Физика 7 класс Учебник Шахмаев Дик

Н. M.iLlaxMaeB, Ю. И. Дик, С. Н. Шахмаев, Д. Ш. Шодиев ФИЗИКА Н. М. Шахмаев, Ю. И. Дик, С. Н. Шахмаев, Д. Ш. Шодиев ФИЗИКА 7 класс УЧЕБНИК ДЛЯ общеобразовательных учреждений Под редакцией Ю. И. Дика Допущено Министерством образования Российской Федерации 2-е издание р^^тельсу Москва 2007 УДК 373.167.1:53 ББК 22.3я721 Ф50 Физика. 7 класс : учеб, для общеобразоват. учреждений / Ф50 [Н. М. Шахмаев и др.] ; под ред. Ю. И. Дика. — 2-е изд. — М. : Мнемозина, 2007. — 144 с. : ил. ISBN 978-5-346-00773-9 Изучение физики начинается с рассмотрения в учебнике световых и звуковых явлений. Даются первые сведения о строении вещества, молекулах и их движении, тепловых явлениях и двигателях. Раскрывается физическое содержание понятий: масса, сила, давление, энергия, коэффициент полезного действия, мощность, температура. Дополнительный материал, выделенный звездочкой (*), поможет глубже разобраться в сущности физических явлений. С этой же целью подобран материал под названием «Это интересно*. К каждому параграфу даны вопросы и задания в рубрике «Проверьте себя». В комплект к учебнику подготовлена рабочая тетрадь, включающая вопросы и задания разного уровня сложности, опыты, лабораторные и проверочные работы. УДК 373.167.1:53 ББК 22.3я721 Учебное издание Шахмаев Николай Михайлович, Дик Юрий Иванович, Шахмаев Сергей Николаевич, Шодиев Даврон Шодиевич ФИЗИКА 7 класс УЧЕБНИК для общеобразовательных учреждений Генеральный директор издательства М. И. Безвиконная Главный редактор К. И. Куровский. Редактор В. А. Обменина Оформление и художественное редактирование: В. П. Григорьев, Э. В. Ленчевская Технический редактор И. Л. Ткаченко. Корректоры Т. А. Юдичева, Л. С. Щербакова Компьютерная верстка: А. М. Репкин Санитарно-эпидемиологическое заключение № 77.99.60.953.Д.001815.02.07 от 22.02.07. Формат 70x90 */,о- Бумага офсетная № 1. Гарнитура «Школьная». Печать о(1х;етная. Уел. печ. л. 10,53. Доп. тираж 2000 экз. Заказ № 756 Издательство «Мнемозина». 105043, Москва, ул. 6-я Парковая, 29 6. Тел.: (495) 367-54-18, 367-56-27, 367-67-81; факс: (495) 165-92-18. E-mail: [email protected] Магазин «Мнемозина» (розничная и мелкооптовая продажа книг). 105043, Москва, ул. 6-я Парковая, 29 б. Тел.: (495) 783-82-84,783-82-85, 783-82-86. Торговый дом «Мнемозина» (оптовая продажа книг). Тел./факс: (495) 657-98-98. E-mail: [email protected] Отпечатано в ООО «Финтрекс». 115477, Москва, ул. Кантемировская, 60. ISBN 978-5-346-00773-9 «Мнемозина», 2003 «Мнемозина», 2007 Оформление. «Мнемозина», Все права защищены 2007 Введение Что изучает физика? Вы приступаете к изучению основ очень интерес-юй, необходимой каждому человеку науки — физики. Слово «физика» троизошло от греческого слова physis — природа. Физика как наука о фироде зародилась в глубокой древности. В IV веке до н. э. (более 2 тыс. 16T назад!) греческий ученый Аристотель (384—322 гг. до н. э.) написал книгу «физика». В ней он собрал все, что к тому времени было известно людям о природных явлениях, и дополнил эти сведения своими взглядами на природу и описанием собственных наблюдений. За прошедшее с тех пор время знания людей о природных явлениях насто-лько расширились и углубились, что из физики постепенно выделились самостоятельные науки: астрономия — наука о космосе, геология — EiayKa о недрах Земли, метеорология — наука о земной атмосфере, биология — наука о живых организмах, химия — наука о превращениях веществ и другие науки о природе. Физика изучает явления, которые происходят и в космосе, и в земных недрах, и в живых организмах, и в атмосфере — словом, повсюду. Такие общераспространенные явления называются физическими явлениями. В качестве примера назовем некоторые физические явления: замерзание воды, плавление льда, испарение воды, молния, гром. Как изучают физические явления? Наблюдая незнакомое явление, физики стараются понять, как и почему оно происходит. Если, например, явление происходит быстро или редко встречается в природе, физики стремятся увидеть его еще столько раз, сколько необходимо для того, чтобы выявить условия, при которых оно происходит, и установить соответствующие закономерности. Если есть возможность, ученые воспроизводят изучаемое явление в специально оборудованном помещении — лаборатории, в удобном для наблюдения виде. Они стараются не только рассмотреть явление, но и провести измерения (например, измерить время протекания явления, характерные размеры и т. д.). Все это ученые-физики называют опытом или экспериментом. Наблюдением не заканчивается, а только лишь начинается изучение явления. Полученные в ходе наблюдения факты надо объяснить, используя уже имеющиеся знания. Это этап теоретического осмысления. Для того чтобы убедиться в правильности найденного объяснения, ученые проводят его опытную (экспериментальную) проверку. Таким образом, изучение физического явления обычно проходит следующие этапы: 1- й этап. Наблюдение явления в природе. 2- й этап. Воспроизведение явления в лаборатории (если это возможно) и его всестороннее опытное изучение. 3- й этап. Выдвижение гипотезы (предположения) для объяснения изучаемого явления. 4- й этап. Опытная проверка правильности найденного объяснения. i Рассмотрим эти этапы на знакомом вам явлении — вытекании воды и:^ заполненного до краев сосуда. 1U. этап. Было замечено, что из сосуда с очень узким горлом вода Hej вытекает, когда она полностью заполняет сосуд. 2- й этап. Чтобы выяснить, почему это происходит, проделаем опыт: возьмем четыре прозрачных сосуда одинаковой формы, наполним их до краев подкрашенной водой и закроем пробками, в которых сделаны отверстия разного диаметра. Для удобства наблюдения в отверстия вставлены стеклянные трубки. Перевернув сосуды (рис. 1), увидим, что вода вытекает только из сосуда, закрытого пробкой с широким отверстием. Повторяя опыт несколько раз, можно заметить, что вытекание воды из сосуда начинается после того, как в него попадет пузырек воздуха (рис. 1, г). 3- й этап. Можно предположить, что вытеканию воды из сосуда препятствует окружающий воздух. ^ 4- й этап. Чтобы проверить это предположение, поставим сосуд с ca-j мым узким отверстием в пробке под колокол воздушного насоса (рис. 2) и1 будем выкачивать воздух. Вода из сосуда начнет выливаться. I Рис. 1 Опыт подтвердил правильность сделанного предположения. Значение физики для человека. Современную жизнь невозможно представить без машин, приборов и аппаратов, которые нас окружают и которыми мы пользуемся в быту. Действие автомобилей, поездов, самолетов, телевизоров, радиоприемников, холодильников, магнитофонов, компьютеров, источников электрического освещения и многого другого основано на физических законах, без глубоких знаний которых нельзя сконструировать ни одной машины, ни одного прибора, начиная от батарейки для карманного фонарика и кончая космическим кораблем. Физика — основа техники, и ее знание необходимо каждому современному человеку. Изучение физики дисциплинирует ум, развивает логическое мышление. В науке вообще, а в физике и математике в особенности, ничего не принимается на веру, все требует доказательств. Поэтому изучение физики приучает к доказательности высказываемых суждений. Несколько слов о физиках. В историю физики вписаны имена людей великого ума, таланта и трудолюбия, которыми гордится человечество. Их труд — прекрасный пример для нас. Прежде всего отметим, что физики очень любознательные люди. Это взрослые «почемучки»: их интересует и само явление, и то, почему и как оно происходит. Увидеть необычное в обычном — одна из черт характера физиков. Кто из вас, подойдя к зеркалу, увидел необычное в своем изображении? Обратили ли вы внимание на то, что в зеркале ваша правая рука стала левой, а левая — правой (рис. 3)? Вы много раз видели, как из носика чайника, стоящего на плите, вырывается пар, когда вода закипает. Но обратили ли вы внимание на то, что пар появляется лишь на 3 Рис. 4 расстоянии 1—2 см выше края носика (рис. 4)? Задумывались ли вы над увиденным? Уметь наблюдать, быть любознательным, видеть необычное в обычном — это необходимое в жизни качество. Изучение физики поможет вам (если вы к этому приложите усилия) развить эти чрезвычайно важные способности. Все великие физики были трудолюбивы, терпеливы и настойчивы. Английский физик Майкл Фарадей (1791—1867) изо дня в день на протяжении 10 лет пытался поставить и, наконец, поставил опыт, который сделал его великим ученым. В результате этого опыта стало возможным производство электроэнергии, а также все то, что в нашей жизни связано с электричеством. Русский ученый Михаил Васильевич Ломоносов (1711 — 1765) работал в созданной им лаборатории по 12—14 часов в сутки в поисках решения физических проблем. Огромные знания, накопленные современной физикой, нуждаются в осмыслении, постоянном обновлении и дополнении. Для этого требуется очень много времени. Поэтому у физиков появилось «разделение труда». Одни из них занимаются экспериментами, исследуют связи между физическими явлениями. Применяя различные установки и приборы, проводят измерения, открывают ранее неизвестные закономерности. Физики-теоретики, используя результаты, полученные физиками-экспериментаторами, выводят новые соотношения между изучаемыми величинами — строят, как теперь говорят, математические модели. В этом им помогают компьютеры. В прошлые века физики иногда совмещали обе профессии. Так, английский физик Джеймс Максвелл (1831—1879), который создал теорию, объединившую электрические и магнитные явления, занимался и экспериментальными работами. Немецкий физик Генрих Герц (1857—1894), обнаруживший экспериментально электромагнитные волны, был в то же время и хорошим теоретиком. Великим физиком-теоретиком являлся Альберт Эйнштейн (1879—1955), который, пользуясь только бумагой и карандашом, создал теорию относительности. Но кем бы ни были ученые-физики, какие бы ее разделы ни изучали, их труд в основном состоит в поиске новых фактов и объяснении конкретных явлений с помощью физических законов. ЛАВА Первоначальные сведения о свете в жизни растительного и животного мира нашей планеты исключительное значение имеет свет. Без преувеличения можно сказать, что без света невозможна жизнь на Земле. Раздел физики, изучающий свойства света, называется оптикой. Оптических явлений так много, что, приступая к изучению физики, мы не можем охватить даже тысячной доли того, что входит в оптику. В первой главе «Первоначальные сведения о свете» вы познакомитесь с самыми простыми, но очень нужными сведениями о свете. § 1. Источники и приемники света Какие бывают источники света? Мы видим различные тела, когда от них исходит свет и попадает к нам в глаза. Некоторые тела сами излучают свет в окружающее пространство. Такие тела называют источниками света. Большинство же тел мы видим только тогда, когда они освещены источником света. Луна, окружающие нас предметы, представители растительного и животного мира Земли видимы из-за отражения падающего на них солнечного света. Каждый из нас отражает свет. В темной без окон комнате мы не увидим ни одного предмета и друг друга, так как в ней нет источников света, нет падающего света и нечего отражать. Источники света можно разделить на естественные и искусственные. Самым важным для нас естественным источником света является Солнце. К искусственным источникам света относятся костры (рис. 5), свечи, электрические лампы накаливания (рис. 6), люминесцентные лампы (лампы дневного света) и т. д. Солнце, звезды, раскаленные твердые тела, а также некоторые расплавы, пламя, образующееся при сгорании топлива, — это источники Рис. 5 Рис. 6 не только света, но и тепла. Источники света, которые испускают свет в нагретом состоянии, называют тепловыми источниками света. Кроме тепловых источников света существуют источники «холодного света». Примерами таких источников являются: полярные сияния, люминесцентные и газосветные лампы, экраны телевизоров (рис. 7), гнилушки от старых пней, белый фосфор, светлячки, некоторые глубоководные рыбы. Размеры источников света могут быть разными. Если источник очень мал по сравнению с расстоянием до него, то в физике принято такой источник света называть точечным. Приемники света. Приемниками света называют устройства, которые реагируют на падающий свет, преобразуя его. Для нас с вами самым главным и самым важным приемником света являются глаза. Попадая в глаз, на окончания зрительного нерва, свет раздражает эти окончания, сигналы передаются в мозг, в конечном итоге получается картина окружающего мира. Свет, падающий на тела, вызывает изменения в веществе, которые могут быть использованы человеком в полезных целях. Например, фотопленка и фотобумага под действием света изменяют свой состав. На этом основано получение фотографий. Созданы специальные приборы, названные фотоэлементами, которые преобразуют свет в электрический сигнал. Особенно широкое применение фотоэлементы получили при изготовлении солнечных батарей, устанавливаемых на всех космических кораблях (рис. 8). Одним из лучших и полезных для нас приемников света являются зеленые листья растений. Под действием солнечного света в них происходят необходимые для всей жизни на Земле процессы. Растения дают нам пищу, они же дают нам кислород для дыхания. Скорость света. Когда бы мы ни нажали на выключатель, свет заливает комнату мгновенно. Чтобы свет от лампочки достиг нашего глаза, тре- Рис. 7 Рис. 8 8 буется ничтожная доля секунды. Это столь малый промежуток времени, что мы не в состоянии его представить. Когда-то считалось, что скорость света бесконечна и потому он распространяется мгновенно. Впервые скорость света удалось измерить датскому ученому Олафу Рёмеру (1644—1710) в 1676 году. Рёмер наблюдал за движением спутника Юпитера и обнаружил несоответствие между расчетным временем его затмения и действительным. Из этих наблюдений Рёмер определил, что скорость света равна 215 000 км/с. В дальнейшем было разработано много других, более точных методов измерения скорости света. По современным данным, скорость света в вакууме (пустоте) равна 299 792 458 м/с. Это самая большая из всех возможных скоростей. Ни одно тело в мире не может иметь скорость, превышающую это значение. Приближенно скорость света в вакууме (воздухе) можно считать равной 300 000 000 м/с = 3 • 10* м/с. Учеными была измерена скорость света в различных прозрачных веществах. Скорость света в воде была измерена в 1856 году. Она оказалась меньше, чем в вакууме. Во всех других веществах она также меньше, чем в вакууме. В таблице 1 приведены значения скорости света в некоторых веществах. Таблица 1 Скорость света в различных веществах Вещество Скорость, км/с 1 Вещество Скорость, км/с Воздух 300 000 Стекло 200 000 Вода 230 000 Алмаз 124 000 Проверьте себя 1. По рисункам 5—7 расскажите о том, какие бывают источники света. 2. Во время Великой Отечественной войны партизаны на своих базах посыпали тропинки гнилушками. Для чего они это делали? 3. Писатель П. П. Ершов в сказке «Конек-Горбунок» написал: Огонек горит светлее. Горбунок бежит скорее. Вот уж он перед огнем. Светит поле словно днем; Чудный свет кругом струится. Но не греет, не дымится. Диву дался тут Иван. «Что, — сказал он, — за шайтан! Шапок с пять найдется свету, А тепла и дыму нету; Эко чудо-огонек!» Что натолкнуло писателя на создание этого красивого, хотя и фантастического образа? 4. С какой скоростью распространяется свет в воде? ЭТО ИНТЕРЕСНО ! Свет от Луны до Земли идет 1,25 с, от Солнца — 8 мин., от Сатурна — около часа, от ближайшей к нам звезды — четыре года. Дальние галактики сегодня мы видим такими, какими они были миллионы лет назад! § 2. Распространение света Прямолинейное распространение света. Еще в Древней Месопотамии за 5000 лет до н. э. люди знали о прямолинейном распространении света. В Древнем Египте это свойство света использовалось при строительстве пирамид. В прямолинейности распространения света нас убеждают многочисленные наблюдения в повседневной жизни. В темном зрительном зале кинотеатра из окошка кинопроекционной комнаты вырывается сноп света, воспринимаемый нами как расходящийся пучок. Такой же пучок образует свет, распространяющийся в тумане от уличных фонарей, автомобильных фар (рис. 9), маяка (рис. 10). Если в солнечный день находиться в лесу, то можно заметить, что потоки солнечного света, прошедшие сквозь крону деревьев, также прямолинейны (рис. 11). Независимость распространения световых пучков. В затемненном помещении установим два проекционных аппарата с диапозитивами, дающих световые пучки разного цвета. На пути к экранам эти световые пучки Рис. 9 Рис. 10 Рис. 11 10 Рис. 12 пересекаются (рис. 12). Но на экранах мы видим четкие изображения диапозитивов, окрашенные в соответствующий цвет. Опыт дает основание утверждать, что распространение света в пространстве не зависит от того, есть в этом пространстве другие пучки света или нет. Что такое луч света? Каждый из вас много раз слышал и употреблял выражения «луч света», «световые лучи», «лучи Солнца». В физике под термином «луч» понимают линию, вдоль которой распространяется свет. Поскольку в пучке света существует много линий, вдоль которых распространяется свет, то световой пучок можно считать состоящим из множества лучей. Конечно, реально существуют лишь пучки света, а луч как образ или модель показывает, какое направление распространения света мы выбираем, и позволяет упростить рисунки. Образование тени. Тела, не пропускающие света, называются непрозрачными или светонепроницаемыми. За непрозрачным телом, куда не попадает свет, образуется тень. Проделаем такой опыт. В затемненном помещении включим, например, лампочку от карманного фонаря на подставке (она имеет прямую короткую нить накала). Поставим перед лампочкой непрозрачный для света диск на расстоянии, много большем, чем размеры нити лампочки. Такой источник света, как мы уже знаем из § 1, можно считать точечным. На экране за освещенным диском мы увидим четкую тень (рис. 13). Образование тени свидетельствует о прямолинейном распространении света. Образование полутени. Заменим лампочку от карманного фонаря на подставке бытовой лампой накаливания с длинной нитью и повторим опыт (рис. 14, а). Тень от диска на экране получилась размытой. Вокруг ее центральной части появилось серое кольцо, получившее название полутени. Зная, что свет распространяется прямолинейно, образование полутени легко Рис. 13 11 можно в этом объяснить. Для этого нарисуем лучи, исходящие из крайней левой и крайней правой точек нити накаливания лампы (рис. 14, б). Тень образовалась в тех местах экрана, куда не проник свет ни от одной точки источника света, а полутень — там, куда проник свет хотя бы от одной точки источника света. Чтобы проверить правильность данного нами объяснения, поставим контрольный опыт. Заменим лампу накаливания с длинной нитью двумя лампочками от карманного фонаря; при неизменности расстояния до освещаемого диска их можно считать двумя точечными источниками света (рис. 15). При включении любой из лампочек на экране видна четкая тень, а при включении двух лампочек — и тень, и полутень. Тень образуется в том месте экрана, куда не попадает свет ни от одной из двух включенных лампочек, а полутень — там, куда попадает свет лишь от одной из них. Таким образом, в том случае, когда источник света протяженный, каждую точку светящегося тела рассматривать как точечный источник света. Картинка на экране случае состоит из тени и полутени. Рис. 14 Рис. 15 12 Проверьте себя 1. Влияет ли на распространение светового пучка в пространстве наличие других пересекающих его пучков света? 2. Что в физике понимают под световым лучом? 3. Объясните образование тени и полутени. *§ 3. Солнечное и лунное затмения^ Планета Земля движется вокруг Солнца, совершая один полный оборот за год. Луна обращается вокруг Земли, совершая один полный оборот примерно за 27 суток. Лунное затмение. За Землей, освещаемой Солнцем, в космическом пространстве образуется полоса тени и полутени (рис. 16). Когда Луна, Земля и Солнце располагаются на одной линии, то тень от Земли полностью закрывает Луну. Это явление называется полным лунным затмением. Если тень Земли покрывает только часть Луны, то происходит частное затмение Луны (см. рис. 16). Если бы у Земли не было атмосферы, то во время лунного затмения мы бы Луну не видели. Но земная атмосфера рассеивает солнечный свет, и поэтому во время лунного затмения мы видим Луну в виде темно-красного диска, — это Луна отражает рассеянный свет Солнца. Солнечное затмение. Когда лунная тень и окружающая ее полутень падают на поверхность Земли, на ней происходит солнечное затмение (рис. 17)^. Из мест, оказавшихся в лунной тени [А на рис. 17), видно полное ‘ Материал, отмеченный в учебнике звездочкой (*), предназначен для дополнительного чтения. ^На рисунках 16 и 17 масштаб не соблюден. 13 Солнце Земля Рис. 17 солнечное затмение. В местностях, покрытых лунной полутенью (В и С на рис. 17), происходит частное солнечное затмение. Во время полного солнечного затмения Солнце имеет вид черного диска, окруженного нежным серебристо-жемчужным сиянием, получившим название короны (рис. 18). Дневной свет настолько ослабевает, что можно увидеть наиболее яркие звезды и планеты. В прошлом необычный вид Луны и Солнца во время затмений приводил людей в ужас. Жрецы, зная о повторяемости этих явлений, использовали их для устрашения людей, приписывая затмения сверхъестественным силам. Сейчас причина затмений уже перестала быть тайной. Наблюдения затмений позволяют ученым получать важные сведения об атмосфере Земли и солнечной короне, а также о движении Луны. Солнечные затмения бывают реже лунных. Проверьте себя 1. Перерисуйте в тетрадь рисунок 16 и объясните, почему происходят лунные затмения. 