариотт (1620—1684) независимо от Бойля пришел к таким же выводам. Поэтому этот закон носит название закона Бойля-Мариотза. В соответствии с этим законом £L = h-, Отсюда р. V. = Р2 V^ >'11/2 2 pV = const ФПри постоянной гемпера'гуре произведение давления газа на его объем есть величина постоянная. График зависимости давления от объема газа (изотерма) приводится на рис. 8. 2. Изобарный процесс. р = const. Изменяется Т и V. Спустя 150 лет в 1802 г. этот процесс изучал французский ученый Гей-Люссак. В результате был открыт следующий закон = или — = const при постоянном давлении отношение объема газа к температуре ес1ь величина постоянная. На рис. 9 приводятся изобары соответствующие разным давлениям. 3. Изохорный процесс. V = const. Изменяются Т м р. Этот процесс в 1787* году изучал французский ученый Ж. Шарль (1746—1823). В результате был открыт следующий закон. А т. El Т2 или -Е. = const Т Ф DnpH П0С10ЯНН0М объеме отношение давления газа к '1емпера'!'уре есть величина постоянная. На рис. 10 приводятся изохоры соответствующие разным объемам. * Ш. Шарль в 1787 году раньше Гей-Люссака изучал изобарный процесс, но результаты нс были опубликованы. 21 Глава I. Молекулярная физика и термодинамика /. Что вы понимаете под словом состояние? 2. Какой вид имеет график зависимости р от Vдля изохорного процесса? 3. Как определялось увеличение давления в 2раза в опыте Бойля? Возьмите одноразовый шприц, U образную манометрическую трубку и соедините их резиновой трубкой. Нажимая на поршень шприца, уменьагите ею об'ьем. Запишите показания манометра. Сравните изменение давления и объема с законом Бойля-Мариотта. ТЕМА 7 УРАВНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА В предылушем разделе было определено, что состояние идеального газа определялось давлением р, объемом V и температурой Т Вы узнали, что идущие в газах изопроцессы подчиняются определенным законам. Теперь рассмотрим состояние, при котором меняются все три параметра. ® Уравнение связывающее все три параметра газа: температуру, объем и давление, называется уравнением состояния. Для выведения уравнения состояния проведем следующий простой опыт (рис. 11). Берем стеклянный медицинский шприц, причем температурный коэффициент расширения стекла должен быть маленьким, и соединяем резиновой трубкой с манометром. Отмечается положение поршня шприца (1). Температура воздуха T^ измеряется термометром. Затем шприц опускают в банку с горячей водой. Опускают термометр в воду и измеряют ее температуру (7'). В течение 1- Рис. 11 -2 минуты воздух внутри шприца нагревается и увеличивается его давле-гше. Увеличение давления определяется из разности столба воды в манометре. Затем, двигая поршень шприца вверх, увеличиваем объем воздуха внутри шприца. Записывается соответствующее этому положению показание манометра и изменение объема. Отобразим этот опыт на графике (рис. ! 2). Переход газа из состояния / в состояние 2 происходит в результате двух 22 Тема 7. Уравнение состояния идеального газа процессов. Сначала газ изохорно переходит из состояния 1 в состояние У', а затем изотермически из Г в 2. Для этих процессов напишем уравнения Шарля и Бойля-Мариотта. ■^ = -^ и р'У, = Р2^2’ если вместо Р\~ ’Р\> ™ полу'чим P^V^ = Отсюда Ф _ Р2>^2 7] Т2 рУ -— = const Рис. 12 называется уравнением состояния идеального газа. В честь французского физика Б. Р. Клапейрона (1799—1864) это уравнение назвали уравнением Клапейрона. Если отношение остается постоянным, то чему равно его значение? Чтобы вычислить ЭТО возьмем газ в количестве 1 моля. Опыты показывают, что объем 1 моля любого газа при температуре 0° С и нормальном атмосферном давлении (101325 Ра) равен = 0,0224 м-умоль. Отсюда = Т 7q 273 м^-моль А^ моль К Эта постоянная величина R= 8,31 моль- К называется универсальной газовой постоянной. Тогда уравнение состояния для 1 моля идеального газа будет рК. = RT Д. и. Менделеев (1834—1907) написал уравнение состояния для любого количества идеального газа (2 вставка). Г~6 2 вставка Уравнение Менделеева- Клапейрона pV = ^RT ' м 23 Глава I. Молекулярная физика и термодинамика Примеры решения задач 1. В сосуде с подвижным поршнем находится газ объемом 2 л. Температура газа 27° С. До какой температуры надо нафеть газ, чтобы его объем стал 3 л? Дано: К, = 2л Г, = Зл Г = 27° С Формула: Г, = 27° С + 273° С = 300 К. Требуется найти: Tj — ? т - Решение: Т, = I • 300 К = 450 К. Ответ: 450 К. 2. В сосуде объемом 2 л находится газ массой 100 г. Давление газа в баллоне равно 2 атм. Баллон с газом соединяют точно с таким же пустым баллоном. Чему будет равно давление газа, если он переходит во второй баллон при постоянной температуре? Дано: т=- 100 г Р, = 2л p^ = 2 атм. Pj = 2 К, Т = const Требуется найти: Формула т, iH Тг Р\У\ ^ Р2Щ 7, T^ А Решение: 2атм I л...,, р, =----= 1 aiM. Ответ: 1 атм. Упражнедше 2. 1. 2. Насколько надо увеличить температуру газа, находящегося в открытом сосуде при температуре 20° С, чтобы его плотность уменьшилась в 2 раза? {Ответ: 293°С). В сосуде объемом Юл находится водород при давлении 10 атм и температуре 20° С. Чему равна масса водорода в сосуде? Л/= 2- 10-3 . {Ответ: 8,2 г). Если увеличение температуры идеального газа в 3 раза приводит к увеличению давления в 1,5 раза, как изменится концентрация молекул? {Ответ: уменьшится в 2 раза). 24 Тема 8. Испарение и конденсация 4. 5. Когда из сосуда вышла половина газа, его температура понизилась с 20° С до 5° С. Как изменилось давление газа? (Ответ: уменьшится в 2,14 раза). При закачке воздуха в баалон автомобиля «Нексия» давление воздуха увеличилось от 1 атм до 2 атм. На сколько градусов при этом увеличится eio температура? При этом масса воздуха в баллоне увеличится в 2 раза. Температура наружного воздуха 20° С. {Ответ: 293 К). ТЕМА 8 ИСПАРЕНИЕ И КОНДЕНСАЦИЯ Утром, быстро позавтракав, вы пошли в школу. На дне пиалы остались капельки чая. Когда вы вернулись из школы, чай в пиале испарился и на донышке остался коричневый налет. Похожие события мы наблюдаем каждый день. Если повесить выстиранную мокрую одежду на веревке, она высыхает. Вода, разбрызганная во дворе, духи, оставленные открытыми, быстро испаряются. Причиной всему этому является испарение жидкости. Ф Процесс, при котором с поверхности жидкости вылетают молекулы, называется испарением. Почему из жидкости вылетают молекулы? На основе молекулярно-кинетической теории это объясняется следуюи;им образом. В жидкости имеются молекулы с большой скоростью (кинетической энергией), а также молекулы с маленькой скоростью. В процессе движения, если молекулы с большой кинетической энергией подходят к поверхности воды, то сила взаимного притяжения молекул не может их удержать и они вылетают из жидкос“ги. Количество молекул, вылетающих со свободной поверхности жидкости за единицу времени, называется скоростью испарения. При испарении молекулы с большой кинетической энергией покидают жидкость, и поэтому жидкость охлаждается. От чего зависит скорость испарения жидкости? Если стакан воды налить в нифокую миску, то вода в миске быстрее испаряется, чем вода в стакане. Значит, чем больше поверхность жидкости, тем быстрее она испаряется. В теплые дни развешенное белье высыхает быстрее, чем в холодные. Значит, чем выше температура жидкости, тем быстрее происходит ис- 25 Глава I. Молекулярная физика и термодинамика парение. Если посмотреть на двигатель машины, то впереди него для охлаждения устанавливается пропеллер. Поэтому в жаркие летние дни мы включаем вентилятор. При этом пот на теле человека быстро испаряется и тело охлаждается. Значит, когда дует eeiep испарение происходит быстрее. Если на стол капнуть каплю эфира и бензина, то при одинаковой температуре они испаряются быстрее, чем вода. Значит, скорость испарения зависит также и от вида вещества. При испарении жидкости молекулы, вылетающие из нее, тратят энергию. Величина этой энергии будет разной для разных жидкостей. Следует отметить, что испарение происходит при любой температуре. Так как в жидкости всегда имеются более «горячие» молекулы. Вот поэтому белье, вывешенное зимой на балконе, высыхает. Если над сосудом, в котором кипит вода, поместить более холодное тело, то можно увидеть, что тело покрывается мелкими капельками воды. Здесь водяной пар вновь превращается в жидкость. ^ Явление превращения охлажденного пара в жидкость называется конденсацией. За счет конденсации (от латинского condematio — уплотнение, загустение) испарившаяся с океанов, морей, рек и с листьев растений вода образует облака, идет дождь и снег. Некоторые твердые вещества тоже испаряются. Например, нафталин, йод и сутсой лед. Ф Переход вещес тва напрямую из твердо1о состояния в газообразное называется сублимацией. Ф 1- Почему при испарении жидкость ох/юждается? 2. Почему у разных жидкостей, находящихся в одинаковых условиях, различная скорость испарения? 3. При каких условиях происходит конденсация пара ? 1. Возьмите два одинаковых сосуда, в один налейте горячую, а в другой холодную воду (одну ложку). Оба сосуда поставьте в одно и то же место и проследите, за какое время вода испарится из сосудов. 2. В два одинаковых сосуда налейте одинаковое количество волы (одну ложку). Один сосуд поставьте в тень, другой на солнце. Обратите внимание, за какое время вода испарится из сосудов. 26 Тема 9. Насыщенные и ненасыщенные пары ТЕМА 9 Ж НАСЫЩЕННЫЕ И НЕНАСЫЩЕННЫЕ ПАРЫ Нальем полстакана воды и проследим за ней. Здесь молекулы воды вылетают с поверхности жидкости и смепшваются с воздухом. Некоторые из них вместе с воздухом перемещаются в другое место, а некоторые конденсируются и возвращаются в жидкость. Теперь закроем стакан плотной крышкой (рис. 13). Молекулы, покидающие жидкость, переходят в пространство между поверхностью жидкости и крышкой. Некоторые из них возвращаются обратно в жидкость. Из-за того, что крышка плотно закрыта, большее количество пара конденсируется и возвращается в жидкость. В конце концов количество молекул, в секунду вьшетающих с поверхности жидкости, будет равно количеству молекул, возвращающихся в жидкость. Это состояние называется динамическим равновесием. Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидко-С'1ъю, называют насыщенным паром. В открытом сосуде динамическое равновесие не наступает, так как часть молекул всегда будет рассеиватся вокруг. Такой пар назывется ненасыщенным. Насыщенный пар тоже считается газом. Подчиняется ли насыщенный пар законам идеального газа? Для STOio нальем воду в цилиндр с поршнем. Поршень плотно закрывает цилиндр и не пропускает молекулы наружу. Пар жидкости покидает поверхность и собирается в пространстве между поверхностью жидкости и поршнем. Через некоторое время наступает динамическое равновесие и образуется насыщенный пар (рис. 14-а). 1 s - ^ ^ ^ . j > j j j .> ^ > j . ** Л > i а) б) Рис. 13 Рис. 14 27 Глава I. Молекулярная физика и термодинамика Насыщенный нар имеет собственное давление и температуру. Теперь медленно будем поднимать поршень вверх. В этом случае увеличивается объем занятый паром. Из-за уменьшения конденсации пара свободные места будут заполняться молекулами, вылетающими с поверхности жидкости. Пар над жидкостью снова переходит в насыщенное состояние (рис. 14-6). Здесь, несмотря на то что в обоих слу'чаях давление и температура пара одинаковые, объем различный. Значит, насыщенный пар не подчиняется уравнению состояния идеального газа. Если нагревать цилиндр вместе с паром и жидкостью, то пар переходит в ненасыщенное состояние. Жидкость дополнительно испаряется и возрастает степень концентрации пара над жидкостью. Пар снова переходит в насыщенное состояние. Состояние насыщенного пара определяется следующей формулой р = пкТ Кипение. Поставим на электрическую плитку колбу с водой и понаблюдаем за ней. В процессе нагревания воды на дне колбы будут появляться воздушные пузыри и увеличиваться (рис. 15-о). По мере подъема пузырька объем его будет уменьшаться. Так как темперазура верхних слоев воды ниже температуры слоев нижних, через некоторое время маленький пузырек, образовавшийся па дне колбы, по мере подъема будет увеличиваться и лопаться на поверхности воды. Это происходит потому, что температура верхнего и нижне10 слоев будет одинаковая. При этом будет слышен характерный хлопок. Жидкость закипает. Причина увеличения размера пузырков в том, что жидкость испаряется и внутрь пузырьков. Значит, в процессе кипения жидкость испаряется не только с поверхности жидкости, но и по всему объему. Процесс испарения жщдкости по всему объему называется кипением. Температура, при которой жидкость начинает кипеть, называется температурой кипения. Во время кипения температура жидкости не меняется. Причина в том, что передаваемая жид-а) 6) кости тепловая энергия тратит- Рис. 15 ся на превращение жидкости в 28 Тема 9. Насыщенные и ненасыщенные пары пар. Эта энергия называется энергией испарения. Энергия испарения зависит от вида жидкости. Для сравнения берут по одному килограмму жидкости (3 вставка). Единицей измерения удельной теплоты парообразования (г) является 1г]=1 —. В таблице 2 приведена удельная теплота парообразования и температура кипения некоторых жидкостей. ^ 3 вставка, Количество геплогы, необходимое для превращения при нор-ма.11Ы10м атмосферном давлении и температуре кипения 1 кг жидкости в пар, называсгся удельной теплотой парообразования. т Таблица 2 Название вещества г, МДж/кг Асип.1 ^ Название вещества г, МДж/кг *кип.? Ртуть 0,29 357 Вода 2,3 100 Эфир 0,41 34,6 Аммиак 1,4 -33,4 Спирт 0,9 78 Температура кипения жидкости зависит от внешнего давления. С повышением давления температура кипения тоже повышается, с уменьшением давления температура кипения уменьшается. Например, при внешнем давлении 0,1 МПа вода закипает при температуре 99,7° С, при 0,5 МПа 151,7° С, а при 1 МПа 179,7° С. На вершине высокой горы в открытом котле мясо можно варить с утра до вечера, но оно не сварится потому, что температура воды будет 70—80°С. Например, на Памире, на высоте 7 км вода кипит при 70°С. Почему при приготовлении плова его выдерживают плотно закрыв крышкой? Давление и температура пара под крышкой увеличиваются, соответственно повышается и температура воды в рисе. Рис и мясо не развариваются и быстро доходят дого'ювности. /. Почему вода при кипении издает звук ? 2. Б каком сосуде вода быстрее кипит, в открытом шт закрытом? 3. Как можно вскипятить воду при температуре 20° С? Возьмите большую каезрюлю и налейте в нее воду. Положите на дно кастрюли деревянную догцечку и на нее поставьте банку с водой. Проследите, чтобы банка выступата из воды. Поставьте кастрюлю на газовуто плиту и понаблюдайте за кипением воды в ней. При этом закипит ли вода в банке? Почему? Положите utenoTKy соли в воду большой кастрюли. Что происходит с водой в банке? Объясните причину. Послушайте звуки, которые излает вода при кипении. Попытайтесь объяснить, почему в процессе кипения меняется звук. 29 Глава I. Молекулярная физика и термодинамика ТЕМА 10 ВЛАЖНОСТЬ ВОЗДУХА Прислушайтесь к разговору людей, они обязаз елно поведут разговор о погоде. Так как от погоды зависит, к какому решению .мы придем: пойдем ли на рабспу в поле или будем сидеть дома, или поедем отдыхать? и т. д. Что определяет погоду? Основной причиной определяющей погоду является наличие в составе атмосферы паров воды. В возду'хе всегда npHCjnccTByTOT пары воды. Даже в составе воздуха пустыни и степей присутствуют пары воды. В воздух пары воды пере.ходят при испарении с поверхности океанов, морей, суши, листьев растений и т. д. Ф Величину, измеренную количеством водяного пара в 1 м-^ воздуха, называют абсолютной влажностью воздуха. Когда водяные пары, находящиеся в атмосфере, превращаются в дождь, снег и падают на Землю? Чтобы пары воды в процессе конденсации превратились в капли, они должны перейти в насыщенное состояние. Абсолютная влажность показывает степень насыщения водяных паров. Насыщение зависит от температуры и давления воздуха. Поэтому необходимо знать относительную влажность, показывающую степень насыщения воздуха водяными парами. Из 6-класса вы знаете, что в состав атмосферы входят различные газы и пары воды. Давление атмосферы зависит от давления, оказываемого составляющими ее газов и паров воды. Значит, пары 1Г~ 1 1И1^ 4 вставка Относительной влажностью называ-егся отношение давления водяных паров в атмосфере (д) к давлению насыщенного пара (р„) при той же температуре. ^ = ^.100% Рн воды тоже оказывают давление. Относительная влажность измеряется в процентах (4 вставка). Относительная влажность оказывает влияние не только на погоду, но и на самочувствие и состояние людей. Например, человек чувствует себя хорошо, когда температура воздуха равна 25 или 30° С, а относительная влажность составляет 25 %. Если при этой температуре относительная влажность будет 80 % или 90 %, человек чувствует себя плохо и будет находится в угнетенном состоянии. В Узбекистане влажность воздуха меньше, чем в России. Поэтому 30° С для нас нормальная температура, а для России она высокая, и некоторые люди чув- 30 Тема. 10. Влажность воздуха Рис. 16 (?) (1 С1уют себя плохо. Именно при одинаковой температуре и разной влажности чувство riepei’peBa или озноба объясняется тем, что при дыхании и испарении через кожу человек охлаждается. При пониженной относительной влажности испарение происходит быстрее, а при повышенной — испарение замедляется. Опыт показывает, что при относительной влажнос'ги от 40 % до 60 % человек пребывает в хорошем настроении и чувствует себя хорошо. Поэтому относительная влажность воздуха постоянно измеряется. Относительная влажность измеряется приборами называемыми гигрометром и психрометром. Основной частью гигрометра является обезжиренный человеческий волос (рис. 16). Тую натянутый волос соединяют с помощью поворотного механизма со стрелкой. Его упругость зависит от влажности воздуха, и при изменении влажности воздуха она изменяется. По причине того, что его показания не всегда точны, он мало применяется. Психрометр состоит из двух термометров и психрометрической таблицы (рис. 17). Шарик одного из термометров обмотан тканью, нижние концы которой опущены в сосуд с водой. Сутей термометр регистрирует темпеуэатуфу окружающего воздуха, а влажный — температуру испаряющейся воды. В результате возникает разность в показаниях термометров. Если влажность воздуха маленькая, разность будет большой, а при большой влажности разность будет маленькой. Измерив разность температуры и давление определяют относительную влажность по специальным психрометрическим таблицам. /. Как может изменяться относительная влажность воздуха при повьпиении температуры ? 2. Как может изменяться влажность воздуха, если в комнате затопить печь? 3. При передаче прогноза погоды по радио объявили, что относительная влажность воздуха равна 30 %. О чем это говорит ? Рис. 17 ТЕМА 11 ОБРАЗОВАНИЕ В ПРИРОДЕ РОСЫ, ИНЕЯ, ТУМАНА, ОБЛАКОВ И ВЫПАДЕНИЕ ОСАДКОВ Когда, проснувшись узром, вы посмотрели на граву, на листья деревьев, то увидели на них капли воды. «Выпала роса», — сказал отец. У меня возник вопрос: «Если не было дождя, то откуда на листьях появилась вода?». 31 Глава I. Молекулярная физика и термодинамика Конечно, эти и другие вопросы интересуют всех нас. Причина этому следующая. Вам известно, что состояние пара зависит от его температуры и давления. При постоянстве абсолютной влажности возд>жа повышение давления или понижение температуры приводит к тому, что пары воды в воздухе переходят в насып1енное состояние. Некоторая часть пара когщенсируется, образуются капли воды и выпадают на землю. (D Температура, при которой водяной пар становится насыщенным, называется точкой росы. Если точка росы будет ниже 0° С, то конденсированная жидкость будет в виде инея. В общем случае туман тоже один из видов росы. Но в этом случае роса не выпадает па землю, листья растений, а бывает в объеме воздуха. При этом очень маленькая часть (около I %) водяных паров, находя-ищхся в воздухе, превращаются в воду. В каких случаях образуется туман? Во-первых, при конденсации пара в достаточном количестве должны образоваться центры конденсации. Центрами конденсации могут быть ионы, частицы пыли, частицы воды и т. д. Во-вторых, чтобы образовался туман ну'жщт не просто насыщенный, а перенасыщенный пар. Его плотность будет в несколько раз больше плотности насыщенного пара. Он может образоваться двумя способами. Первый способ, абсолютная влажность должна быть достаточно большой, а температура медленно понижаться. Туман, образуюищйся в таких условиях, называется туманом охлаждения. Второй способ, воздух будет иметь некоторую достаточно низкую температуру. Из достаточно теплой поверхности в холодный воздух будут дополнительно подниматься пары воды. В результате возрастет абсолютная влажность. Туман, образующийся в таких условиях называется туманом испарения. Как образуются облака? При нагревании части поверхности, прилежащий воздух в результате конвекции будет подниматься вверх. В процессе подъема воздух расширяется и начинает охлаждаться. Если поднимающийся воздух ненасыщенный, то на каждые 100 м подъема он охлаждается на I градус. При приближении охлаждающего воздуха к точке росы, он охлаждается -0,6°. Из-за расширения поднимающегося воздуха понижается абсолютная влажность (объясните причину). Поэтому и точка росы тоже понижается на 0,2° С на каждые 100 м. Если поднимающийся воздух насыщенный, то на каждые 100 м подъема он охлаждается на 0,4° С. В результате охлаждения пары воды превращаются в капельки воды или кристаллики льда. Таким образом образуются облака. Если поднимающийся вверх поток воздуха будез сильным, об- 32 Тема 11. Образование в природе росы, инея, тумана, облаков и образование осадков разуются плотные, непрозначные белые облака. Их называю! кучевыми облаками. Если в атмосфере медленно (несколько см в секунду) поднимается большая масса воздуха (сотни километров), образуются кучеводождевые облака. Они плотные, бесформенные и серого цвета, часто толщина их бывает 4—5 км. В чем причина возникновения осадков? В определенных условиях из облаков идет дождь, снег или град. Порой дождь из кучевых дождевых облаков идет часами или сутками. Он то ослабевает, то усиливается. Из кущево-дождевых облаков норой идут кратковременные (десятки минут) ливни. Толщина к>'чево-дождевых облаков достигает 10 км. В них возникает сильное вертикальное течение воздуха. В таких случаях мелкие капли не достигают поверхности Земли. Они испаряются или течение уносит их обратно вверх. Кристаллики льда, падая вниз, превращаются в хлопья снега или в большие капли дождя. Из-за большой толщины облаков, в процессе 1!адения они вбирают в себя мелкие капли и увеличиваются. Толщина облаков второго типа маленькая, поэтому капли бывают маленькими. /. Почему нагретый воздух поднимается вверх и во время подъема охлаждается? щу 2. Как образуется туман? 3. Как зависит от температуры воздуха точка росы? ТЕМА 12 :4 МОЛЕКУЛЯРНОЕ СТРОЕНИЕ ЖИДКОСТЕЙ Вы получили нредс'гаазение о строении газов. Молекулы газа не взаимодействуют друг с другом и находятся в непрерывном и беспорядочном движении. Поэтому' они полностью заполняют объем, в который их помещают. Из представления, полученного в 6-классе, частицы, из которых состоят твердые тела, расположены очень близко друг к другу и сила взаимодействия между ними очень больщая. Поэтому они имеют собствен-нузо форму и объем. По сравнению с ними жидкости имеют более сложную структуру. Для этого рассмотрим жидкость, помещенную в закрытый сосуд (рис. 18). В сосуде имеется жидкость А и насыщенный пар В. Молекулы непрерывно переходят из жидкости в пар (из А ъ В) и ш пара в жидкость (из В ъ А). Несмотря на то что происходит непрерывный обмен молекулами, между жидкостью и газом существует четкая граница. Эта четкая ipa-ница разделяет вещество на два состояния. Их гшотно-сти отличаются друл' от друга в тысячу раз. Среднее расстояние между молекулами жидкости в десятки раз Рис. 18 2—Физика, 9 кл. 33 Глава I. Молекулярная физика и термодинамика а) б) Рис. 19 5 вставка Сила поверхностного натяжения прикладывается к поверхносги огра-ничиваюн(ую жидкость и стремится сократить ее меньше, чем среднее расстояние между молекулами газа. Между молекулами жидкости су1]№ствует сила притяжения, поэтому они находятся рядом. Поэтому жидкости обладают собственным объемом. Но этой силы недостаточно, чтобы жидкости имели собственную форму. Жидкость под действием силы тяжести растекается и принимает форму сосуда. Молекулы жидкости не располагаются в порядке, как молекулы твердого тела. В процессе расположения между молекулами остаются свободные места. Молекулы жидкости определенное время колеблются на своем месте, а затем перескакивают в свободное место. Теперь на месте молекулы образуется свободное место. За счет этих свободных мест жидкость обладает свойством текучести. С повышением температуры число свободных мест увеличивается, с уменьшением температуры — уменьшается. Рассмотрим влияние других молекул на молекулы, расположенные в центре (рис. 19-а) и на поверхности жидкости (рис. 19-6). На молекулу М со всех сторон действует одинаковая сила. В соответствии с этим сумма сил, действующих на молекулу, равна нулю. На молекулу N, расположенную на поверхности жидкости, молекулярные силы действуют снизу и сбоку. Взаимодействие сверху со стороны молекул воздуха и паров воды можно не принимать в расчет, оно очень маленькое. Поэтому молекула 7V притягивается вниз. В результате этого поверхность жидкости натягивается. Чтобы определить силу поверхностного натяжения, ([осмотрим на сосуд сверху (рис. 20). Из рисунка видно, что эта сила прикладывается к длине линии ограиичиваюшей свободную поверхность жидкости. Эта сила называется силой поверхностного натяжения (5 вставка). Здесь а — является коэффициентом поверхностного натяжения и определяется формулой а = N=111 = 1», 1 м м 34 Тема 12. Лабораторная работа Коэффициенты поверхносгного натяжения некоторых жидкостей приведены в таблице 3. Таблица 3 Жидкость Температу ра, °С о. м Жидкость Температура, °С о, М Вода 20 0,073 Ртуть 20 0.470 Мыльный Золото (плааленое) 1130 1.102 раствор 20 0,040 Жидкий водород -253 0,0021 Спирт 20 0,022 Жидкий гелий -269 0,00012 Эфир 20 0,017 Силы поверхностного натяжения играют важную роль в природе и технике. Если бы не было этой силы, то при умывании с мылом не образовалась бы пена, капля дождя, попавшая на одежду, полностью в нее проникла бы, нарушился бы водный режим зеши и растения не росли бы. Будем наблюдать за не плотно закрытым водопроводным краном. Капля воды по-сгепеино увеличивается. Она принимает форму шара. Причиной этому то, что сила поверхностного натяжения упруго натягивает поверхность жидкости и стремится ее сократить, а из всех тел, обладающих одинаковым обье-мом, шар имее-г наименьшую поверхность. Когда вес капли воды из крана становится равным силе поверхностного натяжения, капля отрывается. I. От чего зависит размер капли, капающей из пипетки? •у 2. Куда исчезает мыльная пленка, когда она лопается? 3. Как зависит от температуры сила поверхностного натяжения? ТЕМА 13 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ЖИДКОСТЕЙ Необходимые принадлежности: 1) Весы Джоли, 2) штангенциркуль, 3) гири, 4) проверяемые жидкости. Теоретическая основа работы. 1. Установка для выполнения работы приведена на рисунке 21. Кольцо К с известным диаметром подвешено на пружине А. На конце пружины закреплена стрелка. Конец стрелки С направлен на зеркальную шкалу. В стеклянные Рис. 21 3.5 Глава I. Молекулярная физика и термодинамика воронки В ц Е наливают воду. Они соединяются с помощью резинового шланга и образуют сообщающиеся сосуды. Воронка В при помощи кольца паралельно устаноалена на неподвижной дощечке D. Поднимаем воронку Е, жидкость в воронке В поднимается и соприкасается с кольцом, кольцо прилипает к свободной поверхности жидкости. Чтобы оторвать кольцо от жидкости, нужно приложить определенную силу. Эта сила равна силе поверхностного натяжения жидкости, соприкасающейся с внутренней и внешней поверхностью кольца. Длина, соприкасающаяся с кольцом поверхности жидкости, равна L = л^/| + nd^. Здесь — внутренний диаметр кольца, d^ — внешний диаметр кольца. Сила поверхностного натяжения, удерживающая кольцо, равна: Е= a{jid^ + 7td^, а — коэффициент поверхностного натяжения. Пусть сила отрывающая кольцо от поверхности жидкости, будет равна Е=о' L. Тогда о = F nd\ + nd2 Порядок выполнения работы. 1. Записывается показание стрелки в зеркальной шкале, когда кольцо не соприкасается с водой. 2. Затем [юднимается воронка Е, и жидкость в воронке В соприкасается с кольцом. 3. Воронка Е медленно опускается вниз. При этом жидкость увлекает за собой кольцо. 4. Записывается показание стрелки в момент отрыва кольца. 5. Чтобы определить силу отрыва, на кольцо ставится диск с известной массой и на диск ставятся гири. При этом стрелка должна быть у метки в момент отрыва кольца. Вес диска и гирь будет равен силе Е. Штангенциркулем измеряют внутренний и внешний диаметр кольца. 6. 7. 