2. Перерисуйте в тетрадь рисунок 17 и объясните, почему происходят солнечные затмения. Рис. 18 § 4. Отражение света Солнечные «зайчики», получаемые с помощью зеркала, — это одно из проявлений отражения света. Свет отражается от любых гладких поверх- 14 Рис. 19 Рис. 20 ностеи: от стекол, полированных металлических поверхностей, от поверхности воды в озерах и реках (рис. 19), дождевых луж. Изучим отражение света. Законы отражения света. Для ознакомления с явлением отражения воспользуемся специальным прибором, называемым оптическим диском. В нем источником света является маленькая лампочка, находящаяся в корпусе подвижного осветителя. По окружности диска нанесены деления. Закрепим в центре диска плоское зеркало и направим на него из осветителя узкий пучок света (рис. 20). Будем считать, что в нашем опыте пучок состоит из одного луча света, направленного вдоль пучка. Мы увидим, что на поверхности диска появился отраженный луч (см. рис. 20). Его появление свидетельствует о том, что он лежит в той же плоскости, что и падающий луч, а также перпендикуляр, восставленный в точке падения луча. Передвигая источник света по краю диска, будем менять направление падающего луча, при этом будет меняться и направление отраженного луча, но оба они всегда остаются в плоскости диска. Таким образом, мы установили первый закон отражения света. (Падающий луч, отраженный луч и перпендикуляр, восставленный в точке падения к отражающей поверхности, лежат в одной плоскости. Изобразим схематически на рисунке эти лучи и зеркало (рис. 21). Угол между падающим лучом и перпендикуляром к зеркалу, восставленным в точке падения, называют углом падения и обозначают греческой буквой а (альфа). Угол между тем же перпендикуляром и отраженным лучом называют углом отражения и обозначают греческой буквой у (гамма). Вернемся к опыту с оптическим диском (см. рис. 20). Так как на диске имеются деления, то углы падения и отражения можно измерить. 15 Сделаем это. Мы увидим, что они равны. Когда мы передвигаем подвижный осветитель, мы меняем направление падающего луча, т. е. угол падения. При этом изменяется и угол отражения, но так, что эти два угла по-прежнему оказываются равными. В этом заключается второй закон отражения света. I Угол отражения равен углу падения. Плоское зеркало. С помощью законов отражения света можно объяснить, как получается изображение в плоском зеркале. Однако прежде чем привести теоретическое объяснение, проделаем несколько простых, но очень важных ощ>1тов. Для этого нам понадобятся две свечи, небольшой кусок плоского стекла, линейка и листок бумаги. Поставим в затемненном помещении перед плоским стеклом зажженную свечу. В стекле хорошо видно ее изображение (рис. 22). Заглянув за стекло, мы не обнаружим там свечи. Придвигая (отодвигая) свечу к стеклу, заметим, что ее изображение также придвигается (отодвигается). Отметим чертой на бумаге поло-'i жение стекла, а затем поставим за стеклом незажженную свечу (рис. 23) так, чтобы она встала точно на то место, где мы видим изображение зажженной свечи. Убрав стекло и измерив расстояние между чертой и свечами, обнаружим, что изображение свечи находится на таком же расстоянии от стекла, на каком находится свеча (рис. 24). В подмеченной закономерности вы можете убедиться сами, подходя к зеркалу или удаляясь от него. Проделывая эти несложные опыты, постарайтесь поздороваться со своим изображением. Что вы заметили? Правильно! Изображение протянуло вам «свою» левую руку! (см. рис. 3). Таким образом, у предмета и его изображения в плоском зеркале левая и правая стороны меняются местами. Такое изображение называют зеркальным. ... 'Г'Ъ I 1 ^ I J Рис. 22 р Рис. 23 16 ж г Рис. 24 * Для того чтобы понять, как в плоском зеркале получается изображение находящихся перед ним предметов, рассмотрите внимательно рисунок 25. На рисунке показан ход пучка света от верхней точки пламени свечи. Ограничивающие этот пучок света лучи SA и SB падают на зеркало под углами а, и и под такими же углами отражаются. В глаз попадает расходящийся пучок света. Продлив отраженные лучи, мы получаем точку S'. Глаз воспринимает свет как бы исходящим из точки S' и видит в ней точку S. Фактически же лучи в точке S' не сходятся. Поэтому видимое глазом изображение — точку S' — называют мнимым изображением точки S. Аналогичное построение можно выполнить и для точки О. Построив ее изображение (точку О'), мы увидим, что размер изображения свечи равен размеру самой свечи.* Так как изображение свечи и сама свеча от зеркала расположены на одинаковом расстоянии и его размер равен размеру свечи, то можно сказать, что изображение предмета в плоском зеркале симметрично предмету относительно зеркала. Подведем итоги. Изображение предмета, даваемое плоским зеркалом, мнимое (оно возникает при пересечении продолжений расходящихся лучей), зеркальное (левая и правая стороны меняются местами), прямое, по размерам равное предмету, расположено за зеркалом на таком же расстоянии, на каком расположен сам предмет перед зеркалом. Применение плоского зеркала. Плоские зеркала кроме бытового применения находят ряд других применений. Рассмотрим несколько примеров применения плоских зеркал. Плоское зеркало служит одной из основных частей солнечного концентратора. Солнечный концентратор — это система плоских зеркал, направляющих пучки солнечного света на устройство, которое надо нагреть. На рисунке 26 показана схема простейшего концентратора. Рис. 26 17 Зеркала Рис. 27 состоящего из двух плоских зеркал. Отраженные зеркалами пучки солнечного света направляются на бак с водой. Под действием света вода в баке нагревается. На рисунке 27 показан солнечный концентратор, состоящий из большого числа плоских зеркал. С помощью специального устройства зеркала поворачиваются так, чтобы отраженные от каждого зеркала пучки света были в течение всего дня направлены на тело, которое надо нагревать. Такие установки используются, например, на солнечных паросиловых установках для получения водяного пара с высокой температурой. Плоские зеркала устанавливаются в кабине водителя для обозревания им салона автобуса. Они используются для декоративного оформления витрин магазинов. Плоские зеркала используют врачи-стоматологи (рис. 28). Наверное, вам знакома детская игрушка — калейдоскоп. Его устройство схематически показано на рисунке 29, а. Внутри трубки 1 под углом 60“ установлены зеркальные пластины 2, 3 и 4, а у прозрачного конца 5 трубки расположены на некотором расстоянии друг от друга две стеклянные пластины. Между пластинами находятся кусочки цветного стекла (рис. 29, (5), которые многократно отражаются в зеркальных пластинах. Заглядывая внутрь трубки через отверстие, имеющееся на другом’торце, наблюдатель видит красивые симметричные фигуры (рис. 29, в). Плоские зеркала используются при постановке некоторых фокусов в цирке. Известен, например, фокус «Живая голова без туловища». Рис. 28 1 • 4,4^ л , i 'Уг/. t к • *Ач * 18 у.----f Рис. 30 Секрет его прост. Стоящий на сцене стол имеет удлиненную форму. В дальней от зрителей части стола сделано круглое отверстие 1 (рис. 30), которое перед началом опыта закрыто плотной крышкой, а потому незаметно для зрителей. Под столом стоит большое плоское зеркало 2, в котором видны отраженные передние ножки стола. Их зрители принимают за задние ножки стола. Стол зрителям кажется стоящим на четырех ножках. На большой тарелке фокусник несет сделанную из гипса или папье-маше голову большой куклы. Тарелка без дна. По существу, это рамка для головы. Когда фокусник ставит «голову» на стол, он делает несколько движений, во время одного из которых закрывает голову от зрителей. В это время его помощник («живая голова»), сидящий под столом (и закрытый от зрителей зеркалом), открывает в столе круглое отверстие, в которое опускает голову куклы и просовывает свою голову. После этого фокусник снимает платок и зрители видят действительно живую голову. Заключительная стадия фокуса идет в обратном порядке: фокусник накрывает голову человека платком и, проходя перед зрителями, на какое-то мгновение закрывает голову своим телом. В этот момент человек, голову которого видели зрители, опускает вниз свою голову и на ее место ставит голову куклы, похожую на его голову. Фокусник под аплодисменты зрителей уносит голову, а помощники — стол с сидящим в нем человеком. Зеркальное и рассеянное отражение света. Если поверхность тела зеркальная, то узкие пучки света, падающие на нее параллельно друг другу, идут после отражения также параллельно (рис. 31, а). Такое направленное отражение называется зеркальным. Идеально гладкая (зеркальная) поверхность не видна, а видны в ней только предметы, перед ней находящиеся. Свет отражается не только от зеркал, но и от всех окружающих нас предметов. Но так как поверхность большинства предметов шероховатая, причем отдельные неровности расположены беспорядочно, то падающий на такую поверхность свет рассеивается ею. Падающие на шероховатую поверхность параллельные лучи отражаются по всем возможным направ- 19 лениям (рис. 31, б). Такое отражение называют рассеянным. Именно благодаря рассеянному отражению мы видим предметы, которые сами не излучают свет. Проверьте себя 1. Сформулируйте законы отражения и поясните их рисунком. 2. Какое изображение получается в плоском зеркале? 3. Перед плоским зеркалом стоит латинская буква R. Что будет видно в>зеркале? 4. Придумайте приспособление, с помощью которого можно изменить направление падающего луча на противоположное. 5. Пучок света падает на зеркальную поверхность под углом 30°. Под каким углом он отразится? 6. На большом расстоянии от вас помещены одинаковой формы плоское зеркало и лист бумаги. Что вы увидите в солнечный день? ЭТО ИНТЕРЕСНО ! Калейдоскоп был изобретен в Англии в 1816 году и через год-полтора проник в Россию, где был встречен с восхищением. Баснописец А. Измайлов в журнале «Благонамеренный» (июль, 1818 г.) писал о калейдоскопе так: Смотрю — и что ж в моих глазах? В фигурах разных и звездах Сапфиры, яхонты, топазы, И изумруды, и алмазы, И аметисты, и жемчуг, И перламутр — все вижу вдруг! Лишь сделаю рукой движенье — И новое в глазах явленье! *§ 5. Сферические зеркала Кроме плоских зеркал существуют сферические, у которых отражающая поверхность является частью шаровой поверхности. При этом зеркала могут быть выпуклыми или вогнутыми. Познакомимся с основными свойствами этих зеркал. Вогнутое сферическое зеркало. Зеркало, у которого отражающее покрытие нанесено на внутреннюю поверхность сферы (рис. 32, а), называется вогнутым .зеркалом. 20 IP б Рис. 32 Прямую линию, проходящую через вершину зеркала Р и центр О той сферы, частью которой оно является, называют главной оптической осью зеркала (рис. 32, б). Направим на поверхность вогнутого сферического зеркала от специального источника несколько тонких пучков света, параллельных главной оптической оси (рис. 33, а). Мы увидим, что после отражения от зеркала все пучки собе-рутся в одной точке. Эту точку называют главным фокусом зеркала и обозначают буквой F (рис. 33, б). Расстояние от главного фокуса F до точки Р называют фокусным расстоянием зеркала и обозначают также буквой F. Опыт и расчеты, выполненные с помощью законов отражения света, показывают, что если рассматривать лучи, которые проходят вблизи главной оптической оси, параллельно ей, то фокусное расстояние вогнутого сферического зеркала равно половине радиуса сферической поверхности. Поместив источник света в фокус зеркала, мы увидим, что отраженные от зеркала лучи идут параллельно главной оптической оси. В затемненном помещении поставим перед вогнутым зеркалом на расстоянии более двух фокусных расстояний зажженную свечу, как показано на рисунке 34. Расположив соответствующим образом глаз, мы увидим перед зеркалом уменьшенное и обратное (перевернутое) изображение свечи. Если там, где мы увидели изображение свечи, поместить экран, то на нем получится изображение пламени свечи (см. рис. 34). Это изображение является действительным, а не мнимым, как в плоском зеркале. Убедимся в этом путем построения изображения. Из всех световых лучей, идущих от точки S (конца пламени свечи), рассмотрим два: луч 1, параллельный главной оптической оси, и луч 2, 21 Рис. 34 = Р проходящий через фокус (рис. 35). Первый луч после отражения пройдет через фокус зеркала, а второй пойдет параллельно главной оптической оси. Точка пересечения отраженных лучей S' есть действительное изображение точки S (пересекаются сами лучи, а не их продолжения). Можно было воспользоваться л^.'чом 3, идущим через центр зеркала. Этот луч, отразившись от зеркала, идет в противоположном направлении. Продолжим наши опыты. Будем перемещать свечу к зеркалу. Двигай одновременно экран, мы увидим, что изображение пламени переместилось от зеркала и увеличилось (рис. 36, а). Далее может наступить такой момент, что свеча и ее изображение будут расположены на одной вертикальной прямой. Это произойдет в том случае, когда свеча будет находиться от зеркала на расстоянии, равном двойному фокусному. При этом размер изображения оказывается равным размеру предмета (рис. 36, б). При дальнейшем приближении свечи к зеркалу мы обнаружим, что ее изображение продолжает удаляться от зеркала, увеличиваясь в размере. В тот момент, когда свеча оказывается расположенной в плоскости, проходящей через фокус (рис. 36, в), ее изображение исчезает, и на экране мы увидим освещенный круг. Если расположить свечу между фокусом и вершиной зеркала, то отраженные лучи пересекаться не будут. Продолжив их за зеркало, мы получим мнимое увеличенное и прямое изображение свечи (рис. 36, г). Выпуклое зеркало. Зеркало, у которого отражающее покрытие нанесено на внешнюю поверхность сферы, называется выпуклым сферическим зеркалом. Примером выпуклого сферического зеркала может служить блестящий елочный шар. 22 Прямую, соединяющую вершину зеркала и центр сферы, частью которой является зеркало, называют главной оптической осью выпуклого сферического зеркала. Направим на поверхность выпуклого зеркала от специального источника света несколько тонких пучков, параллельных главной оптической оси (рис. 37, а, б). После отражения от зеркала пучки получаются расходящимися. Так как выпуклое зеркало не собирает падающий на него свет, то действительных изображений оно не дает. Если вы посмотрите в выпуклое зеркало, то увидите свое прямое, уменьшенное и мнимое изображение. Применения сферических зеркал. Сферические зеркала находят широкое применение в технике. Назовем несколько таких применений. Вогнутые сферические зеркала используются для получения параллельных 23 пучков света в прожекторах, осветителях. В этом случае источник света помещается в фокусе зеркала. Вогнутые сферические зеркала используются для концентрации солнечного света (концентраторы солнечной энергии). В этом случае в фокус вогнутого зеркала помещают предмет, который надо нагреть. Вогнутое зеркало используется для зажигания от солнечных лучей олимпийского факела. Вогнутые зеркала применяются в некоторых телескопах. Самый крупный в мире телескоп такого типа сооружен в России и установлен в обсерватории на Северном Кавказе. Диаметр его зеркала 6 м. С помощью этого телескопа можно увидеть пламя свечи, находящейся на расстоянии 24 000 км. Выпуклые зеркала находят применение в качестве зеркал заднего обзора на транспорте. Проверьте себя 1. Какую точку вогнутого зеркала называют фокусом? 2. Какие изображения получаются в вогнутом сферическом зеркале? Назовите основные применения сферических зеркал. Фокусное расстояние вогнутого зеркала 30 см. Где будет расположено изображение свечи, находящейся от зеркала на расстоянии 60 см? § 6. Преломление света Опустим наклонно в пустой сосуд карандаш и посмотрим на него сверху; мы увидим карандаш прямым (рис. 38, а). Не вынимая карандаша, нальем в сосуд воды. При наблюдении сверху карандаш кажется надломленным у поверхности воды (рис. 38, б). Почему это произошло? Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим, как распространяется свет при переходе из одной среды в другую. Оптические явления на границе двух сред. Нальем в аквариум (или любой другой сосуд с плоскими стенками) воду и направим на поверхность воды узкий пучок света (рис. 39). Хорошо видно, что пучок света на гра- 24 нице между водой и воздухом разделился на два пучка: один отражается от поверхности воды, т. е. возвращается в первую среду, а другой проникает в воду, при этом изменяет свое направление. Изменение направления распространения света при его прохождении через границу раздела двух сред называется преломлением света. Изучим эти явления с помощью известного вам прибора — оптического диска. Закрепим на оптическом диске стеклянный полуцилиндр так, чтобы его центр совпадал с центром диска (рис. 40). Направим на него световой пучок. Мы увидим, что на границе стекло — воздух пучок раздваивается: одна его часть отражается, а другая проникает во вторую среду, изменив свое направление, — преломляется. Изобразим схематически на рисунке эти пучки и границу раздела сред (рис. 41). Угол, обозначенный греческой буквой р (бета), между перпендикуляром, восставленным к границе раздела ^ред в точке падения, и преломленным лучом, называется углом преломления. Если в нашем опыте с оптическим диском (см. рис. 40) изменять угол падения, то будет изменяться и угол преломления, но он всегда остается меньше угла падения. Кроме того, мы видим, что лучи, падающий и преломленный, лежат в одной плоскости с перпендикуляром, проведенным к границе раздела двух сред в точке падения луча. О чем свидетельствует преломление света? Прежде чем ответить на этот вопрос, представим, что по шоссе движется автомашина и подъезжает к участку, где асфальтированная дорога кончается и начинается участок песчаной дороги. Чтобы понять, что и почему произойдет с машиной, рассмотрите рисунок 42, на котором схематично показано положение ее ведущих колес. /. /, Рис. 38 Рис. 39 Падающий Отраженный Рис. 41 луч 25 Рис. 43 Рис. 44 Так как скорость движения колес по асфальту больше, чем по песку, то колесо, движущееся по асфальту, пройдет большее расстояние, чем колесо, движущееся по песку, в результате направление движения машины изменится. Но после того как оба ведущих колеса станут на песок, направление движения машины будет прямолинейным. Похожее явление происходит и при прохождении света через границу двух сред. Мы уже знаем (см. § 1), что скорость света в воде и в стекле иная, чем в воздухе. Напомним, скорость света в воде около 230 000 км/с, в стекле — около 200 000 км/с, а в воздухе — около 300 000 км/с. Таким образом, преломление света обусловлено изменением скорости распространения света при его переходе из одной среды в другую. *Интересная и важная закономерность. Направим на стеклянную пластину с параллельными гранями узкий пучок света. Мы видим, что свет и отражается, и преломляется на каждой границе сред (рис. 43). При переходе из воздуха в стекло угол преломления Р| меньше угла падения ttj, а при переходе из стекла в воздух угол преломления больше угла падения (рис. 44). Чтобы понять, почему это происходит, продолжим рассмотрение примера с движением автомашины, пересекающей песчаную полосу. Как только одно из ведущих колес окажется на асфальте, скорость его движения станет больше, и машина вновь изменит направление своего движения. Аналогичное явление происходит и при прохождении света через стеклянную пластину с параллельными гранями.* Если свет переходит из среды, в которой его скорость больше, в среду, в которой его скорость меньше, то угол преломления меньше угла падения. 26 в случае, когда свет переходит из среды, в которой его скорость меньше, в среду, в которой его скорость больше, то угол преломления больше угла падения. Проверьте себя 1. Что происходит с пучком света на границе двух сред? 2. На стеклянную треугольную призму из воздуха падает пучок света так, как показано на рисунке 45. Нарисуйте примерный ход пучка света через призму. Рис. 45 § 7. Линзы Линзами называют прозрачные для света тела, ограниченные двумя сферическими или одной сферической и одной плоской поверхностями. По форме ограничивающих поверхностей различают шесть типов линз: плоско-выпуклая (рис. 46, а), двояковыпуклая (рис. 46, б), вогнуто-выпуклая (рис. 46, в), плоско-вогнутая (рис. 46, г), выпукло-вогнутая (рис. 46, д) и двояковогнутая (рис. 46, е). Линзы изготавливают из стекла, пластмасс и других прозрачных материалов. Для'характеристики линз введен ряд понятий. Одним из таких понятий является главная оптическая ось линзы. Так называют прямую О^, проходящую через центры сферических поверхностей, ограничивающих линзу (рис. 47, а, б). Точку О, лежащую на оптической оси в центре линзы, называют оптическим центром линзы. Линзу, у которой толщина значительно меньше радиусов ее поверхностей, называют тонкой линзой. Мы будем рассматривать только тонкие линзы. ^ А /f \i \ Рис. 46 Рис. 47 27 Рис. 48 Собирающие линзы. Направим на двояковыпуклую линзу несколько пучков света параллельно главной оптической оси. Пройдя через линзу, пучки, преломившись на каждой из поверхностей (рис. 48, а), соберутся в одной точке. Эту точку называют главным фокусом линзы и обозначают буквой F (рис. 48, б). Расстояние OF от центра линзы до фокуса называют фокусным расстоянием. Фокусное расстояние также обозначают буквой F. Если линза преобразует параллельный пучок света в сходящийся, то ее называют собирающей. Двояковыпуклая стеклянная линза в воздухе собирает не только лучи, падающие на нее параллельно главной оптической оси, но и другие лучи. Поэтому стеклянная двояковыпуклая линза в воздухе является собирающей. Собирающими линзами также являются плоско-выпуклая и вогнуто-выпуклая стеклянные линзы. Условное обозначение тонкой собирающей линзы показано на рисунке 48, в. Опыты показывают, что если источник света поместить в фокус, то после преломления в собирающей линзе лучи выйдут параллельно главной оптической оси. Луч, проходящий через центр тонкой линзы, не изменяет своего направления. Рассеивающие линзы. Если линза преобразует параллельный пучок света в расходящийся, то такая линза называется рассеивающей (рис. 49, а). Двояковогнутая, плоско-вогнутая и выпукло-вогнутая стеклянные линзы рассеивают падающий на них в воздухе свет, поэтому они являются рассеивающими линзами. Рассеивающие стеклянные линзы в противоположность собирающим тоньше в середине, чем по краям. Главный фокус у рассеивающих линз мнимый: это точка, в которой сходятся продолжения преломленных линзой лучей, падающих параллельно главной оптической оси линзы (рис. 49, б). Условное обозначение тонкой рассеивающей линзы показано на рисунке 49, в. Получение изображений с помощью собирающих линз. Поставим перед собирающей линзой на расстоянии, большем, чем двойное фокусное 28 ? V расстояние, зажженную свечу, как показано на рисунке 50. Расположив экран за линзой и двигая его, мы увидим при определенном его ^ положении, изображение пламени свечи. Это изображение действительное. Убедимся в этом путем построения. Как и в случае вогнутого зеркала, удобно пользоваться двумя лучами: лучом, параллельным главной оптической оси, и лучом, проходящим через центр линзы (рис. 51, а). Эти лучи после прохождения сквозь линзу пересекаются в точке S'. Поэтому точка S' является действительным изображением точки S. При таком расположении свечи мы ползд1Или действительное, уменьшенное и перевернутое ее изображение. Постепенно придвигая свечу к линзе и одновременно перемещая экран, замечаем, что ее изображение удаляется от линзы и увеличивается (рис. 51, б). Рис. 50 Рис. 51 29 Когда свеча будет расположена в плоскости, проходящей через точку ее двойного фокуса, то ее изображение (по-прежнему, перевернутое) будет находиться от линзы на расстоянии, равном двойному фокусному расстоянию, а размер изображения будет равен размеру самой свечи (рис. 51, в). При дальнейшем приближении свечи к линзе происходит следующее: изображение свечи отодвигается от линзы и становится по размерам больше самой свечи (рис. 51, г). В тот момент, когда свеча окажется на расстоянии, равном фокусному (рис. 51, д), ее изображение исчезнет и на экране будет видно только освещенное круглое пятно. Если свечу поместить на расстоянии меньше фокусного, то с той же стороны, где находится сама свеча, можно увидеть увеличенное прямое изображение пламени (рис. 51, е). Оно является мнимым, так как образовано не самими лучами, а их продолжением. Формула тонкой линзы. Опыты с получением изображения свечи с помощью линзы показали, что характер получаемого изображения зависит от взаимного расположения предмета и линзы. Между тремя физическими величинами — фокусным расстоянием линзы, расстоянием предмета до линзы и расстоянием между линзой и изображением предмета существует определенная зависимость. Можно доказать, что эти величины связаны таким соотношением: 1 = 1 1 F~ f' где F — фокусное расстояние линзы, d — расстояние от предмета до линзы, f — расстояние от изображения до линзы (рис. 52). Это соотношение называют формулой тонкой линзы. При использовании формулы линзы следует учитывать правило знаков'. расстояния до действительных изображений считаются положительными, а до мнимых — отрицательными. Фокусное расстояние тонкой собирающей линзы положительное. У рассеивающей линзы фокусное расстояние отрицательное. Величину, обратную фокусному расстоянию, называют оптической силой линзы. Ее обозначают буквой D. Единица оптической силы называется диоптрией (сокращенно: дптр). Диоптрия равна оптической силе линзы с фокусным расстоянием 1 м. Оптическая сила собирающих линз выражается положительным Рис. 52 числом, а рассеивающих — отрицательным. 30 Проверьте себя 1. 2. 3. 4. 5. 6. *7. Какие линзы называют собирающими и рассеивающими? Что называют главной оптической осью линзы? Где по отношению к собирающей линзе надо поместить предмет, чтобы получить его увеличенное действительное изображение? Когда собирающая линза дает мнимое изображение? Как можно определить фокусное расстояние собирающей линзы? Предмет находится на расстоянии 1 м от тонкой собирающей линзы с фокусным расстоянием 50 см. На каком расстоянии от линзы получится его изображение? Где будет находиться изображение, если в предыдущей задаче предмет поместить на расстоянии 20 см от линзы? Сделайте схематический чертеж и охарактеризуйте полученное изображение. § 8. Оптические приборы Линзы находят широкое применение в оптических приборах и устройствах. Мы рассмотрим три наиболее простые. Прозрачная пленка Конден- сор Вогнутое зеркало Объектив с отклоняющим зеркалом *Графопроектор. Одним из видов проекторов, используемых в процессе обучения, является графопроектор. Этот прибор позволяет писать на пленке даже во время ее демонстрации. Для графопроекторов не нужно затемнять помещения, они могут закенить записи мелом на доске. Принцип работы графопроектора ясен из рисунка 53. Свет от сильного источника направляется зеркалом на специальную линзу — конденсор, на которой помещается чистая прозрачная пленка или пленка с нужной информацией. Затем свет попадает на еще одну линзу — объектив, а пройдя через него, направляется зеркалом на экран. Ученики видят на экране увеличенное изображение записи на пленке. Учитель может писать или рисовать на пленке, не отворачиваясь от Класса, а изображение будет воспроизводиться на белом экране, который также обращен к классу.* Рис. 53 31 Объектив Фотопленка Диафрагма Рис. 54 Фотографический аппарат. Имеется множество различных фотоаппаратов, но принцип их устройства и работы одинаков. Любой фотоаппарат co-i стоит из следующих основ-1 ных частей (рис. 54): не-| прозрачной камеры, объек-i тива, диафрагмы, затвора, катушки с фотопленкой. Непрозрачная камера служит для защиты фотопленки от воздействия света, когда мы не пользуемся фотоаппаратом. Простейший объектив представляет собой одну собирающую линзу. Объектив создает вблизи задней стенки камеры действительное перевернутое изображение фотографируемого предмета. В большинстве случаев предмет находится на расстоянии, большем двойного фокусного расстояния, поэтому изображение получается уменьшенным. В том месте, где получается изображение, помещают фотопленку или фотопластинку, покрытую слоем светочувствительного вещества — так называемой (}ютоэмульсией. Настройка на резкость осуществляется путем перемещения линзы объектива фотоаппарата. Диафрагма — это специальное устройство, позволяющее изменять площадь отверстия, пропускающего свет через объектив, что регулирует яркость освещения фотопленки. Затвор представляет собой непрозрачную шторку и предназначен для «допуска» света к пленке: когда мы нажимаем на кнопку спуска, затвор открывается и дает возможность свету проникнуть в камеру с пленкой. Затвор регулирует время засвечивания («выдержку»), т. е. время, в течение которого пленка освещается светом, — это время называется временем экспонирования. Катушка с фотопленкой обеспечивает правильное расположение пленки в камере, экспонирование только определенного ее участка — кадра — и перемотку используемой фотопленки. Лупа. Лупой называют собирающую линзу с малым фокусным расстоянием (как правило, не более 10 см). Ее применяют, когда нужно рассмотреть мелкий предмет или его детали. В этом случае лупу помещают обычно близко к глазу, а предмет располагают вблизи фокуса линзы. Мы уже знаем, что в этом случае получается мнимое увеличенное прямое изображение (см. рис. 51, е). 32 Лупой можно пользоваться по-разному. Мастер-часовщик работает с лупой, располагая ее близко к глазу, а не к предмету. Читатель книги с мелким шрифтом располагает лупу близко к книге. Проверьте себя *1. Какое изображение дает графопроектор? 2. Как устроен фотоаппарат? 3. Какое изображение предметов получается в фотоаппарате? 4. Нарисуйте ход лучей в лупе. § 9. Глаз и зрение Большую часть знаний об окружающем нас мире мы получаем через зрение. Органом зрения являются наши глаза. Мышца Сетчатка Радужная оболочка Зрачок Роговица Хрусталик Рис. 55 Зрительный нерв Как видят глаза? Чтобы человек увидел какой-либо предмет, световой пучок, идущий от предмета, должен попасть в глаз. Этот пучок света превратится в «картинку» в результате очень сложного процесса, который упрощенно можно представить следующим образом: а) свет попадает в глаз (рис. 55) через отверстие в радужной оболочке глазного яблока, называемое зрачком; б) хрусталик фокусирует свет и формирует изображение на сетчатке, состоящей из зрительных светочувствительных клеток — колбочек и палочек; в) свет, попадая на зрительные клетки, раздражает их. Это приводит к возбуждению нервных окончаний зрительного нерва; г) по зрительному нерву возбуждение передается в глазной отдел коры головного мозга; д) из полученных сигналов мозг формирует зрительные образы. Глаз как оптический прибор, созданный природой. Роговица и хрусталик, по существу, выполняют роль объектива. С их помощью на сетчатой оболочке глаза образуется действительное, уменьшенное, перевернутое изображение находящихся перед глазом тел (рис. 56). Кривизна хрусталика может меняться под действием глазных мышц, при этом изменяется фокусное расстояние хрусталика, поэтому четкое изображение рассматриваемых 2. 7М5 (IJaxMacB 7 кл. 33 Рис. 56 Рис. 57 Рис. 58 Рис. 59 Рис. 60 Рис. 61 глазом предметов в нормальном глазу получается на сетчатой оболочке. Хотя это изображение перевернутое, но мозг человека, перерабатывая полученную информацию и сопоставляя ее с опытом, воспринимает его правильно. Диаметр зрачка изменяется в зависимости от освещения. При слабом освещении предметов (например, ночью) он становится больше, а при ярком — меньше. В результате в глаз поступают световые пучки, достаточные для создания четкого изображения рассматриваемых предметов. Недостатки зрения и способы их устранения. Нормальный глаз имеет приблизительно шарообразную форму, и изображение удаленных предметов получается на сетчатой его оболочке, т. е. пучок лучей, параллельных главной оптической оси, сходится в одной точке на сетчатке (рис. 57). Однако иногда глаз имеет форму слегка сплюснутого шара. В этом случае пучок параллельных лучей сходится в точке перед сетчаткой (рис. 58). В результате человек плохо видит удаленные предметы и лучше — предметы, расположенные близко. Вы, наверное, замечали, что некоторые люди, читая книгу, подносят ее очень близко к глазам. Такой недостаток глаза называют близорукостью. Свой «вклад» в близорукость вносит и хрусталик, который преломляет падающие на него лучи сильнее, чем хрусталик нормального глаза. Очень важно заметить первые признаки близорукости. Если вы стали плохо видеть написанное на классной доске или, читая, приближаете книгу на расстояние меньше 20 см от глаза, сильно наклоняете голову при письме, а в кинотеатре стремитесь сесть поближе к экрану, — это сигнал о 34 том, что у вас появилась близорукость. Надо обратиться к врачу-окулис-ту. Для исправления близорукости врач подберет вам очки с рассеивающими линзами, оптическая сила которых имеет знак Рассеивающая линза сделает падающие на глаз лучи немного расходящимися, и в результате изображение переместится на сетчатку (рис. 59). В пожилом возрасте преломляющая способность глаза уменьшается. Это приводит к тому, что пучок параллельных лучей сходится не на сетчатке, а в точке за сетчаткой (рис. 60). В результате человек плохо видит близкие предметы, хотя достаточно хорошо видит далекие. Вы, вероятно, замечали, как старый человек, читающий газету или книгу без очков, держит ее в вытянутых руках. Такой недостаток глаза называют дальнозоркостью. У дальнозоркого глаза фокусное расстояние велико, и изображение предмета на сетчатке получается нечетким. Исправляют этот дефект очками с собирающими линзами, оптическая сила которых имеет знак -t- (рис. 61). В этом случае лучи, пройдя собирающую линзу, станут более сходящимися, и на сетчатке получится четкое изображение рассматриваемых предметов. Иногда дальнозоркостью страдают и молодые люди. Это происходит из-за неправильного роста глазного яблока. Детям для исправления дальнозоркости необходимо постоянно носить очки, которые должен подобрать врач. Проверьте себя 1. Нарисуйте в тетради схематическое устройство глаза. 2. Что такое близорукость и как ее можно исправить? 3. Что надо делать, если у вас обнаружилась близорукость? 4. В магазине «Оптика» имелись в продаже очки: +2 дптр, -0,25 дптр, -4 дптр, +1,5 дптр. Каковы фокусные расстояния линз этих очков? Какие это линзы? ЭТО ИНТЕРЕСНО ! Орел обладает самым острым зрением среди всех живых существ. Его глаза отличаются такой зоркостью, что позволяют видеть жертву на расстоянии до трех километров. § 10. О составе света Иногда перед дождем или после дождя можно увидеть как бы опирающуюся на поверхность Земли цветную дугу — радугу. Радужные края часто можно заметить на краях зеркал, а также предметов, рассматриваемых через призму. Как же объясняются эти красивые явления? 35 Рис. 62 Опыты Ньютона. В 1666 году английский физик Исаак Ньютон (1643—1727) поставил опыт, который состоял в следующем. Пучок солнечного света проходил в затемненную комнату через маленькое отверстие в ставне. На пути пучка помещалась треугольная стеклянная призма. Ньютон обнаружил, что пучок отклоняется к основанию призмы и при этом на противоположной стене образуется удлиненное изображение с радужным чередованием цветов (рис. 62). Наблюдаемая картина была названа спектром. В спектре И. Ньютон насчитал семь основных цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый. Закрыв отверстие красным стеклом, Ньютон наблюдал на стене только красное пятно, закрыв фиолетовым, — фиолетовое и т. д. Отсюда следовало, что не призма окрашивает белый свет, она лишь разлагает его на составные части. Вывод, к которому пришел Ньютон, был сформулирован им в трактате «Оптика» следующим образом: «Световые пучки, отличающиеся по цвету, отличаются по степени преломляемости». Таким образом, белый свет не является простым. Он имеет сложный состав и может быть разложен на составляющие цвета с помощью стеклянной призмы. Явление разложения белого света на цветные пучки называется дисперсией света. Поглощение света. Падая на какое-либо тело, свет не только отражается и преломляется, но еще и поглощается. Поглощение света неоднократно ощущал каждый из нас. Например, под действием солнечного света нагреваются земля, песок на берегу, тело человека, одежда. Свет, излучаемый лампой накаливания, нагревает абажур. Лучше всего поглощают свет тела с черной поверхностью, хуже — с белой. Цвет тел. Цвет тела связан со свойствами его поверхности отражать свет. Если тело поглощает весь или почти весь падающий на него свет (т. е. отражения нет), то тело кажется черным. Если тело хорошо отражает лучи всех цветов спектра, то оно будет казаться белым. Если тело поглощает весь падающий на него свет, кроме красного, который оно отражает, то тело кажется красным. Зеленое тело поглощает весь падающий на него свет, кроме зеленого, который отражает, и т. д. 36 Цвет прозрачных тел, например стекол, определяется только цветом пропускаемого света, который остается после поглощения части проходящего света. Проверьте себя 1. Расскажите об опыте Ньютона. 2. Начертите ход пучка белого света через треугольную призму. 3. Что такое дисперсия? 4. Почему трава зеленая? 5. Почему бумага белая? ЭТО ИНТЕРЕСНО ! Для запоминания последовательности основных цветов в спектре существует правило. Начальная буква каждого слова в фразе: «Каждый охотник желает знать, где сидит фазан» — или в рифмованной форме: Как однажды Жак звонарь Голубой стащил фонарь — совпадает с начальной буквой соответствующего цвета (К — красный, О — оранжевый, Ж — желтый, 3 — зеленый, Г — голубой, С — синий, Ф — фиолетовый). САМОЕ ВАЖНОЕ В ГЛАВЕ 1 1. В однородной среде свет распространяется прямолинейно. Скорость света в пустоте (вакууме) и в воздухе около 300 000 км/с. Скорость света в стекле, воде и других средах меньше скорости света в воздухе. Распространение светового пучка в среде не зависит от того, есть в ней другие источники света или нет. 2. Прямолинейностью распространения света объясняется образование теней и полутеней, солнечное и лунное затмения. 3. При переходе света из одной среды в другую на границе этих сред свет одновременно отражается и преломляется. При этом: а) падающий и отраженный лучи и перпендикуляр, восставленный в точке падения к границе раздела, лежат в одной плоскости; б) угол отражения равен углу падения; в) падающий и преломленный лучи и перпендикуляр, восставленный в точке падения к границе раздела, лежат в одной плоскости; г) если свет переходит из среды, в которой его скорость больше, в среду, в которой его скорость меньше, то угол преломления меньше угла падения. 4. Законы отражения света позволяют объяснить действие зеркал (плоского, выпуклого и вогнутого). 37 5. Явление преломления света лежит в основе действия линз (собирающих и рассеивающих). 6. При переходе через треугольную стеклянную призму пучка белого света происходит его разложение на основные цвета: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. 7. Цвет предмета определяется цветом света, отраженного поверхностью этого предмета. 8. Знание основных законов распространения света позволило создать много полезных оптических приборов и устройств (зеркала, очки, лупы, графопроекторы и фотоаппараты, концентраторы света и др.). 9. Близорукость и дальнозоркость — недостатки зрения. Близорукость исправляют ношением очков с рассеивающими линзами, а дальнозоркость — ношением очков с собирающими линзами. ГЛАВА Первоначальные сведения о звуке Мы живем в мире звуков. Этот мир необходим нам для нормального развития и существования. Звуки, которые вы слышите, сообщают о том, что происходит вокруг вас, даже если вы не видите источника звука. Например, вы слышите телефонный звонок, шум автомобилей или шум дождя. Раздел физики, изучающий свойства звука и звуковые явления, называется акустикой. Изучаемых акустикой явлений так много, что мы познакомимся лишь с небольшой их частью. § 11. Источники и приемники звука Источники звука. Нас окружает много предметов, способных издавать звуки. Среди них — музыкальные инструменты. Особенно красивые звуки издают натянутые струны скрипки. Чтобы выяснить, как рождается звук, возьмем натянутую струну и приведем ее в звучание. Поднесем к звучащей струне шарик для игры в настольный теннис, подвешенный на длинной нити. Мы заметим, что шарик, коснувшись струны, каждый раз отскакивает в сторону (рис. 63). Опыт свидетельствует о том, что звучащая струна колеблется, т. е. звук скрипки возникает при колебании ее струн. Колебание струны можно обнаружить и невооруженным глазом: звучащая струна при наблюдении кажется размытой. Повторим опыт. Но в качестве источника звука возьмем специальный прибор — камертон. Он представляет собой изогнутый металлический стержень на ножке. Ножка камертона обычно закрепляется на деревянном ящике (его роль мы выясним в дальнейшем). Ударим по одной ветви камертона резиновым молоточком и поднесем к звучащему камертону маленький шарик. Шарик, как и в опыте со струной, отскочит от ветви камертона (рис. 64). Следовательно, ветви звучащего камертона также колеблются. 39 Рис. 64 N\ \N U 0\ n tt n n n I Рис. 65 Зажмем упругую стальную пластину в тисках так, как показано на рисунке 65, а, и, отклонив ее верхний конец, отпустим его. Мы увидим, что пластина пришла в колебание, и одновременно услышим, что она звучит. Проведенные опыты показывают, что звучащие тела колеблются. Что такое колебание? Чтобы ответить на этот вопрос, проделаем опыт. Подвесим на длинной нити тяжелый шарик. Немного отведем шарик в сторону и отпустим его (рис. 66). Шарик вернется в первоначальное положение, где он был неподвижен (его называют положением равновесия), но не остановится, а продолжит движение, т. е. отклонится в противоположную сторону. Затем опять вернется в положение равновесия и, пройдя его, снова отклонится. Таким образом, шарик совершает колебательное движение. Колебательным называют такое движение, при котором тело поочередно отклоняется то в одну, то в другую сторону. Когда шарик при своем движении пройдет все возможные положения, т. е. отклонится в одну сторону, затем в другую и вернется в то место, откуда начал свое движение, говорят, что он совершил одно полное колебание. С помощью установки, показанной на рисунке 67, колебания конуса можно записать. Как видно из рисунка, к стержню на нитях подвешен конус. Он полый, имеет внизу отверстие. В конус насыпается песок, который тонкой струйкой может высыпаться. Если привести конус в колебание и одновременно перемещать под качающимся конусом лист бумаги в направлении, перпендикулярном направлению колебаний конуса, то высыпающийся песок образует на листе кривую линию, похожую на волну. Можно записать и колебания звучащего камертона. Для этого к одной из ветвей камертона 40 крепят острие. Если быстро провести им по закопченной стеклянной пластинке (рис. 68), то оставленный след будет похож на волну. Чем дальше был отклонен конус от своего положения равновесия, тем больше «размах» волновой линии. «Размах» колебаний, т. е. наибольшее отклонение колеблющегося тела от положения равновесия, называется амплитудой колебания. Время, за которое шарик совершает одно полное колебание, называется периодом колебания. Период колебания обозначают буквой Т и выражают его в секундах (сокращенно: с). Колебания характеризуются также частотой. Частота колебаний — это число колебаний в единицу времени. Обозначается частота греческой буквой v (ню). Если, например, период одного полного коле- 1 бания равен 0,1 с, то частота равна = 10-, 0,1с с т. е. тело совершает 10 колебаний в секунду. За единицу частоты принимают частоту колебаний, при которой за 1 с совершается одно полное колебание. Эта единица в честь немецкого физика Генриха Герца называется герцем (сокращенно: Гц). 1 Гц = 1-. с Широко применяются кратные единицы герца: килогерц (кГц), мегагерц (МГц). 1 кГц = 1000 Гц = 10» Гц; 1 МГц = 1 000 000 Гц = 10» Гц. Теперь, когда мы выяснили, что такое колебания, продолжим рассмотрение звуковых явлений. Из опытов (см. рис. 63—65, а) вы узнали, что звучащие тела колеблются. Но не все колеблющиеся тела являются источниками звука. Чтобы \'бедиться в этом, вернемся к опыту со стальной пластиной. Рис. 68 41 Увеличим длину выступающего конца пластины (см. рис. 65, б) и, отведя его в сторону, отпустим. Мы видим, что пластина колеблется, но звука мы не слышим, т. е. эти колебания не воспринимаются нашим ухом. Если мы опять укоротим выступающий конец пластины, то, приведя ее в колебание, услышим звук. Внимательно наблюдая за колеблющимся концом пластины в обоих опытах, можно заметить, что во втором случае колебания пластины участились, т. е. увеличилась частота колебаний. Наще ухо воспринимает в виде звука колебания, частота которых лежит в пределах от 16 до 20 000 Гц. Приемники звука. Ухо является естественным приемником звука. Однако созданы и искусственные приемники звука. Наиболее широко используются различные микрофоны. Микрофон — это прибор, преобразующий звуковые колебания в колебания электрического тока. Для наблюдения этих колебаний созданы специальные приборы — осциллографы. Если перед микрофоном, подключенным к осциллографу, поместить какой-либо источник звука, например звучащий камертон, то на экране появится кривая (рис. 69). Эта кривая называется осциллограммой. Звуковой генератор. В физических и технических лабораториях для получения звуковых колебаний нужной частоты применяют специальные приборы, которые называются звуковыми генераторами. С устройством этих приборов вы познакомитесь в старших классах, а пока рассмотрим, как они используются. На рисунке 70 показан школьный генератор звуковой частоты (так иногда называют звуковой генератор). К звуковому генератору подключим громкоговоритель. Включив гене- Рис. 69 Рис. 70 42 ратор, услышим звук, частоту которого можно менять от 16 до 20 000 Гц. Поставленный рядом с громкоговорителем микрофон, соединенный с осциллографом, позволит нам получить осциллограмму электрических колебаний, соответствующих звуковым. Если генератор вырабатывает сигнал строго постоянной частоты, то наблюдаемая осциллограмма будет похожа на волну с постоянной амплитудой и периодом, подобную той, что оставляет на бумаге песок, высыпающийся из отверстия в шарике (см. рис. 67). Чем ближе будет располагаться микрофон к громкоговорителю, тем больше будет амплитуда колебаний на осциллограмме, а чем больше частота генератора, тем большее количество волн мы увидим на экране. Проверьте себя 1. 