8. F 9. При помощи формулы ^ + ^ ) постного натяжения жидкости. Опыт повторяется 3—4 раза. находится коэффициент поверх- 36 Тема 14. Смачивание и явление капиллярности ТЕМА 14 СМАЧИВАНИЕ И ЯВЛЕНИЕ КАПИЛЛЯРНОСТИ а) Смачивание. В предыдущей теме было сказано, что на границе жидкость — воздух молекулы жидкости очень слабо взаимодействуют с молекулами воздуха. Из-за этого возникла сила поверхностного натяжения. Как происходит взаимодействие на границе жидкость — твердое тело? Чтобы определить это, проведем следующий опыт (рис. 22). На одну сторону весов подвесим стеклянную пластину и приведем весы в равновесие. Под стеклянную пластину поставим чашку с водой. Затем удлиним нитку и приведем пластину в соприкосновение с водой. Чтобы оторвать пластину, на вторую чашку весов положим гири (рис. 22-а). Значит, между жидкостью и твердым телом действует сила притяжения. Снизу стеклянная пластина покроется водой (рис. 22-6). Это говорит о том, что отрыв происходит не между пластинкой и жидкостью, а между слоями жидкости. Значит, сила притяжения между молекулами стекла и жидкости больше, чем сила притяжения между молекулами жидкости. В таких слу'чаях говорят, что жидкость смачивает твердое тело. Если стеклянную пластину привести в соприкосновение с ртутью, то снизу стеклянная пластина будет сухой (рис. 22-е). Значит, сила притяжения между молекулами стеюш и ртути меньше, чем сила притяжения между молекулами ртути. В таких случаях говорят, что жидкость не смачивает твердое тело. Смачивает жидкость твердое тело или не смачивает можно узнать из формы жидкости на границе жидкость — твердое тело (рис. 23). Изогнутую новерх1гость жидкости называют мениском (от греческого «meniskos» — серп луны). Явление смачивания имеет важное значение в быту и технике. Оно учитывается при покрытии крас- б) е) Рис. 22 777777/2V7777777777777~ 1 2 ' ^ Рис. 23 1 — смачивание; 2 — не смачивание. 37 Глава I. Молекулярная физика и термодинамика J в) б) КОИ разных предметов и веществ, при склеивании дерева, кожи, резины и ткани. При пайке медных проводов, чтобы припой хорошо покрыл проволоку, ее поверхность очищается канифолью или кислотой. Для обогащения руды применяют метод флотации, этот метод тоже основываечся на явлении смачивания и несмачивания. Капиллярность. Если опустить тоненькую трубочку в жидкость, то в некоторых случаях жидкость поднимается по трубочкам (рис. 24-а), а в некоторых случаях опускается (рис. 24-6). Ф Изменение поверхности жидкости в тонких трубочках, опущенных в жидкость, относительно общей поверхности называется капил- Рис. 24 лярностью. В каких случаях жидкость поднимается (опускается) в капиллярных (от латинского «сарШат» — волосы) трубочках! Опыты показывают, что смачиваемые жидкости поднимаются по трубочкам, а не смачиваемые опускаются. Высота подъема (опускания) больше в тоненьких трубочках, а в толстых трубочках меньше. Почему жидкости поднимаются в капиллярных трубочках? В смачиваемых жидкостях граница между твердым телом и жидкостью имеет форму полусферы (рис. 23). На стенки трубочки действует сила поверхностного натяжения. Эта сила в смачиваемых жидкостях направлена вниз, а в несмачиваемых — вверх. По третьему закону Ньютона со стороны трубочки на жидкость оказывается противодействующая сила. Эта противодействующая сила заставляет жидкость двигаться вдоль трубочки, жидкость поднимается, пока поднимающая сила не уровнове-сится силой тяжести столбика жидкости. С учетом вышесказанного, высота подъема жидкости в капиллярных трубочках определяется следующей формулой: h = — pgr- Явление капиллярности имеет огромное значение при сохранении влажности почвы. Почва бывает не плотной, а имеет зазоры. Вода в почве поднимается по ним, как по капиллярам, и испаряется. Чтобы сохранить влажность, земля вспахивается, т. е. разрушают капилляры. Подъем пизательного раствора по стеблю или стволу растения в значительной мере обусловлен явлением капиллярности; раствор поднимает- 38 Тема 15. Кристаллические и аморфные тела ся 1ю ТОНКИМ капиллярным трубкам, образованных стенками растительных клеток. Явление капиллярности используется при пользовании полотенцами, салфетками. В строительстве, чтобы влага не поднималась по стенке здания, используют битум или водонепроницаемый рубероид. Примеры решения задач Задача. Если капиллярную трубочку диаметром 0,05 civi опустить в воду, на какую высоту поднимется вода? Дано: г= 0,05 см = 5 • 10'^ см = = 5- 10 Hi а =0,073 н р= lOOOfV Требуется найти: /;- ? Формула: И=^ pgr Р е ш е н и е: , 2-0,073 h =--------:----= 1000 10-5 10-^ = .0:^6 о, 0292 м = = 2,92 см. Ответ: 2,92 см. ОЛ 1. Почему ограничена высота роста деревьев? ^ J 2. Можно ли с помощью капиллярной трубочки определить коэффициент поверхностного натяжения ? 3. Почему в капи/шярах поверхность жидкости имеет форму, близкую к полусфере? ТЕМА 15 4, КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ И АМОРФНЫЕ ТЕЛА В повседневной жизни мы больше используем твердые тела, чем газы и жидкости. Твердыми телами являются стол, стул, доска, мел, книги, тетради и т. д., которые находятся в классе. Как устроены твердые тела ? Почему некоторые твердые тела ломаются от небольшого усилия. На основании молекулярно-кинетической теории твердые тела тоже состоят из атомов, молекул и они находятся в непрерывном движении. Исследования показывают, что твердые тела бывают двух видов: кристаллические и аморфные. В кристаллических те- _ лах атомы располагаются упорядоченно. Например, в атомы натрия поваренной соли (NaCl) атомы натрия и хлора распо- О а —атомы хлора лагаются образуя форму куба (рис. 25). рис. 25 39 Глава I. Молекулярная физика и термодинамика Алмаз '—о В^; Графит (Г-железо W' 11 % • к л 4.J X I f~ . V />«c. 26 Когда атомы располагаются, образуя кристаллическую решетку, сила действующая между атомами компенсируется (уравновешивается). Структура, образованная атомами, называется кристаллической решеткой. В решетке место атомов называется узлами решетки. Линии, соединяющие атомы в кристаллической решетке, нельзя понимать как решетку на окнах. Эти линии обозначают силы, действующие между атомами. Кристаллическая решетка, образованная атомами, имеет различную форму. На рис. 26 приведена элементарная ячейка кристаллической решетки. В кристалле эти элементарные ячейки повторяются. Встречаются кристаллы, состоящие из одинаковых химических элементов, но имеющих разный цвет. Например, найдены кристаллы естественного корунда, имеющего 40 цветов. Наряду с этим существуют кристаллы, имеющие одинаковый цвет, но имеющие разные химические составы. Например, кварц, турмалин, циркон, топаз и другие. В гфироде встречаются кристаллы невероятно удивительных размеров. Некоторые имеют размеры в рост человека, а некоторые тоньше листа бумаги. Встречаются и такие, у которых толщина достигает нескольких метров. В ггекоторых областях Испании кристаллы используются как опоры па воротах. Некоторые кристаллы бывают идеально чистыми и прозрачными, как вода. Фраза «Кристал-льно чистый» взята отсюда. Свойства кристаллов зависят от того, какую кристаллическую решетку образуют атомы. Примером этому может быть углерод. В зависимости от того, какую кристаллическую решетку образует углерод, это может быть простой уголь, графит, сажа или алмаз. Хотя химическая формула у них одна '^С, но свойства различные. Графит используется в карандашах. Он настолько мягкий, что при трении о бумагу мажется. Алмаз считается одним из самых твердых веществ в мире. Чтобы понять это разли- 4G Тема 16. Механические свойства твердых тел. Беруни — ученый-минералог чие обратимся к кристаллической решетке алмаза и графита, приведенной на рис. 26. Элементарная ячейка графита имеет слоистую структуру. Поэтому при трении о бумагу слои легко стираются. В ячейке алмаза атомы расположены плотно, компактно. Алмаз используется в качестве резца (стеклорез) и в качестве бура. Ограненный алмаз называется бриллиантом. Физические свойства кристаллических тел неодинаковы в различных направлениях. Это свойство кристаллов называется анизотропностью. Не все твердые тела образуют кристаллическую решетку. В некоторых твердых телах расположение частиц бывает как в жидкостях. Такие тела называются аморфными. Примерами аморфных тел могут служить стекло, янтарь, смола, парафин, битум. Одно и то же вегцество может встречаться в виде кристалла и в аморфной форме. Например, если растворить сахар и медленно его охладить, то он примет кристаллическую форму, а при быстром охлаждении он превращается в конфе'гу, т.е. становится а.морфным. Аморфные тела тоже обладают свой-ечвом «текучести». При изучении стекол в древних замках оказалось, что нижняя часть стекол имеет большую толщину, чем верхняя часть. ''Ях /. Что вы понимаете под С:Ювом элементарная ячейка? 2. Что такое анизотропия? 3. Как меняются свойства вещества при изменении формы кристаллической решетки' ТЕМА 16 МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ ТЕЛ. БЕРУНИ — УЧЕНЫЙ-МИНЕРАЛОГ Твердые тела и.меют свою собственную форму. Но под действием внешних механических сил они изменяют фор.му. D Изменение формы тела под воздействием внешней силы называется деформацией. 0 Если потянуть резиновый жгут с двух концов, он удлиняется и утоньшается. Если прекратить действие внешней силы, жгут возвращается в свое прежнее состояние. Точно также, если сжать пружину и отпустить, она тоже возвращается в свое прежнее состояние. Если тело возвращается в свое прежнее состояние после прекра-щения действия внешних сил, то тякая деформация называе'гся упругой деформацией. 0 41 Глава I. Молекулярная физика и термодинамика Когда ВЫ жуете жева7ельную резинку, она из-^feн^Ieт свою форму. После того как вы прекращаете жевать, то она не возвращается в свое прежнее состояние. Такого вида деформации бывают у пластилина, теста и др. Если тело не вовзращается в свое прежнее состояние после пре1фа1цеиия действия внешних сил, то такая деформация называется пластической деформацией. Если закрепить неподвижно верхний конец стержня длиной и приложить силу Fk нижнему концу (рис, 27), 70 в результате стержень удли- Величина Ы = I - 1^ называется абсолютным удлинением [Л/]— измеряется в метрах. Абсолютное удлинение полностью не определяет механическое состояние тела. Так как растягивать длинную резину легче, чем короткую. Поэтому вводится понятие относительного удлинения. Величина называется относительным удлинением. £ = - л/ При маленьком растяжении во многих телах наблюдается упругая деформация. Примером .могут быть стальные тросы у подъемных кранов, лифтов. Если внешнюю силу приложить в обратном направлении, то наблюдается дефор.мация сжатия. В этом случае т < 0. Во многих случаях и при сжатии происходит упругая деформация. Например, железнодорожные рельсы, опоры в большинстве случаях подвергаются деформации сжатия. При растяжении поперечное сечение тел уменьшается, а при сжатии наоборот увеличивается (рис. 27). При растяжении и сжатии внешяя сила /^прикладывается к площади поперечного сечения S. Величина F ^ = 1 ( I j назы1шется механическим напряжением. Единицей из.мерения ме-ханического напряжения является |а| = 1-5^ и из.меряется, как и давление, в паскалях. При сжатии стержня .механическое напряжение становится похожим на давление в газах и жидкостях. Для изучения 42 Рис. 28 6 вставка Тема 16. Механические свойства твердых тел. Беруни — ученый'Минералог деформации растяжения (сжатия) измеряют его удлинение (сжатие) и механическое напряжение. По результатам экспери.мента строится график зависимости механического напряжения о от относительного удлинения (сжатия) £ (рис. 28). Упругая деформация наблюдается до напряжения соответствующею точке А на графике. В этих пределах справещзив закон Гука (6 вставка). В законе Гука Е — коэффициент пропор-циональности, его называют модулем V^J Юнга. Модуль Юнга выражает степень сопротивляемости материала растяжению (сжатию). Для данного материала модуль Юнга определяется экспериментально. Например, для алюминия Е =7 • 10'® Па, а для палц £■= 2,1 • 10" На. При большом растяжении стержня после снятия нагрузки он не восстанавливает свою преж11юю форму. Значит, для каждого материала существует предел упругости (на графике точка В). По мере возрастания напряжения при определенных его значениях образец разрушается. Это называется пределом прочности (на ipa-фике точка Е). Хрупкость. Если уронить стеклянные или фарфоровые изделия, то они разбиваются. Если материалы разрушаются при малых деформациях, то такие материалы называются хрупкими. К этим .материалам относится также чугун и мрамор. Веруни — ученый-минералог. Книга Беруни «Китоб ал-жаво)^ир фи .маърифат ал-жаво>^ир» («Сборник сведений по распознаванию драгоценных камней») оказала в^гияние на развитие минералогии. Этот труд был написан в 1048 году и состоял из двух частей. Первая часть содержит 36 глав и посвяшена драгоценным ка.мням. Вторая часть содержит 12 глав и посвящена металлам. В этой книге Беруни приводит свойства, применение, образование, цвет, твердость, относитель-н)'ю плотность и другие физические свойства более 300 минералов. Закон Гука. При малых деформациях механическое напряжение о прямо пропорционально относительному удлинению с. о = I 4' I 43 Глава t. Молекупярвая физика и термодинамика /. Под действием каких сил деформированное тело возвращается во свое пер-' воначальное состояние? 2. По какой причине при возрастании механического напряжения упругая деформация переходит в пластическую деформацию? 3. Что вы понимаете под словом относительное удлинение? ТЕМА 17 А ■М ПЛАВЛЕНИЕ И КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ Возьмем из морозильника несколько кусков льда, размельчив их, положим в стакан. Опустим в стакан термометр и будем наблюдать за плавлением льда. Поставим часы и обратим внимание на показание термо.метра. Со временем показание термометра начинает повышаться. Когда надо льдом появится вода, термометр покажет 0° С. Это состояние продлится до тех пор пока весь лед не растает и не превратится в воду. Через некоторое время температура воды начнет повышаться (рис. 29). Переход вещества из твердого состояния в жидкое называется плавлением. Ф При плавлении температура любого кристаллического тела не из.меняется. Ф Температура, при которой вещество переходит из твердого состояния в жидкое, называется температурой плавления. Температура плавления разных кристаллов бывает различной. В таблице 4 приведены температуры плавления некоторых веществ. Таблица 4 Вещество Температура шшвления, °С Вещество Температура плавления, "С Водород -259 Олово 232 Кислород -219 Свинец 327 Азот -210 Алюминий 660 Спирт -114 Серебро 962 Лед 0 Золото 1064 Калий 63 Медь 1085 Натрий 98 Железо 1539 44 Тема 17. Плавление и кристаллизация Почему при плавлении, несмотря на поступающее извне тепло, температура вещества не повышается? В это время поступающая извне тепловая энергия тратится на разрушение кристаллической решетки. Поэтому поступающая тепловая энергия не повышает температуру кристалла (7 вставка). Здесь Я — удельная теплота плавления, Q ~ количество теплоты, /н — масса вещества. Единица измерения удельной теплоты плавления = кг В таблице 5 7 вставка Количество теплоты, необходимое для превращения 1 кг кристаллического вещества при температуре плавления из твердого состояния в жидкое, называется удельной теплотой плавления. Я = Q т шеств. приведена удельная теплота плавления различных ве- Таблица 5 Вещество Удельная з ешюта апавления, МДж/кг Вешееггво Удельная теплота алавления, МДж/кг А.1ЮМИНИЙ 0,.39 Сталь 0,084 Лсд 0,34 Золото 0,067 Железо 0,27 Олово 0.059 Медь 0,21 Свинец 0,025 Спирт 0,11 Кислород 0,014 Серебро 0,087 Ртуть 0,012 Если охлаждать воду, то температура будет понижаться и при 0° С вода начнет превращаться в лед. Но при замерзании воды ее температура некоторое время не будет изменяться (рис. 29-6). Ф Переход вещества из жидкого состояния в твердое называется кристаллизацией. При кристаллизации температура любого кристаллического тела не уменьшается. Температура кристаллизации равна температуфе плавления. 45 Глава I. Молекулярная физика и термодинамика Примеры решения задач Задача. Какое количество тепловой энергии надо, чтобы расплавить 4 кг свинца, находящегося при температуре плавления? Дано: /я = 4 кг Я = 0,025 • 1 о* Дж/кг Требуется найти; <2- ? Формула: Q = Л ‘ т Решение: 0 = 0,025- 10^^ -4кг = ^ ’ кг = 0,1 • 10^ Дж = 0,1 МДж. Ответ: 0,1 МДж. лЛ I- На что тратится тепловая энергия, переданная веществу, находящемуся ' ) при температуре плавления? 2. Почему при кристсииизации не изменяется температура кристаллического вещества? 3. Что вы понимаете под словом удельная теплота плавления? Дома с помощью воздушного термометра понаблюдайте за таянием льда. ТЕМА 18 ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ И КОЛИЧЕСТВО ' ТЕПЛОТЫ Из 6-класса вы знако.мы с понятие.м внутренней энергии. В учебнике сказано, что внутренняя энергия частиц составляющих вещество равна сумме их кинетической и потенциальной энергии. В идеальном газе молекулы не взаимодействуют друг с друго.м. Поэтому их потенциальную энер) ию можно не брать в расчет. В газе внутренняя энергия равна сумме только кинетической энергии молекул U= N’ Е В молекулярнокинетической теории кинетическая энергия молекул определяется их — О температурой Е=^кТ. Чтобы изменить внутреннюю энергию системы, надо изменить ее температуру (8 вставка). Чтобы изменить внутреннюю энергию вещества надо, чтобы оно обменивалось теплом с внешними телами. Например, если положить в воду вареное яйцо, вода будет нагреваться, а яйцо охлаждаться. Здесь за счет тепла яйца возрастает внутренняя энергия воды. Процесс изменения внутренней энергии тела без совершения работы телом или над телом называется теплопередачей. 8 вставка Внутренняя энергия идеального газа ((У). и=1пкТ 2 46 Тема 18. Внутренняя энергия и количество теплоты ® Энергия, переданная lejiy в результате теплопередачи, называется количеством теплоты. Оно обозначается буквой Q. Количество теплоты так же, как и энергия измеряется в джоулях. Количество теплоты Q, необходимое для нагревания тела массой /и от температуры /, до те.мпературы определяется следующим образом Q = cm{t^ - /,) здесь с — удельная теплоемкость вещества (9 вставка). Удельная теплое.мкость измеряется в = В таблице 6 приведены удельные веществ. 9 вставка Количество теплоты, которое получает или отдает ] кг вещества при изменении его з'смпературы на 1 ° К, называетя удельной теплоемкостью вещества. теплоемкости некоторых Таблица 6 Вешество Удельная теплоемкость, Дж кг К Вещество Удельная тешюемкость, Дж кг - к Золото 130 Графит 750 Свинец 140 Стекло 840 Олою 2.30 Алюминий 920 Серебро 250 Лед 2100 Медь 400 Эфир 2350 Железо 460 Спирт 2500 Стань 500 Вода 4200 Выполним такой эксперимент (рис. 30). Возь.мем тонко-сгенггуто лату'щ[ую трубку' и закрепим ее на подставке. Нальем в нее немного э^)ира и плотно закроем пробкой. Затем сделаем на трубке веревочную петлю и будем быстро двигать ее в обе С'гороны (как показано на рисунке). Через некоторое время эфир вскипает и пробка вылетает из трубки. Здесь внутренняя энергия эфира возрастает за счет работы, которую совершает веревка при ее движении. Значит, внутренняя энергия тела может изменяться и за счет совершения работы. Рис. 30 47 Глава I. Молекулярная физика и термодинамика Задача. Какое количество тепла потребуется, чтобы вскипятить 5 л воды, находящейся при комнатной температуре? Дано: /, = 20“ С = 100“ С F= 5л = 5 с = 4200-?^ Ю-^м^ Требуется найти: Q-? Формула: Q= с-т = fy V Для воды р = 1000-J Q = c'pV{t, - /,) Решение: 0 = 4200- 1000-5 - 10-^-(100-- 20) = 4200-5-80ДЖ = = 1680000 Дж= 1680 кДж. Ответ: 1680 кДж. 1. Почему коньки катятся по льду? 2. Почему при спуске по веревке на руки надо одевать перчатки? 3. 1 кг серебра и 1 кг золота нагрели на ГС. Равны ли количества теп.юты передаваемые им? Объясните причину? Из морозильника возьмите два куска льда и оберните их юлстой бумагой. Потрите оба куска и наблюдайте за их таянием. За счет чего здесь происходит таяние льда? Упражнение 3 1. В Навоийском горно-металлургическом комбинате :юлото :залива-IOT в формы, масса слитка получается 1 кг. Какое количество теплоты выделится при охлаждении слитка до комнатной температу- Х1ж л ж ры? = 1064“ С, 2 = 0,067 • 10^^, с = 130 . (Ответ: 8 - 10' Дж). 2. В лю.минесценттгой лампе находится 2 моль неонового газа. Под лучами солнца лампа нагрелась от температуры 10° С до 30° С. Как изменилась внутренняя энергия газа? (Ответ: 498,6 Дж). 3. В стакан с кипяченой водой сначала положим серебряную ложку, а затем стальную. В каком случае температура воды понизится быстрее и больше? 4. 5 кг свинца, находящегося при температуре плавления, передано количество теплоты равное 10000 Дж. Какое количество свинца , Дж при этом расплавится? Я = 0,025 • 10® кг • (Ответ: 0,4 кг). 5*. В отопительном паровом котле имеется 500 л воды. Какое количество тепла потребуется, чтобы превратить в пар 200 л воды? Комнатную температру возьмите равной 20° С. (Ответ: 628 МДж). 6. В 10 л воды, находящейся при температуре 20° С, положили молоток нагретый до температуры 500° С. Масса .молотка 1,5 кг. До какой темпстатуры нагреется вода? Молоток изготовлен из железа. 460 . (Ответ: 27,76° С). 48 Тема 19. Лабораторная работа. Определение удельной теплоемкости твердого тела ТЕМА 19 Л; ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОЙ ТЕПЛОЕМКОСТИ ТВЕРДОГО ТЕЛА Необходимые принадлежности: ])’калориме-ф; 2) весы с гирями; 3) термометр; 4) исследуемое тело; 5) горячая вода. Порядок выполнение работы. 1. Взвешивается внутренний стакан калориметра вместе с палочкой для размешивания. 2. В сосуд наливают необходимое количество холодной воды и взвешивают на весах. 3. Если масса пустого калориметра калориметра с водой /и,, то масса воды М определяется из формулы М-т^-т^. 4. Тело массой т на веревочке опускают в кипящую воду и держат там 10—15 минут. Затем тело, нагретое до температуры вынимают и быстро опускают в воду, находящуюся в калориметре при температуре 5. Помешивая воду палочкой, записывают самую высокую те.мпера-туру, которую показывает термометр. 6. Из формулы с = вычисляют удельную теплоемкость тела. Здесь Сд — удельная теплоемкость сосуда, t — темпералу'ра воды с телом, с — удельная темлоемкость воды. Рис. 31 ТЕМА 20 РАБОТА В ТЕРМОДИНАМИКЕ. ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ В 6-классе вы познакомились с работой тепловых двигателей. В тепловых двигателях тепловая энергия превращается в механическую. Работа, выполняемая за счет тепловой энергии, называется термодинамической работой. Проделаем такой эксперимент (рис. 32). Под свободно передвигающимся поршнем находится идеальный газ массой т, при давлении Р|, температуре Г, и объемом Г,. Если газу Рис. 32 49 Глава I. Молекулярная физика и термодинамика передать количество теплоты Q, его температура повысится и станет равной Т^. Под действием давления газа поршень переместится и остановится, когда давление опять газа станет paBfibm р,. При этом работа, выполненная газом, будет равна А = Г' Д/. Если учесть, что и то работа газа будет равна А = p^S (/2 - /,). S — площадь поршня. Эту работу можно выразить через изменение объема газа. Начальный объем Е, = S- /,, конечный = S-l^. Поэтому Ф A=piV,- Г,) Это будет формула термодинамической работы. Учитывая уравнение состояния идеального газа p AV=—R AT. м 10 вставка Первый закон термодинамики Q=AU+A Формула работы запишется в следующем ввде; Ф A=^R(r,-T,) Значит в тепловых двигателях, че.м выше будет те.мпература газа, те.м большую работу будет совершать газ. В соответствии с этим темпера-тура газа в цилиндре двигателя будет разной в зависимости от вида топлива. Например, температура горения бензина марки А-9! выше, чем у бензина марки А-80, поэтому в зависимости от марки бензина мощность двигателя будет разной. Из проведенного выше эксперимента видно, что температура газа возрастает от T^ до 7^, возрастает и внутренняя энергия AU= U^-Таким образом, количество теплоты Q, переданное газу, идет на увеличение его внутренней энергии и на совершение газом работы над внешними телами (10 вставка). Первый закон термодинамики является законом сохранения энергии для тепловых процессов. Этот закон открыл в середшсе XIX века немецкий ученый, врач по профессии, Р. Майер (1814—1878) и английский ученый Д. Джоуль (1818— 1898). Немецкий ученый Г. Гельмгольц (1821—1894) дал наиболее полную формулировку этому закону. 50 Тема 21. Адиабатный процесс. Применение первого закона термодинамики к изопроцессам Примеры решения задач. Задача. В процессе сгорания юплива в двигателе температура в цилиндре повысилась до 750° С. Если за этот период было израсходовано 5 молей горючего, какое количество работы было выполнено? Какая работа была совершена? Дано; t, = 750° С т с Т7 = 5 моль м L = 20° С А-? Формула: А = ^R-AT Решен ие: Г, = 293 К = 273 + 750= 1023 К ^ = 5 • 8,31 • (1023 - 293)Дж = = 41,55-730 Дж = 30331,5 Дж. Ответ: 30331,5 Дж. /. Чему будет равна термодинамическая работа при изохорном процессе? 2. Как изменяется внутренняя энергия газа при изотермическом процессе? 3. Как изменяется мощность двигателя, если в автомобиль вместо бензина марки А—93, залить бензин марки А—80? ТЕМА 21 АДИАБАТНЫЙ ПРОЦЕСС. ПРИМЕНЕНИЕ ПЕРВОГО ЗАКОНА ТЕРМОДИНАМИКИ К ИЗОПРОЦЕССАМ Пусть в толстостенном цилиндре с поршнем и хорошей теплоизоляцией находится газ. Быстро опустив поршень, сожмем газ. К концу такого процесса температура газа быстро повышается. Процесс протекает достаточно быстро, а теплопроводность стенок цилиндра маленькая, поэтому не происходит заметного теплообмена с окружающей средой. D Процесс, протекающий без теплообмена с окружающей средой, называется адиабатным. При адиабатном процессе Q = 0 и формула первого закона термодинамики примет вид -AU=A. При адиабатном расширении газ охлаждается. Зависимость давления газа от объема при адиабатном процессе приведена на рисунке 33. Глава I. Молекулярная физика и термодинамика Рис. 34 Форсунка Линия адиабаты идет более кру'го, чем линия изотер- мы. Так как давление падает не только за счет увеличения объема, но и за счет уменьшения температуры. Адиабатный процесс очень lunpoKO используется в технике. Нагревание воздуха при быстром сжатии нашло применение в двигателях дизеля (вспомните материалы из 6 класса). В этих двигателях отсутствует система смешивания горючего с воздухом, необходимая для обычных бензиновых двигателей внутреннего сгорания. В цилиндр засасывается не горючая смесь, а атмосферный воздух. К концу такта сжатия в цилиндр с помощью специальной форсунки впрыскивается жидкое топливо. К этому моменту температура воздуха так велика, что горючее воспламеняется. Охлаждение газа при адиабатном расширении происходит в грандиозных масштабах в атмосфере Земли. Воздух, нагретый у поверхности 3eMJtH, поднимается вверх и расширяется, так как атмосферное давление падает с увеличением высоты. Происходит охлаждение воздуха, и в результате водяные пары конденсируются и образуются облака. Из-за неравномерного нагревания поверхности Земли возникают ветры. Если на п>ти ветра встречается какая-то преграда, например, гора, то воздух ударяясь о гору быстро поднимается вверх. Из-за адиабатного расширения воздуха часто идут дожди и выпадает снег. Высоко в горах снег пе тает, и образуются ледники. Применение первого закона термодинамики к изопроцессам. 1. Изотермический процесс. Г= const, AU=0. Отсюда Q=A 2. Изобарный процесс р = const. Отсюда Q = AU + p'AV 3. Изохорный процесс. У= const, А = 0. Отсюда Q = AU У. За счет чего происходит нагревание воздуха в адиабатном процессе? 2. Какую роль в технике играет адиабатный процесс? 3. Объясните применение первого закона термодинамики к изопроцессам. 52 Тема 22. Лабораторная работа ТЕМА 22 (V -------- ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА. СРАВНЕНИЕ КОЛИЧЕСТВА ТЕПЛОТЫ ПРИ ПЕРЕМЕШИВАНИИ ВОДЫ С РАЗЛИЧНЫМИ ТЕМПЕРАТУРАМИ Необходимые принадлежности. 1) измеритель11ый цилиндр (мензурка); 2) термометр; 3) калориметр; 4) сосуд с горячей водой; 5) толстостенный стакан объемом 0,5 л; 6) фильтровальная бумага. Порядок выполнения работы. 1. При помощи мензурки налейте в стакан 100 мл холодной воды и измерьте ее температуру /,. 2. Налейте во внутренний стакан калориметра горячую воду (половину стакана) и измерьте ее температуру t^. 3. Не вынимая термометра, в калориметр налейте холодную воду, перемешивая воду термометром, наблюдайте за понижением температуры. 4. Когда температура перестанет изменяться, запишите показание термометра / и выньте термометр из воды. 5. Измеряется общий объем воды в калориметре. 6. Сравниваются количества теплоты: 02= -t) — количество теплоты, передаваемое горячей водой; 0, = сд/|(/ - /,) — количество теплоты, получаемое холодной водой. Проверяется условие 0.” Qy I- Почему они точно не равны Q,? 53 Глава I. Молекулярная физика и термодинамика КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ для ЗАВЕРШЕНИЯ I ГЛАВЫ D) 1,6* 10^^ 1. Дополните пре/шожение. «Отношения числа молекул N в данном теле к числу молекул в 12 г углерода называется. A) ... относительной молярной массой. B) ... количеством вещества. C) ... один мол. D) ... молярная масса. E) ... постоянная Авогадро. 2. Сравните количество молекул в I кг водорода и кислорода. A) у водорода в 16 раз больше; B) у кислорода в 16 раз больше; C) у водорода в 32 раза больше; D) у кислорода в 32 раза больше; E) у обоих равны. 3. Какой процесс показан на рисунке и покажите соотношение объемов. V > V > V ■ V > У ■ A) Изобарный B) Изохориый C) Изотермический Г, > У^> У^; D) Изобарный У, < У^< У^; E) Изохориый И, < У^< У^. 4. Сколько молекул содержи! ся в кап.че воды массой 0,05 г? А) 1,66-102'; В) 3,2-102'; С) 1,8-102^; Е) 2-1022. 