2. 3. 4. 5. *6. Назовите наиболее характерное свойство всех источников звука. Приведите примеры источников звука. Приведите примеры приемников звука. Что означает утверждение: частота колебаний равна 330 Гц? 500 Гц? Можно ли кривую, которую мы получили на закопченной пластинке (см. рис. 68), назвать осциллограммой? Почему? К ветвям камертона прикрепили острые иглы. Приведя ветви камертона в колебания, провели остриями по закопченному стеклу (рис. 71). Рассмотрите внимательно след, оставленный остриями. Что вы можете сказать о колебаниях ветвей камертона на основании изучения следов, оставленных остриями? Рис. 71 § 12. Распространение звука Из предыдущего параграфа вы узнали, что слышимый человеком звук создается телами, колеблющимися с частотой от 16 до 20 000 Гц. Однако вы пока не знаете, как звук распространяется от источника до приемника. Для распространения звука нужна среда. Чтобы убедиться в этом, проделаем следующий опыт. Под стеклянный колпак поместим на поролоновой «подушке» громкоговоритель, соединенный со звуковым генератором и осциллографом. Включив звуковой генератор, мы услышим громкий звук, а на экране осциллографа увидим осциллограмму этого звука (рис. 72). 43 К' с /О <9 fa 9 N Соединим подставку, на которой стоит стеклянный колпак, с насосом и будем выкачивать из-под колпака воздух. Мы заметим, что звук, издаваемый громкоговорителем, становится все тише и тише. Наконец, наступит момент, когда мы перестанем слышать звук, хотя генератор работает и громкоговоритель исправен, о чем свидетельствует осциллограмма. Отключив насос и впустив под колпак воздух, мы вновь услышим звучание громкоговорителя. Опыт подтверждает, что для распространения звука нужен воздух. В безвоздушной среде звук не передается. В космосе царит абсолютная тишина, так как там нет воздуха, в котором распространялся бы звук. Космонавты, находящиеся в от-. крытом космосе, не слышат друг друга и для связи используют радиопередатчики и радиоприемники. Звук может распространяться не только в воздухе, но и в других средах, например в воде. Это вам, конечно, известно. Если вам приходилось во время купания нырять с головой, то вы знаете, что можно услышать звук от производимого в воде удара двух камней. Хорошо проводит звук земля. В приключенческих романах часто описывают, как герой, прикладывая ухо к земле, улавливает звук от топота копыт коня. Скорость распространения звука. В разных средах звук распространяется с разной скоростью. В таблице 2 приведены значения скорости звука в некоторых средах. Таблица 2 Скорость распространения звука в различных средах Рис. 72 Среда Скорость, м/с 1 Среда Скорость, м/с Воздух 340 Стекло 4500 Железо 1450 1 Алюминий 5000 Вода 1500 Обратите внимание, насколько быстрее распространяется звук в воде и стекле по сравнению с воздухом. Заметьте, что скорость звука в металлах 44 и воде в четыре и более раз больше, чем в воздухе. Если в вашем распоряжении оказался длинный отрезок трубы или вы находитесь на участке железнодорожного пути (когда поблизости нет поездов), вы можете сравнить скорость распространения звука в стали и в воздухе. Так, приложив ухо к стальному рельсу на расстоянии 30—40 м от вашего товарища, вы практически сразу сможете услышать его постукивание по рельсу. Но звук от его хлопка на том же расстоянии, переданный по воздуху, вы услышите с небольшим запозданием. Проверьте себя 1. Почему космонавты, находящиеся в открытом космосе, не слышат друг друга, хотя в их скафандрах есть воздух? 2. Почему в тумане гудки тепловозов или теплоходов слышны на более далеком расстоянии, чем в солнечную погоду? 3. Возьмите пластмассовую мыльницу и сделайте в ее основании и в крышке маленькие отверстия (их можно сделать иглой). Соедините их длинной и толстой нитью. Попросите товарища помочь вам. Натянув нить, произнесите тихо, но членораздельно несколько слов. Ваш товарищ услышит сказанное. Поменяйтесь ролями. Объясните проделанный опыт. § 13. Звуковые волны Мы уже знаем, что слышимые звуки создаются телами, колеблющимися с частотой от 16 до 20 000 Гц; что для распространения звука нужна среда; что скорость звука в разных средах разная. Но мы пока не выяснили, что такое звук. Чтобы ответить на этот вопрос, проделаем опыт, который на первый взгляд не имеет никакого отношения к звуку. Подвесим к длинному стержню много тяжелых шариков (чем больше, тем лучше). Шарики соединим между собой стальными пружинками из очень тонкой проволоки (рис. 73). Если отклонить левый крайний шарик в горизонтальном направлении, то связанная с ним пружинка растянется, заставив второй шарик отклониться в ту же сторону, куда был отклонен первый шарик. При этом растянется вторая пружинка, но немного сожмется первая. 45 Если первый шарик за- I-------L -U X. 1 J ставить совершать колеба- Разрежение Разрежение Разрежение Сгущение Сгущение тельное движение, ТО второй „ шарик также начнет коле- баться, но с некоторым запаздыванием. Поэтому он сместится от своего положения равновесия на меньшее расстояние, т. е. вторая пружинка будет растянута меньше, чем первая. Третий шарик сместится еще меньше, чем второй. Следя за отклонениями шариков и состояниями (сжатием и растяжением пружинок), мы увидим, что эти изменения состояний перемещаются вдоль цепочки шариков. В физике изменение состояния среды, распространяющееся с течением времени, называют волной. В нашем случае волна состоит из чередующихся сгущений и разрежений пружинок с шариками (рис. 74). Теперь, познакомившись с процессом возникновения волн, мы можем понять, что такое звук. Мы уже знаем, что источниками звука являются колеблющиеся тела. При звучании, например, камертона, происходит следующее: колеблющиеся ветви камертона заставляют колебаться ближайшие участки воздуха, создавая в нем области сжатия и разрежения. Чередование областей сжатия и разрежения распространяется в виде звуковой волны. Однако сам воздух не движется вместе с волной. Достигая нашего уха, волна заставляет колебаться барабанную перепонку, и мы слышим звук. Звуковые волны создаются в воздухе или другой материальной среде любым телом, способным совершать колебания со звуковой частотой (16—20 000 Гц). Физики проявили много изобретательности и научились фотографировать невидимые звуковые волны. Рисунок 75 сделан с фотографии звуковых волн, излучаемых телефонной трубкой (для наглядности часть волны внутри трубки перекрыта звуконепроницаемым сектором), а рисунок 76 — с фотографии звуковых волн, излучаемых громкоговорителем. Рис. 75 Рис. 76 46 Проверьте себя 1. Как звук передается от источника к приемнику? 2. Колебания каких частот способно воспринимать человеческое ухо? 3. Крылья капустницы колеблются с частотой 10 Гц, а бражника — с частотой 85 Гц. Колебания крыльев какой бабочки мы слышим? § 14. Характеристики звука Звук, создаваемый одним источником, отличается от звука, создаваемого другим. Например, каждая из струн гитары (или другого любого струнного инструмента) издает звук, отличающийся от звука, издаваемого другими струнами. Больше того, две, казалось бы, совсем одинаковые скрипки могут звучать по-разному. Звук скрипки нельзя спутать со звуком гобоя, звук барабана — со звуком тромбона. Одни и те же слова, произнесенные разными людьми, отличаются друг от друга. Все это делает необходимым ввести характеристики, с помощью которых можно было бы оценивать излучение и восприятие звука. Громкость звука. Мы уже выполняли опыты с камертоном. Повторим один из них. Ударим молоточком по ветви камертона с прикрепленным острием и проведем им по закопченному стеклу. Мы увидим след, который уже нам знаком (рис. 77, а). Ударив по ветви камертона сильнее, мы услышим более громкий звук, а острие на пластинке оставит след (рис. 77, б), отличающийся от первого большим «размахом», т. е. большей амплитудой колебаний. Если заставить камертон звучать долго (для этого надо сильно ударить по ветви камертона молоточком), то мы услышим громкий звук, который постепенно будет делаться все тише и тише. Проводя во время звучания камертона острием по закопченной пластинке, мы увидим, что размах колебаний с течением времени уменьшается (рис. 78). Этот опыт также подтверждает, что громкость звука зависит от амплитуды колебаний звучащего тела. Рис. 77 Рис. 78 47 Малая частота (низкий тон) Большая частота (высокий тон) Рис. 79 Высота тона. Вы хорошо знаете, что звук бывает высокий и низкий. Чтобы выяснить, с чем связано это качество звука, подключим к звуковому генератору громкоговоритель, а к осциллографу — микрофон (см. рис. 70). Включив приборы, услышим звук, издаваемый громкоговорителем, а на экране увидим осциллограмму принимаемого микрофоном звука (рис. 79, а). Изменяя ручкой звукового генератора частоту, услышим, что изменилась высота звука. А на экране увидим, что изменилась частота принимаемого микрофоном звука (рис. 79, б). Таким образом, опыт показывает, что звуку высокого тона соответствует большая частота колебаний. Частота колебаний в звуковой волне определяет высоту звука. На рисунке 80 показаны интервалы (диапазоны) частот звуков, которые способны издавать или воспринимать человек и некоторые представители животного мира. Частота звуковых колебаний, создаваемых музыкальными инструментами, может изменяться от 20 до 4000 Гц. На рисунке 81 показана клавиатура рояля и приведены значения частот, выраженные в герцах, звуков, воспроизводимых при нажатии каждой клавиши первой октавы. Тембр звука. Звуки одинаковой высоты и громкости, создаваемые разными музыкальными инструментами, звучат различно, одна и та же нота, взятая разными певцами, звучит по-разному. В мире создано много скрипок, и по своему звучанию все они отличаются друг от друга. Особенно красивые звуки издают скрипки итальянских мастеров А. Страдивари, Дж. Гварнери (XVII—XVIII вв.). Эти скрипки по красоте звучания не превзойдены до сих пор. Особое качество звука — его окраску, характерную для каждого голоса или музыкального инструмента, — называют тембром. Тембр связан со специфическими свойствами источников звука. Дело в том, что источники звука, в частности музыкальные инструменты, издают звуки не только одной (основной) частоты, но и более высоких частот (их называют гармониками или обертонами). 48 Наличие гармоник искажает форму кривой линии (осциллограммы), которую мы видели на экране осциллографа, когда записывали звучание камертона. В этом можно убедиться на опыте. Будем помещать перед микрофоном последовательно разные музыкальные инструменты (трубу, скрипку и т. д.). При этом на экране осциллографа мы увидим кривые, отличающиеся по форме друг от друга, т. е. характерные для каждого инструмента (рис. 82, а, б). Тембр звука определяется формой звуковых колебаний, которая в свою очередь зависит от гармоник (их частоты и амплитуды). Чем больше гармоник присутствует в звуке, тем богаче его окраска. Звук и здоровье. Человеческий организм не безразличен к звуку. Громкий звук, особенно при длительном воздействии, может нанести непоправимый вред здоровью. Можно, конечно, привыкнуть к громким звукам, к шуму, научиться не замечать грохота поездов, рева грузовиков, громкой музыки в соседней квартире. Но дело в том, что последствия шума постепенно накапливаются в организме. При длительном воздействии на организм громкого звука может возникнуть так называемая Шумовая болезнь, симптомами которой являются высокое артериальное давление крови, повышенная нервная возбудимость, тугоухость, быстрая утомляемость, плохой сон и т. д. ООО ООО ООО о о о ^ Гц Рис. 80 I Ш р (£)' со' см' Q 0> ’ СО' СМ ^ СО СО СО ^ ^ шш Рис. 81 49 с шумом борются административными мерами: в городах запрещено пользоваться автомобильными сигналами, отменены полеты самолетов над городами и т. д. Над проблемами снижения шума работают инженеры-акустики. При конструировании машин, например реактивных двигателей, они находят различные способы, чтобы уменьшить производимый ими шум. Здания также стремятся конструировать так, чтобы помешать прохождению шумов через металлические, бетонные и кирпичные конструкции. Проверьте себя 1. От чего зависит громкость звука? 2. От чего зависит высота тона? 3. На скрипке и на флейте воспроизводится одна и та же нота. Одинаковы ли частоты звуков, издаваемых этими инструментами? Чем отличаются эти звуки, если их громкость одинакова? Рис. 82 § 15. Зачем музыкальным инструментам корпус? На вопрос, поставленный в названии параграфа, можно услышать такой ответ: корпус музыкальных инструментов выполняет роль каркаса, что, конечно, справедливо, но это только одно из назначений корпуса. Если бы корпус музыкального инструмента служил лишь каркасом, то все струнные инструменты можно было бы собирать на досках или каких-то других приспособлениях. Но этого не делают. Почему? Все дело в том, что корпус не столько каркас, сколько неотъемлемая часть инструмента. Прежде всего корпус усиливает звучание инструмента. В этом можно убедиться на следующем опыте. Возьмем камертон и заставим его ветви колебаться. Камертон издает очень чистый, но тихий звук. Осциллограмма звука, издаваемая камертоном, имеет вид волновой линии (рис. 83, а). Поставим камертон перед микрофоном на стол. Звук камертона стал громче, но в то же время поте- 50 у рял чистоту. Его осциллограмма лишь отдаленно напоминает форму предыдущей (рис. 83, б). Продолжим опыт. Поставим звучащий камертон на крышку специального ящика с открытой боковой стенкой. Камертон издает громкий и чистый звук. Осциллограмма этого звука снова имеет вид волны с увеличенной амплитудой (рис. 83, в). В этом случае ящик, на крышку которого мы поставили камертон, и воздух в нем увеличили громкость звука, но не изменили его частоту. Это произошло потому, что сам ящик и воздух внутри него создают собственные колебания с частотой, равной частоте колебаний камертона. Но добиться этого равенства частот можно только при определенных размерах ящика. У музыкальных инструментов для усиления звука используются полые корпуса определенных размеров и формы. Их называют резонаторами. Резонаторы не только усиливают звук, но и обогащают его тембр, делая звучание каждого инструмента неповторимым. Резонаторами служат также трубы духовых инструментов, трубы органа. Человек имеет собственный резонатор — это полость рта, усиливающая издаваемые звуки. Проверьте себя 1. Для чего камертон укрепляют на деревянном ящике? 2. Какова роль корпуса у струнных музыкальных инструментов? 51 §16. Отражение звука Звук, как и свет, падая на границу двух сред, одновременно отражается и преломляется. Однако при этом имеется существенное отличие: границы воздух — вода и воздух — твердое тело практически непреодолимы для звука, созданного в любой из этих сред, и звук практически полностью отражается. Поэтому, например, мы, находясь на берегу водоема, не слышим звука, создаваемого в воде, а обитатели водоема не слышат звука, созданного в воздухе. Отражение звука. Звук, распространяясь в какой-либо среде, доходит до препятствия и почти полностью отражается. В этом можно убедиться на многих опытах. Подключим громкоговоритель к звуковому генератору, а микрофон — к осциллографу (см. рис. 70). Включив приборы, услышим, что громкоговоритель издает звуки, и увидим (по осциллограмме), что микрофон улавливает (принимает) звуковые волны. Измерим амплитуду колебаний на экране осциллографа. Повернем микрофон так, чтобы он был расположен параллельно громкоговорителю. Включив приборы, обнаружим, что громкоговоритель работает, но на экране сигнал осциллографа отсутствует, т. е. микрофон не воспринимает звуков, издаваемых громкоговорителем. Поставим под углом 45“ к горизонту деревянную (или любую другую) пластину. Мы увидим, что на экране появилась осциллограмма сигнала (рис. 84). Это означает, что произошло отражение звука от пластины. Измерим амплитуду осциллограммы звука, принятого микрофоном после отражения от пластины, и сравним ее с амплитудой в предыдущем опыте. Они примерно равны. Следовательно, звук отражается почти полностью. Закон отражения. Расположим громкоговоритель, микрофон и пластину так, как показано на рисунке 85. Назовем лучом линию, вдоль которой распространяется звук. Это направление перпендикулярно поверхности сгущений (разрежений) звуковой волны. Луч, идущий к пластине. Рис. 84 52 Рис. 85 называют лучом падения, а идущий от пластины — лучом отражения. Угол между лучом падения и перпендикуляром, восставленным к пластине в точке падения, называют углом падения (угол а на рис. 85), а угол между тем же перпендикуляром и отраженным лучом называют углом отражения (угол Y на рис. 85). При показанном на рисунке расположении громкоговорителя (т. е. данном угле падения) будем перемещать микрофон до тех пор, пока амплитуда принятого им сигнала не станет максимальной. По транспортиру, прикрепленному к пластине, и отвесу измерим угол падения звуковой волны и угол ее отражения. Они оказываются равными. Повторив опыт несколько раз с разными углами падения, обнаружим, что каждый раз угол отражения равен углу падения. Таким образом, отражение звука происходит по такому же закону, что и отражение света: угол отражения равен углу падения. Эхо. Отражением звука объясняется такое известное явление, как эхо. Эхо — это звуковые волны, отраженные от какого-либо препятствия (зданий, холмов, леса и т. п.) и возвратившиеся снова к источнику звука. Из рисунка 86 ясно, как возникает эхо. Звук, идущий от человека вниз, отразившись от почвы и стены дома, возвращается обратно к человеку, образуя эхо. Если звуковые волны, последовательно отразившиеся от нескольких препятствий, до слушателя доходят неодновременно, то возникает многократное эхо. Отражение звуковых волн от гладких поверхностей использовано в рупоре. Излучаемые человеком звуковые волны идут по всем направлениям. Рупор направляет звуковые волны только в одном направлении. Рис. 86 53 Проверьте себя 1. Какие явления свидетельствуют об отражении звуков? 2. Каково соотношение между: а) углом отражения и углом падения; б) амплитудой падаюш;ей и амплитудой отраженной звуковой волны? 3. Ныряльщик под водой стучит камнем по камню. Услышит ли его: а) второй ныряльщик; б) мальчик на берегу? 4. В одном из стихотворений Н. А. Некрасова есть такие строки: Никто его не видывал, А слышать — всякий слыхивал, Без тела, а живет оно. Без языка — кричит. Какое физическое явление здесь описывается? ЭТО ИНТЕРЕСНО ! В Олимпии (Греция) в храме Зевса сохранился до наших дней «Портик Зевса». В нем голос повторяется 5—7 раз. В Сибири на реке Лене севернее Киренска есть удивительное место. Рельеф скалистых берегов там таков, что эхо гудков идущих по реке теплоходов может повторяться до 10 и даже до 20 раз. § 17. Ультразвук В § 11 вы узнали, что источниками слышимого человеком звука являются тела, колеблющиеся с частотой от 16 до 20 000 Гц. Тела, колеблющиеся с частотой более 20 кГц, излучают неслышимый нами звук, называемый ультразвуком. Ультразвук не воспринимается человеческим ухом. Однако его способны излучать и воспринимать некоторые животные. Так, например, летучие мыши способны отыскивать свою добычу в полной темноте, летать ночью, не натыкаясь на препятствия (рис. 87). Ультразвуковые волны находят широкое применение в науке, технике, медицине. В судоходстве ультразвук применяется для поиска косяков рыб, для измерения глубины моря, а также для исследования океанского дна. Приборы для таких исследований называют эхолотами. С их помощью производится запись рельефа дна (рис. 88). Ультразвук может быть применен для обна-Рис. 87 ружения дефектов в металлических изделиях. 54 -Так, с помощью ультразвука производится про-зерка металлической обшивки самолетов. Изу-цая полученные записи в ультразвуковом приборе, инженеры определяют, есть ли в толще металла трещины или разломы. Врачи, обследуя больного с помощью прибора ультразвукового сканирования, могут выявить признаки болезни различных внутренних органов. Мощная ультразвуковая волна может дробить тела, помещенные в жидкость. С ее помощью можно дробить камни в желчном пузыре и почках. Ультразвук оказывает сильное биологическое воздействие. Микробы под его действием погибают. С помощью ультразвука можно стерилизовать молоко и другие продукты. Иногда ультразвук используется для ускорения прорастания семян, роста и созревания растений. Рис. 88 САМОЕ ВАЖНОЕ В ГЛАВЕ 2 1. Звук, который мы слышим, издается телами, совершающими колебания с частотой от 16 до 20 000 Гц. 2. Звук от источника звука распространяется в виде звуковых волн. 3. Необходимым условием распространения звука является наличие материальной среды. 4. Скорость распространения звуковых волн в различных средах разная. Скорость распространения звука в воздухе примерно 340 м/с, в воде — около 1500 м/с, в твердых телах — более 4000 м/с. 5. На границе раздела воздуха с водой или твердым телом звук может отражаться. Угол отражения звукового пучка равен углу его падения. 6. Основными характеристиками звука являются громкость, высота тона и тембр. Громкость звука зависит от амплитуды звуковых колебаний. Высота звука определяется частотой звуковых колебаний. Чем больше частота колебаний, тем выше звук. Тембр звука определяется формой звуковых колебаний. J'.- Mt ГЛАВА Первоначальные сведения о строении вещества Вы, наверное, не раз задумывались над вопросом; из чего состоит то или иное тело? Над этим вопросом люди думали еще в глубокой древности. Более 2000 лет назад древнегреческие ученые предположили, что все в мире состоит из очень маленьких частичек — атомов, т. е. имеет прерывистую (дискретную) структуру. Однако это было только предположение, догадка. Трудами многих ученых разных стран было доказано, что это предположение правильно. Большой вклад в обоснование дискретного строения вещества внес М. В. Ломоносов. § 18. Молекулы Химические элементы и химические соединения. В XVII веке ученые установили, что все вещества можно разделить на химические элементы и химические соединения. Химических элементов в природе сравнительно немного. Водород, кислород, углерод — это химические элементы. Вещества, которые являются химическими элементами, построены из атомов. Атом — мельчайшая частица вещества, наименьшая часть химического элемента. Из химических элементов могут образовываться всевозможные химические соединения. Например, из химических элементов кислорода и водорода образуется химическое соединение — вода. Мельчайшей частью химического соединения является молекула. Молекула состоит из двух или нескольких атомов. Вещество состоит из молекул. Существует много доказательств молекулярного строения вещества. Приведем сначала косвенные факты, которые нельзя объяснить, если не использовать представление о молекулах. Дробление веществ. В настоящее время с помощью дробления научились получать частицы вещества размером до одной десятитысячной миллиметра (например, крупинка магнитного порошка на магнитофонной ленте). 56 Испарение жидкостей (например, воды). Если бы не было молекул, жидкости бы не испарялись. Однако к косвенным фактам добавились прямые факты, которые свидетельствуют о существовании молекул. С помощью специальных устройств ученые смогли сфотографировать молекулы. На рисунке 89 показана фотография поверхности кремниевой пластины, где бугорки — это отдельные атомы кремния. Подобные фотографии получают с помощью специальных микроскопов. Между молекулами вещества есть «пустоты». Проделаем опыты, которые позволят понять физическую сущность явлений, с которыми вы познакомитесь чуть позже. Возьмем два одинаковых стакана. Первый наполним до краев мелкими камешками (например, речной галькой), а второй — песком (рис. 90). Высыплем содержимое обоих стаканов в большую банку и тщательно перемешаем, а затем смесь снова насыплем в стаканы. Мы увидим, что один стакан оказался заполненным доверху, а второй — нет (рис. 91). Это можно объяснить так: песок занял промежутки между камешками. Теперь нальем в два измерительных цилиндра (мензурки) спирт и воду по 50 мл в каждый (рис. 92, а). Затем содержимое одной из мензурок перельем в другую и, закрыв мензурку, энергичным встряхиванием перемешаем спирт и воду. У нас окажется, что объем смеси стал не 100, а примерно 95 мл (рис. 92, б). Результат опыта позволяет предположить, что между молекулами этих двух жидкостей есть промежутки, которые в результате перемешивания оказались заполненными. Рис. 89 Рис. 90 Рис. 91 Как можно определить размер молекул? Хотя молекулы нельзя увидеть невооруженным глазом, ученым все-таки удалось определить их 57 размеры. Прежде чем рассмотреть один из возможных способов определения размеров молекул, решим более простую задачу. Допустим, что нам надо узнать диаметр шариков, используемых в очень маленьких шариковых подшипниках. Сделать это можно следующим образом. Поместим шарики в измерительный цилиндр, например, до деления 10 см^ (рис. 93, а). Следовательно, все шарики имеют вместе объем, равный 10 см^. Высыплем шарики в прямоугольный лоток, постучим по дну лотка, чтобы все шарики расположились в один слой, и с помощью линейки выровняем границу шариков (рис. 93, б). Измерим стороны образовавшегося прямоугольника. Допустим, что они оказались равными 20 и 25 см. Определим площадь части лотка, занятой шариками: S = 20 см • 25 см = 500 см^. Объем, занимаемый шариками, равен произведению площади S на диаметр D одного шарика (это есть высота): F= SD. Отсюда диаметр шарика равен: 10 см' Рис. 92 В = 500 см^ = 0,02 см. Рис. 93 Аналогично можно определить и размер молекулы. Для этого надо взять какое-нибудь маслянистое вещество (например, капельку оливкового масла) небольшого объема и капнуть на поверхность воды. Капля начнет растекаться по поверхности, образуя пленку. По мере растекания масла толщина пленки уменьшается. Через некоторое время растекание прекратится. Можно предположить, что в этом случае молекулы расположились в один слой (рис. 94). Разде- 58 пив объем масла V на площадь S масляного пятна, мы определим (конечно, очень приближенно) «диаметр» молекулы. Оказалось, что капелька оливкового масла объемом приблизительно 1 мм® = 0,001 см®, растекаясь по поверхности воды, образует масляное пятно площадью около 100 000 см®. По этим данным получается, что «диаметр» молекулы 0,001 см® СО^'С^О. D \ i ;U ■' ‘ 1'- D = 100000 см' = 0,00000001 см = 10'* см. Размеры атомов и молекул, найденные другими методами, оказываются примерно такими же. Так, диаметр молекулы воды равен 0,00000003 см = 3-10 ® см. Рис. 94 Представить столь малые размеры поможет такое сравнение. Если, например, увеличить размеры всех тел во столько раз, чтобы молекула была видна (т. е. до 0,1 мм), то песчинка превратилась бы в стометровую скалу, муравей увеличился бы до размеров океанского корабля, человек обладал бы ростом 1700 км (половина длины Волги). При столь малых размерах молекул число их в любом теле очень велико. Например, в воздухе объемом 1 см® находится примерно 10 000 000 000 000 000 000 (10'®) молекул! Если в детском воздушном шаре сделать прокол настолько узкий, что через него каждую секунду будет выходить по 1 000 000 молекул, то понадобится примерно 30 миллиардов лет, чтобы все молекулы вышли. Проверьте себя 1. Приведите факты из повседневной жизни, свидетельствующие о существовании молекул. 2. Как можно доказать, что между молекулами есть промежутки? 3. Каков примерно размер молекул? *4. Сколько примерно молекул содержится в воде объемом 1 см®? § 19. Взаимодействие молекул Молекулы могут существенно отличаться друг от друга по своей форме и размерам. Одни молекулы по форме близки к шару, другие похожи на Диск. Третьи имеют форму палочки или длинной цепочки, каждое звено 59 Рис. 95 I I 6 Рис. 96 которой состоит из отдельных атомов. На рисун ке 95 приведена упрощенная геометрическау модель молекулы воды. Атомы водорода обозна чены буквой Н, а атом кислорода — буквой О Представление молекул в виде моделей-шарико! облегчит вам знакомство с миром молекулярных явлений. Многочисленные наблюдения говорят о том, что молекулы взаимодействуют друг с другом. Попробуйте сломать палку! А ведь она состоит из молекул, между которыми имеются промежутки. В то же время, как бы мы ни старались соединить два конца сломанной палки, у нас ничего не получится. Следовательно, молекулы притягиваются друг к другу, но это взаимодействие проявляется, когда молекулы находятся на малом расстоянии друг от друга. В наличии притяжения молекул можно убедиться на опыте. Возьмем два свинцовых цилиндра. Плотно прижмем цилиндры друг к другу свежими срезами и подвесим их к штативу. Аккуратно (без толчка) подвесим к нижнему цилиндру грузы (рис. 96, а). Если торцы цилиндров были хорошо зачищены, то к ним можно подвесить грузы в несколько килограммов, но разрыва цилиндров не произойдет. Притяжение между молекулами оказывается способным предотвратить разрыв. Теперь подвесим стеклянную пластину с крючком к пружине, укрепленной на штативе. Снизу к пластине поднесем сосуд с водой так, чтобы вода смачивала ее нижнюю поверхность. Будем медленно опускать сосуд, при этом мы увидим, что пластина держится на поверхности воды, а пружина сильно растянулась (рис. 96, б). Этот опыт говорит о проявлении притяжения между молекулами жидкости и твердого тела — стекла. Молекулы не только притягиваются друг к другу, но и отталкиваются друг от друга. 60 Взаимодействие двух молекул можно представить в виде следующей модели (рис. 97). Шарики изображают молекулы, а пружина позволяет имитировать их взаимодействия. На рисунке 97, о модель изображает молекулы, находящиеся в состоянии равновесия. В этом случае притяжение компенсируется отталкиванием. Растянутая пружина моделирует преобладание притяжения между молекулами над отталкиванием (рис. 97, б), а сжатая пружина — преобладание (рис. 97, в). Проверьте себя \^rhVWm^‘ Л) АДА. V \у б Рис. 97 отталкивания над притяжением 1. Почему свинцовые цилиндры в опыте, изображенном на рисунке 96, а, не разделяются? 2. Почему два куска мела не соединяются при сдавливании, а два куска пластилина соединяются? 3. Почему склеиваемые детали рекомендуется крепко прижимать друг к другу? § 20. Движение молекул Молекулы находятся в беспрерывном движении. Об этом свидетельствуют многие факты. Рассмотрим некоторые из них. Положим в стакан холодного чая кусок сахара. Сахар растает и образует густой сироп вблизи дна стакана. Если мы посмотрим на стакан через несколько часов, то сиропа на его дне не увидим. Он распространился по всему стакану (чай стал сладким). Это распространение сахара по объему стакана произошло самопроизвольно, так как мы чай не перемешивали. Точно так же распространяется по комнате запах (например, если открыть флакон с духами). Проделаем такой опыт (он требует длительного наблюдения). Нальем в стеклянный сосуд водный раствор медного купороса. Поверх осторожно нальем чистой воды так, чтобы была видна граница между раствором и водой (рис. 98, а). Через несколько дней мы увидим, что граница между водой и раствором расплылась (рис. 98, б), а еще через несколько дней исчезла (рис. 98, в). 61 1 4 я у Рассмотренные явления можно объяснить так. Молекулы находятся в непрерывном беспорядочном движении. Двигаясь по разным направлениям, молекулы одного вещества проникают в промежутки между молекулами другого вещества и заполняют их. Перемешивание двух разных веществ в результате хаотического (беспорядочного) движения их молекул называют диффузией. Наиболее быстро диффузия происходит в газах (именно поэтому так быстро распространяется запах в комнате). Медленнее всего диффузия происходит в твердых телах. В одном из опытов гладко отшлифованные пластины свинца и золота положили друг на друга и сжали грузом. Через пять лет золото и свинец проникли друг в друга всего на 1 мм. Если бы мы в опыте с раствором медного купороса взяли обе жидкости не при комнатной температуре, а при более высокой, то нам не пришлось бы ждать несколько дней, пока перемешаются жидкости. Но если диффузия происходит быстрее, значит, молекулы обеих жидкостей при более высокой температуре движутся с большей скоростью. Многие явления и процессы в природе, а также на производстве и в быту происходят в результате диффузии. Например, получение растворов, красителей, сплавов и т. д. Благодаря диффузии кислород из легких проникает в кровь, а из крови — в ткани организма. По запахам хищники находят свои жертвы. б Рис. 98 Проверьте себя 1. Какое явление называется диффузией? 2. В чем отличие диффузии в жидкостях от этого же явления в твердых телах? 3. Как влияет изменение температуры на протекание диффузии? Какой вывод отсюда следует? 4. Почему аромат цветов мы чувствуем на расстоянии? 5. На каком явлении основана засолка продуктов (огурцов, капусты, рыбы и др.)? 62 § 21. Броуновское движение К числу опытных доказательств того, что молекулы совершают беспорядочное движение, относится явление, которое первым наблюдал в 1827 году английский ботаник Роберт Броун (1773—1858), рассматривая в микроскоп споры растений, находящиеся в жидкости. Сейчас обычно используют частички краски, растворимой в воде, или туши. Наблюдая в микроскоп за их поведением, можно увидеть, что эти частички совершают хаотическое движение. Самым удивительным является то, что это движение никогда не прекращается. Такое движение спор и наблюдал Броун, поэтому движение очень мелких частиц, находящихся в жидкости, называют броуновским движением, а сами частицы — броуновскими частицами. Причиной броуновского движения являются движение молекул жидкости и их столкновения с броуновскими частицами. Так как молекулы движутся беспорядочно, то это приводит к тому, что в каждый момент времени число ударов отдельных молекул о частицу слева и справа, сверху и снизу оказывается случайным, не согласованным друг с другом. В результате броуновская частица испытывает в разные моменты времени разные толчки (рис. 99, а) и сама начинает двигаться хаотичным образом. На рисунке 99, б приведена схема движения броуновской частицы. Положения частицы определены через равные промежутки времени — 30 с — и соединены прямыми линиями. В действительности эта линия более сложная. Наблюдаемые в микроскоп броуновские частицы имеют диаметр примерно 10 *’ м, и каждая из частиц содержит более миллиарда молекул. Броуновское движение можно наблюдать и в газе. Его совершают, например, находящиеся в воздухе частицы пыли или дыма. Рис. 99 63 Проверьте себя 1. Можно ли предсказать положение броуновской частицы в любой момент времени ее движения? 2. В чем разница между диффузией и броуновским движением? 3. Римский философ и поэт Лукреций Кар в своей поэме «О природе вещей», созданной примерно в 50 году до н. э., писал: Кроме того, потому обратить тебе надо вниманье На суматоху в телах, мелькающих в солнечном свете. Что из нее познаешь ты материи также движенья. Происходящие в ней постоянно и скрытно от взора. Ибо увидишь ты там, как много пылинок меняют Путь свой от скрытых толчков и опять отлетают обратно. Всюду туда и сюда разбегаясь во всех направленьях. Какое явление объясняет Лукреций? *§ 22. Строение газообразных, жидких и твердых тел Вещество может находиться в твердом, жидком или газообразном состоянии. Например, лед, вода и водяной пар — три агрегатных состояния одного и того же вещества — воды. Значит, молекулы льда, воды и водяного пара не отличаются друг от друга. Следовательно, эти агрегатные состояния различаются не молекулами, а тем, как эти молекулы расположены, как движутся и как взаимодействуют. В газах молекулы находятся на столь больших расстояниях друг от друга, что практически не взаимодействуют. Поэтому молекулы движутся б Рис. 100 64 по прямым линиям, изменяя направление движения при столкновениях с другими молекулами. Модель движения частиц газа показана на рисунке 100, а. В жидкостях молекулы находятся друг от друга на расстояниях, сравнимых с их размерами. На таких расстояниях притяжение молекул друг к другу уже значительно. Поэтому каждая молекула, окруженная другими молекулами, может только колебаться, находясь почти на одном месте (рис. 100, б). Время от времени в результате особо сильных толчков со стороны соседних молекул она скачком переходит на другое место, т. е. меняет положение равновесия, и опять застревает в этом новом положении равновесия. Так молекулы перемещаются внутри жидкости. В расположении молекул жидкости наблюдается ближний порядок, т. е. упорядоченность в расположении частиц. По мере удаления от молекулы расположение других молекул по отношению к ней становится все менее упорядоченным. В твердых телах притяжение между молекулами еще сильнее, чем в жидкости. Поэтому молекулы колеблются около определенных, как бы закрепленных положений равновесия. При этом сами молекулы расположены упорядоченно (рис. 100, в). Такие твердые тела называют кристаллическими. В кристаллах наблюдается дальний порядок, т. е. упорядоченное расположение частиц по отношению к любой частице в пределах значительного объема. На рисунке 101 показано расположение молекул воды в трех разных состояниях: газообразном (рис. 101, а), жидком (рис. 101, 6) и твердом (рис. 101, в). Ч.0 О о г\ \J о о S ОО о' Of' о„о °о о "о ° о ОО - Оо о о о о о 0)0 о Q о ^ Q б Рис. 101 ъеъб>ъ&^ б оо оо 00 о оо 00 оо (силу изображают стрелкой). Направление стрелки показывает направление действия, а длина в определенном масштабе выражает числовое значение силы. Начало стрелки помещают в точку приложения силы. Обозначают силу буквой F (со стрелкой над буквой). 72 Рис. 108 Значит, на все падающие тела со стороны Земли действует сила, направленная одинаково — вертикально вниз. А на каждый из неподвижных предметов, находящихся на вашем столе, в частности на чайник, кроме силы притяжения Земли действует сила, возникшая вследствие деформации стола (или подставки). Она должна быть численно равна силе притяжения и направлена противоположно, т. е. вертикально вверх. Приложена эта сила к чайнику (рис. 108). Силы, которые возникают вследствие деформации тел, называют силами упругости. Многочисленные эксперименты показали, что между силой упругости и удлинением пружины имеется прямо пропорциональная зависимость. Как измерить силу? Когда мы измеряем массу какого-нибудь тела, мы ее сравниваем с массой известного тела (гирек). Значит, и в случае с силами мы можем поступить так же. Предварительно надо установить единицу си- '' " " 'х........ лы. Единицу силы выберем на основе явления притяжения тел к Земле. Силу, с которой тело массой 0,102 кг притягивается к Земле, назовем одним ньютоном (сокращенно: Н). С более строгим определением единицы силы вы познакомитесь при дальнейшем изучении физики. Эта единица названа в честь И. Ньютона. На практике применяются также килоньютоны (кН) и миллиньютоны (мН). 1 кН = 10'* Н; 1 мН = 10-® Н. Теперь нам нужен прибор для измерения силы. Такой прибор есть — это динамометр. Основной частью динамометра является пружина. Действие пружинного динамометра основано на уравновешивании измеряемой силы силой упругости пружины (рис. 109). Существуют различные конструкции динамометров. Силу тяги тракторов, тягачей, буксиров и т. д. измеряют с помощью тяговых динамометров (рис. 110). Прибор, изображенный на рисунке 111, служит для измерения мышечной силы руки. Рис. 109 73 Рис. 110 Чтобы вы лучше представляли себе, что такое сила 1 Н, приведем значения некоторых сил: сила удара футболиста по мячу — 7 кН; сила тяги трактора — 64 кН; сила тяги электровоза — 460 кН; сила тяги двигателей ракеты-носителя «Энергия» — 3,2’10‘ кН. Сила — величина векторная. В физике все величины делятся на две группы: на скалярные и на векторные. Для характеристики скалярных величин достаточно знать только их числовое значение (модуль). Примерами скалярных величин могут служить масса, плотность, объем, температура. Векторные величины характеризуются не только модулем, но и направлением. Мы выяснили, что для силы важно знать направление ее действия. Следовательно, сила — это векторная величина. Сила тяжести. Силу притяжения, которая действует на любое тело со стороны Земли, называют силой тяжести. Опытами установлено, что сила тяжести, действующая на тело, пропорциональна массе этого тела. Математически это записывается так: = gm. где — сила тяжести, действующая на тело; т — масса тела; g — коэффициент пропорциональности, значение которого мы пока не знаем. Вспомним, как была введена нами единица силы — ньютон (1 Н). Мы назвали ньютоном силу притяжения, которая действует на тело массой 0,102 кг. Следовательно, в формуле F^ = gm сила = 1 Н, а масса т = 0,102 кг. Тогда для коэффициента пропорциональности мы получим т откуда . = 9,8 И. 0,102 кг кг 74 Проверьте себя 1. Что является причиной падения тел на Землю? 2. Какую силу называют силой тяжести? 3. Почему возникает сила упругости? 4. Масса тела равна 5 кг. Какая сила тяжести действует на это тело? § 25. Давление Слово «давление» вам хорошо известно. Вы понимаете смысл следующих предложений: — Давление резко падает. Возможны осадки. — Защитники команды «Динамо» не выдержали давления нападающих «Спартака». — У больного внезапно повысилось давление. — «Наутилус» скользнул в бездонные глубины, несмотря на огромное давление внешней среды. — Это была женщина, — сказал комиссар Мэгре и добавил: — Только тонкий каблук женских туфель мог произвести такое большое давление. Во всех этих предложениях слово «давление» использовано в разных ситуациях и имеет разный смысл. Как уже было сказано в предыдущих параграфах, в физике ряду слов, используемых для описания физических явлений, придается совершенно определенное значение. Что в физике понимают под давлением? Мы знаем, что под действием силы тела деформируются, иногда даже разрушаются: острым ножом вы можете разрушить поверхность палки, которую обстругиваете. А теперь постарайтесь ответить на следующие вопросы: 1. Ученик стоял на снегу сначала на лыжах, а затем — без лыж. В каком случае снег под ним деформировался больше? 2. Трехлетний ребенок и его папа встали по очереди на одни и те же лыжи. В каком случае деформация снега была большей? 3. На лыжи встали папа и сын. У папы лыжи длиной 210 см, у сына — 70 см. Под кем из них снег деформируется сильнее? На первые два вопроса вы ответите без труда, в этом вам поможет жизненный опыт. Для ответа на третий вопрос ваших знаний окажется недостаточно. Проделаем опыт. Возьмем небольшую доску, в которую вбиты четыре гвоздя, и поместим ее остриями вверх на песок. Сверху на нее поставим гирю (рис. 112). Мы увидим, что шляпки гвоздей лишь незначительно вдавятся в песок. Если же мы перевернем доску и снова поставим ее 75 Рис. 112 (вместе с гирей) на песок, то теперь гвозди войдут в нее значительно глубже (рис. 113). Очевидно, результат оказался разным, так как площадь поверхности, на которую опирались гвозди, в одном случае была больше, а в другом — меньше. Сила же, с которой наш прибор действовал на песок, одна и та же. Если мы на ту же доску поставим еще одну гирю, то гвозди при той же площади опоры погрузятся глубже. Этот опыт говорит о том, что результат действия силы зависит от самой силы. Давление — такая физическая величина, которая должна учесть обе эти зависимости. Давлением называют физическую величину, равную отношению модуля силы, действующей перпендикулярно поверхности, к площади этой поверхности. Обозначим давление буквой р, площадь — S, модуль силы, действующей перпендикулярно поверхности, — F. Тогда можно записать Рис. 113 Давление — это скалярная величина. При одной и той же силе давление больше в том случае, когда площадь опоры меньше, и наоборот, чем больше площадь опоры, тем давление меньше. Если же площадь одна и та же, то давление находится в прямо пропорциональной зависимости от действующей силы. Теперь вы сможете ответить на третий вопрос, рассчитав давления, производимые папой и его сыном. Единица давления. За единицу давления принимают давление, создаваемое силой 1 Н, действующей на поверхность площадью 1 м^ перпендикулярно этой поверхности. В честь французского ученого Блеза Паскаля (1623—1662) эта единица давления называется паскалем (сокращенно: Па). 1 Па = 1 Н/м^. 1 Па — очень маленькое давление. Такое давление окажет на вашу 76 ладонь кусочек бумаги площадью 1 см^. Чтобы вы производили на снег давление около 1 Па, вам понадобятся «лыжи» площадью около 600 м^! На практике используются также другие единицы давления: гекто-п ас к ал ь (гПа), кил о паскаль (кПа), миллипаскаль (мПа) и др. 1 гПа = 10^ Па; 1 кПа = 10'* Па; 1 мПа = 10 ® Па. В таблице 5 приведены значенЦя давлений, создаваемых некоторыми телами. ^ Таблица 5 Давления, создаваемые некоторыми телами Тело Давление, Па Тело Давление, Па Жало пчелы 10» Колеса автомобиля 210“ Игла швейной машины 5-10» Снегоход «Буран» 310' Колеса вагона на рельсы 310» на дорогу Мальчик на лыжах 8-10» Мальчик на коньках 10« Учебник «Физика-7» 10^ Фундамент высотного 4-10^ Страница учебника 1 здания Как получить большие давления? Из формулы F видно, что для увеличения давления надо либо увеличить силу F, либо уменьшить площадь поверхности S, на которую производится давление, либо сделать и то и другое. Например, острие обычной иглы, предназначенной для шитья, имеет площадь S = 0,0000001 м^. Это позволяет даже при усилии в 10 Н производить давление ЮН Р = 0,0000001 = 100000000 Па! Каблучки туфель девушки создают давление на землю большее, чем ноги слона, хотя она действует с меньшей силой, чем слон. Лезвие режущих и острие колющих инструментов (ножей, пил, ножниц, кусачек и др.) остро оттачивают. Острое лезвие имеет маленькую площадь, поэтому даже при помощи малой силы создается большое давление и таким инструментом легко работать. Как можно уменьшить давление? Ответьте на этот вопрос самостоятельно. 