5. Покажите формулу количества тепла, необходимого для плавления вещества. А) с - /W - Д 7; В) Д - /л; С) кТ; D) l^RT, Е) д-ДИ 6. Покажите едини1^у измерения удельной теплоты парообразования. А) Джоуль; В) ; С) ' КГ кг •“’С Джоуль D) Джоуль - секунда; Е) “ТТк 7. Дополните предложение. Процесс, протекающий без тешиообмена с окружающей средой называется ... . A) ... изотермическим; B) ... изобарным; C) ... изохорным; D) ... адиабатным; E) такого процесса нет. 8. Покажите основное уравнение молекулярно-кинетической теории. А) р = \кТ-, С) p = f:;D) p = ^fl;E) А hV ■ 9. В каких единицах измеряется механическое напряжение? А) В) Н-м; С) ^; D) Па-с; Е) 54 Контрольные вопросы для завершения I главы ]0. На каком рисунке показан сзучай смачивания ждокостью твердых тел? А) только 1; В) только 2; C) только 3; D) 1 и 3; Е) 2 и 3. 11. Какие из нижеприведенных свойств относятся к твердым кристаллическим телам? 1) Плавится при определенной температуре. 2) Температу'ра плавления не определена. 3) Атомы располагаются, образуя кристаллическую решетку. 4) Под действием медленно действующей силы течет. А) 1,3; В) 1,4; С) 2,3; D) 2,4 Е) 3,4. 12. Кто впервые на опыте определил скорость молекул? А) Д. Джоуль; В) Ж. Ватт; С) О. Штерн; D) В. Клапейрон; E) Гей-Люссак. 13. Покажите уравнение Клапейрона. k)pv=m\ В) ру= ^RT- С) = const; D) /7 = ; Е) д = I w . 14. Дополпипе предложение. Пар, па-Х0ДЯ1ЦИЙСЯ в динами*1еском равновесии со своей жидкостью, называют... A) ... насыщенным паром. B) ...не насыщенным паром. C) ... температура, в точке росы. D) ... конденсированным паром. E) ... турманом. 15. Из баллона, содержавшего идеальный газ, в результате утечки половина газа медленно улетучилась. Как при этом изменилось давление газа? A) снизилось в 2 раза; B) увеличилось в 2 раза; C) увеличилось в 4 раза; D) снизилось в 4 раза; E) не изменилось. 16. Что такое сублимация? A) Образование тумана в результате охлаждения пара; B) Образование облаков в результате охлаждения, поднимающегося вверх воздуха; C) Образование инея в результате охлаждения насыщенного пара; D) Прямой переход вещества из твердого состояния в газообразное; E) Образование росы в результате охлаждения насыщенного пара. 17. Что измеряют психрометром? A) Абсолютную влажность воздуха; B) Относительную влажность воздуха; C) ']'очку росы; D) Механическое напряжение; E) Температуру кипения. 55 Глава I. Молекулярная физика и термодинамика ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ БЕСЕДА Здесь вы ознакомитесь с краткими выводами I главы. Основы молекулярно- кинетической теории 1) вещества сестолг из мельчайших частиц — молекул и атомов; 2) они находятся в непрерывном и беспорядочном движении; 3) частицы взаимодейсгвуюг друл с другом; 4) свойства вещества определяются движением молекул и их взаимодействием. Масса молекул, диамоф Масса молекулы воды — 3-10 диаметр — 3 -10'® см. Число Авогадро N/i= 6,023-16^^ моль"’. Число молекул в 1 моле любого вещества. Ошосительная молярная масса Л/г=- — отношение массы молекулы (или атома) wo данного вещества к ^ массы атома углерода wqo Количество вещества V = — отношение числа молекул N в данном теле к числу атомов в 12 г углерода N/t. Измеряется в молях. Молярная масса M-=maN/\ — масса вещества, взятого в количестве одного моля. Идеальный газ Это газ, взаимодействие между молекулами которого пренебрежимо мало. Основное уравнение молекулярно-кинегической тесфии идеального газа 1 9 2 Т-. p:=-nn\<^V^ ИЛИ р = —ПЕ Температура вещества Термодинамическое определение: мера нагретости тела. Молекулярно-китюгическое определение; мера средней кинетической энергии молекул вещества. Абсолютный ноль температуры Т = Q К. Температура, при которой прекращается движение молекул в веществе. Температурная шкала Цельсия При нормальном атмосферном давлении температуру таяния льда принимают за 0° С, а температуру кипения воды за 100° С. Шкалу между точками 0 и 100 делят на 100 равных частей и одно деление принимают за ГС. Температурная шкала Кельвина Шкала, применяемая при измерении температуры. За начало отсчета принимают абсолютный ноль температуры. В шкале 1 К = 1° С. Отличается от шкалы Цельсия на 7 = С -ь 273. 56 Заключительная беседа Псх'гоянная Больцмана = 1,380662-10~23 Дж-К '. Изменение энергии приходящееся на одну молекулу' при изменении температуры идеального газа на 1 грщчус. Изопроцессы Процессы, про'гскающие при неизменном значении одного из п-араметров газа р, И, Т. Изобарный (р = const), изохорный (К = = const) и изотермический (7’= const). у 1. При р = const, Y~ const (закон Гей-Люссака) 2. При V = const, Y ~ const (закон Шарля) 3. При 7 = const, pV = coitst (закон Бойля-Маришта) Уравнение состоянш! идеального газа /п рУ = -г-7 RT *— Уравнение Меиделеева-Югапейрона, А/ Испарение Появление пара со свободной поверхности жидкости при любой температуре. Конденсация Обратное превращение пара в ж1ЧЛКосгь. Сублимация Прялюй пе{5еход вещества из твердого состояния в газообразное. Насыщенный пар Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью. Кипение Образова^сие пара по всему объему ж*такосги. 1емперат>ра, при которой происходит кипение, называется температурой кипения. Удельная температура парообразования г=~ — количество теплоты, необходимое для превращения при т температуре кипения 1 кг жвдкости в пар. Единица измерения — 1 кг Абсолютная влаж1юсть Колщ|ество водяного пара, взятого в граммах, в 1 м^ возду'ха. Относительная влажность Величина измеряемая отнонкнием дав.!1еиия {р) водяного пара, содержащегося в возду'хе при данной температуре, к давлению (р„) насыщенного пара при той же температуре, выраженное в процентах. <р ■ 100 %. f’lj г игромезр Прибор, измеряющий относительную влажность воздуха. Основан на изменении упругости обезжиренного человеческого волоса при изменении влажггости воздуха. Психрометр Прибор, измеряющий относительную влажность возду'ха. Состоит из двух термометров. Один термометр остается сухой, а другой окружен полоской ткани, конец которой опущен в воду'. Чочка росы Температура, при которой находящийся в воздухе воля1юй пар ста ся tfacuuicH н ы м. Сила поверхност1юго назяжения Сила, действующая вдоль поверхности жидкости перпеиди-кудярио к линии, ограничивающей эту гговерхиость, и которая стремится сократить ее до минимума. F = (j-l. Коэ<5)фициент поверхностного нагяжеиия Отношение модуля F силы поверхностного ггатяжеиия, действующей на граггицу повсрхностггого слоя /, к этой длине. €г=-^ Единица измерения 1 — . / м 57 Глава I. Молекулярная физика и термодинамика Явление смачивания Яапение, возникающее вследствие взаимодейспзия молекул >юхякоста с кюлекулами твердого тела. Если сила притяжения межл^' ^юлeкyлaми жидкости и 1Бердого 1сла бшыие, чем между шлекулами самой ЖИДКОС1И, то жидкооъ смачиваез, если меньше, то не смачивает. Капалишриыс явления Изменение столбика жидкости в узких трубках. Здесь pgr р — плотность жидкое™, g = 9,81 м/с^, /■ — радиус трубки, о — ко£)фф1шиент поверхностного натяжения. Кристаллическая решетка Расположение атомов криста1Лического тела в определенном упорядоченном положении в пространстве. Аморфные тела Твердые тела, агомы которых расположены беспорядочно, не имеют определенной земпературы плавления. Анизотропия Зависимость физических свойств от направления вияри кристалла. Деформация Изменение формы твердого тела под дейсзвием внешней силы. При упругой деформации тело принимает первоначальную форму после снятая силы, а при пластической деформации зело не пршшмает первоначальтчо Форму. Абсолютное и шносительное удлинение Л/ = / — i}); т=—. Здесь /о — начальная длина обра:ща. / — длина k деформированного образна. Механическое напряжение F Н а — —; Единица измерения 1 —- S м^ Закон Гука При малых деформациях напряжение (а) прямо пропорционально отиоацелъному удзинению (е). а= £•] е |. Е— модуль Югзга Плавление и кристаллизация Переход вещеезва и твердого состояния в жидкое и из жидкого в твердое. Температура перехода называется температурой плаанегшя. Удельная теплота плавления. Казичество теплоты, необходихюе для префащения 1 кг кристаллического вещества при темпсразу'рс шзавдения в жгщкость той же температуры. Х = — . Едини на измерения — 1 .. /II кг Количество теплоты Энершя, переданная веществу в результате теплообмена Q = cm (/2 - П)- Удельная теплоемкость Количество теазоты. козорое получает или отдаст 1 кг вещества при изменении его темнерагуры на 1° К с— ^ Единица . Л ж m(f2-/i) измерения — 1 _ кг • К Терм оди иамическая работа Превращение тепловой энергии в механическую А = р(У2~ Vi) или /1 = Л('/2 - 7|). м Первый закон термодинамики 6=Af/+А Количество теплоты, переданное системе, идет на изменение се виутреш/ей эиергаи и па совершение сисгемой работы над внешними телами. Адиабатный процесс Процесс, прозекающнй без теазообмена с внешней средой -At/= А 58 ГЛАВА11 ОПТИКА В этом разделе Вы ознакомитесь со следующими темами: • законы отражения и преломления света; в явление полного внутреннего отражения; в выпуклые и вогнутые линзы; ® характеристики линзы — фокус, оптическая сила, увеличение; е построение изображения в линзах; • формула тонкой линзы; ® глаз, как оптическая система, дефекты глаза и методы их устранения; в оптические приборы — лупа, проекционный аппарат, фотоаппарат, микроскоп, графопроектор; • скорость света; • световая волна и длина волны; • дисперсия света; • инфракрасные, ультрафиолетовые, рентгеновские лучи и их свойства; • явление фотоэффекта и его законы; • гелиотехника и использование солнечной энергии; • химическое и биологическое действие света; о лабораторные работы и задачи. II глава. Оптика ПРОВЕРКА УРОВНЯ ЗНАНИЙ Уважаемые ученики! В 6 классе вы ознакомились с начальными сведениями о свойствах света. В 9 классе вы будете изучать световые явления более подробно. Прежде, чем изучать раздел, вы проверите уровень своих знаний, ответив на 17 вопросов теста. Если вы соберете 15 и больше баллов (правильный ответ — один бал), результат — отлично, 11—14 баллов — хорошо. Если вы соберете 9 баллов и меньше. Вы должны повторить мате-риат 6 класса. ВОПРОСЫ ТЕСТА, ОТНОСЯЩИЕСЯ К РАЗДЕЛУ «СВОЙСТВА СВЕТА», ИЗУЧЕННОГО ВАМИ В 6 КЛАССЕ 1. Укажите eci-eci венные источники света. A) солнце, луна, звезды; B) солнце, костер, звезды; C) звезды, молния, сол11ечный «зайчик»; D) свеча, электрическая лампочка, карманный фонарь; E) керосиновая лампа, электрическая лампа, экран компьютера. 2. Причина появления тени? A) Подчинение света закону прямолинейного распространения; B) Из-за того, что источники света являются точечными; C) Из-за взаимодействия двух лучей друг с другом; D) Из-за рассеяния пучка света при распростра нении; E) Скорость света очень большая. 3. На рисунке свет, испущенный источником S, проходит препятствие D и попадает на экран. Какая из точек К, L и М будет в полутени? 60 B) Точка C) Точка М; D) Точка К м М', E) Точка К, Lw М. 4. Как изменятся размеры тени и полутени, если препятствие D на верхнем рисунке приблизить к источнику? A) У тени увеличивается, у полутени уменьшается; B) У тени уменьшается, у полутени увеличивается; C) У обоих увеличиваются; D) У обоих не изменяются; E) У тени не меняется, у ползлепи увеличивается. Вопросы теста, относящиеся к разделу «Свойства света», изученного вами в 6 классе 5. В каком определении закон отражения правильный? (а — угол падения, — угол отражения). A) Луч падающий, луч отраженный и перпендикуляр, восстановленный в точке падения, лежат в трех взаимно перпендикулярных плоскостях, а = уЗ. B) Луч падающий, луч отраженный и перпендикуляр, восстановленный в точке падения, лежат во взаимно параллельных плоскостях. G > /3. C) Луч падающий, луч отраженный лежат на одной плоскосгги. а = уЗ. D) Луч падающий, луч отраженный и перпендикуляр, восстановленный к плоскости падения, лежат в одной плоскости, а > /3. E) Правильный ответ не приведен. 6. Если угол между падающим и отраженным лучами равен 30°, чему равен угол отражения луча? А) 1; D) 4; В) 2; Е) 5. С) 3; А) 15°; В) 30°; D) 60°; Е) 75°. С) 45°; 8. От выпуклого зеркала луч отражается по направлению MN. В каком направлении луч падал на зеркало? О — центр зеркала, F — фокус. 7. На вогаутое зеркало луч падает из точки К. Укажите направление отраженного луча? М — центр зеркала, F — фокус. А) I; В) 2; С) 3; D) 4; Е) 5. 9. Покажите правильную формулировку закона преломления. A) Отраженный, падаюпщй лл'ч лежат в одной плоскости, преломленный луч в плоскости перпендикулярной им. B) Отраженный, преломленный луч лежат в одной плоскости, падающий в перпетщикулярной плоскости. C) Отраженный, преломленный и падающий луч и перпендикуляр, восстановленный в точке падения лежат в одтюй плоскости. D) Отраженный, преломлетшый и падающий лучи лежач во взаимно перпендикулярных плоскостях. E) При переходе из среды с большей скоростью света в среду с меньшей скоростью света угол преломления будет больше угла падения. 61 II глава. Оптика 10. На каком рисунке наедающий и отраженный лучи света показаны правильно? В сосуде находится вода и стенки сделаны из плоского зеркала. А) В) С) 11. Предмег находится на расстоянии IFom собирающей линзы. Каким будет изображение? {F — фокусное расстояние). A) Обратное, действительное, предмет соответс'1'вуег своим размерам. B) Обратное, действительное, увеличенное. C) Обратное, действительное, уменьшенное. D) Прямое, мнимое, увеличенное. E) Прямое, м»шмое, ул^еньше^шое. 12. Каким будет изображение предмета в рассеиваюнщй линзе? A) Обратное, действительное, увеличенное. B) Обратное, мнимое, уменьшенное. C) Обратное, действительное, уменьшенное. D) Прямое, мнимое, увеличенное. E) Прямое, мнимое, уменьшенное. 13. Чему равна оптическая сила выпуклой линзы с фокусным расстоянием 10 см? 62 А) 1 днтр; В)10д1пр; С) о, I дптр; Г:>) 5 Д1тгр; Е) 100 дптр. 14. Каким должно быть расстояние I между плоскостью, где образуется изображение на фотоаппарате и объективом? F— фокусное расстояние объектива. A) / = Е; B) /<Е; C) F<1< 2F; D) 2F-х ’ вакуум Значения скорости распространения света в различных средах?) и абсолютного показателя преломления относительно воздуха приведены в следующей таблице: Таблица 7 Вешесгво Скорость V, км/с Показатель преломления относительно воздуха Лёд 228 782 1,31 Вода (на 20°С) 225341 1,33 Кварц 194 613 1,54 Азмаз 123845 2,42 Кедровое масло (на 20'С) 197 174 1,52 Жемчуг 170 386 1,76 Примечание: результаты таблицы приведены для желтого света. 66 Тема 24. Полное внутреннее отражение Рис. 42 0СНОВОЙ МНОГИХ оптических приборов является треугольная призма. На рис. 42 показан ход лучей в треугольной призме. Преломление света дает возможность объяснить многие оптические явления. Если смотреть на воду в речках и озерах, то дно кажется близким. Но если войти в воду, то увидим, что река глубже, чем мы предполагали. Здесь глубина И, которую мы видим, составляет V4 части истинной глубины //. Поставьте на стол пиалу и положите в нее монету. Отойдите от сго-ла так, чтобы не было видно монеты. Затем попросите товарища налить в пиалу воду. Когда пиала наполнится водой, вы вновь увидите монету. Объясните причину. ТЕМА 24 Я ПОЛНОЕ ВНУТРЕННЕЕ ОТРАЖЕНИЕ Если показатель преломления среды имеет большее значение, то среда считается оптически более плотной. При переходе света из среды с большей оптической плотностью в среду с меньшей оптической плотностью наблюдается интересное явление. Направим узкий световой пучок в стакан с водой (рис. 43-а). Здесь на границе двух сред увидим образование npenoNnemioro и отраженного лучей. При увеличении угла падег!ия преломленный луч поворачивается в сторону поверхности воды и наконец исчезает. Это яатение называется полным внутренним отражением^ При полном внутреннем отражении преломленный лу'ч огсутствует, а падающий луч полностью отражается. Угол падения йц, при котором наблюдается это явление, называется пpeдeльF^ым углом полного отражения (рис. 43-е). Его можно найти из формулы преломле- 67 II глава. Оптика в) Рис. 43 Рис. 44 ния. Так как первая среда вода, вторая среда воздух, sin «о _ I /I ТО «2 = 1 И И, = Я. Отсюда: 1 '*■ sin^ впузренпем отражении sin/? = sin 9G° = 1 При полном sina. = - ® П Если вторая среда не воздух, то предельный угол определяется по формуле: sin«o= ^ Воспользовавшись значением я из таблицы, можно вычислить значение ардля различных веществ. Например, для воды 49°, для алмаза 24° и т. д. Явление полного внутреннего отражения света широко используется в науке и технике, в медицине и на производстве. Основным алемегггом яачяется световод, если свет попадает в свеювод, то он претерпевает многократное полное внз^греннее отражение (рис. 44). Если сигналы изображения в телевидении передаются но воздуху, то из-за поглощения в атмосфере, они распространяются недалеко. Если передавать изображение по оптическому кабелю, такое поглощение отсутствует. Здесь электрический телевизионный сигнал преобразовывается в оптический и передается через волоконт1ый кабель. На другом конце кабеля оптический сигнал преобразовывается в электрический и передается в телевизор. В медицине световоды используются в эндоскопах для наблюдения за внутренними органами. Они вводятся внутрь через пищевод. По одному световоду передается свет, по другому световоду ведется наблюдение. 1. От каких поверхностей происходит рассеянное (диффузное) отражение света? 2. Как образуется изображение пред.мета в плоском зерка.пе? 3. Попробуйте записать общее определение для законов отражения и прело.м-ления света. 4. Почему железная ложка, опущенная в стеклянный стакан с водой, кажется сломанной? 5. Свет падает из воздуха на воду. Можно ли здесь наблюдать явление полного внутреннего отражения? 68 Тема 25. Лабораторная работа. Определение показателя преломления стекла Упражнение 5 1. При каком угле падения на плоское зеркало отраженный и падающие лучи будут взаимно перпендикулярными? {Ответ: а — AS°.) 2. С какой скоростью свет распространяется в воде? Показатель преломления воды отпосительтю вакуума равен 1,33. {Ответ: 2,25 • 10^ м/с.) 3. Луч света переходит из воздуха в воду. Если угол падения равен 30°, то утол преломлетшя равен 50°. Определить показатель преломления стекла относительтю воздуха. {Ответ: 1,5.) 4. Показатель преломления стекла и воды соответственно равны 1,57 и 1,33. Найти предельный угол полнот© внутреннего отражения при переходе света из слекла в воду. {Ответ: «=58°.) 5. Абсолютные показатели преломления для воды и льда соответственно равны 1,33 и 1,31. Чему равен показатель преломления воды относительно льда? {Ответ: 1,015.) ТЕМА 25 ч ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ СТЕКЛА Необходимые принадлежности. Плоскопараллельная стеклянная пластина толщиной 1 см, иголки, белая бумага, пенопласт, любой источник света, линейка. Выполнение рабспы. 1) Положите на бeJtyю бумагу стеклянную пластит!у и прочертите парат-лельные стороны. 2) Положите стеклянную пластину вместе с бумагой на пенопласт. Воткните две иголки в параллельные грани пластины (1 и 2 иголки). 3) Поднимают пенопласт вмесзе со стеклом и через стекло смотрят на источник света. На расстоянии 2—3 см от стеклянной пластины воткните иголки 3 и 4 так, чтобы они совмещались (рис. 45). 4) Вынимают бумагу из под стекла и на ней проводят следующие линии (рис. 46). 5) Учитывая, что показатель прелош1ения определяется по формуле (1) sina=-^^ Рис. 45 ,3 В 2 L А Л Y 1 я о' АС CF FD Рис. 46 69 II глава. Оптика И sii\8 =4^ =4к Д-'^я ЭТОГО длину отрезков СВ, АС, GF, FD, ED, АО, AL и /\.и /KD AD измеряют линейкой. 6) Эксперимент повторяют три раза для разных углов падения света «2 и «3 но формуле (1) определяется соответствующий показатель преломления. 7) Для полу^1енных результатов находят абсолютную и относительную ошибки. /. Зависит ли показатель преломления от угла падения ? 2. Как зависит угол преломления от толи^ины стекла? 3. Объясните физический смыо1 показателя преломления. ТЕМА 26 Я ВЫПУКЛЫЕ и ВОГНУТЫЕ ЛИНЗЫ. ФОКУСНОЕ РАССТОЯНИЕ И ОПТИЧЕСКАЯ СИЛА ЛИНЗЫ а) Рис. 48 В параграфе 23 вы изучали отражение и преломление луча от плоских поверхностей. На практике широко применяется прохождение луча через сферические поверхности. Прозрачное тело, ограниченное сферическими поверхностями, называется линзой. Одна поверхность линзы может бьггь плоской. Плоскость можно назвать сферической поверхностью с радиусом равным бесконечности. Если средняя часть линзы толще краев, то линза выпуклая, если тоньше, то это вогнутая линза. На рис. 47 приводятся различные линзы и их обозначения. Прямая линия 0^0^, проходящая через центры сферических поверхностей О, и называется главной оптической осыо линзы (рис. 48). Точка О, расположенная в середине линзы, называется его оптическим центром. В зависимосш от направления лучей, проходящих через линзу, линзы бывают собирающими или рассеивающими. 70 Тема 26. Выпуклые и вогнутые линзы. Фокусное расстояние и оптическая сила линзы Направим параллельные лучи на выпуклую линзу (рис. 49). Двигая экран, расположенный за линзой, соберем лучи в одной точке (рис. 49-о). /п^ Эта точка называется главным фо-кусом линзы. Если вместо выпуклой линзы поместить вогнутую линзу, то сколько бы мы не двигали экран, лучи невозможно собрать в одну точку. Значит, выпуклая линза собирает лучи, а вогнутая линза их рассеивает. Если направить лучи, прошедшие через рассеивающую линзу в обратном направлении, то они соберутся в одной точке, лежащей на оптической оси. Эта точка называется мнимым фокусом линзы (рис. 49-6). Линзы имеют два фокуса, в однородной среде эти фокусы лежат по обеим сторонам линзы. Расстояние Fcrr оптического центра до фокуса называется фокусным расстоянием линзы. Плоскость, проходящая через фокус и перпендикулярная оптической оси, называется фокальной плоскостью линзы. Физическая величина, обратная фокусному расстоянию, называется оптической силой D линзы; = I диоптрия (дптр). У собирающей линзы оптическая сила — положительная, у рассеивающей — отрицательная. От чего зависит фокусное расстояние линзы? Известно, когда луч проходит через границу раздела двух сред, у10л преломления зависит от относительного показателя преломления среды и от угла падения. Значит, фокусное расстояние линзы :йвисит от относительного показателя преломления вещества линзы и от радиуса кривиз- Рис. 49 D^^.D ны R и R, сферических поверхностей: /. Что называется линзой? 2. Как можно от.шчить собирающую линзу от рассеивающей? 3. Как зависит фокусное расстояние линзы пт материала линзы ? 4. Сколько фокусов имеет рассеивающая линза? 71 II глава. Оптика ТЕМА 27 :ч ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА. ПОСТРОЕНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ ПРИ ПОМОЩИ ЛИНЗ Получение изображения собираюн^ей линзой. Для проведения опыта необходима электрическая лампочка, выпуклая линза, экран и линейка. Они располагаются, как показано на рис. 50. Передвигая линзу между экраном и лампой, получаем на экране четкое, увеличенное изображение спирали лампочки. Измеряется расстояние от линзы до лампочки и от линзы до экрана/^. Затем, передвигая линзу, на экране получают уменьшенное изображение спирали лампочки. Здесь тоже измеряют расстояние и /^. Закроем половину линзы темным предметом. Увидим, что изменилась яркость изображения на экране, но размеры изображения остались без изменения. Заключение. При помощи выпуклой линзы можно получить увеличенное или уменьшенное изображение предмета. Это свойство линзы используется во мног их оптических приборах — проекционный аппарат, лупа, очки, микроскоп, телескоп и др. На рис. 51 приведена схема получения изображения в линзах. На рисунке видно, что для получения изображения из кажюй точки (например из точки А предмета) достаточно провести две линии. Одна проводится через центр линзы, другая параллельно оптической оси линзы. Луч, прошедший через центр линзы, не преломляется. Луч, идущий параллельно главной оптической оси линзы, после преломления проходит через фокус. На пересечении двух линий получается изображение рассматриваемой точки. Изображение предмега, расположенного на главной оптической оси. На рис. 52-0 предмет расположен между двойным фокусом 2F и фокусом F. Как видно из рисунка, изображение по.иучается действительным, обратным и увеличенным. На рисунке S2-6 приводятся изображения предмета, расположенного на различных расстояниях от линзы. е ' * А' 2F л 2F F 0 а) Тема 27. Лабораторная работа. Построение изображения при помощи линз В соотве тствии с рисунком 52-й и б, после преломления в выпуклой линзе изображение будет следующим. Если предмет между Fvi 2F. то изображение действительное, обратное, увеличенное. Если d>2F, изображение действительное, обратное и уменьшенное; Если d= F, изображение не нолу^штся; Если d видеть предметы объемно, воспринимая размеры. Отчего зависит четкое видение предмета? Тема 29. Оптические свойства глаза Если смотреть на сады и дома, расположенные не далеко от нас, мы видим листья деревьев, если смотреть на небо, видим маленькие звезды, а Луна каже'гся большой. На самом деле, размеры звезд несоизмеримо больше размера Луны. Значит, чтобы видеть отчетливо предметы, они должны находится не далеко от глаза. Раскройте ладони, прагяните руки и посмафите на линии рук. Затем начинайте приближать руку к глазу. Когда расстояние между глазом и рукой станет равным 10—15 см, вы заметите, что линии на руках начали сливаться. Значит, чтобы видеть предметы отчетливо, они должны находится на определенном расстоянии от глаз. Это расстояние для нормального глаза составляет = 25 см. Существуют несколько болезней, связанных со строением глаза. Близорукость. Эта болезнь возникает из-за того, что хрусталик собирает лучи не на сетчатке, а перед ней. Изображение в виде АА' бывает нечетким (рис. 60-й). Такие люди носят очки с рассеивающими линзами (рис. 60-6). В результате, лучи собираются на сетчатке. Дальнозоркость. В этом случае хрусталик собирает лучи за сетчаткой, (рис. 61-о). Для устранения недостатка носят очки с собирающими линзами (рис. 61-6). Задача. Дальнозоркий человек хорошо читает кни1у на расстоянии 50 см. Какой оптической силы очки он должен носить? Расстояние иаи-лучшего зрения для нормального глаза = 0,25 м. Рис. 60 Рис. 61 77 II глава. Оптика Решение. Когда человек через очки смотрит на предмет, находящийся на расстоянии он видит мнимое изображение на расстоянии /. Воспользуемся формулой линзы, при этом не будем брать в расчет расстояние между глазом и очками. г — 7, отсюда D = I D 0,5м -0,25м 0,5м • 0,25м 2 дптр. Во время купания в чистой воде, вы наверно под водой смотрели на водоросли, камни. Предметы кажутся нечеткими. Это происходит из-за того, что показазели преломления стекловидного тела глаза и воды близки друг другу, поэтому луч после роговой оболочки не преломляется, а проходит прямо. Под водой мы попадаем в состояние дальнозоркости. Для того, чтобы видеть отчетливо иод водой, надо создать воздушный зазор между глазом и водой. Э'го достигается при помощи маски аквалангаста или 1Ш1ема скафандра. /. Что воспринимает цвет в глазу? 2. Что такое аккомодация глаза? 3. Как можно определить вид очков (близорукость или дальнозоркость)? 4. Почему лопасти венпшятора кажутся сп-гошными? 5. Что вы понимаете под расстоянием наилучшего зрения? Упражнение 5 1. Из стекла изготовили выпуклую линзу с фокусным расстоянием 20 см. Радиусы кривизны линзы равны. Показатель преломления стекла равен 1,5. Найдите радиус кривизны. {Ответ: 20 см). 2. Расстояние от предмета до экрана 2 м. Линзу с какой оптической силой надо взять, чтобы получщгь четырехкратное увеличение изображения предмета? {Ответ: 3,125 дптр). 3. Чему равно фокусное расстояние линзы, если ее оптическая сила равна — 2 дптр? {Ответ: 0,5 м). 4. Чему равно >'величение линзы, если ее оптическая сила равна 10 дптр? {Ответ: 2,5). 78 Тема 30. Определение скорости света ТЕМА 30 Я ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ СВЕТА Скорость света впервые удалось измерить датскому ученому О. Ремеру в 1676 г. на основании астрономических наблюдений. Он наблюдал затмение ближайшего спутника Юпитера — самой большой планеты Солнечной системы. Когда Земля при своем движении вокруг Солнца ближе всех подходила к Юпитеру, затмение спутника длилось = 42 часа 28 минут. Через 6 месяцев Земля удаляется от Юпитера на расстояние орбитального диаметра D, наблюдение затмения опоздало на 22 минуты. Значит, свет проходил диаметр орбиты Земли за А/== — /,= 22 мин. Расстояние, которое использовал Ремер, было не совсем точным /? = 2,84* 10" м, поэтому скорость света полечилась v = Y= 2,1.5-10* м/с. Впервые скорость света в лабораторных условиях удалось измерить фран-цухкому ученому И. Физо в 1849 г. Физо пропускал световой луч между зубцами вращающего колеса (/) (рис. 62) и направлял на зеркало (2), находившееся на далеком расстоянии. Отразившись от зеркала, свет должен был снова пройти между зубцами. Когда колесо вращалось медленно, отраженный свет был виден. При увеличении скорости вращения, отраженный свет стал не виден. В чем же здесь дело? Причина в том, что пока свет, прошедший между зубцами, шел до зеркала и обратно, колесо успевало повернуться так, что на место прорези вставал зубец и заслонял свез. При дальнейшем увеличении скорости вращения свет опять становился видимым. Зная скорость вращения колеса, расстояние В (В опыте Физо 8,6 км) и воспользовавшись шириной одного зубца колеса, можно определить ско- 79 II глава. Оптика рость света. В опыте Физо скорость света равнялась 313000 км/с. После этого было построено множес1ВО устройств, позволявших проводить точные измерения, и была измерена скорость света. В частности, американский физик Майкельсон вместо зубчатого колеса использоват восьмигранное зеркало. По современным данным, скорость света в BaKj'ywe равна с = 299792458,2± 1,2 м/с. Скорость света, измеренная в воде, была меньше скорости света в вакууме в у раза. В остальных средах скорость света меньше, чем в вакууме. В настоящее время скорость света в вак>7ме принято считать равной 3*10® м/с. Это самая большая скорость в природе. Равенство скорости свега и скорости электромагнитной волны дает основание предположить единство их природы. 