77 Проверьте себя 1. Как можно увеличить или уменьшить давление? 2. 3. 4. 5. 6. 7. Почему острая кнопка легче входит в дерево, чем тупая? Зачем для проезда по болотистой местности делают настил из хвороста или досок? Сила, с которой гусеничный трактор действует на поверхность почвы, равна 60 000 Н; площадь опоры обеих гусениц 1,5 м^. Определите давление этого трактора на почву. Сила, с которой человек нажимает на лопату, равна 1000 Н. Какое давление оказывает лопата на почву, если ширина ее лезвия 20 см, а толщина режущего края 0,2 мм? Мальчик массой 45 кг стоит на лыжах. Длина каждой лыжи 1,6 м, ширина 6 см. Какое давление оказывает мальчик на снег? Сравните это давление с давлением, которое производит мальчик, стоящий без лыж. Определите давление, которое вы оказываете стоя и лежа. § 26. Работа Слово «работа» в повседневной жизни имеет много значений. Мы используем его: а) для обозначения профессии (Иван Иванович работает учителем); б) для обозначения характера деятельности (работа спасателя опасная); в) для характеристики состояния (телевизор работает); г) для оценки результатов труда (они выполнили большую работу); д) для характеристики сложности труда (нам поручили несложную работу) и т. п. Что такое работа в физике? Понятие «работа» в физике имеет определенный смысл. Механическая работа (или работа силы) совершается в том случае, когда происходит движение тела под действием силы. Примеров можно привести много: всякий раз, когда мы сами что-нибудь поднимаем, передвигаем, переносим, совершается механическая работа. Поезд движется под действием силы тяги электровоза, кран на стройке поднимает груз, пороховые газы заставляют двигаться по стволу вин-___________________^ товки пулю, — во всех случаях совершается механическая работа, так как к телам прикладываются силы, под действием которых происходит их движение. Если на тело сила действует, но тело не перемещается, то работа не совершается. Например, на книгу, Ffwsritr. ■.'МЛ'" Рис. 114 78 лежащую на столе, действует сила тяжести, но книга не перемещается под действием этой силы, значит, в данном случае работа силы тяжести равна нулю. От чего зависит работа силы? На этот вопрос каждый, кто совершал работу, ответит без труда: от силы и от расстояния, пройденного под действием этой силы. Характер зависимости очевиден: чем больше приложенная сила, тем больше и совершенная работа; чем на большее расстояние перемещают тело, тем большую работу должна совершить сила. Работой силы называют физическую величину, равную произведению модуля силы и расстояния, пройденного телом под действием силы (рис. 114). Работу обозначают буквой А. Тогда можно записать А = Fs, (1) где А — механическая работа; F — модуль силы; s — расстояние, на которое переместилось тело под действием этой силы. Работа — скалярная величина, т. е. характеризуется только числовым значением. Но вы уже знаете, что скалярные величины могут быть положительными, отрицательными или равными нулю. Вспомните: мы считали оптическую силу собирающей линзы положительной, так как фокус у нее действительный, а оптической силе рассеивающей линзы приписывали знак -, так как фокус у нее был мнимый. Работа тоже может быть положительной, отрицательной и равной нулю. Если направление движения тела совпадает с направлением приложенной силы, то эта сила совершает положительную работу, и ее вычисляют по формуле (1). Если направление движения противоположно направлению силы, то эта сила совершает отрицательную работу, и ее вычисляют по формуле А = -Fs. (2) Если сила перпендикулярна направлению движения тела, то эта сила никакой работы не совершает: А = 0. (3) Для пояснения рассмотрим такой пример. С балкона вы бросаете мяч вертикально вниз. На него действует сила тяжести, направленная также вертикально вниз. Работу силы тяжести в этом случае надо вычислять по формуле (1). Теперь вы бросаете мяч вверх. Какое-то время он движется вертикально вверх, но сила тяжести по-прежнему направлена вертикально вниз. В этом случае работу силы тяжести вычисляют по формуле (2). 79 Если вы покатите мяч по земле по прямой линии в горизонтальном направлении, то сила тяжести будет перпендикулярна направлению движения и работы не совершит: А = 0. Единица работы. За единицу работы принимают работу, которая совершается силой 1 Н при перемещении тела на 1 м по направлению действия силы. Эта единица работы называется джоулем (сокращенно: Дж) в честь английского ученого Джеймса Джоуля (1818—1889). 1 Дж = 1 Н-м. Применяются также более крупные единицы рабо- 5^ ты — килоджоуль (кДж) и мегаджоуль (МДж). ^___________ 1 кДж = 10'^ Дж; 1 МДж = 10® Дж. Рассмотрим пример. Гиря массой 2 кг упала с вы-X соты 2 м. Какая при этом совершена работа? * Силой, под действием которой гиря падала, явля- ется сила притяжения Земли (сила тяжести). Направление силы и направление движения гири одинаковы (рис. 115), следовательно, работу вычисляем по формуле А = F^s, где S = 2 м, а — сила тяжести, которую мы пока не знаем. Но сила тяжести и масса тела связаны соотношением F^ = gm, где g = 9,8 Н/кг. Тогда можно записать: Рис. 115 А = 9,8 — • 2 кг • 2 м = 39,2 Н м = 39,2 Дж. кг Проверьте себя 1. Какую физическую величину называют работой? 2. В каком случае работа положительна? Отрицательна? Равна нулю? Приведите примеры. 3. В каких единицах выражается работа? 4. Мальчик везет на санках груз и, прикладывая по направлению движения санок силу 20 Н, перевозит его по горизонтальной дороге на расстояние 500 м. Какая при этом совершается работа? 80 § 27. Мощность Пусть вам при строительстве дачного домика надо поднять 100 кирпичей на высоту 4 м. На это у вас уйдет не меньше часа. Если же вы примените подъемник с электродвигателем, то эта работа будет выполнена за несколько секунд. Другой пример. При перевозке пассажиров в автомобиле одной марки совершается работа 1000 Дж, а в автомобиле другой марки — 100 000 Дж. Можно ли ответить на вопрос: у какого из автомобилей двигатель лучше, производительнее? Мы можем ответить на этот вопрос правильно, если будем знать, за какое время совершена работа. Если первый автомобиль находился в пути 100 с, а второй — 1000 с, то в первом случае за 1 с совершается работа 10 Дж, а во втором — 100 Дж. Теперь мы можем сказать, что у второй машины более мощный двигатель, так как создаваемая им сила за 1 с совершает большую работу. Мощностью называют физическую величину, равную отношению работы к промежутку времени, за который эта работа совершена. Обозначим мощность буквой N. Тогда можно записать: N = А t ’ где N — мощность; А — совершенная работа; t — промежуток времени, за который эта работа совершена. Единицей мощности, как видно из формулы, является джоуль в секунду (Дж/с). Эта единица называется ваттом (сокращенно: Вт). 1 Вт = 1 Дж/с. Единица мощности названа ваттом в честь английского изобретателя Джеймса Уатта (1736—1819), создавшего первую паровую машину. В технике часто применяют более крупные единицы мощности — киловатт (кВт) и мегаватт (МВт). 1 кВт = 10» Вт; 1 МВт =10® Вт. Мощность является важной характеристикой любого двигателя. Мощности двигателей, созданных человеком, могут колебаться в очень широких пределах: от долей ватта (двигатель электрической бритвы) до сотен и тысяч мегаватт. В таблице 6 приведены значения мощности двигателей некоторых машин. 4. 7:д5 Шахмасв 7 кл. 81 Таблица 6 Мощности некоторых двигателей Машина Мощность двигателя, кВт Машина Мощность двигателя, МВт Мопед 0,9 Электровоз 4,2—11,4 Мотороллер 8,8—10,3 Вертолет М-26 7,35 Мотоцикл 8—26 Самолет АН-22 44 Трамвай 45 Ледокол «Сибирь» 55,2 Автомобиль «Волга» 72 Ракета-носитель Трактор 55—220 космического корабля Комбайн 74—118 «Восток» 15 000 Троллейбус 110—160 Ракета-носитель Тепловоз 2,2—4,4 «Энергия» 125 000 Проверьте себя 1. Что такое мощность? 2. Какие единицы мощности вы знаете? 3. Определите мощность двигателя, если в течение 1 ч совершается работа, равная 1,8‘10® Дж. *4. На токарном станке обрабатывается вал. Мощность, развиваемая двигателем станка, 3 кВт. Какая совершается при этом работа, если на обработку вала уходит 2 мин? ЭТО ИНТЕРЕСНО ! Средняя мощность, развиваемая сердцем человека, равна 2,2 Вт. При нормальных условиях работы человек развивает мощность 70—80 Вт. При отдельных движениях (прыжок с места, рывок при поднятии тяжелого груза) может развиться мощность до 3 кВт. § 28. Энергия Наряду с массой, силой, давлением, работой и мощностью, в физике и жизни исключительно важное значение имеет понятие энергии. Это слово часто употребляется в быту. Так, например, людей, которые могут быстро выполнять большую работу, называют энергичными, обладающими большой энергией. Однако физического смысла понятия энергии вы пока не знаете. 82 Что такое энергия? Чтобы ответить на этот вопрос, обратимся к простейшим примерам. Сжатая пружина (рис. 116, а, 117, а), распрямляясь, может поднять на высоту груз (рис. 116, 6) или заставить двигаться шар (рис. 117, б), при этом сила упругости совершает работу, так как под ее действием тело (груз или шар) перемещается. При падении тела также совершается работа. Чугунная «баба» копра, поднятая на некоторую высоту, падая сверху, забивает сваю (рис. 118). Здесь работа совершается против силы упругости (силы сопротивления), которая действует на сваю со стороны грунта. Вагон поднимается в гору, если он обладает некоторой скоростью. Пуля или снаряд могут подняться на значительную высоту, если они вылетают из дула с большой скоростью. Во всех этих случаях тело движется вверх, а при этом, как мы знаем, должна быть совершена работа против силы тяжести. Бумажный шарик, привязанный к тонкой резиновой нити (известная детская игрушка), может сильно растянуть нить, если шарику сообщить толчком большую скорость (рис. 119). При этом совершается работа против силы упругости растягивающейся резинки. Движущаяся вода приводит во вращение турбины гидроэлектростанции, движущийся воздух — ветер — приводит во вращение крылья ветряного двигателя (рис. 120). Здесь также совершается работа. Если тело или система тел могут совершить работу, то говорят, что они обладают энергией. Во всех перечисленных примерах энергией обладали поднятое над Землей тело, сжатая или растянутая пружина, движущийся снаряд и т. д. Чем большая работа совершается, тем большей энергией обладает тело. Энергию выражают в тех же единицах, что и работу, т. е. в джоулях. -L Рис.116 4» 83 с Рис.118 а- Рис. 119 Потенциальная энергия. Потенциальной энергией называют энергию, обусловленную взаимодействием тел или частей одного и того же тела. Так как тело, поднятое относительно поверхности Земли, взаимодействует с ней (притягивается), то оно обладает потенциальной энергией. Потенциальную энергию обозначают буквой Е^. Будем считать потенциальную энергию тела, лежащего на поверхности Земли, равной нулю, тогда потенциальная энергия тела, находящегося на некоторой высоте (рис. 121), определится работой, которую совершит сила тяжести при падении тела на Землю. А работа, как мы знаем, может быть определена по формуле A = Fh, где = gm — сила тяжести; h — высота, с которой упало тело. Значит, в этом случае и потенциальная энергия будет выражаться равенством = gmh. Если тело под действием силы тяжести падает из точки 1, расположенной на высоте Л, от поверхности Земли, в точку 2, расположенную на высоте Ag (рис. 122), то работа силы тяжести по-прежнему будет равна А = F h, где h = h^- F^ = gm. Тогда для работы можно записать: А = gm {h^ - = gmh - gmh^. или A = E - E , pi p2 где = gmh^ — потенциальная энергия, которой обладает тело в точке 1; Е^^ = gmh^ — потенциальная энергия тела в точке 2. Следовательно, ■ работа силы тяжести равна убыли потенциальной энергии тела. 84 Кинетическая энергия. Кинетической энергией называют энергию, обусловленную движением тела. Кинетическую энергию обозначают буквой Е^. Многочисленные наблюдения и опыты показывают, что кинетическая энергия зависит от скорости тела и его массы. Например, снаряд, двигаясь с большой скоростью и ударяясь о броню, способен ее разрушить, при этом совершается значительная работа. Если же бросить камень, то при его ударе о броню практически ничего не произойдет, т. е. совершенная работа ничтожно мала. То же относится и к массе тела. Пуля, движущаяся с той же скоростью, что и снаряд, вызовет меньшее повреждение брони, так как ее масса меньше. В общем случае тело обладает одновременно как кинетической, так и потенциальной энергией. Их сумму называют механической энергией тела. Рис. 121 Рис. 122 Превращения энергии. В рассмотренных нами примерах мы все время имели дело с преобразованиями энергии одного вида в другой. Так, при падении на сваю «бабы» копра (см. рис. 118) потенциальная энергия превращается в кинетическую, за счет чего и производится полезная работа по углублению сваи в грунт. Бросая камень вверх, мы сообщали ему кинетическую энергию. По мере подъема камня скорость его уменьшалась, т. е. уменьшалась кинетическая энергия, зато возрастала потенциальная. В верхней точке подъема камень на мгновение останавливался; его кинетическая энергия была полностью израсходована, а потенциальная приобретала максимальное значение. Энергия может передаваться от одного тела к другому. Так, например, при стрельбе из лука потенциальная энергия натянутой тетивы (рис. 123) переходит в кинетическую энергию летящей стрелы. Кроме механической энергии существуют другие виды энергии: электрическая, внутренняя, химическая, ядерная и др. Бытовые электрические приборы и машины, например телевизор, стиральная машина, потребляют электрическую энергию, поступающую к ним из электрической сети. Двигатели автомобилей, тепловозов, самолетов и 85 других тепловых машин используют энергию сгорающего топлива. Да и сами мы, чтобы жить и работать, возобновляем запас своей энергии при помощи пищи. Немеханические виды энергии также могут претерпевать превращения. В электрическом двигателе электрическая энергия преобразуется в механическую. В тепловых двигателях внутренняя энергия, освобождающаяся при сгорании топлива, преобразуется в механическую энергию. На гидроэлектростанциях потенциальная (механическая) энергия воды превращается в электрическую энергию. Рис. 123 Проверьте себя 1. Какую энергию называют потенциальной? 2. Какую энергию называют кинетической? 3. Приведите примеры превращения энергии. 4. Какая связь существует между работой силы и механической энергией? 5. На какую высоту нужно подбросить мяч массой 0,5 кг, чтобы он приобрел потенциальную энергию 25 Дж относительно поверхности Земли? ЭТО ИНТЕРЕСНО ! Съев кусок хлеба с маслом, вы приобретаете энергию, равную 315 кДж. Благодаря этой энергии вы сможете: — прыгать в течение 6 мин.; — ехать на велосипеде в течение 15 мин.; — быстро идти в течение 15 мин. САМОЕ ВАЖНОЕ В ГЛАВЕ 4 1. 2. Свойства тел и явления природы характеризуют с помощью физических величин: массы, силы, давления, работы, энергии и др. Масса количественно характеризует свойство тел притягиваться к Земле. Единицей массы является 1 кг — масса специально изготовленного образца (эталона). Масса — скалярная величина. Сила количественно характеризует взаимодействие тел. Единицей силы служит 1 Н. Сила — векторная величина. 86 4. Давление — это физическая величина, равная отношению модуля силы, действующей перпендикулярно поверхности, к площади этой поверхности. Единица давления — 1 Па. Давление — скалярная величина. 5. Работой силы называют физическую величину, равную произведению модуля силы и расстояния, пройденного телом по направлению действия силы. Единица работы — 1 Дж. Работа — скалярная величина. 6. Мощностью называют физическую величину, равную отношению работы к промежутку времени, за который эта работа совершена. Единица мощности — 1 Вт. Мощность — скалярная величина. 7. Энергия — физическая величина, которая количественно характеризует движение и взаимодействие тел или частей тела. Энергией обладают тела, способные совершить работу. Потенциальной энергией называют энергию, обусловленную взаимодействием тел или частей одного и того же тела. Потенциальной энергией обладают поднятые на некоторую высоту тела, а также деформированные тела. Кинетической энергией называют энергию, обусловленную движением тела. ГЛАВА Тепловые явления Без света мы не могли бы видеть окружающий нас мир, без звука — слышать, а без согревающих лучей Солнца ни мы сами, ни растения, ни животные не могли бы возникнуть и, конечно, существовать. Поэтому следующим этапом ознакомления с физическими явлениями будет рассмотрение тепловых явлений. § 29. Что такое тепловые явления в окружающем нас мире происходит много физических явлений, связанных с нагреванием и охлаждением тел. Когда лучи Солнца освещают нашу щеку, мы ощущаем тепло. Мы знаем, что если нагревать кусок льда, то он будет таять, превращаясь в воду. При нагревании холодная вода сначала становится теплой, а затем — горячей. Кипящая вода превращается в пар. Все эти явления называются тепловыми. Тепловые явления человек научился использовать еще с давних времен для обогрева своего жилища, приготовления пищи. При этом в качестве топлива использовались уголь, торф, дрова. Сегодня для этих целей используют нефть и газ. За счет энергии, выделяющейся при сгорании топлива на тепловых электростанциях, нагревается вода батарей отопления в наших квартирах. Тепловые явления могут вызываться электрическим током. С помощью электронагревательных приборов можно разогревать пищу или обогревать помещения (электроплита, электрокалорифер и др.). Механические взаимодействия тел также могут приводить к их нагреву. Например, если по шляпке гвоздя долго ударять молотком, забивая его в доску, то гвоздь нагревается. Первобытные люди трением добывали огонь (рис. 124). Можно поставить интересный опыт. На дно Рис. 124 прозрачного цилиндра (рис. 125) положим комо- 88 чек ваты, смоченный эфиром, а затем резко ладонью ударим по штоку поршня. Ватка вспыхнет. Возгорание ваты стало результатом нагревания воздуха при его сильном сжатии и воспламенения паров эфира. Тепловые явления сопровождают работу реакторов на атомных станциях, а также многие химические процессы. Например, при растворении серной кислоты в воде раствор нагревается. Проверьте себя 1. Приведите примеры тепловых явлений. 2. Была бы возможна жизнь на Земле, если бы не было Солнца? 3. Накачивая насосом велосипедную камеру, дотроньтесь пальцем до ниппеля. Что вы ощущаете? 11 Рис. 125 § 30. Тепловое расширение Тепловое расширение твердых тел. Простые опыты и наблюдения убеждают нас в том, что при нагревании размеры тел немного увеличиваются, а при охлаждении — уменьшаются. Например, металлический шарик в холодном состоянии свободно проходит через кольцо (рис. 126, а). Если же шарик нагреть, то он застрянет в кольце (рис. 126, б). После охлаждения шарик вновь проходит сквозь кольцо. Для изучения теплового расширения твердых тел соберем такую установку. На опоры А и В, закрепленные на подставке, положим железный стержень так, чтобы один конец его упирался в выступ на опоре А, а другой — в нижний конец стрелки (рис. 127, а). Подставив под стержень зажженную спиртовку, заметим, что стрелка отклоняется влево (рис. 127, б). Это происходит потому, что железный стержень от нагревания удлинился и его правый конец, касающийся Рис. 126 89 Рис. 127 Рис. 128 стрелки, отодвинул нижний конец стрелки вправо. Чтобы убедиться в правильности этого объяснения, уберем спиртовку. Через некоторое время стрелка возвращается в первоначальное положение. Это происходит, потому что стержень остыл. Продолжим опыт. Положим рядом с железным стержнем алюминиевый такой же длины и толщины. Вместо одной стрелки возьмем две — (рис. 128, а). Подставив под стержни одинаковые нагреватели, заметим, что стрелка, упирающаяся в алюминиевый стержень, отклонилась на больший угол, чем стрелка, касающаяся железного стержня (рис. 128, б). Это свидетельствует о том, что при одинаковом нагревании алюминиевый стержень удлиняется больше, чем железный. При тепловом расширении твердых тел возникают очень большие силы, способные разорвать стальные тросы и изогнуть стальные рельсы. Рис. 131 90 Поэтому при строительстве линий электропередач провода не натягивают (рис. 129). Это делается для того, чтобы они не порвались в зимние холода, когда их длина уменьшается. С этой же целью на трубопроводах делают специальные тепловые компенсаторы в виде изогнутых участков. Рельсы железнодорожных путей устанавливают так, чтобы между их концами существовал зазор, компенсирующий их тепловое расширение в летний период (рис. 130). Для того чтобы избежать разрушения мостов, их несущие детали (фермы) располагают на катках, которые могут двигаться при сезонных изменениях длины моста (рис. 131). Расширение жидкостей. Расширяются при нагревании не только твердые тела, но и жидкости. В этом можно убедиться на следующем опыте. Возьмем колбу, закрытую пробкой, в которую вставлена длинная тонкая трубка. В колбу налита вода так, что она заполняет частично и трубку. Колбу поместим в сосуд с водой, в которой плавают кусочки льда. Уровень воды в трубке при этом понизится. С помощью резинового кольца или нити отметим его положение (рис. 132, а). „ __ Рис. 132 га Рис. 133 Рис. 134 91 Перенесем колбу в сосуд с горячей водой. Мы увидим, что высота столбика воды в узкой трубке увеличилась (рис. 132, б). Видоизменим опыт. Возьмем три колбы, аналогичные использованной в предыдущем опыте. Наполним их разными жидкостями (вода, керосин, спирт) так, чтобы уровень жидкости во всех трубках был одинаковым (рис. 133). Нагревая воду в сосуде, в котором находятся колбы, заметим, что все три жидкости расширились, но по-разному: больше других расширился спирт, меньше — керосин и еще меньше — вода (рис. 134). Расширение газов. Возьмем пустой сосуд, закрытый пробкой, сквозь которую продета изогнутая цод прямым углом стеклянная трубка. В горизонтальной части трубки находится капля подкрашенной для лучшей видимости воды (рис. 135). Обхватив колбу руками, заметим, что капля воды стала двигаться вправо. Опыт свидетельствует о том, что воздух, находящийся в колбе, при нагревании расширяется. При нагревании расширяются все газы. Однако, в отличие от твердых тел и жидкостей, газы Рис. 135 при нагревании расширяются одинаково. Проверьте себя 1. Если пластину, склепанную (или сваренную) из железа и цинка, нагреть, то она изогнется (рис. 136). Объясните, почему это происходит. 2. Из полоски, сваренной из цинковой и железной лент, изготовили спираль, один конец которой закрепили (рис. 137). Что произойдет при нагревании спирали? 3. Чем отличается тепловое расширение газов от теплового расширения твердых тел и жидкостей? 4. Для чего сооружаются компенсаторы на трубопроводах? Рис. 136 Рис. 137 92 это ИНТЕРЕСНО ! Вот какое сообщение появилось в одной из парижских газет в декабре 1927 года: «Необычные для Франции морозы, стоящие в течение нескольких дней, послужили причиной серьезного повреждения моста через Сену, в самом центре Парижа. Железный остов моста от мороза сжался, от чего вздулись и затем рассыпались кубики на покрывающей его мостовой. Проезд по мосту временно закрыт». § 31. Температура Слово «температура» знакомо каждому с раннего детства и связано с ощущениями тепла и холода. Все знают, что зимой температура ниже, чем летом. Однако в один и тот же день воздух, например, в Ташкенте, жителю Якутии кажется более теплым, а жителю Кубы — более холодным, чем самому жителю Ташкента. Вспомните, когда вы в жаркий летний день медленно входили в воду озера или реки, вам было холодно, но, окунувшись, вы уже не чувствовали холода и вода казалась теплой. Эти примеры показывают, что наши ощущения теплого и холодного могут быть ошибочными. Они зависят от нашего состояния (т. е. от состояния ощущающего человека — субъекта). О таких ощущениях принято говорить, что они субъективны. Особенно это хорошо видно из следующего опыта. Поставим на стол три сосуда (рис. 138). В первый нальем холодную воду, во второй — воду при комнатной температуре, а в третий — горячую воду. Погрузим правую руку в холодную, а левую — в горячую воду и подержим там некоторое время. Затем обе руки опустим в воду при комнатной температуре. При этом правая рука почувствует, что вода горячая, а левая — что вода холодная. Словами «холодная» и «горячая» мы описываем тепловое состояние тел. Величиной, характеризующей тепловое состояние тела, является температура. Термометр. Так как температура — физическая величина, то ее можно измерить. Прибор, который для этого был создан уже давно, вам знаком, — это термометр. В простейшем случае термометр состоит из стеклянного баллончика, соединенного с тонкой (термометрической) трубкой (капилляром). Внутрь баллончика наливают жидкость (обычно ртуть или спирт). Уровень жидкости 1 2 Рис. 138 93 Рис. 13Э В термометрической трубке, когда баллончик термометра находится в воде с плавающим льдом, условились принимать за нулевой, а температуру тающего льда назвали нулем. Температуре кипящей воды приписали значение 100 (рис. 139). Расстояние между отметками 0 и 100 разделили на 100 равных частей. Одно деление назвали градусом. Эта стоградусная шкала температур, предложенная шведским ученым Андерсом Цельсием (1701—1744), была названа его именем. Поэтому температура выражается в единицах, называемых градусами Цельсия ("С). Медицинский термометр. Применяемый в медицине для измерения температуры тела человека термометр (рис. 140, а) отличается от описанного выше только тем, что около его баллончика термометрическая трубка имеет сужение (рис. 140, б). При измерении температуры тела ртуть в баллончике расширяется. Через сужение нагревшаяся ртуть поднимается по термометрической трубке. Обратно ртуть самостоятельно опуститься не может, так как сужение мало. Ртуть можно опустить в баллончик только энергичными встряхиваниями термометра. Шкала медицинского термометра имеет деления от 35 до 42 °С. Этот интервал температур выбран неслучайно: при температуре тела ниже 35 °С и выше 42 °С человек жить не может. Нормальная температура тела человека 36—37 °С (для большинства людей это 36,6 “С). Как надо измерять температуру. Для измерения температуры жидкостей используют термометры, не имеющие специальных сужений. Термометр надо опустить в жидкость, подождать, чтобы его собственная температура стала такой же, как и температура жидкости, и, не вынимая термометр из жидкости, произвести отсчет температуры по шкале термометра. 94 Для измерения температуры окружающего воздуха термометр обычно помещают в тени. Следует подождать, чтобы его температура стала такой 5ке, как и температура воздуха, и произвести отсчет. Значения некоторых температур, встречающиеся в природе и технике, приведены в таблице 7. Таблица 7 Температуры, встречающиеся в природе и технике, °С Наибольшая температура воздуха на Земле (Северная Африка) 58 Самая низкая температура на Земле (Антарктида) -88 Температура на поверхности Солнца 6000 Температура лавы, вытекающей из жерла вулкана 1100—1200 Средняя температура на Марсе -60 Средняя температура на Венере 470 Температура жидкого азота -200 Температура пара в современных мощных турбинах 565—580 Температура пламени спиртовки 1000 Температура обшивки фюзеляжа самолета при скорости полета 3200 км/ч 230—260 Температура детали при нагреве в закалочной печи 900—1000 В таблице 8 для сравнения приведены значения температур тела млекопитающих и птиц. Таблица 8 Температура тела млекопитающих и птиц Животное Температура, °С Животное Температура, °С Лошадь 38 Кролик 38,5—39 Корова 38,5—39,5 Собака 38—39 Теленок 39—40 Курица и индейка 41 Свинья 38,5—40 Утка и гусь 41,5 Овца 38—40 Голубь 41—42 Сравнивая значения температур, приведенные в таблице, можно видеть, что температура птиц на 1—2 °С выше, чем у других животных. В полете птицам холоднее, чем млекопитающим на земле, и поэтому природа обеспечила их перьевой защитой. 95 в настоящее время находят все более широкое распространение биметаллические термометры. Название этих термометров происходит от названия свернутой в спираль пластинки, сваренной из железной и цинковой лент. Приставка «би» означает два, поэтому биметаллическая пластинка — это пластинка, состоящая из двух металлов. На рисунках 141 и 142 показаны две наиболее часто встречающиеся конструкции биметаллических термометров. *Тепловое равновесие. Правило для измерения'температуры термометром мы сформулировали, учитывая важное свойство тепловых явлений. Если два тела привести в тепловой контакт друг с другом, и одно из них горячее, а другое — холодное, то первое тело будет остывать, а второе — нагреваться. Этот процесс будет происходить до тех пор, пока не наступит тепловое равновесие, т. е. температуры обоих тел не станут одинаковыми. Например, в сосуд, разделенный на две половины металлической стенкой (рис. 143, а), нальем кипяток (слева) и холодную воду (справа). Измерив температуру в обоих сосудах через некоторое время, мы увидим, что она одинаковая (рис. 143, б) и больше не изменяется. Таким образом, можно сказать, что температура — это физическая величина, которая характеризует состояние теплового равновесия системы тел: все тела системы, находящиеся друг с другом в тепловом равновесии, имеют одну и ту же температуру.* Рис. 142 Рис. 143 96 Проверьте себя 1. На каком физическом явлении основано действие термометра? 2. Каковы правила пользования термометром? 3. Почему в медицинском термометре ртуть не опускается в баллончик после того, как термометр перестал соприкасаться с телом человека? 4. Два исправных термометра для измерения температуры окружающего воздуха, установленные недалеко один от другого, в полдень показали 27 "С и 60 °С. Чем может быть вызвано такое различие в показаниях термометров? ЭТО ИНТЕРЕСНО ! Существуют природные термометры — цветы. Например, крокусы раскрываются при повышении температуры и закрываются, когда она понижается. Они улавливают изменение температуры даже на 0,5 “С. § 32. Особенности теплового расширения воды Вода занимает исключительное место в растительном и животном мире. Вода составляет основу жизни растений, животных, человека. Тело человека на 80% состоит из воды. Поэтому о свойствах воды следует знать каждому. В таблице 4 были приведены значения плотности воды и льда; плотность воды 1000 кг/м^, а льда — 900 кг/м®, т. е. меньше. Именно поэтому лед плавает на поверхности воды, а не тонет. Но это означает также, что вода определенной массы, когда она замерзнет, будет иметь больший объем. В этом можно убедиться на довольно простом опыте. Если в бутылку налить воду и выставить ее в морозный день на улицу, то через некоторое время бутылка разорвется. Это, очевидно, происходит потому, что при замерзании объем воды увеличивается и так как бутылка препятствует расширению образовавшегося льда, то он разрывает ее. Подобное явление происходит и в природе. Вода, замерзая, разрушает даже гранит. На рисунке 144 показано, как происходит разрушение берега реки замерзающей водой. Вы знаете, что все тела, независимо от агрегатного состояния, при нагревании расширяются, т. е. увеличивают свой объем, а плотность вещества при этом уменьшается. Вода же ведет Рис. 144 97 Лед Рис. 146 себя по-другому. При нагревании от О “С до 4 “С у воды объем не увеличивается, а уменьшается. Лишь с 4 "С объем воды начинает при нагревании возрастать, как и у других жидкостей. При 4 °С, таким образом, объем воды минимален, а плотность максимальна. На рисунке 145 процесс изменения объема V воды (масса равна 1 кг) от изменения температуры t представлен в виде графика. Особенности теплового расширения воды имеют важное значение для жизни разнообразных водорослей, рыб и других живых организмов в водоемах. Дело в том, что при охлаждении воды верхние слои, охладившись до 4 °С, становятся наиболее плотными, поэтому они опускаются вниз, вытесняя на поверхность нижележащие и еще не успевшие охладиться слои. Такое явление будет продолжаться до тех пор, пока вся вода не примет температуру 4 ”С. При дальнейшем охлаждении верхних слоев перемешивание воды прекратится и охлаждение воды сильно замедлится. Затем начнет образовываться ледяная корка. Так как объем получившегося льда больше (плотность меньше), чем объем бывшей воды, лед будет плавать и служить хорошей защитой от глубокого промерзания воды (рис. 146). Проверьте себя 1. Одинаковы ли плотности воды и льда? 2. При какой температуре вода имеет наибольшую плотность? 3. Почему не промерзают зимой озера? § 33. Внутренняя энергия Вы уже знаете, что существуют два вида механической энергии: кинетическая и потенциальная. Кинетической энергией тела обладают вследствие своего движения, потенциальной — вследствие своего взаимодействия с другими телами. Кинетическая и потенциальная энергия могут превращаться друг в друга. Примеры такого превращения мы рассматривали в § 28. 98 Чтобы понять и объяснить многочисленные тепловые явления — расширение тел при нагревании, изменение температуры тел, плавление, испарение и т. д. — знания механической энергии недостаточно. Здесь нам понадобится ввести еще одну энергию — так называемую внутреннюю энергию. Что такое внутренняя энергия? Вспомним, что все тела состоят из мельчайших частиц — атомов и молекул. Эти частицы находятся в непрерывном хаотическом движении, следовательно, обладают кинетической энергией Е^. Кроме того, молекулы взаимодействуют друг с другом, значит, подобно сжатой или растянутой пружине, обладают потенциальной энергией Е^. Сумму кинетических энергий всех частиц, из которых состоит тело, и потенциальных энергий взаимодействия этих частиц между собой называют внутренней энергией телаЧ Внутреннюю энергию обычно обозначают буквой U. Тогда можно записать: и = Е, + Е . к р От чего зависит внутренняя энергия тела? Так как кинетическая энергия зависит от скорости движения молекул, а эта скорость, в свою очередь, зависит от температуры (вспомните явление диффузии), то внутренняя энергия тела также зависит от его температуры. Вы уже знаете, что агрегатное состояние вещества определяется расположением молекул и силами взаимодействия между ними, поэтому внутренняя энергия должна зависеть от того, в каком агрегатном состоянии находится вещество. Проверьте себя 1. Что называют внутренней энергией тела? 2. Какое явление называют диффузией? 3. Как протекает диффузия при разных температурах вещества? 4. От чего зависит внутренняя энергия тела? § 34. Способы изменения внутренней энергии Мы выяснили, что внутренняя энергия тела зависит от его температуры. Поэтому, изменяя температуру тела, мы изменяем его внутреннюю энергию. При нагревании тела его внутренняя энергия увеличивается, при охлаждении — уменьшается. ‘ Во внутреннюю энергию входит еще энергия движения и взаимодействия частиц в атомах и молекулах. 99 Вспомним и повторим опыт, который вы уже видели. В толстостенный прозрачный цилиндр поместим небольшой кусочек ваты, смоченный эфиром. Вставим в цилиндр плотно входящий в него поршень (см. рис. 125), а затем резко ударим по штоку поршня. Ватка в цилиндре вспыхнет. Обдумаем результат опыта. Загорание ваты свидетельствует о том, что воздух в цилиндре нагрелся, следовательно, его внутренняя энергия увеличилась. Возникает вопрос: почему? По-видимому, потому, что сила, действие которой привело к сжатию воздуха, совершила работу. Проделаем еще один опыт. Возьмем оболочку от детского воздушного шара и приложим к щеке. Щека ощутит, что оболочка прохладная. Спустя несколько секунд резко растянем оболочку и, не давая сжаться, быстро прижмем ее к щеке, при этом мы обнаружим, что оболочка при растяжении нагрелась. Эти два опыта (как и многие другие) убеждают в том, что в тех случаях, когда внешние силы совершают работу над телом, его внутренняя энергия увеличивается. Если же работа совершается против внешней силы, то внутренняя энергия тела уменьшается и тело охлаждается. Пронаблюдаем это на опыте. В толстостенный стеклянный сосуд, закрытый пробкой, будем с помощью велосипедного насоса накачивать воздух (рис. 147, а). Через некоторое время пробка с шумом вылетит из сосуда (рис. 147, б). В момент вылета пробки в самом сосуде появляется туман. Появление тумана означает, что воздух в сосуде стал холоднее, и, следовательно, его внутренняя энергия уменьшилась. Подумаем над тем, что произошло. Чтобы пробка поднялась на некоторую высоту, ей в момент вылета должна быть сообщена скорость, т. е. она должна приобрести кинетическую энергию. Эту энергию ей мог передать только сжатый газ. Следовательно, в данном случае работа против силы тяжести, действующей на пробку, была совершена за счет внутренней энергии газа. Поэтому его температура понизилась. Внутреннюю энергию тела можно изменить и без совершения работы. Вернемся к опыту (см. рис. 143), результатом которого было выравнива- П и 100 ние температур. Одинаковость температур означает, что оба контактирующих тела обладают одинаковой внутренней энергией. Но в начале опыта она была разной. Что же происходит при контакте тел с разной температурой? Допустим, мы в горячий чай опустили холодную ложку. Сначала кинетическая энергия молекул горячей воды превышает кинетическую энергию частиц металла, из которого изготовлена ложка. Но в тех местах, где ложка соприкасается с водой, молекулы горячей воды начинают передавать часть своей кинетической энергии молекулам металла, и те начинают двигаться быстрее. Кинетическая энергия молекул воды при этом уменьшается, а кинетическая энергия частиц ложки — увеличивается. Вместе с кинетической энергией изменяется и внутренняя энергия, но это изменение происходит без совершения работы. Изменение внутренней энергии тела без совершения работы называется теплообменом. Теплообмен возникает между телами (или частями одного и того же тела), имеющими разную температуру. Часть внутренней энергии, переданной от одного тела к другому при теплообмене, называют количеством теплоты. Количество теплоты обозначают буквой Q. Единицей количества теплоты, как и энергии, служит джоуль. Итак, существуют два способа изменения внутренней энергии: совершение работы и теплообмен. Проверьте себя 1. Приведите примеры изменения внутренней энергии за счет совершения работы. 2. Приведите примеры совершения работы за счет изменения внутренней энергии. 3. Какое явление называется теплообменом? 4. Приведите примеры увеличения и уменьшения внутренней энергии тела в результате теплообмена. 5. Что такое количество теплоты? § 35. Виды теплообмена Как мы уже знаем, в процессе теплообмена количество теплоты может передаваться от более нагретого тела к менее нагретому. Например, от батареи водяного отопления (или от печки) нагревается воздух в квартире. Теплообмен имеет место и в природе. Например, теплое течение в океане (Гольфстрим) нагревает воздух у его поверхности. 101 w Рис. 148 ■ШШСс: ■‘гЛл* Познакомимся с основными видами теплообмена. Теплопроводность. Возьмем длинный стальной стержень и, зажав его в штативе, прикрепим к нему воском спички (рис. 148). Поднесем к одному концу стержня зажженную горелку. Через некоторое время мы заметим, что спички начинают падать, причем раньше падают спички, расположенные ближе к горелке. Это объясняется тем, что происходит непосредственная передача энергии от частиц (атомов) более нагретой части стержня, т. е. обладающих большей кинетической энергией, частицам его менее нагретой части, т. е. имеющим меньшую энергию. Это приводит к выравниванию температуры по всему стержню. Само же вещество от нагреваемого конца тела к другому его концу не перемещается. Такой вид теплообмена называется теплопровод нос тью^С помощью теплопроводности теплообмен происходит в твердых телах, в жидких и газообразных средах. ^ Наибольшей теплопроводностью обладают металлы, особенно медь. Поэтому из меди делают паяльники. Теплопроводность стали примерно в 10 раз меньше теплопроводности меди. Малой теплопроводностью обладают древеси-^ 7 иа и некоторые виды пластмасс. Это их свойство используется при изготовлении ручек для нагреваемых предметов, например чайников, кастрюль и сковородок. Плохой теплопроводностью обладают войлок, пористый кирпич, поэтому эти материалы, наряду с древесиной, широко используются в жилищном строительстве. Как вам ни покажется странным, но и снег, особенно рыхлый, обладает очень плохой теплопроводностью. Этим объясняется то, что сравнительно тонкий слой снега предохраняет озимые посевы от вымерзания. Из истории освоения Крайнего Севера вы знаете, что путешественники иногда строили временные жилища из снега (рис. 149). О плохой теплопроводности воды можно судить по опыту, изображенному на рисунке 150. В верхней части пробирки вода кипит, следовательно, ее температура 100 “С, а внизу / Рис. 149 Рис. 150 102 Рис. 151 пробирки удерживаемые пружиной кусочки льда не тают, следовательно, температура воды в нижней части О “С. Тонкий слой воздуха между оконными стеклами предохраняет наше жилище от холода так же хорошо, как и толстая кирпичная стена. Это говорит о том, что воздух также обладает плохой теплопроводностью. Конвекция. Теплопроводность жидкостей и газов очень мала, но и в газах, и в жидкостях существует теплообмен. Это происходит за счет перемешивания холодной и теплой частей жидкости или холодного и теплого воздуха. В результате перемещения частей жидкости, имеющих разную температуру, или теплого и холодного воздуха, их температуры выравниваются. Перенос энергии в жидкостях и газах потоками вещества называется конвекцией. Конвекцию в жидкости можно наблюдать в следующем опыте. В специально изогнутую стеклянную трубку (рис. 151) нальем воду и опустим несколько кристалликов перманганата калия (марганцовки), при этом вода около кристалликов окрасится. Нагревая нижнюю часть трубки, как показано на рисунке, замечаем, что окрашенная вода начинает двигаться по часовой стрелке. Через некоторое время вся вода в трубке окрасится в результате перемещения струй горячей (вверх) и холодной (вниз) воды. Конвекцию в газах можно наблюдать на установке, изображенной на рисунке 152. Поднесем к правой стеклянной трубке зажженную лучину. Пока свеча внутри ящика не зажжена, дым от лучины не попадает в ящик, а поднимается вверх. После того как свечу зажгли, дым от лучины начинает двигаться по стеклянной трубке вниз, попадает в ящик и по левой трубке поднимается вверх. Таким образом, воздух, нагретый свечой, поднимаясь вверх, передает энергию окружающему воздуху. < Движение теплого воздуха вверх, а следовательно, и конвекцию можно наблюдать, поставив Рис. 153 Рис. 152 103 Рис. 154 на работающую батарею водяного отопления вырезанную из бумаги спираль, надетую на длинную спицу (рис. 153). Теплый воздух, нагретый батареей, поднимаясь вверх, заставляет спираль вращаться. Конвекция учитывается при размещении отопительных приборов: батареи располагаются у пола. В этом случае в комнате устанавливается устойчивое конвекционное движение воздуха, показанное на рисунке 154 стрелками. На рисунке 155 схематично показано устройство водяного отопления в двухэтажном доме. Вода, нагреваемая в водяном котле, расположенном в подвале, поднимается по стояку, проходит через отопительные батареи и, передав часть энергии воздуху, по второму стояку попадает снова в котел. Лучистый теплообмен. Не задумывались ли вы над вопросом: как осуществляется теплообмен между Солнцем и Землей? Ведь в космическом пространстве нет ни твердых тел, ни жидкой или газообразной среды. Следовательно, космическое пространство не может передавать энергию от Солнца Земле ни путем теплопроводности, ни путем конвекции. Все дело в том, что теплообмен между Солнцем и Землей происходит с помощью излучения. Об излучении вы подробнее узнаете в старших классах, а пока на опытах познакомимся с основными свойствами этого явления. Поднесем к включенному в сеть электрическому утюгу прибор, который используется для наблюдения явления расширения воздуха (рис. 156). Через несколько секунд мы заметим, что капля жидкости в горизонтальной части трубки подвинулась вправо. Это говорит о том, что воздух в колбе расширился. Расширение воздуха, как известно, связано с его нагреванием. Рис. 155 104 Рис. 156 Рис. 157 Возможно ли нагревание колбы в обсуждаемом опыте путем теплопроводности или конвекции? Воздух между утюгом и колбой обладает малой теплопроводностью, поэтому нагревание вследствие теплопроводности произойти не может. Нагретый утюгом воздух поднимается вверх и таким образом возможность нагревания колбы путем конвекции также отпадает. Следовательно, перенос энергии от утюга к воздуху в колбе происходит посредством излучения. Видоизменим опыт. Поставим около утюга стеклянную колбу, поверхность которой зачернена (рис. 157). Заметим, что капля жидкости в горизонтальной трубке подвинулась вправо намного дальше, чем в первом опыте, т. е. воздух в темной колбе нагревается сильнее, чем в светлой. Опыт свидетельствует о том, что тела с темной поверхностью поглощают энергию, переносимую излучением, лучше, чем тела со светлой поверхностью. Возьмем большой сосуд, противоположные стороны которого окрашены одна в белый, а другая в черный цвет (рис. 158). В сосуде кипит 153 вода. Поднесем к сосуду две одинаковые колбы: одну со стороны зачерненной поверхности, другую — со стороны белой. Через некоторое время мы заметим, что воздух в колбе, расположенной против зачерненной части сосуда, нагревается сильнее, чем против белой. Таким образом, опыт свидетельствует, что нагретые тела с темной поверхностью излучают большую энергию, чем тела со светлой поверхностью, и поэтому быстрее остывают. Способность тел по-разному поглощать энергию излучения находит широкое применение в быту и технике. Например, летом мы надеваем светлую одежду — она меньше нагревается. Самолеты, скафандры космонавтов, предназначенные для выхода в открытый космос, окрашены в серебристый цвет. Если же нужно использовать энергию излучения, то поверхности, например, солнечных батарей окрашивают в темный цвет. Проверьте себя 1. Назовите материалы, обладающие хорошей и плохой теплопроводностью. 