'rt\ 1. Какая связь между скоростью света и показателем преломления среды? ^ ' 2. Как изменится точность измерения скорости света в эксперименте Физо, если увеличить расстояние D? 3. Какой будет скорость распространения света в вакууме для лучей разного цвета? ТЕМА 31 СВЕТОВАЯ ВОЛНА. ДЛИНА ВОЛНЫ СВЕТА. ДИСПЕРСИЯ СВЕТА С давних времен люди обратили внимание на то, что свет бывает разных цветов. Окрашивание неба в голубой цвет, красный вид Солнца при заходе, образование радуги после дождя, разделение света на различные цвета мыльным пузырем, объяснение всем этим яалениям можно было дать, считая свет волной. Исходя из волновой теории света, свет — это волны, которые распространяются в пространстве с большой скоростью. Цвет света зависит от его частоты. Длина световых волн очень мала, например, самая большая длина волны у луча красного цвета 2,^= 7,6 • Ю м, а самая маленькая у фиолетового лучаЯф= 3,8 • 10 ’ м. Длины волн других видимых лучей лежат между ними. В 1873 г. английский ученый Д. Максвелл теоретически доказал, что свет — это электромагнитная волна,, распространяющаяся со скоростью V = 3 • 10* м/с. Эзу теорию Г. Герц подтвердил экспериментально. При переходе света из одной среды в другую его длина волны изменяется, а частота не изменяется. 80 Тема 31. Световая волна. Длина волны света. Дисперсия света Нам известно, что при переходе света из ваку^'ма в какую-1Х> среду, скорость его уменьшается в п раз. у = Av из формулы следует, что лучи различного цвета в данной среде распространяются с различной скоростью. Если учесть, что и= ~, где п показатель преломления среды относительно вакуума, то лз^ш разного цвета имеют разные показатели преломления. Зависимость показателя преломления от длины световой волны на-зываетея дисперсией света. Это явление впервые открыл И. Ньютон. Его эксперимент был прост. Ньютон направлял на призму >'зкий солнечный луч. Луч света после призмы падал на противоположную стенку. При этом наблюдается расположение цветов, как в радуге (рис. 63). Эксперимент показывает, что после призмы лу'ч красного цвета отклонился меньше, чем фиолетового. Изображение, состоящее из семи цветов, Ньютон назвал спектром. Ньютон наблюдал, что если щель закрыть красным стеклом на стене остается только красное пятно, а если закрыть зеленым стеклом остается только зеленое пятно. Этим он доказал, что призма не «окрашивает» белый свет, а сам белый свет имеет сложную сзруктуру. Если собрать с помощью линзы цветные лучи, вышедшие из призмы, то собранные лучи снова станут белыми. Таким образом, Ньютон доказал, что белый свет Солнца II глава. Оптика СОСТОИТ ИЗ суммы всех цветов. Причина того, что под лучами Солнца предметы имеют разные цвета в том, что предметы одни цвета поглощают, другие отражают. Черное тело поглощает все падающие на него лу'чи, а белое тело все лучи отражает. На праздниках, в различных аттракционах и представлениях свет пропускается через цветные сгеюш. Они пропускают один цвет, а осгальиые поглощают. /. Что называется частотой волны? фУ 2. Покажите упорядоченное расположение цветов в спектре. 3. Если на пути белого луча, падающего на призму поставить стекло голубого цвета, то какие изменения произойдут в спектре? ТЕМА 32 Я ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА. ИЗУЧЕНИЕ ДИСПЕРСИИ СВЕТА. Необходимые принадлежности: источник света с диафрагмой, призма, экран, линза. Выпо^тение работы. 1) Экран устанавливается неподвижно, на призму от источника света направляют узкий белый пучок света. 2) Не меняя положения экрана и источника света, наблюдают на экране появление че'гкого спектра. 3) На пути луча света от призмы помещают линзу и добиваются появление узкого белого луча света. /. Почему белый свет после призмы разделяется на различные цвета? 2. В каком порядке расположены цвета в спектре? 3. Почему белый свет не разлагается на цвета пос.пе прохождения пара/Ыель-ной ттстины? ТЕМА 33 Я ИНФРАКРАСНЫЕ, УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫЕ И РЕНТГЕНОВСКИЕ ЛУЧИ, ИХ СВОЙСТВА Соедините лампочку с источником тока. С помощью реостата изменяйте напряжение на лампочке от О до номинального. Наблюдайте за освещенностью лампочки. Вы увидите, что нить лампы сначала краснеет, а потом раскаляется до яркого све«1ения. 82 Тема 33. Инфракрасные, ультрафиолетовые и рентгеновские луни, их свойства Затемните комнату, поставьте экран и направь'ге на него узкий луч света от лампочки через призму. На экране возникнет спектр испускания раскаленной нити лампы. Измеряя электрическим термометром темпера-ту'ру отдельных участков экрана, вы увидите, что температура растет к красному концу спектра. При перемещении термометра за красный конец видимого спектра температура экрана возрастает. За фиолетовым кор1цом видимого спектра термометр 1’оже обнаруживает небольшое повышение температуры экрана. Инфракрасные лучи. Невидимые глазом лучи, расположенные в спектре за красным (Я^== 0,76 мкм) цвеюм, называются инфракрасными. Любое нагретое тело испускает инфракрасные лучи, поэ'гому их еще называют и тепловыми лунами. Инфракрасные лучи, по сравнению с красными, преломляются меньше. Их длина волны лежит между 0,76-5-350 мкм. Причиной того, что лепешки, испеченные в тандыре, вкуснее лепешек, испеченных в электрических печах, заключается в том, что тандыр дольше иадучаег инфракрасные лучи. Инфракрасные лучи используются для с>тнки овощей и красок. Температура каждого участка человеческого тела измеряется в специальных камерах при помощи инфракрасных лучей. Змеи находят свою жертву при помощи инфракрасных лучей. По тому же принципу ракеты «Земля — воздух» сбивают маневрирующие в воздухе самолеты. В приборах ночного видения тоже используются инфракрасные лучи. Ультрафиолетовые .чучи. Невидимые глазом лучи, расположенные в спектре перед фиолетовыми лучами, (Я^ = 0,4 мкм) называются ультрафиолетовыми. Эти лучи преломляются больше, чем фиолетовые. Длина волны лежит между 0,4—0,005 мкм. Ультрафиолетовые лучи можно обнаружить при помощи экрана, покрытого люминофорами. В этом случае место, куда попадают ультрафиолетовые лучи, начинает светиться. Ультрафиолетовые лучи в атмосфере поглощаются не полностью. Поэтому гюд действием этих лучей тело загорает. В небольших дозах полезно находиться под солнечными лучами. Лучи воздействуют на центральную fiepBH>TO систему и улучшают важные жизненные функции организма. Ультрафиолетсвые лучи ионизуют газы, убыстряют некоторые химические процессы. В медицине используются для дезинфекции помещений. Ультрафиолетовые лучи оказывают сильное воздейщ'вие на сетчату глаза и поражают ее. Поэтому нельзя без защитных очков прямо смотреть на Солнце, электрическую дугу и на пламя газосварки. 83 и глава. Оптика Рентгеновские лучи. Многие ученики для проверки своего здоровья пользовались рентгеновскими аппаратами. Они имеют представление о том, что рентгеновскими лучами .можно фотографировазъ различные ви>'трен-ние органы. Эти лучи были открыты в 1895 г. немецким физиком В. Рентгеном. При изучении прохождения тока через газ, находящийся под низким давлением, он заметил, что фотопластинка, завернутая в черную бумагу, потемнела. Когда Рентген поместил руку между трубкой и экраном, то на экране заметил тень от руки. Значит, из трубки выходили лучи с большой проникающей способностью. Он назвал эти лучи Х-лучами. В дальнейшем эти лучи были названы рентгеновскими лучами. Рентгеновские лучи образуются не при прохождении электрического тока через газы, а образуются при соударении быстрых электронов с каким-то предметом (стеклянная стенка или металлическая пластина). Рентгеновские л>чи тоже иаляются электромашитными волнами с длиной от 10"* м до 10’" м. Свойство рентгеновских лучей проходить через непро.зрачные тела, широко используется в медицине и в научно-исследовательских работах. В медицине используется для обнаружения переломов костей, для выявления в легких и в других органах посторонних новообразований и для их лечения, в металлургии используется для выявления дефектов в готовых метал;1ических изделиях, В та.можне можно исследовать внутреннее содержание чемоданов, не вскрывая их. В научно-исследовательских работах рентгеновские лучи помогают исследовать фазовую структуру кристаши-ческого тела, молекулярное строение органических соединений. Шкала электромагнитных волн. Одновременно с открытием рентгеновских лучей было открыто явление радиоактивности. Некоторые вещества (соединения урана) без всякого внешнего воздействия самопроизвольно испускают лу^ги. В составе этого излучения было и электромагнитное излучение с длиной волны меньше, чем 10"" м. Эти лучи называются у — лучами. Их испускают ядра атомов. Таким образом, человечество получило возможность изучать электромагнитные волны длиной от 10 км до 10*'^ м. Если их расположить по мере убывания длины волны, то получим следующее: низкочастотное излучение, радиоволны, инфракрасные лучи, видимый свет, ультрафиолетовые лучи, рентгеновские лучи иу — луни. Конечно, границы этих лучей определены условно. Все они в вакууме распространяются со скоростью 300 000 км/с. Но получение их (нагревание, при помощи ангенн, торможение электронов) и регистрация различны. Если при больших длинах волн превалируют волновые свойства, то при малых длинах волн превалируют корпускулярные свойства. 84 Тема 34. Явление фотоэффекта и его применение ®/. Чему равна частота ин(()ракрасных, ультрафиолетовых, рентгеновских лучей? 2. Где используются инфракрасные лучи? 3. Как называются лучи с длиной волны меньше 10~ “ м ? Упражнение б 1. Расстояние от Земли до Солнца равно 150 млн. км. За какое время луч, покинув Солнце, достигнет Земли? 2. Длина волны красного цвета 7,6 • м, фиолетового 3,8 • 10“^ м. Найдите их частоты. 3. Вычислите скорость распространения света в стекле. Показатель преломления стекла 1,5. ТЕМА 34 ЯВЛЕНИЕ ФОТОЭФФЕКТА И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ В настоящее время, наверное, не осталось человека не видевшего, как на расстоянии с пульта можно управлять телевизором и видеомагнитофоном. Конечно, Вы знаете, что при входе в Ташкентский метрополитен надо бросить жетон, иначе вас не пропустит механическая рука. Во многих автоматических устройствах используются такие приборы: фотодиод, фоторезистор, световые диоды, оптрон, рабсп а которых основана на воздействии света. Вырывание электронов из вещества под действием света называется фотоэффектом. Это явление было открыто Г. Герцем в 1887 г, затем изучалась А. Г. Столетовы м. Схема его опыта приведена на рис. 64. Два диска, один сплошной, другой из сежи, расположены параллельно и соединены в цепь. Диски не соприкасаются друг с другом, поэтому цепь разомкнута и гальванометр показывает ноль. При освещении диска лучами от дуги, гальва- ' нометр отмечал наличие тока. i Здесь сплошной диск должен \ быть соединен к отрицательному полюсу. Если соедиР1ить его с положительным полюсом, тока не будет. Значит, Рис. 64 85 II глава. Оптика действительно, когда на диск падает свет из него вылетают электроны. В процессе эксперимента наблюдались следующие закономерности: 1) Для каждого вещества фотоэффект наблюдается лищь в том случае, если длина волны меньше определенного значения. Например, для меди эта граница 0,37 мкм, для калия 0,45 мкм, для натрия — 0,68 мкм. 2) Энергия (скоросгь) электронов, вылетающих из металла, пропорциональна частоте поглощаемого света и не зависит от его интенсивности. Эти закономерности нельзя объяснить с волновой точки зрения. Законы фотоэффекта были объяснены Эйнштейном в 1905 г. Эйнштейн использовал гипотезу М. Планка о квантах света. По Планку свет испускается, поглощается и распросзраняется лишь отдельны.ми порциями. Одна порция энергии света называется «квантом света». Квант света также называется «фотоном». Энергия фотона определяется формулой е = hv . IMll ■ О и 14 вставка { Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта: „2 hv = А + mv И пропорциональна частоте, /г = 6,63 • 10“^ Дж • с называется постоянной Планка. Энергия фотона, падающего на металл, идет на совершение работы выхода элеюрона {«работа выхода») из металла и на сообщение электрону кинетической энергии (14 вставка). Формула объясняет, почему для данного вещества фотоэффект наблюдается лишь при длине волны, меньше определенной. Для того, чтобы электрон вылетел из металла, ему надо передать энергию больше или равную работе выхода; hv> А, отсюда — называется красной границей фотоэффекта для данного вещества. Хотя фогон и называется частицей, но масса покоя его равна нулю, т. е. фотон не может существовать в состоянии покоя. С момента образования фотон начинает двигаться со скоростью света. Приборы, работаюище на явлении фотоэффекта. Фотодиоды, в 8 классе вы знакомились с полупроводниками. В учебнике было написано, что если из атома выбить электрон, то образуется электронно-дырочная пара. Электронно-дырочную пару можно образовать и при помощи света. Диод, изготовленный из такого материала, называет-86 Тема 34. Явление фотоэффекта и его применение ся фотодиодом. Сила тока, протекающего через фотодиод, зависит от интенсивности света. Светодиоды. Он состоит из одного или из нескольких р—п переходов, при протекании тока светодиод излучает свет. В это.м диоде число электронов болыие, чем число дырок. При переходе электрона из «-области в р-область он рекомбинирует с дыркой и излишек энергии испускает в виде света. С ростом тока увеличивается и интенсивность света. Ссхлнечные батареи. В их основе тоже лежат фотодиоды. В этих фотоэлектрических установках под действием света появляется напряжение. Обычно они имеют р—п переход, положительный полюс напряжения бывает в «-области. Если это напряжение подать во внешнюю цепь, то появится ток. Направление тока противоположно переходу. Фоютранзисторы. В них цепь базы отключена, если осве-гить область базы, в ней образуются электронно-дырочные пары. Электроны остаются на базе и повышают прямое напряжение перехода эмиттер-база. Это, в свою очередь, увеличивает приток дырок с эмиттера на базу, и большинство их переходят на когьтектор. Таким образом, свет, падающий на базу, управляет токо.м транзистора. Оптронные приборы. Устройство, в котором имеются фотодиод и светодиод, называется оптроном (рис. 65). Фотодиоды, светодиоды, фототранзисторы, солнечные батареи используются в световых индикаторах, в оптоэлектронных приборах в качестве источника света, кино, фототехнике и в автоматических устройствах. 1. Какое явление называется фотоэффектом ? 2. Почему в эксперименте по наблюдению фотоэффекта, сеет падает на диск, соединенный с отрицательным полюсом? 3. Что вы понимаете под словом фотон? 4. Как связана энергия света с его цветом? 5. Что означает красная граница фотоэффекта? 6. Объясните разницу между фотодиодом и светодиодом. Рис. 65 87 II глава. Оптика ТЕМА 35 ГЕЛИОТЕХНИКА. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ В УЗБЕКИСТАНЕ И ЕЕ ПЕРСПЕКТИВЫ Установки, работающие на солнечной энергии, называются гелиотехническими установками. Солнечные лучи поглощаются во внутренней части установки и превращаются в тегию. Люди с древних времен пытались использовать солнечную энергию. Есть сведения о том, что при щтурме римлянами родного города Архимеда — Сиракуз, он приказал женщинам направить лу'ч от больших зеркал на деревянный корабль, от которого тот сгорел. В XV1I1 веке во Франции (Ж. Бюффон), в Англии (Д. Гершель), в России (М. В. Ломоносов) испытывали различные гелиотехнические устройства, но ожидаемого результата они не дали. Во второй половине XIX века француз О. Мушо (1878), русский ученый В. К. Сераский (1890) создали довольно сложные устройства. В 1927 г. В. П. Бухман в Казахстане создал 24 зеркальный солнечный рефлеюгор и использовал его для нагревания воды. В местах, где падающая на Землю Солнечная энергия выше 240 кДж/см^ (годовое Солнечное время 1800—2000 часов), использование солнечной энергии эконо.мически выгодно. Работы по использованию солнечной энергии в технике, в быту в Узбе-кисгане начались в 20 годах. В 1929 г. было осуществлено испарение экстракта махорки (А. И. Ластак), в 1930 г. была построена экспериментальная солнечная баня (Л. Н.Сатиков), в 1934 г. в Ташкенте была организована гелиотехническая лаборатория, а в 1943 г. в составе Физико-технического института АН Узбекистана была создана лаборатория гелиотехники. Там были разработаны и внедрены в производство солнечные водяные установки, осушители, солнечные увлажнители и осушители кокона, солнечный разбавитель серы. В 1946 г. в Ташкенте был построен зеркальный параболоид диаметром 10 м. Эта установка дала возможность проводить исследования по отоплению комнат и очистки воздуха, получения пара и льда (Г. Ё. Умаров). В Бутаре был построен первый завод по производству гелио-водообо1ревателей и гелио-кухни (1978). В 1963 г. был образован отдел Гелиофизики, что дало возможность со-здатъ тепловые двигатели мощностью 0,5—2,0 кВт путем термодинамического превращения солнечной энергии в другие виды энергии. Были созданы медицинские установки для лечения больных солнечными лучами, предпосевная обработка семян ядохимикатами была заменена установкой по импульсно-лучевой обработке. Тема 35. Гелиотехника. Использование солнечной энергии в Узбекистане Учитывая огромное прикладное значение большого солнечного концентратора, под руководством академика С. А. Азимова было организовано научно-производственное объединение, которое вобрало в себя и Большой солнечный концентратор (БСК) мощностью 1000 кВт. Большой солнечный концентратор объединения был введен в строй в 1987 г. в 48 километрах от Ташкента в Паркентском районе. Такая установка к этому времени была только в городе Одейо (Франция). Концентратор установки является усеченным сверху и снизу параболоидом с фокусным расстоянием 18 м, размера.ми 54x42 м. Гелиостатная площа^хка (гию-щадь, где расположены зеркала) состоит из 62 одинаковых, расположенных на одинаковых расстояниях гелиостатов. Задачей гелиостатов является в течение дня обеспечить концентратор солнечными лучами. В 1993 году на базе научно-производственного объединения «Физика Солнца» был создан материаловедческий институт. В настоящее время в институте под руководством крупных ученых Т. Т. Рискиева, Г. Т. Оди-лова проводятся широкомасштабные работы по исследованию физики тугоплавких металлов. /. Какими дополнительными сведениями вы располагаете по использованию солнечной энергии? 2. Какие зеркала используются в солнечных концентраторах? ТЕМА 36 Я ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА. ИЗУЧЕНИЕ ФОТОДИОДА Необходимые принадлежности: фотодиод, источник света с диафрагмой, источник питания постоянно|о тока от 0 до 10 В, миллиамперметр, вольтметр (пределы измерения до 12 В), соединительные провода. 1) Знакомство с техническими характеристиками фотодиода. 2) Сборка электрической схемы, приведенная на рис. 66. 3) Закрывается щель на источнике света, выбирается минимальное напряжение, при котором ток через фотодиод равен нулю. 4) Свет через щель направляется на фотодиод. Медленно увеличивает- Рис. 66 89 II глава. Оптика I мЛ U(B) 1(мА) и, У ся напряжение на источнике питания и в таблицу заносятся соответствующие значения тока и напряжения. 5) Используя данные из таблицы учащиеся чер-шт график зависимости 6) Эксперимент повторяется при разной интенсивности света (из.меня-Ю'г напряжение источника питания). 7) Делаются выводы из полученных результатов. Г/. На чем основывается принцип работы фотодиода? 2. Почему при отсутствии света не бывает тока даже, прямой? 3. Как зависит ток (ротодиода от интенсивности света? если р—п переход ТЕМА 37 ХИМИЧЕСКОЕ И БИОЛОГИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ СВЕТА. ФОТОГРАФИЯ. ФОТОСИНТЕЗ И ЕГО ЗНАЧЕНИЕ В курсе химии вы изучали распад сложных молекул на простые молекулы и образование из простых молекул сложных (синтез). Вы уже знаете, что для этого необходима энергия. Некоторые молекулы распадаются или образуются, получая эту энергию от света. На этом основано химическое и биологическое воздействие света. Примером синтеза под воздейсз’вием света может служит образование озона из кислорода: 30^+ /м 20, Реакцию распада можно рассмозреть на примере распада аммиака на кислород и водород. Из курса химии известно, что водород и хлор не взаимодействуют в отсутствии света. Но в результате кратковременного воз- 90 Тема 37. Химическое и биологическое воздействия света. Фотография действия свеаа реакция протекает настолько бурно, что г(роисходит взрыв. Для протекания реакции существует, как и для фотоэффекта, «красная |раница». Энергии кванта света должно хватить для разрыва химической связи в молекуле. Фотография тоже основана на явлении химического воздействия света. Фотография. С устройством фотоаппарата вы познакомились в параграфе 24. Свет, отраженный от предмета, попадает на фотопленку. Чувствительный слой пленки состоит из бромида серебра (AgBr). Под воздействием света, бромид серебра распадается и выделяется чистое серебро. Образование атомов серебра зависит от интенсивности света, и некоторые части пленки темнеют. Эго называется скрытым изображением. Для просветления пленку помещают в раствор гидрохинона или в металлические и другие растворители. В результате образуется негативное изображение пленки. На этом изображении темные места объекта будут светлыми, а светлые темными. После этого, чтобы пленка не изменялась под воздействием света, оставшийся на пленке бромид серебра смывается. Для закрепления изображения пленка опускается в растворе гипосульфта и промывается водой. Для изготовления фотокарточки нужного размера пленка устанавливается в маленький проекционный аппарат, и изображение переносится на фотобумагу. После обработки фотобумаги таким же методом получается настоящее позитивное изображение. В настоящее время изготовлены фотоаппараты, напрямую создающие позитивное изображение. Но в них размеры изображения и количество ограниченно. Биологическое воздействие света играет важную роль в природе и в жизни человека. В зеленых листьях деревьев и растений, во многих микроорганизмах под воздействием света происходят процессы жизненно необходимые для всей жизни на Земле. Первый этап образования углеводов и выделение кислорода в растениях под воздействием света происходит следующим образом: СО2+ 2Нр + Uhv снр + нр + о^. В результате э'гой реакции выделяется кислород, столь необходимый для жизни. Растения при помощи корней берут из почвы атомы других элементов, соединяют их с цепочкой атомов углерода и образуют молекулы белков, масла, углеводов, необходимых для питания людям и животным. Этот процесс называется фотосинтезом. Примером фотосинтеза являются реакции, протекающие в некоторых бактериях: 91 II глава. Оптика СОз+ 2H^S + Nhv СН,0 + Н,0 + 2S. В результате фотосинтеза на Земле каждый год образуется 100 млрд тонн органических веществ и кислорода. /. На чем основывается химическое и биологическое воздействие света ? 2. Какую роль в фотографии играет воздействие света? 3. Расскажите о работах, проводимых для образования негативного изображения на фотопленке? 4. Объясните реакцию образования углевода и выделения кислорода в растениях под воздействием света. 5. Что такое фотосинтез? Упражнение 7 1. Вычислите энергию фотона красного света (А = 700 нм). {Ответ: 2,83- 10-'’Дж). 2. Чему равна длина волны фотона, если его энергия равна 3 • 10*'^ Дж. {Ответ: 6,6 • 10*'® м). 3. Для калия работа выхода равна 3,6 • 10'” Дж. Найдите дтя калия длину волны, соответствующую «красной границе» фотоэффекта. {Ответ: 5,5* 10 ’ м). 4. Если на цезий падает фиолетовый луч с длиной волны Я = 400 нм, какой кинетической энерг ией будут обладать электроны, вылетающие с поверхности цезия? Рабога выхода электрона, для цезня 1,7 • 10'” Дж. {Ответ: 3,27 • 10'”Дж). ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ Задача 1. Когда тень от Ташкентской телевышки стала равна 40 м, тень от столба высотой 7,5 м равнялась I м (рис. 67). Чему равна высота телевышки? Решение. Из условия задачи начертим следующее. Дано; АС — 50 м /)С= 1м ED = 7,5 м АВ=? 92 примеры решения задач Рис. 67 Из подобия треугольников /SABC ~ ~ LDEC: — = _; ; Отсюда вы- сота телевышки /У = Л • 50 = 7,5 мх х50=375м. Задача 2. На стене комнаты со стороной d и имеющей фор\1^ куба, имеется В1ель, на расстоятгии от нее уста-нашшвается свеча. Какой вид будет иметь пламя свечи на стене комнаты (рис. 68)? Решение. Свет распространяется по прямой линии. Луч, выходящий из точки Л пламени, попадает в точку А' на стене, а выходящий из точки В в точку В'. Значит, изображение будет обратным, увеличенным. Задача 3. Зеркало может вращаться вокруг точки О (рис. 69). Окружность разделена на 8 равных частей. Если точка 2 в зеркале переместится в результате вращения в точку 3, куда переместится изображение тела Л, стоящего в точке 1? Р е ш е н и е. На плоском зеркале изображение точки А будет в симметричной ей точке А’. Если зеркало вращать, как показано на рисунке, то изображение переместится в точку 5, симметричную телу. Задача 4. Показатели преломления стекла и воды равны и, = 1,57 и «2= 1,33 соответственно, найти показатель преломления воды относительно стекла. Дано: И| = 1,57, ^ ДЗ. w,2 “ ^ Решение. Показатель преломления одной среды относительно дру- гой определяется так ” 3— - Ih. — . Значит , с «2 ^ 1,57 1,3.3 -1,18. «I 71 д 4 8 d/2 Рис. 68 Рис. 69 93 II глава. Оптика Задача 5. Предмет высотой 5 см расположен на расстоянии 30 см от двояковыпуклой линзы, перпендикулярно главной оптической оси, фокусное расстояние линзы — 20 см. Найти расстояние от изображения до линзы и высоту изображения. Дано: h — 5 см, F = 20 см, d= 30 см. /— ? Н — ? Прежде, чем решать задачу, посгроим изображение предмета на двояковыпуклой линзе (рис. 70). F f d ■' d~F F d 0,2 м-0,3 м 0,3 м-0,2 м _ 0,06 0,1 : 0.6м. Из подобия треугольников ААВО и АА'В'О 0,6 м ft / = 5- 10-^м 0,3 м = 10 см =10~' м. Задача 6. Старик с дальнозоркостью может читать книгу на расстоянии 50 см. Найдите оптическую силу очков, при помощи которых старик мог бы читать книгу на расстоянии наилучшего зрения 25 см. Решение. г/,=50 см, djj= 25 см, X)—? 1 + j=D, +£». Если решить их совместно do 4 1 1 0,25 м 0,5 м •4-2 = +2 дпгр. Задача 7. Длина волны видимого глазу излучения лежит в интервале от 4* Ю*’ м до 7,5 • 10"''м. )-1айти соответствующие этому интервалу частоты. Дано: А,= 4 • 10"^ м, A^= 7,5 *1 о-'м, с =3 • 10** м/с. Р е III е н и е. Длина волны А, скорость ее распространения с и частота v связаны следующим образом: 94 Примеры решения задач = =7,5 • 10'" Гц. 4 • 10'^м с _ 3 1аЧ|/с h 7,5- Ю-’м -4*10'" Гц. Задача 8. Для калия работа выхода электрона равна 3,6 • 10"'’Дж. Найти частоту, соответствующую «красной фанице» фотоэффекта. Дано: /4=3,6* 10"”Дж, с= 3 * 10" м/с, /г= 6,625* 10-"‘'Дж*с. -? Решение. Энергия света E=hv^ , соответствующая «красной фанице» фотоэффекта полностью тратится на работу выхода А. hv^=A^v^=^~ = . 3.640/!Д^... = 5 4*10'"Гц 6,625-10-^Дж с 95 II глава. Оптика КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ для ЗАВЕРШЕНИЯ II ГЛАВЫ 1. Изображение каких точек видит человек, если смотрит на зеркало из зочки А? с A) Только В; B) В и D; C) D и £; D) С, D и £■; E) В, С, В н Е. D в 2. Половина зеркала находится в воде, половина в воздухе. В каком направлении отразится луч, падающий в точку погружения? A) 1; B) 2 C) 3 D) 4 E) 5. 1 3. Чему равно отношение главных фокусных расстояний линз с оптическими силами +3 дптр и +0,75 дптр? А) 4; В) 2; С) 1; D) 0,5; Е) 0,75. 4. Требуется изготовшь плосковыпуклую линзу с оптической силой +2 дптр из стекла с коэффициентом преломления 1,52. Чему должен быть равен радиус кривизны? А) 26 см; В) 13 см; С) 52 см; D) 39 см; Е) 15,2 см. 5. Во сколько раз изображение предмета будет больше самого предмета, если предмег находится на расстоя- 96 НИИ d от линзы и главное фокусное расстояние линзы равно F? А) D) d~F В) Е) F d+F '■> F • С) та; 6. Фокусное расстояние линзы проекционного аппарата равно 15 см, расстояние от него до экрана 6 м. Во сколько раз изображение предмета будет- больше, чем сам предмет? А) 40; В) 35; С) 30; D) 25; Е) 20. 7. Световой луч проходил- среду I, II и III в направлениях, показанных на рисунке. Сравните показал-ели преломления сред I, II и III (О — центр полуокружноеги). А) «„>«,> и,,,; В) «„>«,„> я,; С) л,„ > и„ > я,; D) я,„ > я, > я„; Е) я„=я,„>я,. 8. Показатели преломления вещества измерены для красного (nj, желтого (я^) и фиолетового (Яф) луча. Если сравнить результаты, то какими они будут? А)Яф>я^>я^; В)я^>я^>Яф; С) Яф> я^> я^; D) я^> Яф> я^; Е) "ф=«к=«ж- Контрольные вопросы для завершения II глапм 9. Если свет переходит из воздуха в стекло, какие параметры ocTaHj'Tca без изменения? A) частота; B) длина волны; C) скорость распространения; D) интенсивность; E) такого параметра нет. 10. Дисперсия света — это... A) ...зависимость показателя преломления от длины волны; B) ...зависимость скорости волны суг частоты; C) ...скорость света, са.мая большая скорость в природе; D) ...эмиссия электрона под действием света; E) ...поглощение света порциями атомами и молекулами. 11. Покажите промежуток длины волны инфракрасного луча; A) 0,76-5-350 мкм; B) меньше 10‘" м; C) 10-*-^10-"м; D) 0,4-5-0,005 мк.м; E) 7,6 10-'н-3,8* Ш-’м. 12. У каких лучей больше выражены квантовые свойства? A) у-лучей; B) рентгеновских лучей; C) ультрафиолетовых лучей; D) видимых лучей; E) во всех одинаково. 13. Фотоэффектом называется ...Вместо точек поставьте правильный ответ. A) ...вылет электрона из вещества под действием света...; B) ...зависимость показателя преломления от длины волны...; C) ...поглощения порциями энергии света атомами и молекулами...; D) ...независимость скорости света от частоты волны...; E) ...увеличение изображения предмета оптическими приборами.... 14. Чему равно отношение энергий красного (л = 700 нм) луча н рентгеновского лу»ш (10'м) ? A) 1,4-10-^; ” B) 7 • Ю--»; C) 7- 10-5; D) 7* 10 E) 1,4-10-5. 15. Что понимается под «красной границей» фо'гоэффекга? A) Минимальное значение частагы света, падающего на вещество луча, необходимого для возникновения фотоэффекта, B) Граница видимых и инфракрасных лучей, C) Минимальное значение длины волны, падающего на вещество луча, необходимого для возникновения фотоэффекта, D) Энергия фотона, приходящаяся на один квант, E) Правильный ответ не приведен. 4—Физика. 9 кл. 97 II глава. Оптика ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ БЕСЕДА Здесь вы ознакомитесь с краткими выводами II главы. Распространение света В прозрачных однородных средах свет распространяется прямолинейно. Линия распространения света называется лучом. Скорость свега с В вакууме равна приблизтельно 300000 км/с. Закон отражения г/ ч г а=у Луч падающий, луч отраженный и перпендикуляр, восстановленный в точке падения, лежат в одной плоскости. Угол падения равен углу отражения. Закон преломления Луч падающий, луч отраженный, луч преломленный и перпевдикуляр, восстановленный в точке падения, лежат в одно1т плоскости. Отношение синуса >тла падения к синусу >тла прелсл1ления есть величина постоянная, называется показателем претомлеиия второй среды относительно перюй. Полное внутреннее отражение Возможно при переходе свега из оптически более плотной среды в оптически менее плотную сред>'. Полное отражение светового луча на границе раздела этих сред называется полным внутренним отражением. — предельный угол, при котором наблюдается полное внутреннее отражение. 98 Заключительная беседа Линза Прозрачное тело, ограниченное сферическими поверхностями, называется линзой. Виды линз: выпуклые (собирающие), воп1утые (рассеиваюище). Расстояние от оптического центра линзы до фокуса называется фокусным расстоянием линзы (/О- -F = -'йЧ) П21 — показатель преломления материала линзы оптосительно среды, Л] и /?2 — радиусы кривизны поверхностей, ограни-чивающих линзу.______________________________________________ Формула тонкой линзы 1=1 + 1 F f d d — расстояние oi предмега до линзы; / — расстояние от линзы до изображения; ^ = 7 оптическая сила линзы. (£>1=1 дптр. Построение изображения в линзах Для построения изображения достаточно взять два луча: • от начала предмета к центру линзы; • от начала предмета параллельно главной оптической оси, затем нрелошшюищйся после линзы через фокус (в собираюитей линзе), от линзы назад к главному фокусу (для рассеивающихся линз)______________ 2F F F 2F А Оптические приборы • Лутта • Глаза • Очки • Микроскоп • Фотоаппарат Графопроектор • Проекционный аппарат._________________ Длина волны света, Л Л = —; V — частота света. V Видимый светЯ=3,8‘ !0“^-^7,6* 10"^ м. Дисперсия свега Зависимость показателя преломления от длггны световой волны называется дисперсией света. Если направить на призму узкий белый свет, то прошедшие лучи по-разному преломляются к основанию призмы, и на экране увидим расположенные по порядку лучи разного цвета.___________________________ Шкала электромагнитных волн Под шкалой электромагнитных волн ггонимают упорядоченггое расположение всех известггых в природе электромагтгитньгх волн по мере возрастанггя частоты. Это низкочастотное излучение, радиоволггы, инфракрасные лучи, видимый свет, ультрафиолетовые лучи, рентгеновские лучи и у-лучи. 99 II глава. Оптика Взгляды на природу света Свет обладает свойством волны и частицы. Фотоны Атомы и мшеку'лы световую энер1ию гтшющают и излучают порциями. Одна порция света называется «кватом света» или фотоном. Энергая фотона равна £=/п'; А=6,63 • 10 Дж*с — постоянная Планка. Фотоэффект Вырывание электронов из вещества под действием света называется фотоэффюктом. При внутреннем фотоэффекте электрон, вырванный из атома под действием света, образует электрон но-дырочную пару. При внешнем фотоэффекте под действием света электрон вырывается из вещества. hv = А+ — уравнение Эйнштейна для фотоэффекта. А — работа выхода Красная граница фотоэффекта Минимальное значение частоты, падающего на вентество света, необходимое для возникновения фотоэффекта. г . >.^1 П,111 /, Фотоэлектронные приборы Фотодиод — полупроводниковый прибор, у которою под действием света возрастает' электропроводность. Светодиоды — полупроводниковый прибор, излучающий свет иод действием тока Фототранзистор — ток управляется падающим светом. Солттечная батарея — полупроводниковый диод, со.здающий напряжение под действием света. Гелиотехнические устройства Технические устройства, работающие от солнечной энергии. 100 ГЛАВА Ml ОСНОВЫ АТОМНОЙ ФИЗИКИ Г ) \ С>?«'X с л у } -i + в эпгой главе вы ознакомитесь со следующим материалом: в с'гроение атома; в опыты Резерфорда; в лазеры и их примспенме; в строение ядра; в явление радиоактивности; в открытие нейтрона; в ядерные силы; в биологическое действие радиоактивного излучения к защита от него; о ядерная энергия и ее применение; • работы, проводимые в Узбекистане в области ядериой физики. Глава III. Основы атомной физики ВВОДНАЯ БЕСЕДА Вы в 6 и 8 классах, а также в разделе молекулярная физика данного учебника получили сведения о молекулярном строении вещества. Вы узнали, что все вещества состоят из атомов и молекул и что это движение атомов и молекул определяет свойство вещества. Так же вы ознакомились с учениями Демокрита, Рози, Беруни и Ибн-Сины о том, что вещества состоят из атомов, а атомы сами состоят из частей. Также вы в 8 классе получили первончальные сведения о том, что атомы состоят из ядра и электрона, а само ядро из протона и нейтрона. Изучение строения атома, процессов, происходящих в нем, дает возможность человечеству открыть новые источники энергии. Сейчас уже работают станции, превращающие атомную энергию в электрическую. По сведениям 1999 года в 31 стране работают 450 атомных реакторов. Вырабатываемая там электроэнергия составляет ~17 % (2000 млрд. кВт/час) от общего количества вырабатываемой электроэнергии в мире. Вы слыщали, что атомная и ядерная энергия используется также и в военных целях. К ним относятся атомное и ядерное оружие массового поражения. Использование атомной и ядерной энергии требует больших знаний. В противном случае эта энергия может работать во вред человечеству. Примером этому может служить авария, произошедшая 26 апреля 1986 года на атомной электростанции в Чернобыле. В Узбекистане тоже работает «Институт ядерных исследований», в котором проводятся научно-исследовательские работы по использованию результатов исследований атомной и ядерной физики в народном хозяйстве. ТЕМА 38 СТРОЕНИЕ АТОМА. МОДЕЛЬ ТОМСОНА. ОПЫТЫ РЕЗЕРФОРДА Какое строение имеет атом? В каких взаимоотношениях находятся частицы, которые составляют атом? На эти вопросы не просто было найти ответ. В 1897 году английский физик Дж.Дж. Томсон открыл электрон. Он измерил отношение заряда электрона к его массе. Это отношение получилось равным 1,76 10"Кл/кг. В начале XX века американский физик Милликен точно измерил заряд электрона. Он 102 Тема 38. Строение атома. Модель Томсона. Опыты Резерфорда равен е = -1,6 • 10*” Кл. Значит, масса электрона равна т^ = 9,\ • 10*^' кг. Электрон входит в состав атома и имеет отрицательный заряд. В общем атом нейтрален. Значит, в атоме имеется участок, имеющий положительный заряд. Исходя из этого, впервые Дж. Дж. Томсон предложил свою модель атома. Модель Томсона. По Томсону, атомы представляют собой однородные шары из положительно заряженного вещества, в которых находятся словно «изюминки» в кексе электроны. Положительный заряд атома равен суммарному заряду электронов. Плотность одинакова во всем объеме атома. Опыты Резерфорда. Чтобы проверить правильность модели Томсона, великий английский ученый Эрнест Резерфорд (1871 — 1937) в 1911 году проводит следующий опыт. Для опыта была взята тонкая золотая фольга, и на нее направили «-частицы высокой энергии (некоторые вещества испускают такие частицы); Масса «-частицы больше массы электрона в 80G0 раз, а заряд больше заряда электрона в 2 раза. Скорость составляет часть скорости света. Схема опыта Резерфорда приводится на рисунке 71. ''Источник «-частиц помещался в свинцовый кожух, в котором имелось маленькое отверстие. Вылетающие из отверстия «-частицы попадали на тонкую фольгу F. Рассеянные фольгой частицы попадали на прозрачный экран Е, где вызывали вспышку света (сцинтилляцию). Эта вспышка наблюдалась при помощи микроскопа М. Двигая экран вместе с микроскопом, можно изучить рассеяние «-частиц. Наблюдения показали, что некоторые частицы проходят фольгу, заметно не изменяя направления своего движения (рис. 72, /). Некоторые отоонялись на определенный угол в (рис. 72, 2), а некоторые отклонялись на углы, -больше 90° (рис. 72, 3). Из этого Резерфорд сделал следующие выводы: а) плотность атома не одинакова во всем объеме. В середине плотность очень большая, а МО краям маленькая; Рис. 72 Рис. 71 2 103 . ir Глава ill. Основы атомчой физики б) вся масса атома сосредоточена в центре и заряд его положительный. Расчеты показывают, что размер положительно заряже^гной центральной части атома порядка 10'*^ см. Если учесть, что размер атома порядка 10'* см, центральная часть в тысячу раз меныие размера атома. Планетарная модель атома. Основываясь на результатах своих опытов, Резерфорд предложил похожую на Солнечную систему модель атома. Эта модель называлась планетарной моделью атома. По этой модели в центре атома расположено положительно заряженное ядро. |ГТочти вся масса атома (=99,98 %) сосредоточена в ядре. Электроны подобно планетам обращаются вокруг ядра по орбитам (рис. 73). Скорость вращения электрона гак велика (=10^ м/с), что, несмотря на кулоновскую силу притяжения, он не падает на ядро.; Планетарная модель хотя и объясняла рассеивание а-частиц, но породила другие трудности. Движение электронов но орбитам происходит с ускорением. Ускоренно движущийся электрон должен излучать электромагнитные волны (смотрите учебник за 8-класс). Излучение сопровождается потерей электроном кинетической Э1^гсргии и уменьшением его скорости. В результате электрон, двигаясь по спиральной орбите, должен упасть на ядро. Расчеты ---------------------- /5 вставка Первый постулат Бора: Атомная система может находится только в особых стационарных состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия Е^, В стационарном состоянии атом не из.чучает. Второй постулат Бора: При переходе атома из одного стационарного состояния в другое атом ноглощаег или излучает квант элекзромагнит-ной энергии. показывают, чзо это событие должно произойти за время порядка 10"* с. В действительности атом, не излучая, может существовать долго. Постулаты Бора. Чтобы исправить недостатки модели, в 1913 году датский физик Нильс Бор предло- / / '' ■' Рис. 73 104 Тема 39. Лазеры и их применение ЖИЛ СВОИ постулаты (постулаты, как аксиомы в геометрии принимаются без доказательств) (15 вставка). Постулаты Бора смогли объяснить поведение атома водорода, имеющего в ядре один протон, и вращаюпщйся по орбите один электрон. В процессе решения поставленных задач появилась новая наука — квантовая физика. С ней вы ознакомитесь в старших классах. 1. Почему электрон, вращающийся вокруг ядра, не падает на ядро под дей-# J ствием электрических сил? 2. Почему отрицательный заряд атома не оказывает заметного влияния на рассеяние а -частиц ? 3. Как можно с помощью постулатов Бора объяснить причину того, что электроны не падают на ядро? ТЕМА 39 4 ЛАЗЕРЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ Излучение веществ. Известно, что нагретые тела излучают свет. Как это происходит? Теория Бора, опираясь на строение атома, объясняет это так. При нагревании тела электроны, получая энергию, переходят на орбиту с большей энергией, т.е. в «возбужденное» состояние. Каждой орбите соответствует свой энергетический уровень: чем дальше орбита от ядра, тем большей энергией обладают электроны. Но в возбужденном состоянии атом не может находиться долго. Излучение происходит при возвращении атома на стационарную орбиту. В разогретом теле переход атома в возбужденное состояние и излучение происходит беспорядочно. Этот процесс происходит самопроизвольно, и поэтому его называют спонтанным излучением. Таким способом излучают электрическая лампочка, свеча, костер и т. д. Вынужденное (инду1шрованное) излучение. Такое излучение происходит, когда на тело падает внешний свет. Падающий свет поглощается атомом вещества, и атом переходит в возбужденное состояние (рис. 74). При возвращении в основное состояние, атом излучает свет, не отличающийся от падающего на него ни частотой, ни фазой. Принципы работы лазеров. При спонтанном излучении атомы произвольно возбуждаются и переходят в основное состояние, поэтому излученный свет имеет разные частоты и фазы. Мощность излучения будет маленькой. Нельзя ли каким-нибудь способом заставить их одновре- 105 Глава III. Основы атомной физики ^ падающий свет а) злектрон электрон 6) рис. 74 б) Рис. 75 Рис. 76 Рис. 77 менно возбуждаться и одновременно излучать? Для этого воспользуемся вынужденным излучением. Пусть мы каким-то образом возбудили большую часть атомов среды. Тогда, при прохождении через вещество электромагнитной волны Е —Е частотой V = —!- (рис, 75, а), эта волна будет усиливаться за счет-индуцированного излучения (рис. 75, б). Но возникает трудность перевода большого количества атомов на второй энергетический уровень одновременно. Выход был найден в использовании трех энергетических уровней. Оказывается, время пребывания атома в разных энергетиеских уровнях разное. На рисунке 76 приводятся три энергетических уровня, соответствующих возбужденному атому. Время жизни атома на 3 уровне очень маленькое, порядка 10“^ с, а во 2 энергетическом уровне — 10"^ с. Поэтому, чтобы увеличить число возбужденных атомов, систему переводят из низшего энергетического состояния в 3, а из состояния 3 атомы самопроизвольно переходят в состояние 2. В этом переходе энергия передается кристаллической решетке, и излучение не происходит. Затем снаружи воздействуют электромагнитным излучением. Атомы, собранные во 2 состоянии, излучив, переходят в 1 состояние. Приборы, работающие на этом принципе, называются лазерами. Устройство и работа рубинового лазера. Из кристалла рубина изготавливается стержень с плоско пара.1лелы1ыми торцами (рис. 77). Спустя некоторое время после вспышки газоразрядной лампы, дающей сине-зеленый свет, 2 энергетический уровень становится «перенаселенным». В результате самопроизвольных переходов из урювия 2 в 1 излучаются волны всевозможных направлений. Волна, которая распространяется 106 Тема 40. Строение ядра. Нейтрон. Ядерные силы ВДОЛЬ ОСИ Кристалла, многократно отражается от торцов кристалла. Она вызывает индуцированное излучение и быстро усиливается. Один из торцов рубинового стержня является зеркальным, другой торец делается полупрозрачным. Через него выходит мощный импульс красного света. Свойство лазерного излучения. 1. Лазер излучает свет одной частоты. 2. Лазерное излучение собрано в узкой области, и оно мало расходится (имеет очень маленький угол расхождения, около 10”^ рад.). 3. Имеет очень большую мощность. У некоторых лазеров мощность достигает 10''' Вт/см^. У Солнца мощность равна 7-10^ Вт/см^. Лазеры находят широкое применение в различных областях, например, в компьютерах, в видеомагнитофонах, в считывании записей с дисков, в медицине (лазерные скальпели), в изучении свойсл в вещества, в связи и т. д. 4^ 1. Что вы понимаете под словом индуцированное излучение? ^ ' 2. Как происходит излучение в трехуровневой системе? 3. На каком излучении основывается работа лазеров? Возьмите «лазерную указку» и поработайте с ней. С ее помощью выполните лабораторную работу по оптике. ТЕМА 40 СТРОЕНИЕ ЯДРА, нейтрон. ЯДЕРНЫЕ СИЛЫ В 1919 году Э. Резерфорд бомбардируя «-частицами молекулы азота, открыл вторую элементарную частицу — протон. Протон имеет положительный заряд q^ = 1,6* 10"'® Кл. Масса протона /Ир = 1,00728 а.е.м. Одна атомная единица массы (1 а. е. м.) равна массы атома углерода, в кило|раммах она выражается 1 а. е. м. = 1,66 • 10“^® кг. В 1920 году Э. Резерфорд предсказал, что существует частица с массой равной массе протона, но не имеющая заряда. Эта частица была открыта учеником Резерфорда Д. Чедвиком (1891—1974) в 1932 году и была названа нейтроном. Сразу же после открытия нейтрона русский физик Д. Д. Иваненко и немецкий ученый В. Гейзенберг предложили протонно-нейтронную модель ядра. Эта модель впоследствии нашла свое подтверждение в ядер-ных реакциях, приводящих к ядерным превращениям. Согласно про- 107 Глава III. Основы атомной физики тонно-нейтронной модели, атомное ядро состоит из элементарных частиц двух видов: протонов и нейтронов. Число протонов в ядре равно атомному номеру элемента в таблице Менделеева. Число электронов в атоме равно числу протонов в ядре. Масса нейтрона больше массы протона всего на 2,5 массы электрона. Массовым числом А называют сумму числа протонов (2) и числа нейтронов (7V): A^Z+ N Поэтому химический элемент обозначается в виде ^Х. Например, ^Не, . Масса электрона очень маленькая, поэтому считают относительную атомную массу равной массовому числу А. Изотопы. Некоторые элементы, хотя и стоят в таблице Менделеева в одной клетке, имеют разное массовое число. Причиной этому является то, что хотя в ящре число протонов одинаковое, но разное число нейтронов. Они называются изотопами (т. е. занимающими одинаковое место). В настоящее время установлено существование изотопов у всех химических элементов. Начиная с самого легкого элемента •— водорода (относительная атомная масса 1, 2, 3) и заканчивая самыми тяжелыми ядрами (например, изотопы урана 235, 238 и др.) имеют изотопы. Не все элементы имеют стабильные изотопы. Изотоп водорода с относительной атомной массой 2 называется дейтерием. При соединении дейтерия с кислородом образуется так называемая тяжелая вода. Ее физические свойства заметно отличаются от обычной. При нормальном атмосферном давлении она кипит при 101,2° С и замерзает при 3,8° С. Ядерные силы. В атомном ядре возможно большое число протонов и находятся они на очень близком друг от друга расстоянии (10‘'^см). Почему они не разлетаются под действием электрических сил отталкивания? Какая сила удерживает вместе протоны и нейтроны? Значит, между протоном-протоном, нейтроном-нейтроном и протоном-нейтроном действуют особые силы, которые назвали ядер-ными силами. Они примерно в 100 раз превосходят электромагнитные. Это самые мощные силы из всех, которыми располагает природа, и по-этому их называют сильными взаимодействиями. Ядерные силы, действующие между протонами и нейтронами (часто их называют нуклонами), имеют свою особенность. Они действуют на коротком расстоянии. Электромагнитные силы сравнительно медленно убывают с расстоянием. Ядерные силы заметно проявляются на расстоянии порядка 10"'^—10“'^ см. Это, так сказать, «богатырь с очень короткими руками». 108 Тема 41. Радиоактивность. Альфа-, бета-, и гамма излучения Многие века алхимики ломали головы, как превратить одно вещество в другое. Все их попытки были тщетными. Так как, чтобы превратить одно вещество в другое, нужно изменить число протонов в адре. Это можно сделать, только направив на атомное ядро ускоренные протоны или нейтроны. Впервые Резерфорду удалось осуществить превращение одного химического элемента в другой. Он, бомбардируя ядро азота '^N а-частицами, получил ядро водорода. + ^,Не ■Р + ',н. ®/. Сколько нейтронов содержится в ядре ? 2. Что такое изотопы? 3. Какие особенности свойственные им имеют ядерпые силы? ТЕМА 41 РАДИОАКТИВНОСТЬ. АЛЬФА-, БЕТА-, И ГАММА ИЗЛУЧЕНИЯ Если некоторые элементы облучить солнечным светом, то они сами какое-то время начинают испускать свет. Для изучения этого явления французский физик А. А. Беккерель завернул фотопластинку в плотную черную бумагу, положил сверху крупинки урановой соли и выставил на яркий солнечный свет. При этом он хотел получить ответ на вопрос: «Могут ли соли урана излучать рентгеновские лучи, под воздействием солнечных лучей»? После проявления пластинка почернела на тех участках, где лежали соли урана. Провести опыт на следующий день ему не удалось, так как была облачная погода. Беккерель убрал пластинку в ЯЩИК стола, положив на нее сверху медный крест, покрытый солью урана. Проявив пластинку два дня спустя, он обнаружил на ней почернение в форме отчетливой тени креста. Это событие произошло в 1896 году и было названо радиоактивностью. В 1898 году Мария Складов-ская-Кюри во Франции и другие ученые обнаружили излучение тория. Впоследствии ряды элементов с такими свойствами существенно расширились. Резерфорд, заинтересовавшись этим явлением, провел следующий эксперимент (рис. 78). Глава III. Основы атомной физики Радиоактивный элемент помещался в свинцовый сосуд с узкой щелью. Против щели помещалась фотопластинка. На выходившее из щели излучение действовало сильное магнитное поле, перпендикулярное излучению. Вся установка размещалась в вакууме. В отсутствие магнитного поля на фотопластинке после проявления обнаруживалось одно темное пятно напротив щели. В магнитном иоле пучок, распадался на три части. Из них две части отклонялись в противоположные стороны. Это указывало на наличие у этих излучений электрических зарядов. При этом наблюдалось, что частицы с отрицательными зарядами отклонялись магнитным полем на гораздо больший угол. Третья составляющая не отклонялась магнитным полем. Положительно заряженная компонента получила название «-лучей, отрицательно заряженная — /S-лучей и нейтральная — у-лучей. Гамма-лучи. Это электромагнитные волны с очень короткой длиной волны. Длина волны лежит в пределах 10"'®—10"'^ м. Проникающая способность гамма-лучей очень большая. Даже свинец толщиной 1 см не может задержать их. Бета лучи. Природа бета-лучей была исследована в 1899 году. Эти лучи представляют собой поток электронов. Алюминиевая фольга толщиной несколько миллиметров легко их задерживает. Альфа-частицы. Природу этих частиц определил Резерфорд. На это ушло несколько лет. В процессе исследований сотрудник Резерфорда Гейгер изобрел датчик заряженных частиц. Альфа-частица оказалась ядром атома гелия. Альфа-частицы выле'гают с большой скоростью. Она составляет :jQ часть скорости света. Проникающая способность альфа частиц меньше, чем у бета и 1амма-лучей. Бумага толщиной 0,1 мм считается для них непреодолимой преградой. Искусственная радиоактивность. В 1934 году Ирен и Фредерик Жо-лио-Кюри обнаружили, что если некоторые вещества длительное время облучать альфа-частицами, то это вещество приобретает новое свойство; оно становится радиоактивным '®В + ^Не '3N '^N + J,n ЧС + «е. Это явление получило название искусственной радиоактивности. 1. Из какой части радиоактивных веществ испускаютсяр~лучи? 2. Какие лучи имеют наибольшую проникающую способность и почему F J. Почему а-частицы и Р-лучи отклоняются в магнитном поле? 110 Тема 42. Биологическое действие радиоактивного излучения и защита от него ТЕМА 42 БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ РАДИОАКТИВНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И ЗАЩИТА ОТ НЕГО Свойство радиоактивности вещества широко используется в технике. Как было сказано выше, проникающая способность альфа, бета и гамма л>'лей очень больщая, и это их свойство используется в научных, исследованиях и в медицине. Эти частицы при соударении с атомом могут расщепить его ядро, и поэтому они используются для получения энергии. Но в процессе использования надо соблюдать меры безопасности, иначе можно получить больщой вред. Примером этому может служить авария на Чернобыльской атомной электростанции в 1986 году. В результате аварии погибло 80 тыс. человек, пострадало более 3 млп. Из них I млн. — дети. Биологическое воздействие радиоактивного излучения сложно и еще недостаточно изучено. При обл>^ении атомы и молекулы переходят в возбужденное состояние. В ионизированных атомах и молекулах рвутся молекулярные связи, изменяются химические структуры. В конечном итоге разрушаются нуклеиновые кислоты и белки. Под действием радиации разрушаются клетки ткани, особенно их ядра. Нарушается деление клеток и обмен веществ. К радиационному облучению особенно чувствительны слизистая эпителия щитовидной железы, селезенка, лимфатические узлы. В результате радиоактивного изл>^ения человек заболевает тяжелыми формами болезней таких, как лучевая болезнь, опасные опухоли (рак), белокровие, которые часто заканчиваются летальным исходом. Биологическое воздействие радиации зависит от вида излучения, его интенсивности и от времени обл>'чения. Самое страшное то, ето человек, получивший смертельную дозу облучения, не чувствует никакой боли. Доза излучеиия. Поглощенной дозой излучения (D) называется отношение энергии изл>^ения к массе обл>^аемого вещества: D=^ т В СИ поглощенную дозу излу-чения выражают в греях. Единица измерения 1Гр=1^. Солнечная радиация, космические лучи, радиоактивность окружающей среды составляют за год дозу излучения около 2-10“^ Гр. Международной организацией по радиоактивной защите установлено, что для лиц, работающих с радиоактивностью, предельная 111 Глава 111. Основы атомной физики доза равна 0,05 Гр в год. Доза излучения в 3-10 Гр, полученная за короткое время, смертельна. Также дозу изл>^ения измеряют внесистемной единицей рентгеи (Р). Ее называют ЭЕСваозиндиоиной дозой. Она определяется по ионизационным свойствам рентгеновских и гамма лучей. Доза излучения равна I Р, если в 1 см^ сухого воздуха в нормальных условиях образуется 2 • 10’ пар одновалентных ионов. На практике эквивалентом 0,01 Гр взят 1 Р. В результате Чернобыльской аварии появилась зона мертвого леса. Там деревья получили дозу излучения в 10000—11700 рад., эта доза больше допустимого в 10 раз. Защита от излучения. Самый простой метод защиты — это быть от источника излучения на достаточно большом расстоянии. Для этого радиоактивные вещества располагают вдали от населенных пунктов. Интенсивность радиации убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от источника. При использовании радиоактивных изотопов в медицине, или в других целях, категорически запрещается брать их голыми руками. Их берут специальными щипцами. 1. Как воздействует на живой организм радиоактивное излучение? 2. Что вы понимаете под словом доза излучения? 3. Как МОЖ1Ю защититься от излучения ? ТЕМА 43 ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГИЯ И ЕЕ ПРИМЕНЕНИЕ Как было сказано выше, в настоящее время работают, используя ядер-ную энергию, электростанции (АЭС), подводные лодки, ледоколы и т. д. В 1938 году немецкие ученые О. Ган и Г. Штрассман открыли деление ядер урана под действием нейтронов. Оказывается, реакция деле-1шя связана с двумя важными свойствами. Во-первых, при делении ядра выделяется большое количество энергии. Эта энергия называется ядерной. Во-вторых, при делении одного ядра дополнительно вылетают 2—3 нейтрона. Измерения выделившейся энергии показали, что при делении одного ядра выделяется энергия порядка ~3,2* 10~" Дж. Это очень большая энергия по сравнению с энергией, которую выделяют другие виды горючего материала. Например, при делении всех ядер, имеющихся в 2г выделяется энергия эквивалентная энергии, получаемой при сгорании 4 т бензина. 112 Тема 43. Ядерная энергия и ее применение Образовавшиеся при делении одного ядра урана 2—3 нейтрона могут в свою очередь вызвать деление соседнего ядра. В результате число делящихся ядер быстро увеличивается и возникает цепная реакция. Этот процесс у-быстряется и в результате за короткое время выделяется огромная энер1'ия. Это называется взрывом^ на этом принципе основана атомная бомба. Ядерный реактор. Чтобы использовать ядерную энергиго в промышленности нужно, чтобы энергия выделялась не сразу (в виде взрыва), а малыми дозами длительное время. Для этого надо добиться, чтобы количество делящихся ядер в единицу времени было одинаковым. Устройство, в котором это осуществляется, называется ядерным реактором. На рисунке 79 приведена схема ядерного реактора с электростанцией. Основными элементами ядерного реактора являются: 1) ядерное горючее (“’U, и др.); 2) замедлитель нейтронов (тяжелая или обычная вода, графит и др.); 3) теплоноситель для вывода тепла, образующегося при работе реактора (вода, жидкий натрий и др.); 4) устройство для регулирования скорости реакции (вводимые в рабочее пространство реактора стержни, содержащие кадмий или бор). Снаружи реактор окружают защитной оболочкой, задерживающей у-лу'чи и нейтроны. В Узбекистане нет опасных реакторов. 1. Какие преимущественные и вредные стороны имеются у атомных электростанций? 2. За счет чего в атоме выделяется ядерная энергия? 3. Из чего состоит основное условие, чтобы атомная электростанция не взорвалась? Ядерное горючее Теплоноситель и замедлитель Управляющие стержни Г Радиационная защита Отражатель нейтронов Пар Турбина Паровой генератор Генератор / / Конденсатор Вода Рис. 79 113 Глава HI. Основы атомной физики ТЕМА 44 РАБОТЫ, ПРОВОДИМЫЕ В УЗБЕКИСТАНЕ В ОБЛАСТИ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ В Узбекистане работы в области ядерной физики начались в 20 годы прошлого столетия. Постоянно они начали проводиться с 1949 года в физико-техническом институте под руководством академика С. А. Азимова. У. О. Орифовым был разработан метод, основанный на использовании у-лучей для умерщвления гусеницы шелкопряда в коконе. Впоследствии изучалась естественная радиоактивность воды, почвы, плодовых деревьев, диких и культурных растений. Эти исследования позволили в 1956 г. основать в Узбекистане Институт ядерной физики. В 1959 г. в городке Улугбек вблизи Ташкента был введен в строй ядерный реактор Академии Наук Узбекистан. Мощность реактора составляла 2 мегаватта. В институте Ядерной физики ведутся исследования по из>'чению строения ядра, ядерные реакции, влияние радиактивного излучения на твердые тела, в частности на полупроводниковые материалы, керамику, материалы, используемые в лазерах. Исследуются электропроводность, механические, оптические и другие свойства тел, подвергнутых излучению. Для придания им дополнительных свойств создаются радиационные технологии. Институт ядерной физики АН Узбекистана является предприятием, выпускающим радиоактивные изотопы, фармацевтические радиопрепараты. Там производится продукция более 60 наименований (1995). Работы в области Ядерной физики также проводятся и в Физико-техническом институте АН Узбекистана. За исследовательскую работу проводимую в области ядерной физики, в 1970 г. С. А. Азимов, Е. В. Ветер, У. Г. Гулямов, В. М. Чудаков, М. Абдужамилов, а в 1983 году К. Г. Гулямов, Г. М. Чернов, А. А. Юлдашев, Б. С. Юлдашев были удостоены Государственной премии имени Беру ни. 114 Контрольные вопросы для завершения III главы КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ для ЗАВЕРШЕНИЯ III ГЛАВЫ L Из чего состоит а-частица? A) из двух протонов и двух нейтронов; B) из двух протонов и одного нейтрона; C) из двух нейтронов и одного протона; D) из двух протонов; E) из двух нейтронов. 2. Чем отличаются друг от друга изотопы урана A) числом протонов; B) числом нейтронов; C) числом электронов; D) зарядом ядра; E) не отличаются. 3. Кто и и^да осущеспшл превращенне одщт} элемента в другое? A) Э. Резерфорд, 1920 г. B) Н. Бор, 1913 г. C) Д. Чедвик, 1932 г. D) Ирен и Фредерик Жолио-Кюри в 1934 г. E) О. Ган и Ф. Штрасман в 1938 г. 4. Сколько протоиов и электронов имеет элемент, стоящий в таблице Менделеева на 2® месте? A) 20 протонов, 20 электронов; B) 20 протонов, 40 электронов; C) 20 электронов; 40 протоиов; D) 40 электронов; 40 протонов; E) Нельзя определить. 5. Продолжите предложение «Элементы, у которых число протонов одинаково, а число нейтроиов разное называются...». А) ... изотопами; B) ... стабильными ядрами; C) ... нестабильными ядрами; D) ...возбужденными атомами; E) ... радиоактивные ядра. 6. Сколько нейтронов имеется в ядре урана А) 92; В) 146; С) 238; D) 330; Е) 165. 7. Что такое нуклоны? A) радиоактивные ядра; B) прогоны и нейтроны; C) протоны и электроны; D) нейтроны и электроны; E) 5щра с одинаковым числом протонов, но с разным числом нейтронов. 8. Какой тид излучения используется в лазерах? A) спонтанное излучение; B) индуцированное излучение; C) тормозное излучение; D) тепловое излучение; E) все перечисленные выше излучения. 9. Продолжите предложение «Самопроизвольное, без влияния внешних факторов ядерное излучение называется...». A) индуцированным излучением; B) радиоактивностью; C) ядерной энергией; D) спонтанным излучением; E) ядерной реакцией. !®. Поглощенная доза равна 1,5 Гр. Выразите его в экспозиционной дозе, рентгенах. А) 150 R; В) 15 R; С) 0,15 R; D) 1500 R; Е) 0,015 R. 115 Глава III. Основы атомной физики ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ БЕСЕДА Здесь вы ознакомитесь с краткими выводами III главы. Модель атома Томсдана Атомы представляют собой однородные шары из положительно заряженною вещества, в которых находятся, словно «изюминки» в тесте, электроны. Опыты Резерфорда не подтвердили эту модель. Планетарная модель атома Атом представляется похожим на Солнечную систему. В центре расположено положительно заряженное ядро, электроны вращаются вокруг ядра по орбитам. Постулаты Бора Их два: — атомная система может находится только в особых стационарных состояниях, каждому из которых соответствует опреде1*енная энергия Е„. В стационарном сосгоянии атом не излучает. ~ при переходе атома из одного огационарного состояния в другое атом поглощает или излучает квант электроматитной энергии. hv= — £■„. Спонтанное излучение Излучение нагретых тел. Излучаемый свет имеет разную частоту и фазу. Индуцированное излучение Излучение тела под действием внешней элект1)омагнитной волны. Лазер Прибор, который в результате вынужденного облу'чения излучает в оптическом диапазоне монохроматический луч света Лазеры применяются при сварке твердых и тугоплавких металлов, на Земле и в космосе в качестве оптического локатора, в .медицине для лечения и как хирургический инстру.мент и т. д. Атомное ядро Основная масса атома сосредоточена в центральной части — ядре. Существование ядра бьшо определено опытами Резерфорда по рассеянию а-частяц. Атомное ядро ссюгоит из протонов и нейтронов. Число протонов в ядре (Z) равно атомному номеру элемента в таблице Менделеева. Число нейтронов N-A-Z, здесь Л — массовое число агома. Протон Элементарная частица, заряд которой имеет погюжигельный знак и по абсолютному значению равен заряду электрона. Масса П1р= 1,00783 а.е.м. Нейтрон Элементарная частица не имеющая заряда. Масса т„ = 1,00867 а.е.м. Изогоны Изотопами называют разновигщосги данною химического элемегпа, различающиеся по массе ядер. Ядро может иметь одинаковое число протонов, но разное число нейтронов. Например, 116 Заключительная беседа Ргщиоактивность Самопроизвольное без внешнего воздействия излучение веществ. Было открыто Беккерелем. Радиоакпшные лу’чи, излучаемые солями урана в сильном магнитном поле, разделяются на три компонента. Их назвали c,/S и у-лучами. Наш вещество длительное время облучать с:-частица.ми, то оно приобретает новое свойство, становится радиоактивным. Это явление получило название иску'сственной радиоактивности. Альфа распад (а-частицы) Излучается радиоактивными веществами. Состоит из ядер атома гелия. Скоросгь с-частиц составляет часть скорости света. Бета распад (/5-частицы) Иалучается радиоактивными веществами. Иреаставляют собой поток электронов. Скорость ^-лучей близка к скорости света. Гамма излучение (у-лучи) И,злучается радиоактивными веществами. Электромагнитная волна с длиной волны от м и меньше. Грей Е Да Едиииш попющеннойдозы излучения D=— 1Гр = /я кг Яде риал энергия (атомная энергия) Внутренняя энерптя атомных ядер, выделяющаяся в некоторых ядсрных реакциях. Ядернуто энергию кюжно получить двумя способа.ми: дезкние тажелых ядер в результате цепной реакции, соединение двух легких атомных ядер в результате термоядерной реакции. В настоящее время в адерной энергетике применяется только первый способ. Ядерный реактор Устройство, где осушествляется управляемая цепная peaxuidB деления ядер урана. (17 ГЛАВА IV ПРЕДСТАВЛЕНИЕ О СТРОЕНИИ ВСЕЛЕННОЙ В этом разделе Вы будете изу- чать: истормю развйтзш взглядов ка строешге Вселенной; двмженвйе Земли в космосе; движение Солнца, Луны и планет; строение Солнечной системы измерение времени и календарь; малые небесные тела, входящие в Солнечную систему; нашу Галахтиэц^ и другие галактики; астрономические исследования и работы, проводимые в этой области нашими соотечественниками; тестовые задания и конт-рольнью вопросы для входа в тему и в завершеЕши темы; занимательные материалы. Проверка уровня знаний ПРОВЕРКА УРОВНЯ ЗНАНИЙ L Кто первым в Средней Азии изготовил глобус? A) Мухаммад аль-Хорезми. B) Абу Райхан Беруни. C) Захриддин Бабур. D) Махмуд Кашгарий. E) Абу Наср аль-Фараби. 2. Чему приблизительно был равен диаметр глобуса, изготовленного в Средней Азии? А) 5 м; В) 8 м; С) 10 м; D) 1м; Е) 3 м. 3. Земной экватор, что под этим понимают? A) Линия, прошедшая через центр Земли. B) Линия, перпендикулярная земной оси. C) Линия, проведенная посередине глобз'са перпендикулярно Земной оси. D) Круг, проведенный посередине глобуса. E) Линия, проведенная параллельно Земной оси. 4. Чему приблизительно равен радиус Земли? А) 3500 км; В) 2900 км С) 6400 км; D) 80 км; Е) 1800 км. 5. Засть!вший верхний слой земной коры называется... А) литосфера; В) гидросфера; С) атмосфера; D) биосфера; Е) стратосфера. 6. Самый плотный нижний слой атмосферы называется... A) тропосфера; B) стратосфера; C) литосфера; D) биосфера; E) ионосфера. 7. Где на Земле наблюдается самый длинный день? A) на полюсе Земли; B) на экваторе; C) в тропической зоне; D) на нулевом меридиане; E) на нулевой параллели какой высоте от новерхности Земли расположена стратосфера? А) 50—55 км; В) 10—11 км; С) 60—100 км; D) свыше 100 км; Е) точная граница не определена. 9. Какова толщина тропосферьг на широте Узбекистана? А) 10—11 км; В) 50—55 км; С) 60—100 км; D) 17—30 км; Е) не определена. 1®. Кто открыл закон всемирного тяготения? А) И. Ньютон; В) Н. Коперник; С) Г. Гаталей; D) И. Кеплер; Е) Птолемей. 119 IV глава. Представление о строении вселенной ВВОДНАЯ БЕСЕДА В древности у людей не было точных механических часов и компасов. Вместо них использоватись небесные тела и их движение. Движение Солнца и Луны дали счет дням, месяцам и годам, а расположение звезд указыва:!0 на север, юг, восток и запад. Они считштись путеводными звездами в море и пустыне. Изучение небесных тел началось с древнейших времен. Люди старались понять происходящие небесные явления, и, чтобы как-то объяснить их, сочиняли различные мифы, сказки и легенды. Например, в сказке, сочиненной в Средней Азии, семь звезд, входящих в созвездие Большой медведицы, называли семь разбойников. Астрономия — наука, изучающая движение, строение и развитие небесных тел и их систем. Для наблюдения за небесными телами строят спецк-азьно оборудованные здания обсерватории. Астрономию изучают не только ради интереса и познания мира. Ofia позволяет определять точное время, географические координаты объектов на Земле (особенно для мореходов, авиаторов, геодезистов). Если смозреть на ночное небо, то звезды кажутся бесчисленными. На самом деле, на небесной сфере их число не превышает трех тысяч. Взаимное расположение звезд в результате простых наблюдений, кажется, не изменяется в течение сотен лет. Для ориентации по звездам на древнем Востоке яркие звезды на небе были объединены в отдельные группы — созвездиями. Отдельным созвездиям давали имена по форме фигур, которые получаются при соединении близких ярких звезд. Например, Стрелец, Весы, Дев, Рак, Большая медведица. Некоторые названия связаны с греческой мифологией: герой Геракл, охотник Орион, бесстрашный боец Персей, скачущий на крылатом коне Пегасе. Во времена великих геотра-фических открытий (середина XV—XVH веков) созвездия Южного полушария бьпш названы именами предметов, используемых в мореплавании. В Средней Азии некоторым звездам давали имена по их характеру. Например, неподвижную Полярную звезду называли «Железный штырь», очень яркую Венеру — Зухро и т. д. В XVn веке все звезды, входящие в созвездия, начали отмечаться буквами греческо1’о алфавита (а, /?, у). Были даны имена 30 наиболее ярким звездам в созвездиях. Например: у Ориона — Бетельгейзе, у Персея — Алголь, у Большого пса — Сириус и т.д. В 1922 году было принято реше- 120 1сма 45. Выдержки из истории развития взтядов о строении вселенной ние именовать созвездия на латыни. Например: Большую медведицу — Ursa Major, Uma; Эрц;да19а — Eridanus, Eri. В 1930 году в соответствии с постановлением Международного астрономического союза было принято решение разделить небосвод на 88 созвездий. Точно так же, как между государствами, между созвездиями бьига проведены границы. ТЕМА 45 - i ^ J ВЫДЕРЖКИ ИЗ ИСТОРИИ РАЗВИТИЯ ■ ВЗГЛЯДОВ о СТРОЕНИИ ВСЕЛЕННОЙ За 4000 лет до нашей эры египтянами был создан солнечный календарь. В 721 году до нашей эры в Вавилоне было описано лунное затмение. В это время было предложено разделить сутки на 24 часа. В древнем Кцгае первая обсерватория была построена за 1100 лет до нашей эры. Материаны, описанные в китайских летописях, дали возможность 11айти закономерности в движении звезд и других небесных тел. Китайские астрономы Ган Гун и Ши Шеи, жившие в VI веке до нашей эры, сосгавили .звездную каргу. В ней приведено расположение 800 зве.зд и определены точные координаты 120 звезд. Евдокс, живший в Греции, был старше Аристотеля на 25 лет, родился в 408 году до нашей эры. Евдокс первым предложил картину мира. По ней Землю окружала прозрачная сфера, на которой расположились неподвижные звезды, Солнце, Земля и Луна. Развивая мысли Евдокса, Аристотель доказал, что Земля и Луна имеют форму шара. Греческий астроном Гиппарх ввел разделение звезд гго их блеску на величины и разделил их на 6 звездных величин. Также он составил календарь движения Солнца и Земли на 800 лет вперед. Клавдий Птолемей, живший во II веке нашей эры, собрал воедино все материалы по астрономии и создал геоцентрическую систему мира. По ней в центре мира располагалась Земля и вокруг нее, по малым круговым орбитам равномерно вращаются Солнце, Луна и планеты. Но цешры малых окружностей в свою очередь равномерно вращаются по большим окружностям. Все это Птолемей изложил в своей книге «Альмагест». В течение нескольких веков доминировагга ошибочная геоцентрш1еская (Земля — центр Мира) система Птолемея. Радиус Земли был впервые определен в Сирии, под руководством нашего соотечественника аль-Хорезми. Измере- 121 IV глава. Представление о строении вселенной ния проводились в пустыне Синджар, между городами Тодмор и Ракка. По данным источников, две группы астрономов вышли из oднo^^ точки и направились вдоль меридиана на север и на юг, измеряя длину пройденного пути и высоту звезд над горизонтом. Так была найдена длина меридиана, соответствуюгцая одному градусу и определен {тадиус Земли. Радиус Земли также был измерен великим з^еным-мыслителем аль-Беруни. Беруни написал сотни трудод по астрономии, картохрафии, геодезии (наука о Земле) и по друх'им направлениям науки. Великий поэт Омар Хайам (1048—1131 г.), живший в Самаркавде, с большой точностью переработал иранский солнечный календарь. Особого рассказа требует наш соотечественник Мирзо Улугбек, внесший большой вклад в развитие астрохюмии и создавший астрономическую школу. Польский аст|эоном Н. Коперник, изучая движение цеххтра круговых орбит гьланет Птолемея, заметил противоречия. По теории Птоле.мея, Луна в своей первой и последней четверти, по сравнению с состоянием полнолуния и новолуния, должна быть ближе к Земле в два раза. Значит, и размер диска Луны изменяется соответственно. Но измерения Коперника не показаш такого изменения размера Луны. Коперник, как результат своего 30 летххего Т1луда в кних е «О вращении небесной сферы», выпущенной в 1543 г., предложил и обосновал гелиоцентрическую систему мира. По ней Земля и друг ие планеты обращаются вокруг Солнца, а их окружают неподвижные звезды. Теория Коперника была подтверждена Кеплером, который, основываясь на наблюдениях ас'гроххома Тихо Браге, в 1609 году открыл три закона движения планет. Далыхейпхее развитие астрономии связано с созданием телескопов. 7 января 1610 г. Галилей впервые посмотрел на небо через телескоп и сделал ряд открытий. Ньютон открыл закон всемирного тяготения (смотрите учебник 8 класса). Если рассматривать этот закон совместно с законами вращательного движения, то можно вывести и законы Кеплера, и вывод Галилея о постоянстве ускорения свободного падения. Теоретически можно показать, что в результате вращательного движения Земли из-за центробежной силы, экваториальный радиус больше полярного радиуса (эта разность составляет 28 км, 0,43%). Это было доказано экспериментально французскими академиками в 50 ходах прошлого столетия. Открытие этих законов заложило основу науки — небесная механика, что в свою очередь позволило вычислить расстояххия до небесных светил, время прихода большинстеа комет и многое другое. 122 Тема 46. Факты, подтверждающие вращение земли вокруг своей оси В 1873 Г. В Ташкенте была основана Астрономическая обсерватория. В 1966 году обсерватория была преобразована в Астрономический институт Академии наук Узбекистана. В институте проводятся работы по следующим областям; звездная астрономия, измерение и сохранение точного времени, физика Солнца, звезды с переменной светимостью и т.д. Недалеко от города Китаб расположена международная широтная станция, работающая по международной программе, в ней изучается движение полюса и материков. irj', I. Что дает в настоящее время изучение физики BcejWHHoU науке, технике и щу практике? 2. Расскажите о доле, которую внесли Среднеазиатские ученые в изучение Вселенной. 3. Какие научно-исследовательские работы проводятся в обсерватории? 4. Какой вклад в изучение Вселенной внесло изобретение телескопа? ТЕМА 46 ФАКТЫ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ ВРАЩЕНИЕ ЗЕМЛИ ВОКРУГ СВОЕЙ ОСИ Как было сказано ранее. Земля вращается вокруг Солнца по эллиптической орбите, близкой к круговой. Земля, помимо вращения вокруг Солнца, вращается и вокруг своей оси. Конечно, под вращением Земли вокруг своей оси понимается не вращение колеса машины вокруг своей оси, а вращение вокруг мысленной оси. Один конец этой предполагаемой оси называется северным полюсом, другой конец — южным полюсом. Модель Земли, установленную на ось, вы видели как школьный глобус (рис. 80). Из 5 класса вы знаете, что мысленно проведенные параллельные линии по поверхности Земли перпендикулярные к ее оси вращения, называются параллели. Перпендикулярные линии проведенные к параллелям называют лfepидивн<ши.Пapaллeльнaя линия, проведенная по центру глобуса, называется экватором. Все знают, что каждый день утром Солнце восходит на востоке и заходит на западе. На самом деле. Солнце не меняет своего положения, это Земля вращается вокруг своей оси. В результате, на той части IV глава. Представление о строении вселенной Земли, куда падают лучи Солнца, бывает день, а на другой — ночь. Длительность дня и ночи на Земле называется сутками, их продолжительность — 24 часа. Два раза в юду длительность дня и ночи становится равной. Весеннее равноденствие соответствует 21 марта, а осеннее равноденствие 23 сентября. В оста-тьное время п^юдолжительность дня и ночи бывает различной. Самый длинный день бывает 22 июня, а 22 декабря самая длинная ночь. Если ночью с определенного места наблюдать за звездами в течение нескольких часов, то можно за.метить их движение по небосводу. Для наблюдателя, который смотрит на юг, звезды движутся слева направо, то есть по часовой стрелке. Здесь определенная звезда поднимается с востока из одной точки и заходит на западе в определенной точке. Максимальная высота подъема над гори:юнтом у нее не меняется с течением времени и называется верхней кульминацией. Если наблюдатель посмотрит на север, то увидит, что часть звезд восходит с востока и заходит на западе, а некоторые звезды движутся по кругу вокруг неподвижной точки. Эта неподвижная точка назьгеается северным полюсом мира. Звезду, находящуюся fia этом месте, называют Полярной звездой. Если смотреть из окна движущегося вагона, то кажется, что телеграфные столбы, деревья и другие предметы у обочины до|юги движутся мимо нас. Подобно этому, видимое движение звезд происходит из-за вращения Земли вокруг своей оси. В северном полушарии из-за вращения Земли, правый берег рек силь-Ffee размывается так же, как сильнее стачиваются правые по ходу движения рельсы. А в южном полушарии наоборот. 1. Приведите доводы, подтверждающие вращение Земли вокруг своей оси. ^ ^ 2. Наблюдается ли «восход» и «заход» у звезд подобно Солнцу? 3. Есть ли южный полюс мира? 4. В каком направлении будет движение звезд для наблюдателя, смотрящего на восток? ■ТЕМА 47 ВИДИМОЕ ГОДОВОЕ ДВИЖЕНИЕ СОЛНЦА Наблюдения показывают, что точка восхода и захода звезд, максимальная высота подъема не меняются. 1'очка восхода и захода, максимальная высота подъема Солнца и Луны изменяются. В день весеннего равподен- 124 Тема 47. Видимое годовое движение солнца ствия 2J марта. Солнце восходит точно с востока и заходит точно на западе. Впоследствии, точка восхода и захода Солнца смещается на север. В этот период высота Солнца в полдень увеличивается, дни удлиняются, ночь укорачивается. Это состояние длится до 22 июня. Потом, наоборот, точка восхода и захода смещается к югу по горизонту. В этот период высота Солнца в полдень уменьщается и соответственно дни становятся короткими, а ночи длинными. Если в течение года в полдень, измерять удаление Солнца от точки весеннего равноденствия, то можно заметить его смещение от +23,5° до -23,5°. В этот период можно определить и его смещение относительно звезд с запада на восток. Солнце смещается за сутки по небесной сфере на 1 градус и в течение года делает один полный оборот. Линия видимого годового движения Солнца называется эклиптикой. Видимое годовое движение Солнца проходит через 12 созвездий, называемых зодиакальными: * зимой — Стрелец, Козерог, Водолей. * весной — Рыбы, Овен, Телец. • летом — Близнецы, Рак, .Пев. • осенью — Дева, Весы, Скорпион. Каждое созвездие имеет свое си.мволическое обозначение (рис. 81). — ст17елец; — козерог; ^ — водолей; ){ — рыбы; ^ — овен; — телец; П — близнецы; — рак; SI — лев; 1Ц) — дева; ^ — весы; 1Т[ — скорпион. Каким образом можно определить местоположение Солнца по отношению к звезда.м? Когда Солнце на небе, нельзя увидеть звезды, поэтому нельзя определить, в каком созвездии |1аходится Солнце. Поэтому для его определения уточняется, какое зодиакальное созвездие бывает в по.яночь в верхней кульминации. Отсюда вытекает, что Солнце находится в диаметрально противоположном ему созвездии. Например, пусть в полночь кульминирует созвездие Девы. Значит, Солнце находится в противоположной стороне Зодиака, в созвездии Рыб. IV глава. Представление о строении вселенной 1. Всегда ли Солнце восходит на востоке и заходит на западе? 2. Что такое Зодиак ? 3. Знаете ли вы узбекские народные пословицы и мудрые изречения, связанные с Зодиаком? 4. Как можно определить, в каком созвездии Зодиака находится Солнце в своем видимом годичном движении? ТЕМА 48 ДОКАЗАТЕЛЬСТВО ДВИЖЕНИЯ ЗЕМЛИ ВОКРУГ СОЛНЦА. ЗАКОНЫ КЕПЛЕРА Причиной видимого годового движения Солнца является движение Земли вокруг Солнца. В параграфе 45 бьио сказано, что впервые движение Земли вокруг Солнца было доказано Н. Коперником. Там же было сказано, что законы движения планет вокруг Солнца были сформулированы немецким ученым И. Кеплером. Первый закон Кеплера; каждая планета обращается Ф вокруг Солнца по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце. (Точка А на рис. 83, на рис. 82 приводится простой метод черчения эллипса). DC — большая полуось эллипса, EF — малая полуось. У орбит планет большая и малая полуоси эллипса мало отличаются друг от друга, и поэтому при приближенных расчетах их можно рассматривать одинаковыми. Как нарисовать эллипс. В точки F, и Fj воткните иголки, свяжите их нитью длиной больше, чем расстояние F,Fj, растягивая нить кончиком карандаша, нарисуйте эллипс. Рис. 82 ■э ' § / S ■8- CD Рис. 83 126 Тема 48. Доказательство движении земли вокруг солнца. Законы Кеплера £С т Расстояние R = называется средним расстоянием планеты от Солн- ца. Ближайшая к Солнцу точка орбиты D называется перигелий, а са.мая далекая от него точка С афелий. Ф Второй закон Кеплера: радиус-вектор планеты за равные промежутки времени описывает равные площади. Отсюда следует, если планета за равный промежуток времени пройдет лугу PG и MN, то площади AGP и AMN равны между собой. Так как длигга дуги GP меньше MN, скорость движения планеты по дуге GP, больше чем по дуге MN. Чем ближе планета находится к Солнцу, тем больше будет скорость ее движения. Ф Третий закон Кеплера: квадраты звездных периодов обращения планет относятся как кубы больших полуосей их орбит. Если обозначить длину большой полуоси одной планеты через a^, период обращения Т,, длину большой полуоси другой планеты а.^, период обра-щеш1я Tj, тогда выражение для третьего закона будет следующим: г| «2 Этот закон Кеплера связывает средние расстояния планет от Солнца с их звездными периодами. Важность третьего закона Кепле{5а очень велика. Так, если известно среднее расстояние от гшанеты до Солнца, то можно определить среднее расстояние до остальных планет, зная их периоды обращения. Здесь в качестве основного расстояния берут дтину большой полуоси земной орбиты, и она принята за астрономическую единицу расстояний. К 40 годам XX столетия была изобретена радиоастрономия. При помощи радиоволн многократно было измерено расстояние от Земли до Луны и Солнца. Среднее расстояние от Земли до .Пуны было определено равным 384000 км, среднее расстояние от Земли до Солнца равно 150000000 км. 1. Какие физические величины планет можно определить, пользуясь законами Кеплера? 2. Приведите факты, подтверждающие вращение Земли вокруг Солнца. 3. Объясните перигелий и афелий орбиты. 127 IV глава. Представление о строении вселенной ТЕМА 49 ДВИЖЕНИЕ ЛУНЫ, ФАЗЫ И ПЕРИОДЫ. СОЛНЕЧНЫЕ И ЛУННЫЕ ЗАТМЕНИЯ Луна является единственным естественным спутником Земли и самым близким к нам космическим телом. С другой стороны, Луна — единствен-1юе космическое тело, на которое ступила нога человека. При наблюдении движершя Луны относительно звезд было определено, что она совершает один оборот за 27,3 суток. Этот период называется сидерическим (от латинского sidus — звезда) месяцем. Луна движется вокруг Земли в ту же сторону, в какую Земля вращается вокруг своей оси. Лу>1а, как и Земля, не испускает света. Они только отражают падающий на них солнечный свет. В той части Земли, куда падает свет, бывает день, а куда не падает — ночь. Также и на Луне; куда падает свет — день, а куда не падает свет — ночь. При вращении Луны вокруг Земли изменяется вид освещенной части Луны. Это называется сменой фаз Луны. Если .Пуна распола1'ается между Солнцем и Землей, мы ее не видим. В этом случае Солнце освещает невидимую с Земли часть Луны. Через несколько дней новая Лупа будет видна как узкий серп. Если Земля располахдется между Солнцем и Луной, то мы видим Луну полностью освещенной, это называется полнолунием (рис. 84). При появлении новой Луны к Земле будет обращена ее неосвещенная, невидимая часть. В это время Луна видна около заходящего Солнца в виде узкого серпа. Со временем освещенная часть Луны увеличивается, и через две недели наступает полнолуние. В полнолуние Луну можно видеть всю ночь. После процесс идет в обратном направлении. Изменение фаз Луны повторяется через 29,5 суток. Промежуток времени между двумя последовательными одинаковыми фазами Луны называется синодическим месяцем (от хреческого synodos — соединение). Причина неравенства синодического и сидерического месяцев заключается в том, что Луна вместе с Землей вращается вокрут Солнца. Для наблюдателя с Рис. 85 Тема 49. Движение Луны, фазы и периоды. Солнечные и лунные затмения Земли всегда видно то.пько одно полушарие Луны. На Луне тоже происходит смена дня и ночи, продолжительность дня равна двум зе.мным неделям. CojtHe4MbS€ и Лушше затмения. При своем движении вокруг Земли Луна на некоторое время закрывает Солнце, и наблюдается .затмение Солнщ. Когда Лупса в процессе движения попадает в тень Зе\иш, происходит затмение Луны. Точно так же, как на Земле освещенные предметы отбрасывают тень, Зелшя и Луна тоже отбрасывают длинную тень. Падение на Землю тени Луны называется Солнечным затмением (рис. 85). Наблюдаются три вида затмения Солнца. При неполном затмении Луна закрывает только часть Солнпа. При полном затмении Луна полностью закрывает Солнце- При кольцевом затмении Луна закрывает только центральную часть Солнца. Причиной этому небольшое изменение расстояний Земли от Луны и Солнца. Лунные затмения бывают двух видов: частичное и полное. Затмение Луны с Земли одновременно видно повсюду, где Луна над горизоР!том. Полное Солнечное затмение видно только там, где на Землю падает пятно лущной тени. Так как диаметр пятна не превышает 250 км, одновременно полное затмение Солнца видно лишь на малом участке Земли (если небо чистое). Полное затмение Луны может длиться I час 40 минут. Частичное затмение длиться на два часа дольше, чем полное. На основе знания з£1конов движения Земли и Луны, можно заранее вычис-леть затмения и то, где, когда и как они будут видны. В 2000 году до нашей эры в Вавилоне знали, что затмения повшряклх:я с определенной периодичностью. Это период равен 18 годам 11,3 суткам. Египтяне называли его сарос. В течение сароса {{аблюдается 43 затмения Солнца и 28 :«тмений Луны. В кинофильме, снятом на киностудии «Узбекфильм» и посвященном среднеазиатскому ученому Ибн Сино, приводится эпизод солнечного затмения, предсказанного и наблюдаемого Ибн Сино. В книге польского писателя Болеслава Прусса и в снятом на ее основе кинофильме приводится эпизод о том, как жрецы заранее знали о затмении Солнца и как мастерски им воспользовались. В течение года земной наблюдатель может видеть от двух до пяти солнечных затмений. В среднем в одном и том же месте полное затмение Солнца бывает один раз в 200—300 лет. 1. Объясните причины солнечного и лунного затмения ? 2. Почему лунные затмения наблюдаются больше, чем затмения Солнца? 3. Почему видна лишь одна сторона Луны ? 4. Объясните изменения фаз Луны. S—Физика, 9 кл. 129 IV глава. Представление о строении вселенной ТЕМА 50 fc В qDeдниe века для измерения времени использовали свечи, на которые были нанесены деления. В древнем Егапте применяли водяные часы. В солнечных часах время определяли по движению тени стрелки. Для измерения коротких промежутков времени применяли песочные часы. В этих часах используются колебания кварцевого кристалла Рис. 86 ИЗМЕРЕНИЕ ВРЕМЕНИ. КАЛЕНДАРЬ Человечество в своей деятельности очень большое внимание обращало на измерение времени. Для измерения больших промежутков времени пользовались понятием сутки и годы, соответствующие обращению Земли вокруг своей оси и вокруг Солнца. Для измерения малых промежутков времени пользовались специальными часами. В древности люди пользовались солнечными, песочными, огненными или водяными часами (рис. 86). Первые механические часы были изготовлены в XVIII веке. В механических часах используется сжатая пружина, которая постепенно распрямляется и вращает зубчатые колеса, приводящие в движение секундную и часовую стрелку. Если некоторые часы заводят один раз в сутки, то есть часы, которые заводят раз в неделю. В современных часах, работающих на батарейках, имеется маленький кристаллик кварца. За счет энергии батарейки в кристаллике кварца возбуждаются колебания. В настоящее время самыми точными часами являются цезиевые часы, они созданы в 1955 году. Ход этих часов управляется излучением атома. Такие часы могут отставать на одну секунду за 100 лет. За счет вращения Земли разные ее части освещаются в |эазное время. Когда в Лондоне полдень, в Нью-Йорке наступает утро, а в Узбекистане Солнце заходит. Если бы люди считали время в соответствии с истинным положением Солнца, то во всем мире произошла бы неразбериха со временем. Например, в графиках движения поездов, самолетов и т. д. 130 Тема 51. Измерение времени. Календарь Поэтому ДЛЯ определения времени на Земле, ее поделили по экватору на 24 часовых пояса. За нулевой меридиан принят меридиан, проходящий через обсерваторию Гринвича. Между Самаркандом и Гринвичем разница составляет 4 часа. Большим промежутком времени считаются сутки, месяц и год. Как было сказано выше, в древнем Вавилоне год разделили на 12 равных частей, а сутки поделили на 24 часа. Точные измерения показывают, что год длится 365 суток 5 часов 48 минут 4б секунд. Отсюда видно, что количество дней в году, а также синодический и сидерический лунные периоды не составляют целого числа. Это и составляет трудность создания простого и удобного казендаря. В календаре год делится на месяцы, недели, и в неделе указываются выходные и праздничные дни. В истории человечества создаватись и использовались различные календари. При составлении календаря необходимо учитывать, что продолжительность календарного года должна быть как можно ближе к продолжительности оборота Земли вокруг Солнца и что календарный год должен содержать целое число солнечных суток (так как неудобно встречать Новый год один раз в 12 часов, а другой раз в 6 часов). Эти.м условиям удовлетворял календарь, разработанный александрийским астрономом Созигеном и введенный в 46 году до нашей эры в Риме Юлием Цезарем. В этом календаре, получившем название юлианского или старого стиля, годы с‘штаются трижды подряд по 365 суток и называются простыми. Каждый четвертый год называется високосньш, и в нем содержится 366 суток. В простом году в феврале бывает 28 суток, а в високосном — 29 суток. Високосными годами в юлианском календаре являются те годы, номера которых без остатка делятся на 4. Средняя продолжительность года по этому каюнда-рю составляет 365 суток 6 часов, т.е. она примерно на 11 минут 14 секунд длиннее средней продолжительности года. В силу этого, старый стиль отставал от действительного течения времени примерно на 3 суток в течение 400 лет. Для устранения этой разницы в 1582 году Ри.мский папа Григорий XI11 предложил считать 16СЮ и 2СЮ0 годы високосными, а 1700, 1800, 1900 годы считать простыми годами (16 и 20 делятся на 4, а 17, 18, и 19 на 4 не делятся). Согласно декрету, принятому в бывшем СССР, Узбекисл ан перешел на новый Григорианский календарь 1 февраля 1918 года. К этому дню разница составила 13 дней, и 2 февраля бьшо объявлено 14 февралем. /. По какому календарю в настоящее время ведутся работы в Узбекистане? ~ ' 2. Что вы понимаете под словом календарь? 3. Почему в календари надо вводить поправки? 131 IV глава. Представление о строении вселенной Упражнение 8 1. Чему равно расстояние от звезды до Земли, если свет от нее до Земли дошел за 4,25 года? 2. Где на Земле в течение года длительность дня и ночи одинакова? 3. Если в каком-то городе Солнце 21 марта восходит в 6““ часов, то в котором часу оно зайдет? 4. Период обращения планеты Марс равен 687,02 земных сугок. Подсчитайте среднее расстояние от планеты до Солнца. ТЕМА 51 СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА. ПЛАНЕТЫ И ИХ СПУТНИКИ В Солнечную систему входят Солнце и 9 планет, вращающихся вокруг него, спутники планет, астероиды, кометы и метеориты (рис. 87). 1. Солнце — центр солнечной системы. Его масса в 750 раз превышает массу всех других планет, вместе взятых. Оно больше массы Земли в 333000 раз. Солнце в основном состоит из водорода (74,7%), в нем при высокой температуре и давлении происходит термоядерная реакция. В результате реакции водород превращается в гелий (23,7%) и вьщеляется очень большая энергия. Эта энергия излз'чается в космическое пространство в виде света и тепла. 132 Тема 52. Солнечная система. Планеты и их спутники Термоядерная реакция происходит в ядре Солнца, и энергия, в результате конвекции газов, передается на поверхность. Температура ядра равна 15000000°С, на поверхности Солища температура равна 5500°С. В народе говорят: «И на Солнце есть пятна». Действительно, если посмотреть на Солнце при помощи специального прибора, то можно заметш- темные области. Из них поднимаются огненные факелы и образуют солнечную корону. Из короны образуется солнечный ветер, состоящий из потока элементарных частиц. Солнце излучает также ультрафиолетовые и рентгеновские лучи. Солнце образовалось приблизительно 5 млрд, лет назад из газоныле-вых облаков. Еще через четыре — пять миллиардов лет Со;гнце полностью истратит содержащийся в нем водород. После этого его ядро будет сжиматься, а оболочка расширяться и Солнце превратится в красного гиганта. 11. Планеты. В солнечной системе 9 планет, они распложены следующим образом: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон. Планеты условно можно разделить на две группы: — планеты земной группы: Меркурий, Венера, Земля, Марс; — шгаиеты-гиганты; Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Самая далекая и самая маленькая планета Плутон в них не входит. Если планеты земной группы состоят в основном из силикатов и ме'сал-лов, то планеты-гиганты состоят в основном из легких газов (водород, гелий) и в малых количествах из тяжелых элементов. Если диаметры планет земной группы равны 5000—12000 км, средняя плотность 4000—5000 кг/м^, то у планет гигантов соответственно 48000—140000 км и 1000—2000 кг/м^ 1. Меркурий (арабы называют Уторуб). Поверхность Меркурия каменистая, в результате метеоритных ударов усеяна кратерами. Большая часть покрыта песком. Атмосфера даже у поверхности очень разреженная. В состав атмосферы входит гелий, водород, кислород, неон и аргон. Если на солнечной стороне температура доходит до 290—400°С, то на неосвещенной стороне — 160”С. Меркурий не имеет спутников. О 2. Венера. Так как после Солнца и Луны она — самое яркое светило на небе, ее назвали Зухро — Утренняя звезда. Поверхность неровная, встречаются много камней. Имеются кратеры, образованные в результате извержения вулканов. Большая часть сухая и 133 (V глава. Представление о строении вселенной СОСТОИТ ИЗ песчаных пустынь. Атмосфера состоит из углекислого газа (~96%), азота (3,5%) и водяных паров (-0,2%). В атмосфере плавают облака, состоящие из 75—85 процентного водного раствора сульфатной кислоты, облака образуют два слоя и практически не пропускают солнечные лучи. Не найдены признаки жизни. Наклон оси Венеры к плоскости орбиты близок к прямому углу, поэтому там не бывает смены времен года. Направление вращения обратное земному, поэтому Солнце там восходит на западе и заходит на восгоке. 3. Земля. Единственная планета солнечной системы, где есть ..) жизнь. Поверхность твердая, покрыта землей и водой. Атмосфера состоит из азота (78%), кислорода (21%) и друтих газов. Облака состоят из паров воды. Она имеет один естественный спутник (Луна). Поверхность Луны покрыта горными породами и тонким слоем пыли. На большей час'ш имеются горы, высотой до 9 км. Темные участки Луны названы морями, хотя морей, похожих на земные, нет. Температура на освещенной поверхности доходит до ISO'C, на темной стороне - 170°С. На Луне нет атмосферы и воды. 4. Марс (Миррих). Имеет кроваво-красный цвет, поэтому древние называли его Богом войны. Поверхность покрыта камнями и песком. Атмосфера очень разреженная состюит из углекислого газа (95%), азота (2,5%), аргона (1,5—2%), в очень малом количестве есть кислород (0,2%) и пары воды (0,1%). Температура на Марсе в течении суток резко меняется: на экваторе ночью -130°С, днем На Марсе бывают сильные песчаные бури они порой поднимаются до высоты 50 км. Высота гор на Марсе достигает 25 км. Наличие следов рек и озер говорит о том, что некогда в них была вода. Наблюдения показывают, что размеры полярных шапок Марса изменяются. У Марса имеются два естественных спутника: Фобос (по гречески phobos — страх) и Деймос (по гречески deimos — ужас). Они имеют не форму шара, а форму картошки. Два перпендикулярных измерения Деймоса: 18 и 22 км, у Фобоса: 10 и 16 км. 5. Юпитер (Муштарий) — Самая большая шганета солнечной системы. Его масса больше суммарной массы всех планет солнечной системы в 2,5 раза. По светимости стоит после Венеры. Из-за быстрого вращения вокруг оси (сугки составляют 10 ча- 134 Тема 52. Солнечная система. Планеты и их спутники сов) экваториальный диаметр больше полярного. Он в основном состоит из жидкос ти и газа. Основную массу Юпитера, как и у Солнца, составляет водород. Ось вращения Юпитера перпендикулярна плоскости орбиты, и поэтому там не бывает смены времен года. Основную часть атмосферы Юпитера составляет водород (~70%) и гелий (~28%). У Юпитера имеются 61 естественных спутников и невидимое с Земли кольцо, состоящее из пыли и обломков льда. 6. Сатурн — древние римляне назвали его «богом Времени и Судьбы». На востоке известен под именем Зухал. До 1781 года считался последней планетой солнечной системы. Так как это последняя планета, которую можно увидеть невооруженным глазом. По размерам сшит на вюром месзе после Юпиюра. Вокруг него имеется кольцо шириной 60 тысяч километров, толщиной около 10—15 км. Кольцо состоит из кристаллов льда, пыли и из твердых тел размерами около 10 м. Толщина атмосферы около 300 км, температура - 178°С. Состоит в основном из молекулярного водорода, гелия, метана и аммиака. Вдоль экватора с запада на восток дует сильный ветер (до 500 м/с), который можно назвать фозовой бурей. Поверхность Сатурна, как и у Юпитера, не твердая. После толстого слоя облаков начинается слой, состоящий из жидкого водорода и гелия. Внуфенняя часть состоит из металлического водорода. У Сатурна имеется 31 естественный спуз ник. Самым крупным является Титан, по размерам не уступающий Меркурию. 7. Уран — в 1781 году был открыт Гершелем при помощи телескопа. Многие секреты Урана были открыты, когда в 1986 году рядом с ним проле-гела космическая станция «Вояджер — 2». Планета окружена очень толстой (11000км) и холодной (около — 210°С) атмосферой. Имеются плавающие облака, состоящие из водорода, гелия и метана, аммиака. Ниже распозгагается слой, состоящий из воды, аммиака и метана. В 1977—1978 годах у Урана было обнаружено 11 тонких колец. Общая ширина колец 9000 км, толщина 5—15 км. У планеты имеется 21 естественный сггутник. Интересно, что ось вращения ее лежит в шюскости орбиты. Планета врапдается как бы лежа на боку, пол года один полюс смотрит на Солнце, пол года другой. 135 IV глава. Представление о строении вселенной 8. Нептун. Невооруженным глазом увидеть нельзя. Существование планеты было вычислено английским астрономом Джоном Адамсом и французом Урбен Левером, исходя из возмущений Урана 1три его движении по орбите. В 1846 году немецкий астроном Похай Гале направил телескоп в точку, указанную ими, и нашел п;1аиету'. В 1989 10ду космическая станция «Вояджер — 2» проле-те;[а около планеты и передала на Землю ценную информацию. Атмосфера Нептуна плотная и состоит из водорода, гелия и могана. В tieM плавают облака, состоящие из кристалликов воды и аммиака. В атмосфере дуют сильные ветры со скоростью около 500 -700 м/с. Поверхность Нептуна имеет температуфу -2\А“С, покрыта большими океанами, состоящими из аммиака и метана. Планету окружают невидимые с Земли 5 колец. Нептун имеет 11 естественных спутников. 9. Плутон. Окрыленные успехом Левера, астрономы предположили, что за Нептуном тоже находится планетд, начали расчеты и по результатам расчетов поиск. Но форту'на улыбнулась только Клоуду Томбе. В 1930 году К. Томбо, восгюльзовавшись сложными расчетами Р. Ловелля, нащел планету. Планету можно увидеть только в сильный телескоп. Так как к этой дапекой планете еще не приближазась ни одна космическая станция, сведения о ней очень скудные. По расчетам, атмосфера планеты разреженная и состоит из азота и метана. Поверхность твердая, температура -235°С. В 1978 году был обнаружен единственный естественный спутник планеты. Он меньпзе Плутона всего в 2 раза. 10. Астероиды. Помимо 9 планет вокруг Солнца вращаются множество маленьких планег. Они называются астероидами и в телескоп видны как светлые точки. Больше 95% астероидов вращаются между орби тами Марса и Юпитера по эллиптическим орбитам. Тела, у которых диаметр больше 1 км, принято называть астероидами. Первый астероид был открыт 180! году и назван Церера, его диаметр около 1000 к.м. До 1992 года на учет взято более 5000 астероидов с диаметрами от 1 км до 1000 км. Есть предположение, что астероиды-осколки когда-то единой планеты. /. Расскажите о небесных телах, входяших в солнечную систему. 2. Расскажите, нем опьгичаются и чем похожи планеты земной группы. 3. Чем отличаются планеты-гиганты от гианет земной группы ? 4. Все ли тела Солнечной системы имеют шарообразную форму? 5. Атмосфера какой планеты подходит для жизни человека? 136 Тема 53. Кометы, метеоры и метеориты ТЕМА 52 КОМЕТЫ, МЕТЕОРЫ И МЕТЕОРИТЫ Кометы. В Солнечной системе в телескоп можно увидеть тела но размерам похожие на астероиды, но имеющие хвосты. Это кометы (по гречески komyote’s aste’n — хвостатые звезды). Некоторые из них можно уввдеть простым глазом, когда они при своем движении приближаются к Земле. Кометы обращаются вокруг Солнца по различным орбитам. Кометы, у которых период обращения меньше 200 лет, называются короткопериод-нымщ а остальные длиннопериодными. Английский ученый Э. Галлей, вычислив орбиты нескольких появлявшихся ранее комет, доказал, что в 1531, 1607 и 1682 годах наблюдалась одна и та же комета. В своих расчетах ученый предсказал ее появление. Действительно, в 1758 году, через 16 лет после смерти Галлея, комета появилась и пол^'чила название кометы Галлея. В последний раз коме-га приближалась к Земле в 1986 году. Для изучения коме'гы впервые были направлены автоматические станции. Коме-га состоит из ядра, головы и хвоста. Ядро кометы состоит из смеси пылинок, твердых кусочков вешества, замерзшей воды, аммиака, углекислого газа, дициана и других газов. При приближении кометы к Солнцу, ядро кометы испаряется. В результате образуется голова и хвост. Под действием давления солнечного изл)^ения хвост кометы всегда направлен в сторону, противоположную Солнцу. Размер 10ловы кометы равен 1—2 миллионам км, а хвост десять, даже сто миллионов км. В результате испарения комета может потерять 0,2—0,5% своей массы. Мегеоры и метеориты. Метеорами или метеоритными телами называются гела, вращающиеся вокруг Солнца и имеющие размеры меньше 1 км. Они являются, в основном, остатками комет или астероидов. Некоторые из них, в результате действия силы притяжения, влетают в атмосферу Земли. Скорости метеоров велики (11—72 км/с), поэтому они сильно нагреваюгея при трении об атмосферу, оставляя яркий след (рис. 88). В пароде говорят: «Звезда упала». Такие метеоры называются болидами. Кроме метеоров наблюдаются и метеоритные потоки. Обычно они исходят из какого-то со- Рис. 88 137 tv глава. Представление о строении вселенной звездия и называются их именами. Например, метеоритный поток, наблюдаемый из созвездия Персея — персеидами. Метеоры, не успевшие сгореть в земной атмосфере и падающие на Землю, называются метеоритами. На Землю ежегодно падают метеориты массой более 100000 тонн. Метеориты большой массы при соударении с Землей образуют кратеры. Их называют астроблемами (|реч. Ыета — рана). Размеры кратеров иногда бывают очень большими. Например, кратер, обнаруженный в США, имел размер 1300 м, глубиной 175 м. /. Чем отличается метеоры от метеоритов? 2. Какие небесные тела, кроме планет, входят в состав Солнечной системы? 3. Почему у комет образуются хвосты? ТЕМА 53 СОВРЕМЕННОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ О СТРОЕНИИ И РАЗВИТИИ ВСЕЛЕННОЙ Точно так же, как планеты входят в солнечную систему, солнечная система сама входит в скопление звезд, называемое Галактикой (рис. 89). Все видимые на небе объекты входят в Галактику. В составе Галактики 250 миллиардов звезд. Большие и маленькие звездные скопления, называемые Млечным путем, составляют основу нашей Галактики. Сведения о размерах, составе и строении нашей Галактики были получены в последние десятилетия при изу^1ении слабых звезд и далеких объекзюв при помощи больших телескопов. Галактика состоит из ядра и окружающих его дв>ос звездных систем. Звезды расположены в виде диска и галактической короны. Ядро находится на расстоянии 30000 световых лет (I световой год — расстояние которое проходит свет за 1 год). В ядре Галактики звезды расположены очень плотно. В диске сосредоточено 5% всех звезд Галактики. Галактическучо корону состав-ляют щаровые звездные скопления и вещества неизвестной природы. Диаметр Галактики составляет 100000 световых лет. Если посмотреть на Га-Рис. 89 лактику со стороны, она имеет форму Сош 138 Тема 54. Современное представление о стрюении и развитии Вселенной спирали. Солнце и солнечная система вращаются вокруг цешра Гагакти-ки со скоростью порядка 250 к.м/с. По земным меркам, Солнце совершает один полный оборот вокруг центра Галактики за 230 миллион jrer. Если учесть, что солнечная система возникла 4,7 миллиардов лет назад, то Солнце сог^ерпшло вокруг центра Галактика всего 20 оборотов. Во Вселенной существует множество звездных систем, похожих на нашу Галактику. Их существование было доказано в 1920 году американским ученым Эдвшчом Хабблом. При помощи современных телескопов можно увидеть различные галактики, удаленные от нас на миллионы и миллиарды световьгх лет. Без телескопа можно увидеть только туманность Андромеды, которая находится в северном полушарии. Изучая спектры галактик, Э. Хаббл обнаружил смещение спектральных линий к красному концу спектра. Явление смещения линий показывает, что гагактики удаляются от нас с очень большой скоростью. В 1929 году Хаббл определил, что скорость удаления пропорциональна расстоянию до галактик: V = Н‘ R. V — скорость галактики, Н — постоянная Хаббла, которая равна 60 — 80-^ (1 ПК = 30,8 • 10'^ км). Отсюда выхолит, чем дальше галакти- ка находится от нас, тем с большей скоростью она удаляется. В 1988 году была найдена галактика, удаляющаяся от нас со скоростью f = 274851 км/с. Такое разбегание галактик наводит на мысль о том, что когда-то они были в одном месте. Пользуясь законам Хаббла, можно вычислить время разбе-гаиия галактик. Расчеты показывают, что это началось 13—15 миллиардов лет назад. По современным представлениям о строении и развитии Вселенной, 13—15 миллиардов лет назад вся материя, энергия, пространство и время образова.лись в считанные секунды в результате Большого взрыва. Хагя не известна причина взрыва, но есть представление о том, как протекал данный процесс. После взрыва в течение долей секунды образовались протоны и нейтроны. Через три секунды протоны и нейтроны соединились и образовали ядра водорода и гелия. Через триста тысяч лет вокруг ядра начали вращаться электроны и началось формирование атомов. Во Вселенной появляется свет. Через один миллиард лет под действием гравитации Вселенная начинает сжиматься и образовались галактики. Проходит 15 миллиар- 139 IV глава. Представление о строении вселенной дов лет, и мы видим расширяющуюся Вселенную. Что произойдет после этого? На этот вопрос некоторые у'ченые отвечают, что расширение продлится до определенного момента и начнется сжатие. Ответы на эти вопросы, мы надеемся, найдете Вы, наши ученики. 1. Что представляет собой Галактика? 2. Что составляет основу Галактики? 3. Как движется Солнце и солнечная система в Галактике? 4. Что Вы знаета о других галактиках? 5. Как протекал процесс «Большого взрыва» ? ТЕМАМ АСТРОНОМИЧЕСКАЯ ШКОЛА УЛУГБЕКА И ЕЕ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ Как сказано выше, астрономические исследования велись для того, чтобы определить продолжительность года, дни начала времен года, для определения времени и решения некоторых житейских задач. Для этого были построены приборы и сооружения. Крепость «Кой кирилган» (3—4 века до нашей эры) в Каракал Пакистане построена таким образом, что направление из центра на некоторые купола указывает место восхода Солнца в дни равноденствия и солнцестояния. До появления телескопов такие исследования велись в обсерваториях с помошью специально установленных зри-ч^ельных труб. Известную всему миру обсерваторию посфоил правитель государства и великий ученый Мирзо Улугбек. Обсерватория была возведена недалеко от Самарканда, на возвышенности Кохак, в 1428—1429 годах при участии великого математика современности Гиесиддина Жамшида и Мавляна Ии-зомиддина Коши. В те времена подобной обсерватории не было ни на западе, ни на востоке. Внук великого Амира Тимура Улугбек родился 22 марта 1394 г. Дед обращал особое внимание на воспитание своего любимого внука и поручил это своей самой умной жене Сароймулк — хоним. Улугбек участвовал в индийском походе деда, побывал в Афганистане и в Армении. После смерти деда весь Моварауннахр остается в руках Улугбека. В Бухаре и Самарканде Улугбек построил много медресе и пригласил видных ученых современности. Знаменитым Улугбека сделало строительство обсерватории и проведенные в ней исследования. 140 Рис. 90 Тема 55. Астрономическая школа Улугбека и ее деятельность Обсерватория была построена на берегу речки Обирахмат, на возвышенности Кохак (современный Чопан-ата), по словам Бабура, она имела три этажа. Обсерватория имела форму круга с диаметром 46,54 м, высотой не ниже 30 м. В обсерватории был установлен гигантский секстант диаметром 40,212 м (рис. 90). Секстант бьш установлен вертикально, половина его возвьппалась над землей, половина была под землей. Секстант составлял часть окружности и имел длину 63 м. Дуга секстанта имела два ряда, на мраморных плитах бьи1и отмечены медью знаки минут и секунд. В обсерватории велись наблюдения за Солнцем, Луной, планетами и яркими звездами, на-ходяишмися около эклиптики. Определялись местоположения точек равноденствия, наклонение эклиптики, движения планет. В обсерватории также имелись приборы для составления каталога звезд, определения времени, географических координат местности. Результатом научных изысканий ученых под руководством Улугбека стал каталог под названием «Зичи курагоний». Каталог бьш закончен в 1437 году. Он состоял из двух частей, во вводной части приводились понятия века, года, месяца и их частей. Были описаны методы астрономических наблюдений того времени: определение высоты звезд, линии меридиана, ширюты, расстояний между звездами и планетами. Вторая часть состояла из каталога, где приводились координаты 1019 звезд. Этот каталог составлен настолько точно, что не потерял своего значения и в настоящее время. Звездный год по данным Улугбека длился 365 дней 6 часов 10 минут 8 секунд. По современным данным 365 дней 5 часов 48 минут 46 секунд. Ошибка была меньше одной минуты. Там также с большой точностью приводятся географические координаты 683 городов Средней Азии, России, Армении, Ирана, Ирака, даже Испании. Улугбек очень точно измерил склонение земной оси к плоскости эклиптики. По его данным это склонение было равно 23° 30' 17" (1437 год), ошибка составляла всего 0' 32". Если учесть, что наблюдения проводились не телескопами, а невооруженным глазом, то можно удивляться такой точности. После смерти Улугбека, ученые, работавшие в обсерватории, разъехались. Оставленная без присмотра, она со временем разрушилась. 141 IV глава. Представление о строении вселенной Фундамент обсерватории бьш найден в 1908 году в результате археологических раскопок. В 1949 году на месте обсерватории был установлен мраморный монумент, в 1964 году был построен и начал работу музей Улугбека. 1. Расскажите об основных научных достижениях астрономической школы Улугбека. ТЕМА 55 АСТРОНОМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ После того, как был изобретен телескоп, увеличился темн астрономических исследований. Первый телескоп построил в 1608 году голландский ученый Ханс Лиррерски. В нем были использованы стеклянные линзы, он увеличивал далеко стоящие предметы. Полу'чив известие об изготовлении такого прибора и не видя его чертежей, Галилео Галилей самостоятельно изготовил двухлинзовый телескоп. Телескоп Галилея называется рефрактором, его первая линза называется объектив и имеет большое фокусное расстояние. Вторая линза — окуляром, она имеет маленькое фокусное расстояние. Свет от далеких звезд, пройдя объектив собирается в фокальной плоскости (рис. 91). Окуляр устанавливается так, что его фокус совмещается с фокусом объектива. В этом случае телескоп увеличивает видимый угол звезды. Второй вид телескопа называется рефлектор, в нем вместо линзы используется большое вогнутое зеркало. Лучи в нем собираются, отражаются от второго зеркала и попадают в окуляр телескопа. Прошло три с половиной века с того момента, когда Г. Галилей изготовил первый телескоп. За это время были введены в строй ряд специальных рефракторов и рефлекторов, и бьши достигнуты большие успехи в изучении звездного неба. Из-за процессов, происходящих в звездах, они испускают не только видимые лучи, но и невидимые радиоволны, инфракрасные лучи, ультрафиолетовые лучи, рентгеновские и гамма-лучи. Для их изучения в обсерваториях устанавливаются радиотелескопы и спектрометры. Известно, что земная атмосфера сильно поглощает высокоэнергетические лучи. Помимо этого, в облачные дни нельзя изучать с Земли важные явления (такие, как затмение Солнца и Луны). Поэтому астрономические наблюдения проводятся и из космоса. Самым большим телескопом, выведенным на орбиту, считается телескоп Хаббла (рис. 92). Телескоп был выведен на орбиту космичес- 142 Тема 56. Астрономические исследования Рис. 92 КИМ челноком Шаттл в 1990 году. Этот телескоп может наблюдать объекты в 50 раз слабее тех, которые могут видеть телескопы на Земле. Для исследования планет к ним отправляют специальные зонды. Космические исследования начались в 1957 году с запуском в космос первого искусственного спутника Земли (бывгяий СССР). В 1961 году человек впервые поднялся в космос (бывший СССР). В 1969 году (бывший СССР) на Луну совершила посадку первая автоматическая станция. В 1969 году на автоматической станции «Аполлон—11» человек впервые высадился на поверхность Луны (США). В настоящее время, автоматические станции с исследовательскими целями пролетели мимо всех планет Солнечной системы, кроме Плутона. 1. Объясните принцип работы телескопа-рефлектора. 2. Что можно изучать при помощи радиотелескопов? 3. С какого времени и как проводятся астрономические наблюдения в космосе? 143 IV глава. Представление о строении вселенной КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ для ЗАВЕРШЕНИЯ IV ГЛАВЫ 1. Наука, изучающая небесные тела, их движение, строение, происхождение и развитгие называется... A) астрофизика; B) астрология; C) космогония; D) астрономия; E) физика космоса. 2. Когда была образована 1'ашкентс-кая обсерватория? А) 1873 г.; В) 1966 г.; С) 1922 г.; D) 1992 г.; Е) Точной даты нет. 3. Через какие созвездия Солнце про-ходи'г зимой? A) Стрелец, Козерог, Водолей. B) Рыбы, Овен, Телец. C) Близнецы, Рак, Лев. D) Дева, Весы, Скорпион. E) Скорпион, Стрелец, Козерог. 4. 11^ знак какого созвездия? А) Скорпион: В) Дева: С) Водолей: D) Телец: Е) Козерог. 5. Покажите знак созвездия Рака? А) S; В) Н; С) D) Т; Е) Д. 6. Что такое перигелий? A) Среднее расстояние от планеты до Солнца. B) Самое близкое расстояние от планеты до Солнца. C) Самое далекое расстояние от планеты до Солнца. D) Самое большое удаление планеты от Земли. E) Самое короткое расстояние от планеты до Земли. 7. Планета Уран делает один оборот вокруг Солнца за 84 земных года. Во сколько раз расстояние от Солнца до Урана больше, чем расстояние от Солнца до Земли? (в астрономических единицах). А) «19 а.е; В) «84 а.е; С) «9 а.е; D) «168 а.е; Е) «42 а.е. 8. Что было принято за астрономическую единицу? A) Большая полуось земной орбиты; B) Малая полуось земной орбиты; C) Среднее расстояние от Земли до Солнца; D) Диаметр Солнца; E) Длина орбиты Земли. 9. Скольким Земным суткам равен сидерический месяц? А) 27,3; В) 29; С) 30; 0)29,5; Е) 28. 10. Что такое календарь? A) Таблица, показывающая деление года на месяцы, недели; B) Метод измерения солнечных и л)шных затмений; C) Распределение года на 12 знаков зодиака; D) Природные знаки, показывающие изменение погоды; E) А, В, С, О ответы. 144 Заключительная беседа 11. Покажите планеты, входящие в земную группу. A) Меркурий, Венера, Земля, Плутон; B) Венера, Земля, Плутон, Марс; C) Меркурий, Земля, Марс, Венера; D) Марс, Венера, Плузон, Меркурий; E) Марс, Нептун, Венера, Уран. 12. Какие планеты не имеют есгест-венных спутников? A) Меркурий, Венера; B) Венера, Меркурий, Плутон. C) Нептун, Плутон, Меркурий; D) Уран, Плутон, Венера; E) Нептун, Плутон, Венера. 13. Как называется астрономический прибор, установленный в обсерватории Улугбека? A) линзовый телескоп; B) зрительная труба; C) секстант; D) глобус; E) зеркальный телескоп. ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ БЕСЕДА В зaключитeJ^ьнoй беседе Вы ознакомитесь с краткими выводами земы: «Представлении о строении Вселенной». Ас'фономия Наука, изучающая небесные тела, происхождение и развитие. движение, строение. Обсерватория Специально оборудованное здание для П{юведения астр4)номических наблюдений. Вселенная Вселенная — это пространство, включающее в себя: Солнце, планеты, нашу Галактику и миллиарды других галактик. Меркурий Венера Земля Марс Юпитер Сатурн Уран Нептун Кометы Метеориты Метеоры Созвездия Область неба в пределах некоторых границ. Все небо разделено на 88 созвездий.____________________________________________________________ 145 IV глава. Представление о строении вселенной Зодиакальные с-озвеадия 12 созвездий, через которые проходит головс»1 п>ть Сатнца; — стрелец; — козерог; ™ — водолей; М — рыбы; ‘У — овен; Ъ — тетец; Д - близнецы; S5 — рак; <9 — лев; Щ — дева; — весы; Щ. — скорпион.________ Звезды Звезды — гигантские газовые шары, излучающие свет и тепло в результате термоядерной реакции. Наше Солнце средняя желтая звезда. Времена года Изк(енение времен года происходит из-за наклона оси врац1ения Земли к плоскости орбиты Зекьтн при ее вращении юкруг Солнца. lL;UJVR.U^iW ll|JM СУ ^wiring» Изменение освещенной части Луны в результате ее двюкения во1фут Земли. Фазы Луны Солнечное затмение Когда на Землю падает пятно лунной тени, происходит затметше Солнш. Там, где на Землю падает полутень Луны, наблюдается частичное затмение Солнца. У N Луне V I / Лунное затмение Когда Луна попадает в тень Земли, |троисходит затмение Луны. Это наблюдается только в полнолуние. Календарь Календарь — указатель больших промежутксв времени, в котором показаш деление года на месяцы, недели, и в нем указываются рабочие и праздничные дни недели.____________________________________________________________ Галактика Громадное скопление звезд, удерживающихся силами притяжения. Солнце одна из 250 миллиардов звезд, входящих в галактику Млечный путь. Большой взрыв Большой взрыв, произошел 15 мшишардов лет назад, в результате образовалась Вселетшая. ____ _____ __________ Расширяющаяся Вселенная Расширение Вселенной после Большого взрыва происходит по закону V =HR. V — скорость, Н — постоянная Хаббла, R — расстояние от иссле-дуемой точки Вселенной ж) Земли. Телескоп Прибор для наблюдения за небесными тезами. Если телескоп состоит из зшнзы — это ре^фактор, есзш телескот состоит из зеркал — это рефлекгшф. Радиотелеасоп, прини.маег радиоволны, идушие из космоса. Имеются телескопы, регистрирующие рентгеновские, инфракрасные, узьтрафиачеговые и гамма лу^ш. 146 Меркурий Венера Земля Марс Юпитер Зуз^ал Уран Нептун Плутон 1. Масса, кг 3,302х]0м 4,869x10’’ 5,974x10” 6,419x10” 1,898x10” 5,685x10“ 8.683x10” 1,024x10“ 1,32x10” 2. Средняя плотность, кг/м’ 5430 5240 5520 3910 1330 690 1318 1638 2000 3. Экваториальный радиус. 2240 6051 6378 3396 71492 60268 25559 24776 2150 4. Ускорение свободного падения м/с^ 3,63 8,87 9,80665 3,71 23,2 9,28 8,4 11,5 0,4 5. Средняя скорость д вижения по орбите, км/с 47,9 35 29,8 24,1 13,06 9,6 6,8 5,4 0,5 6. Период обращения вокруг Солнца (в тропи- 0,241 0,615 1,00 1,881 11,862 29,46 84,01 164,8 246,08 7. веских годах Земли) Период вращения 58,6 зем- 243 зем- 23,9345 24,62 9,925 10,6562 17,24 16.11 6.3872 юкруг оси ные сутки ные сутки час час час час час час час 8. Расстояние от Солнца млн.км — наибольшее удаление 69,8 108,9 152,1 249,2 816 3005 3005 4537 7428 — наименьшее удаление 46,0 107,5 147,1 206,6 740 1348 2735 4456 4456 — среднее 57,9 108,2 149,6 227,9 778 1427 2870 4509 5942 9. Расстояние от Земли, млн.км — наибатьшее удаление 222 261 401,3 968 1658 3157 4689 7580 — наименьшее удапение 69,8 38 — 54,5 588 1196 2583 4304 4804 OJ ш § 5 X s н ф а а- I см » о\ ф о S 0) 4Ь. ГЛАВА V РОЛЬ ФИЗИКИ В ПОЗНАНИИ ПРИРОДЫ И в РАЗВИТИИ ОБЩЕСТВА. СОВРЕМЕННОЕ РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ И ТЕХНИКИ Тема 56. Физическое представление мира ТЕМА 56 ) ФИЗИЧЕСКОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ МИРА --------V V Вы заканчиваете изучение первого этана физики. Изучая физику, какое представление вы получили об окружающей вас природе, мире? Давайте вместе, на основе полученных знаний, представим себе окружающий нас мир. Из физики Вселенной нам известно, что она имеет бесконечно большой размер. Свет, излученный в одном ее конце, двигаясь со скоростью 300 000 км/с доходит до нас за 15 000 000 лет. Вселенная состоит из миллиардов галактик. Каждая галактика состоит из миллиардов звезд. Из чего состоят звезды? В каких взаимоотношениях они бывают между собой. Есть ли единая теория, объясняющая строение Вселенной? На эти и другае вопросы ученые физики стараются дать ответ. Открытый Ньютоном закон всемирного тяготения и законы динамики частично дают ответы на эти вопрюсы. В соответствии с этими законами все макротела (Солнце, планеты и т. д.) и микрочастицы (молекулы) взаи-модейтсвуют через гравитационное поле и двигаются в соответствии с законами динамики. Но эти законы не могли объяснить электромагнитые процессы. После того, как Максвелл открыл законы электромагнетиз.ма были попытки объяснить меанические процессы, движение частиц исходя из электромагнитной теории. Частицы вшцества пытались рассматривать как «сгустки» электромагнитного поля. Конечно нельзя вывести уравнения движения частиц и законы гравитационного взаимодействия из теории электромагнитного поля. Но в строении мира существует что-то общее. Звезды, Земля, живые организмы состоят из одинаковых атомов. Все атомы состоят из ядра и обращающихся вокруг него электронов, а ядро состоит из нейтронов и протонов. Эти частицы могуг взаимопревращаться. Например, при бета-распаде — нейтрон, находящийся в ядре, излучив элекзрон превращается в протон. В этом превращении проявляется, кроме тех трех сил которые мы изучали, новая сила — «слабое взаимодействие». В настоящее время, известно, что все процессы в природе управляются четырьмя силами. Ведется поиск единой теории этих сил. Все элементарные частицы обладают свойствами волны и частицы. Но остается без ответа топрос, почему эти частицы обладают именно этой массой и зарядом. Думаем и надеемся, что на эти и другие вопросы ответ найдете вы, дорогие наши ученики. 149 V глава. Роль физики в познании природы и в развитии общества ТЕМА 57 Vt: РОЛЬ ФИЗИКИ В ПОЗНАНИИ ПРИРОДЫ ' ^ И В РАЗВИТИИ ОБЩЕСТВА. СОВРЕМЕННОЕ РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ И ТЕХНИКИ Окружающий нас мир является разнообразным. По этой причине его изучают с помощью различных наук. Физика изучает общие законы природы и дает рекомендации но их применению на практике. Научно-техническая революция, пик которой пришелся на середину XX века, стала возможной благодаря достижениям и открытиям в физике. Во многих развитых странах начаяся переход к полной автоматизации и механизации. В отдельных технологических процессах полностью исключен ручной труд. Такое развитие производства привело к большому потреблению электроэнергии. В промышленности понадобились материаты с новыми свойствами. В результате появилась потребность в новых научных изысканиях. Таким образом, наука и производство начали развивать друг друга. На^'чно-техническая революция, которая начачась во второй половине XX века, подняла производство на научную основу. Появились точные и тонкие технологии. Это привело к появлению новых профессий для их обслуживания. Для овладения новыми профессиями нужны люди с общим высоким образованием. Для управления и обслуживания современных машин нужны люди, хорошо знающие физику, как фундамента!ьную науку. На основе успехов физики люди овладели атомной энергией. Были созданы компьютеры, люди покинузги свою «колыбель» — Землю и устремились в космос. Начали изучать процессы, происходящие на звездах, отдаленных от нас на многие световые годы. Быстрое развитие получила связь. Создаются материалы с заранее известными свойствами. В ядерных реакторах даже были получены доселе неизвестные вещества. Современная техника и технология, в свою очередь, оказывают воздействие на физику. Например, для исследования в области ядерной физики необходимо ускорять заряженные частицы. Современные вычислительные машины имеют большое значение для вычисления отдельных параметров с помощью сложнейших формул теоретической и практической физики. 150 Тема 58. Работы, проводимые в Узбекистане в области физики и техники ТЕМА 58 РАБОТЫ, ПРОВОДИМЫЕ В УЗБЕКИСТАНЕ В ОБЛАСТИ ФИЗИКИ И ТЕХНИКИ. ИХ ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ. НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ РАЗВИТИЕ ЭКОНОМИКИ В УСЛОВИЯХ РЫНОЧНЫХ ОТНОШЕНИЙ В Узбекистане, также как и в других странах, развитию науки уделяется большое внимание. В частности, в области физики проводятся научно-исследовательские работы по многим направлениям. Эта работа координируется Академией наук (АН) Узбекистана и Комитетом по Науке и Технике. Первоначально научно-исследовательские работы в Респ^^лике велись в научных лаборагориях университетов и институтов. В 1932 году был учрежден Комитет Науки. В 1940 году на основе Комитета Науки бьы создан Узбекистанский филиал (Уз АН) Союзной Академии наук. В то время, в его сосчаве бьши 10 научно-исследовательских институтов, 18 ведомственных институгов, 11 действительных членов, 18 член-корреспондентов, 3 почетных члена Академии наук. В институтах работалй 210 научных сотрудников, 28 докторов наук, 80 кандидатов наук. После офетения Узбекистаном независимости заново было пересмотрено научное направление АН. По решению Кабинета Министров Республики Узбекистан, от 3 апреля 1995 года бьи утвержден новый Устав АН РУз. В соответствии с ним в АН действует 8 отделений. Из них первое отделение — это физико-математическое. В первое отделение входят: Институт ядер-ной физики (Отдел тяжелых ионов), Научно-производственное объединение «Физика — Солнца» (ипсгатут материаловедения). Институт Астрономии, Институт математики. Отдел теплофизики (институт Прикладной лазерной физики) и Научно-производственное объединение «Академприбор». Со многими из них вы ознакомились в главах учебника. В частности были даны сведения о проводимых в них работах: в главе Молекулярная физика — отдел теплофизики; в главе Основы атомной физики — институт ядерной физики; в главе Оптика — ииститут гелиотехники и инсгитут тугоплавких материалов; в главе Строение Вселенной — институт астрономии. В институте Физической элект-рюники АН ведутся работы по термоэлектрической эмиссии, в Физико-техническом институте по физике полуттроводников. Научно-исследовательские работы по физике проводятся и в Национальном университете, и в областных университетах. В процессе перехода к рыночным отношениям приступили к расширению производства, для внедрения новых разработок ученых начались совместные работы с несколькими иностранными фирмами. В этом направлении было создан, внутри АН, Республиканский коммерческий инновационный центр научных разработок «УзФАНТ». 151 Занимательные материалы ЗАНИМАТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА • Известно, если в наполненный водой сосуд положить твердое тело, то вода выльется. Проведите следуюншй эксперимент; возьмите рюмку, из которой пьют напитки, проведите пальцем тю краю. Наполните ее водой. Теперь положите в рюмку одну за друтой иголки. Даже, если вы положите сотни иголок, вода из рюмки не выльется! Подумайте, почему это происходит. • В сказкзл принцессы, чтобы испытать женихов, просили их принести ю;1у' в решете. Можно ли это выполнить? Оказывается, возможно! Берется металлическая сетка, с диаметром дырок около 1 мм, опускается в рас-Ш1авленный парафин и быстро вынимается. В этом слу'чае, проволока сетки покрывается тонким, невидимым глазу слоем парафина. Дырочки не закрываются (можно просунуть иголку). В таком сите можно свободно принести воду, опустить сетку в воду и использовать в качестве лодочки. По;;\'майте, почему эго происходит. ОПТИКА • Отраженный от зеркала свет можно увидеть и за 30 км. Этим свойством пользукугся, чтобы подавать сип{алы в пустыне и на море. На американских кораблях зеркало входит в список спасательных средств. • В жаркие летние дни людям, ед>’щим в автомобиле, некоторые места асфальта впереди кажутся мокрыми. Причиной этому является то, что сильно прогретый асфальт на1ревает приповерхносгный слой воздуха. Его плотность будет ниже, чем плопзость вышележащих слоев. В этом слое происходит полное внутреннее отражение и поэтому асфальт кажется мокрым. “ Миражи в пустынях происходят суг того, что в слоях воздуха прогретых по-разному, происходит полное внутреннее отражение. 152 Занимательные материалы • С'геклянная бутылка или часть ее может заменить ли1{зу. В определенных условиях свет, собранный такими линзами, может стать причиной пожара. Поэтому, когда идете отдыхать на лоно природы, не оставляйте такие предметы. • » Человек, родившийся слепым и спавший зрячим после опера1гии, долгое время видит окружающий его мир перевернутым. Вггоследствии он будет видеть нормально. • Говорят, очки изобрел в 1299 году итальянец Сальвино Арматти. • В 1727 I'. У. Шульсе (немец) определил чувствительность солей серебра к свету. • В 1839 г. француз Луи Дагер изобрел фотоаппарат. • Человеческий глаз различает 160 цветов. ^ Болезнь, при которой не различаются некоторые цвета, названа именем английского ученого Д. Дальтона, болевшего этой болезнью, и называется дальтонизм. • В 1800 г. Ф. В. Гергиель обнаружил инфракрасные лучи. • Первым ученым физиком, удостоившимся премии Нобеля был В. К. Рентген. • Англичане до сих пор рентгеновские лз'^ги называют Х-лу^гами. Потому что их соотечественник В. Крукс первым обнаружил эти лзли, но не обратил на них внимание. Крукс обнаруэкил почернение с}ютопластинок, лежавших около катодной трубки и решив, что фирма поставила ггедобро-качественные шгастинки, написал письмо. • Природа рентгеновских лучей, открытых в 1895 г., была выяснена в 1912 г. Немецкий ученый Макс Лауе определил, что они являются коротковолновыми электромагнитными волнами. АТОМ • В настоящее время у 300 химических элементов наблюдается естественная радиоактивггость. Используя, ядерную реакцию были пол>лены 1500 веществ с радиоактивными свойствами. • Первая атомная бомба была взорвана в США на полигоне А^тамогор-до в 1945 г. » За заслуги в исследовании радиоактивных веществ в 1903 г. Пьер и Мария Кюри, а также А. Беккерель были удостоены Нобелевской премии в области физики. Один из искусственно полуденных элементов назван 153 Занимательные материалы именем Кюри. В 1911 г. М. Кюри вторично была удостоена премии Нобеля. На этот раз в области химии, за пол>^ение элемента радия. КОСМОС • в течение года от солнечной радиации на Земле испаряется 500 000 км^ воды (для сравнения объем Балтийского моря 22 000 км^). • Солнечная система образовалась 4,7 млрд лет назад. Когда Солнцу' исполнится 8 млрд лет, водород в ядре Солнца выгорит и оно начнет увеличиваться. Меркурий исчезнет. Когда диаметр Солнца увеличится в 150 раз, оно займет пол неба. Температура на Земле повысится и океаны начнут кипеть. Земля станет похожа на современную Венеру. • Солнце и планеты имеют свои условные знаки: Солнце — ; Меркурий — 1;^ ; Венера — ; Земля — ^ или ; Луна — (^; Марс — ; Юпитер — )1; Сатурн — ; Нептун — ф ; Плутон — Q . • Планеты названы именами богов. Например: Меркурий — в римской мифо;!Огии бог торговли, покровительствовал путешественникам; Венера — богиня любви и красоты; Марс — бог войны; Юпитер — верховный бог; Сатурн — бог земледелия; Уран — в греческой мифологаи бог неба; Нептун — в римской мифологии бог морей; Плутон — бог подземного мира. • В 1877 г. итальянский ученый Джованни Вирджинний Скиапарелли направил телескоп на Марс и увидел там темные прямые полосы, которые назвал кана^шми. С этого момента стали считать, что на Марсе есть жизнь, о чем было написано множество книг. Для установления связи с марсианами были сделаны многочисленные предложения. Одно из них: предлагали построить в пустыне Сахара большие каналы, наполнить их керосином, поджечь и этим привлечь внимание марсиан. Современные исследования показали, что на Марсе нет разумных существ. • В течение года, если смотреть в телескоп, поверхность Марса меняется. Зимой полярная шапка доходит до 50 параллели, а летом почти исчезает. Сначала это объясняли тем, что растут растения. На самом деле, это связано с испарением и замерзанием газа COj. • Орбиты некоторых комет настолько вытянуты, что на один оборот вокрут Солнца уходит от 100000 до 1000000 лет. • Одна из причин исчезновения динозавров с поверхности Земли, это столкновение Земли с космическим телом. В частности, 65 миллионов лет 154 Занимательные материалы назад на полуостров Юкатан, около Карибского моря, упал астероид диаметром 10 км, со скоростью 10 км/с и от сильного удара образовался кратер диаметром 180 км. В результате образовалась гигатпгская волна, а испарившийся камень заполнил все небо пылью, паром и углекислым газом. Это сильно изменило климат на Земле и стало причиной гибели большинства животных. • Самые древние сведения о падении па землю метеоритов приводятся в китайской летописи, датированной 2133 годом до нашей эры. • В 1952 г., в Швеции, был найден метеорит, пролежавший в Земле 463 миллиона лет. • 1500 мштлионов лет назад Земля вращалась вокруг своей оси в течение года 900 раз (сутки составляли 10 часов). 500 миллионов лет назад — вращалась 380 раз. Каждые 50000 лет сутки удлиняются на 1 секунду. • Реактивный самолет от Земли до Солнца при скорости 800 км/ч летел бы 21 год. Фобос; спутник планеты Марс. Диона; спутник планеты Сатурн. Спиральная галактика МЗЗ. Комета, метеор, туманность, звезда. 155 Занимательные материалы • Сейчас астрономы MorjT наблюдать Вселе1«ную на расстоянии 10 млрд, световых лет. • Зеркало телескопа, установленного в 1975 г. на Кавказе имело диаметр 6 м, толщину около 1 метра и вес 42 тонны. Зеркало телескопа было отлито при температуре 1600 градусов, первоначальная отливка имела вес 70 тонн. На его охлаждение ушло 2 года 4 дня. Потому что при быстром охтаждении в нем могут образоваться мелкие трещины. Для придания сферической (]х)рмы, зеркало шлифовали в течение нескольких лет и всего было полу'чено 28 тонн пыли. Вес гигантского телескопа 850 тонн. Зоркость «глаза» рефлектора доказывает то, что он может видеть зажженную свечу на расстоянии 25 тысяч километров. • Американский И1гженер Г. Ребер в 1936 году создал радиотелескоп, работающий в 2 метровом диапазоне. • В 60—70 годы успехи, достигнутые радио астрономическими методами, можно сравнить с достижениями оптической астрономии, полу-ченны-ми в течение 400 лет. • Иногда в печати приводятся сообщения о том, что какие-то космические тела могуч- столкнуться с Луной или с Землей. Многие из этих сообщений не обоснованы. Например: в 1921 году было сообщение о том, что кольцо Сатурна исчезло, а его части движутся в сторону Солнца и могут-столкнуться с Землей. Даже приведен был и день столкновения. Причиной этому было тх), что положение колец Сатурна постоянно метгяется, и из-за этого кольцо на короткое время было не видно. ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. Д.Ш. Шодиев, Н.Ш. Турдиев. Физика. 9 класс. Ташкент, Маънавият. 200.3. 2. М. Мамадазимов. Астрономия. Ташкент, ^китувчи. 2004. 3. В. А. Касьянов. Физика. 10 класс. Москва, Дрофа. 2004. 156 СОДЕРЖАНИЕ Основные физические величины, изученные в 6—8 классах.........................3 Законы.........................................................................4 Проверка подготовленности......................................................5 Глава 1. Молекулярная физика и термодинамика Вводная беседа.................................................................8 Тема 1. Молекулярно-кинетическое строение вещества.........................9 Тема 2. Размеры и масса молекул. Число Авоталро...........................11 Тема 3. Скорость молекул газа. Опыты Штерна. Распределение молекул по скоростям......................................................13 Тема 4. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа... 16 Тема 5. Температура. Молекулярно-кинетический смысл температуры..........18 Тема 6. Изопроцессы......................................................20 Тема 7. Уравнение состояния идеального газа..............................22 Тема 8. Испарение и конденсация..........................................25 Тема 9. Насыщенные и ненасыщенные пары...................................27 Тема 10. Влажность воздуха................................................30 Тема И. Образование в природе росы, инея, тумана, облаков и образование осадков...........................................................31 Тема 12. Молекулярное строение жидкостей..................................33 Тема 13. Лабораторная работа. Определение коэффициента поверхностного натяжения жидкостей...............................................35 Тема 14. Смачивание и явление капиллярности...............................37 Тема 15. Кристаллические и аморфные тела..................................39 Тема 16. Механические свойства твердых тел. Беруни ученый-минералог.......41 Тема 17. Плавление и кристаллизация.......................................44 Тема 18. Внутренняя энергия и количество теплоты..........................46 Тема 19. Лабораторная работа. Определение удельной теплоемкосги твердого тела ....49 Тема 20. Работа в термодинамике. Первый закон термодинамики...............49 Тема 21. Адиабатный процесс. Применение первого закона термодинамики к изопроцсссам....................................................51 Тема 22. Лабораторная рабога. Сравнение количества теплоты при перемешивании воды с различной температурой...................53 Коп ipUMbHMC вопросы дчя завершения I главы...................................54 Заключительная беседа.........................................................56 Глава II. Оптика Проверка уровня знаний........................................................60 Вопросы тестов, относящиеся к разделу «Свойства свега», изученного вами в 6 классе.60 Вводная беседа................................................................63 Тема 23. Законы отражения и преломления света.............................64 Тема 24. Полное внутреннее отражение......................................67 Тема 25. Лабораторная работа. Определение показателя преломления стекла...69 Тема 26. Выпуклые и вошутые линзы. Фокусное расстояние и оптическая сила линзы........................................................70 Тема 27. Лабораторная работа. Построение изображения при помощи линз......72 Тема 28. Оптические приборы...............................................74 Тема 29. Оптические свойства глаза........................................76 Тема 30. Определение скорости света.......................................79 157 Тема 31. Световая волна. Длина волны света. Дисперсия света................80 Тема 32. Лабораторная работа. Изучение дисперсии света.....................82 Тема 33. Инфракрасные, ультрафиолетовые и рентгеновские лучи, их свойства.82 Тема 34. Явление фотоэффекта и его применение..............................85 Тема 35. Гелиотехника. Использование солнечной энергии в Узбекистане и ее перспективы...................................................88 Тема 36. Лабораторная работа. Изучение фотодиода...........................89 Тема 37. Химическое и биологическое воздействия света. Фотофафия. Фотосинтез и его значение..........................................90 Примеры решения задач......................................................92 Контрольные вопросы для завершения II главы....................................96 Заключительная беседа..........................................................98 Глава Ш. Основы атомной физики Вводная беседа................................................................102 Тема 38. Строение атома. Модель Томсона. Опыты Резерфорда.................102 Тема 39. Лазеры и их применение...........................................105 Тема 40. Строение ядра. Нейтрон. Ядерные силы.............................107 Тема 41. Радиоактивность. Альфа-, бета-, и гамма излучения................109 Тема 42. Биологическое воздействие радиоактивного излучения и защита от него.... 111 Тема 43. Ядериая энергия и ее применение..................................112 Тема 44. Работы, проводимые в Узбекистане в области ядерной физики........114 Контрольные вопросы для завершения 111 главы..................................115 Заключительная беседа.........................................................116 Глава IV. Представление о строении Вселенной Проверка уровня знаний........................................................119 Вводная беседа................................................................120 Тема 45. Выдержки из истории развития взглядов о сгроении Вселенной.......121 Тема 46. Факты, подтверждающие вращение Земли вокр^т своей оси............123 Тема 47. Видимое годовое движение Солнца..................................124 Тема 48. Доказательство движения Земли вокруг Солнца. Законы Кеплера......126 Тема 49. Движение Луны, фазы и периоды. Солнечные и лунные затмения.......128 Тема 50. Измерение времени. Календарь.....................................130 Тема 51. Солнечная система. Планеты и их спутники.........................132 Тема 52. Кометы, метеоры и метеориты......................................137 Тема 53. Современное представление о строении и развитии Вселенной........138 Тема 54. Астрономическая школа Улугбека и ее деятельность.................140 Тема 55. Астрономические исследования.....................................142 Контрольные вопросы для завершения IV главы...................................144 Заключительная беседа.........................................................145 Глава V. Роль физики в познании природы и в развитии об>цеетва. Современное развитие физики и техники Тема 56. Физическое представление мира....................................149 Тема 57. Роль физики в познании природы и в развитии общества. Современное развитие физики и техники.............................150 Тема 58. Работы, проводимые в Узбекистане в области физики и техники и их практическое значение. Научно-техническое развитие экономики в условиях рыночных отношений.....................................151 Занимательные материалы.......................................................152 158 Турдиев Н. Ш. Т 53 Физика; Учебник для учащихся 9-х классов средней школы. — Т.: Издательство «Turon-Iqbol», 2006. — 160 с. ВВК 22.3Я721 Рецензенты: Худойбергаиов Абдулла Старший преподаватель ТГПУ им. Низоми к.п.н. Махкамова Диларом заведующая отделом РЦО. Юлдашева Мохидил Преподаватель 6-й школы г. Ташкента. НАРЗИКУЛ ШЕРАНОВИЧ ТУРДИЕВ кандидат физико-математических наук, доцент, заслуженный работник народного образования Узбекистана ФИЗИКА Учебник для учащихся 9 классов средней школы Издательство «TURON-IQBOL», 2006. Переводчик Редактор Научный редактор Худож. редактор Технический редактор Корректор Компьютерная верстка Т. Асилов Т. Соловьева К. Турсунметов Ж. Гурова Т. Смирнова Ю. Шопен Е. Гтьмутдинова ИБ № 140 Подписано в печать 12.06.2006. Формат 70><90'/,^. Гарнитура «Таймс». Печать офсетная. Уел. печ. л. 11,7. Учет. изд. л. 12,43. Тираж 26000. Заказ № 2673. Оригаиал-макст изготовлен в ООО «Arnaprint». Ташкент, ул. X. Байкаро, 41. Типография Издательско-полиграфической акционерной компании «Шарк», Ташкент, ул. Буюк Турон, 41. , 1 -■ ^ ^>1 ж.--. V !