105 2. Почему жидкости и газы нагревают снизу? 3. Почему батареи отопления не располагают у потолка? 4. Что такое лучистый теплообмен? 5. Какие тела лучше, а какие хуже поглощают энергию излучения? 6. Иногда в северных районах весной до паводка лед на реках окрашивают с самолета в черный цвет. Для чего это делают? 7. Хорошо ли нагревается зеркало? § 36. Как рассчитать количество теплоты при теплообмене^ в § 34 мы выяснили, что внутреннюю энергию тела можно изменить без совершения работы — путем теплообмена. При теплообмене происходит переход внутренней энергии от одних тел к другим. Энергию, которую тело получает при теплообмене, мы назвали количеством теплоты. Чтобы научиться вычислять количество теплоты, выясним, от каких величин оно зависит. Сообщим телу, например воде, некоторое количество теплоты от горелки. Вода станет теплой. Для того чтобы вода стала горячее, ей следует передать большее количество теплоты. Следовательно, чем выше мы хотим сделать температуру тела, тем большее количество теплоты надо передать ему. Чтобы нагреть до такой же температуры сосуд, наполненный водой наполовину, как показывает опыт, надо затратить вдвое меньшее время, а значит, вдвое меньшее количество теплоты. Из подобных опытов установлено, что количество теплоты, необходимое для изменения температуры тела, пропорционально массе тела и изменению температуры: Q = cmit^ - t^). (1) где Q — количество теплоты, т — масса тела, — начальная температура тела, — его конечная температура, с — коэффициент пропорциональности, который зависит от рода вещества, из которого состоит тело. Будем на одинаковых горелках нагревать два сосуда, содержащих первый — воду, а второй — растительное масло такой же массы. Наблюдая за показаниями термометров, мы увидим, что масло нагревается быстрее. Чтобы нагреть воду и масло до одной и той же температуры, воду следует нагревать дольше, т. е. сообщить ей большее количество теплоты. Это и означает, что коэффициент пропорциональности в формуле (1) для воды и масла имеет разное значение. ‘ § 36—41 написаны В. А. Обмениной. 106 Из формулы (1) выразим с: с = Q (2) Физическую величину, равную отношению количества теплоты, сообщенного телу, к произведению массы тела на изменение его температуры, называют удельной теплоемкостью вещества. Формула (2) позволяет установить единицу удельной теплоемкости. Так как количество теплоты выражается в джоулях, масса — в килограммах, а температура — в градусах Цельсия, то удельная теплоемкость будет Дж выражаться в джоулях на килограмм-градус Цельсия ( )• В таблице 9 приведены значения удельных теплоемкостей некоторых веществ. Таблица 9 Удельная теплоемкость некоторых веществ Вещество с, Дж/(кг-“С) Вещество с, Дж/(кг-°С) Вещество с, Дж/(кг °С) Золото 130 Сталь 500 Лед 2100 Ртуть 140 Чугун 540 Керосин 2100 Свинец 140 j Графит 750 Эфир 2350 Олово 230 Стекло Древесина Серебро 250 лабораторное 840 (дуб) 2400 Медь 400 Кирпич 880 Спирт 2500 Цинк 400 Алюминий 920 Вода 4200 Латунь 400 Масло Железо 460 подсолнечное 1700 Вода имеет очень большую удельную теплоемкость. Поэтому вода в морях и океанах, нагреваясь медленно, поглощает значительное количество теплоты. Благодаря этому в тех местах, которые расположены близко от больших водоемов, летом не бывает так жарко, как в местах, удаленных от воды. Зимой вода, медленно остывая, отдает большое количество теплоты, поэтому зима в этих местах менее суровая. Именно благодаря большой удельной теплоемкости вода широко используется в системе водяного отопления (ею наполняют радиаторы), в быту и медицине, например в грелках. 107 Итак, для расчета количества теплоты нужно знать удельную теплоемкость вещества, из которого изготовлено тело, массу этого тела и разность между его конечной и начальной температурами: Q = entity - i,). Пусть, например, нужно определить, какое количество теплоты потребуется для нагревания кирпичной печи массой 1,5 т от 10 до 20 °С. Из таблицы 9 находим, что удельная теплоемкость кирпича с = 880 Дж/(кг-"С). Подставив числовые данные в формулу для Q, найдем: Q = 880 Дж кг - “С 1500 кг • 10 ”С = 13 200 000 Дж. Точно такое же (по модулю) количество теплоты выделится при остывании печи от 20 до 10 °С. Формулу для вычисления Q можно использовать при условии, что в процессе теплообмена агрегатное состояние вещества не изменяется. Проверьте себя 1. Что такое удельная теплоемкость вещества? 2. Удельная теплоемкость железа равна 460 Дж/(кг-°С). Что это означает? 3. В городских парках устанавливают фонтаны. Почему жарким днем вблизи фонтана ощущается прохлада? 4. В холодную воду бросили медный и железный шары равной массы, нагретые до одинаковой температуры. Какой шар остынет быстрее? Почему? 5. Какое количество теплоты выделится при охлаждении стальной болванки массой 200 кг от 800 до 15 "С? 6. В медной кастрюле массой 1,6 кг находится вода массой 2,3 кг. Какое количество теплоты потребуется для нагревания кастрюли с водой от 10 до 100 “С? § 37. Уравнение теплового баланса Вспомним опыт, который мы проводили при изучении понятия температуры (см. рис. 143). Когда два тела, одно из которых горячее, а другое — холодное, приводят в тепловой контакт друг с другом (при этом внешние воздействия отсутствуют), то в такой теплоизолированной системе происходит следующее. Горячее тело остывает, следовательно, его внутренняя энергия уменьшается. Холодное тело нагревается — его внутренняя энергия увеличивается. Эти процессы продолжаются до тех пор, пока 108 не наступит тепловое равновесие, т. е. температуры обоих тел не станут одинаковыми. Мы знаем, что изменение внутренней энергии при теплообмене равно количеству теплоты. Поэтому можно сказать, что при остывании первое тело отдает количество теплоты Qj, а второе тело получает количество теплоты Q^. Так как тела, участвующие в теплообмене, образуют изолированную систему, то количество теплоты, отданное более горячим телом, должно быть равно по модулю количеству теплоты, полученному менее горячим телом: Q = Q ^ПОЛ ' ^отд ‘ Это уравнение называют уравнением теплового баланса. Убедиться в справедливости уравнения теплового баланса можно опытным путем. Смешаем в теплоизолированном сосуде (например, в термосе) воду массой = 100 г, имеющую температуру = 80 “С, с водой массой = 100 г, имеющей температуру = 20 "С. Измерив температуру полученной смеси через некоторое время, мы увидим, что она оказалась равной t = 50 “С. Вычислим количество теплоты, отданное при остывании горячей водой, и сравним его с количеством теплоты, полученным холодной водой. При остывании от 80 до 50 ”С горячая вода отдает количество теплоты, которое можно определить по формуле Q = cm, (t - t,). Подставив числовые данные, получим Дж Q = 4200 — ^отд кг ^ • 0,1 кг • (50 - 80) “С = -12 600 Дж. Холодная вода, которую влили в горячую воду, нагреваясь от 20 до 50 “С, получает количество теплоты, равное <5пол = ^^2 - h)- Вычислим это количество теплоты: Q = 4200 —^ • 0,1 кг • (50 - 20) “С = 12 600 Дж. ПОЛ кг ч/ Мы видим, что, действительно, количество теплоты, отданное при теплообмене горячей водой, равно по модулю количеству теплоты, полученному при этом холодной водой. 109 проверьте себя 1. Почему при тепловом контакте двух тел, имеющих разную температуру, наступает тепловое равновесие? 2. Что можно сказать о внутренней энергии каждого из тел, участвующих в теплообмене, после наступления теплового равновесия? 3. В каком случае справедливо уравнение теплового баланса? 4. Почему в уравнении теплового баланса количество теплоты, отданное телом, берется по модулю? 5. Сколько нужно влить холодной воды при температуре 10 °С в кипяток массой 70 кг для получения смеси с температурой 45 "С? 6. В фарфоровую чашку массой 100 г при температуре 20 °С влили кипяток массой 200 г. Окончательная температура оказалась 93 “С. Определите удельную теплоемкость фарфора. § 38. Плавление и отвердевание Температура плавления. Переход вещества из твердого (кристаллического) состояния в жидкое называется плавлением, обратный процесс называется кристаллизацией или отвердеванием. Плавление кристаллического тела — сложный процесс. Изучим его с помощью опыта. Наполним колбу мелкими кусочками льда при температуре -15 °С. Вставим в нее термометр и, закрыв пробкой, начнем нагревать. Мы увидим, что температура льда повышается. Это понятно, так как возрастает средняя кинетическая энергия частиц вещества — льда. Когда температура достигает значения, равного 0 °С, лед начинает плавиться. И хотя энергия продолжает поступать благодаря контакту с горелкой, температура остается постоянной до тех пор, пока весь лед не растает. Как это объяснить? Очевидно, энергия, которую получает лед после того, как он нагрелся до 0 “С, расходуется на разрушение кристалла. Силы притяжения между частицами уже не могут удержать их в прежних положениях. Дальний порядок между частицами превращается в ближний. Вещество переходит в жидкое состояние. Температуру, при которой вещество плавится, называют температурой плавления. Как показал наш опыт, температура плавления льда имеет вполне определенное значение и в процессе плавления не изменяется. Продолжим наблюдения. Когда в колбе останется одна вода, термометр покажет, что температура вновь стала повышаться. Энергия, которую получает вода от нагревателя, идет теперь на увеличение средней кинетической энергии молекул воды. 110 Если построить график зависимости температуры вещества в колбе от времени, то получится линия, изображенная на рисунке 159. Проанализируем этот график. Участок АВ графика описывает нагревание льда от температуры -15 “С до температуры плавления (О °С). Участок ВС характеризует процесс плавления — определенное количество теплоты поглощается, но температура остается постоянной. Участок CD описывает нагревание воды. Температуры плавления различных кристаллических тел различны. Значения температур плавления некоторых веществ при нормальном атмосферном давлении приведены в таблице 10. Таблица 10 Температура плавления некоторых веществ Вещество ‘п.,- “С Вещество 1 ‘„л-“С Водород -259 Цинк 420 Спирт -114 Серебро 962 Лед 0 Золото 1064 Цезий 29 Медь 1085 Калий 63 Сталь 1300—1500 Натрий 98 Осмий 3045 Олово 232 Вольфрам 3400 Опыты показывают, что вещества отвердевают при той же температуре, при которой плавятся. Процесс кристаллизации сопровождается выделением такого же количества теплоты, которое поглощается при плавлении. Обратимся к таблице. Из нее видно, что одни вещества (например, водород, спирт) плавятся (и отвердевают) при очень низких температурах, другие (например, осмий и вольфрам) — при очень высоких. Тугоплавкие металлы (имеющие температуру плавления выше 1650 °С) и их соединения используют в качестве жаропрочных материалов в самолетостроении, ракетной и космической технике, атомной энергетике и т. д. Удельная теплота плавления. Изучая на опыте плавление различных веществ одной и той же массы, можно заметить, что для превращения их в жидкость требуется разное количество теплоты. Например, для того чтобы 111 расплавить 1 кг льда, нужно затратить 340 кДж энергии, а для того чтобы расплавить 1 кг свинца, — 25 кДж. Физическую величину, равную отношению количества теплоты, необходимого для превращения кристаллического тела при температуре плавления в жидкость, к массе этого тела, называют удельной теплотой плавления: X = Q т где X (греческая буква лямбда) — удельная теплота плавления, Q — количество теплоты, т — масса твердого тела. Из формулы видно, что единицей удельной теплоты плавления является джоуль на килограмм (Дж/кг). Зная удельную теплоту плавления вещества X, можно подсчитать количество теплоты, необходимое для плавления тела массой т при температуре плавления: Q = Хт. В таблице 11 приведены значения удельной теплоты плавления некоторых веществ при температуре плавления и нормальном атмосферном давлении. Таблица II Удельная теплота плавления некоторых веществ Вещество X, Дж/кг Вещество X, Дж/кг Алюминий 3,9-10^ Сталь 8,410'' Лед 3,410“ Золото 6,7-10' Железо 2,710“ Олово 5,9-10' Медь 2,1 10“ Свинец 2,510' Парафин 1,510“ Нафталин 1,9-10' Проверьте себя 1. Какой процесс называют плавлением? 2. На что расходуется энергия нагревателя, поглощаемая веществом при плавлении? Почему температура вещества при этом не изменяется? 3. Можно ли расплавить кусок олова в стальной ложке? А стальной шарик в оловянной ложке? 4. Какую величину называют удельной теплотой плавления? 112 5. Что означает утверждение: «Удельная теплота плавления парафина равна 150 кДж/кг»? *6. Какое тело обладает большей внутренней энергией: кусок льда при температуре о “С или получившаяся из этого куска вода, имеющая температуру 0”С? § 39. Испарение и конденсация Переход вещества из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием. Существуют два вида парообразования: испарение и кипение. Испарение — это парообразование, происходящее со свободной поверхности жидкости. Из повседневного опыта известно, что жидкости, например вода, спирт, бензин и другие, находясь в открытых сосудах, улетучиваются — испаряются. Как объяснить это явление? Мы знаем, что молекулы любой жидкости находятся в непрерывном и беспорядочном движении. Температура жидкости связана со средней кинетической энергией движения ее частиц. Однако отдельные молекулы жидкости могут иметь такую кинетическую энергию, что окажутся способными преодолеть силы межмолекулярного притяжения и покинуть жидкость. Вылетая наружу, эти молекулы образуют над жидкостью пар. Образование пара и есть испарение. При испарении жидкость покидают наиболее быстрые молекулы. Средняя кинетическая энергия оставшихся молекул уменьшается, а жидкость охлаждается. Охлаждение жидкости при испарении можно наблюдать в таком опыте. Капнем на руку немного эфира или спирта — мы сразу ощутим холод. Испаряясь с поверхности руки, жидкость охлаждается и отбирает при этом от руки некоторое количество теплоты. Опытное изучение процесса испарения позволило установить, что скорость испарения увеличивается при повышении температуры жидкости, а также при увеличении площади ее свободной поверхности и при наличии ветра. Одновременно с переходом молекул из жидкости в пар происходит и обратный процесс. Беспорядочно двигаясь над поверхностью жидкости, часть молекул снова возвращается в нее. Переход вещества из газообразного состояния в жидкое называют конденсацией. В закрытых сосудах при постоянной температуре со временем наступает состояние, когда число молекул, покидающих жидкость, становится 5. 72.Я5 Шахмаев 7 к.1. 113 равным числу молекул, возвращающихся в нее. Такое состояние называют динамическим равновесием между жидкостью и паром, а пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называют насыщенным паром. Конденсация может происходить и тогда, когда пар не соприкасается с жидкостью. Именно конденсацией, например, объясняется образование облаков: молекулы водяного пара, поднимаясь над поверхностью Земли, в более холодных слоях атмосферы группируются в мельчайшие капельки воды, скопления которых и представляют собой облака. Переход вещества из жидкого состояния в газообразное широко используется в технике. Например, на электростанциях пар, полученный из воды, приводит в действие паровые турбины. Испарение применяется при очистке веществ. Оно является основой работы холодильных установок, а также всех процессов сушки материалов. Спускаемый аппарат космического корабля покрывают специальным быстро испаряющимся веществом, чтобы устранить его перегрев от трения при прохождении через атмосферу. Проверьте себя 1. Что такое испарение? При какой температуре оно может происходить? 2. Почему при испарении температура жидкости понижается? 3. Почему при наличии ветра жидкость испаряется быстрее? 4. Что такое конденсация? 5. На чашки рычажных весов поставили и уравновесили стакан с холодной водой и стакан с горячим чаем. Почему равновесие быстро нарушается? ЭТО ИНТЕРЕСНО ! Русский писатель и этнограф В. И. Даль в созданном им «Толковом словаре живого великорусского языка» дает краткое и в то же время достаточно точное определение облака: «Облако — туман в высоте». А английский поэт П. Шелли посвятил облаку стихотворение, в котором есть такие выразительные строки: Я землей рождено, я водой вспоено. Взращено средь небесной равнины. Отдыхаю в горах, исчезаю в морях; Я меняюсь, но нет мне кончины. В этих строках правильно отражена «физика» красивого и удивительного явления природы. 114 § 40. Кипение Что происходит при кипении жидкости? Будем нагревать воду в открытом сосуде, периодически измеряя ее температуру. Через некоторое время мы заметим появление в воде многочисленных пузырьков. Пузырьки возникают благодаря тому, что в воде содержится растворенный в ней воздух и различные взвешенные твердые частицы. В эти пузырьки испаряется жидкость. Пары жидкости внутри пузырьков являются насыщенными. С увеличением температуры пара внутри пузырьков будет больше, а значит, его давление увеличится. Пузырьки становятся крупнее. С увеличением объема пузырьков растет действующая на них выталкивающая сила. Под действием этой силы пузырьки поднимаются к поверхности воды. Если верхние слои воды холоднее нижних, то в такой воде часть водяного пара внутри пузырьков конденсируется и уходит в воду, пузырьки при этом сокращаются в размерах, и сила тяжести заставляет их опускаться вниз. Здесь они опять увеличиваются в объеме и вновь всплывают вверх. Это попеременное увеличение и уменьшение пузырьков сопровождается звуками: закипающая вода «шумит». Когда вся вода прогреется до 100 “С, поднявшиеся наверх пузырьки уже не уменьшаются в размерах, а лопаются на поверхности, выбрасывая пар наружу. Шум прекращается и начинается бульканье — мы говорим, что вода закипела. Кипением называют процесс парообразования, идущий по всему объему жидкости. Оно начинается тогда, когда давление насыщенного пара внутри пузырьков сравнивается с давлением в жидкости. Следовательно, температура, при которой закипает жидкость, определяется давлением насыщенного пара жидкости, а значит, его температурой. Во время кипения, как показывает опыт, температура воды и пара над ней не меняется. Температуру, при которой происходит кипение жидкости, называют температурой кипения. В таблице 12 приведены температуры кипения некоторых веществ при нормальном атмосферном давлении. Таблица 12 Температура кипения некоторых веществ Вещество t , °С к’ Вещество ‘..“С Водород -253 Вода 100 Кислород -183 Ртуть 357 Эфир 35 Свинец 1740 Спирт 78 Медь 2567 Молоко 100 Железо 2750 5* 115 Температура кипения зависит от давления, оказываемого на жидкость. При увеличении внешнего давления температура кипения возрастает, а при уменьшении этого давления температура кипения понижается. Например, в кастрюлях-скороварках пищу варят под давлением около 2'10'"’ Па (почти в два раза большем нормального атмосферного давления). Температура кипения воды при этом достигает 120 "С. Процесс «варения» пищи в воде такой температуры происходит значительно быстрее, чем в обычном кипятке. В высокогорных местностях, например, на высоте 5—6 км (вершина Эльбруса) атмосферное давление составляет примерно 4,7'10'Па, т. е. половину нормального атмосферного. Вода кипит там при температуре 80 ”С. Сварить, например, мясо в этих условиях невозможно. Кипение при повышенном давлении используется в паровых котлах, паровых аккумуляторах. Мощные паровые турбины работают при давлении 23,5 МПа и температуре около 600 “С, что дает значительную экономию топлива. В медицинских учреждениях специальные герметически закрытые сосуды — автоклавы, в которых температура кипения воды значительно превышает 100 “С, применяют для стерилизации хирургических инструментов. Кипение жидкости при пониженном давлении используется в холодильной технике для получения низких температур. Удельная теплота парообразования. Если, добившись кипения воды в сосуде, выключить под ним нагреватель, то кипение воды быстро прекратится, а температура ее станет понижаться. Для того чтобы температура не изменялась, к воде надо непрерывно подводить от нагревателя достаточное количество теплоты. Количество теплоты, которое получает жидкость во время кипения, расходуется на образование пара. Происходит возрастание внутренней энергии тела при переходе из жидкого состояния в газообразное: ведь при этом увеличивается расстояние между молекулами, а значит, их потенциальная энергия. Количество теплоты, требующееся для превращения данной массы жидкости в пар той же температуры, называется теплотой парообразования. Опыты показывают, что теплота парообразования зависит от рода жидкости и ее массы. Зависимость от рода жидкости характеризует физическая величина — удельная теплота парообразования. Обозначается она буквой г. Удельной теплотой парообразования данной жидкости называют величину, равную отношению теплоты парообразования жидкости к ее массе: 116 г = Q т Из формулы видно, что единицей удельной теплоты парообразования является джоуль на килограмм (Дж/кг). Удельную теплоту парообразования определяют экспериментально. Так, удельная теплота парообразования воды при 100 “С и нормальном атмосферном давлении равна 2,3-10'’’Дж/кг. Зная удельную теплоту парообразования г, можно подсчитать количество теплоты Q, необходимое для парообразования жидкости массой т при температуре кипения: Q = гт. Такое же количество теплоты выделяет пар массой т, конденсируясь при температуре кипения. В таблице 13 приведены значения удельной теплоты парообразования некоторых веществ при температуре кипения и нормальном атмосферном давлении. Таблица 13 Удельная теплота парообразования некоторых веществ Вещество I Г, Дж/кг Вещество г, Дж/кг Вода 2,3-10“ Эфир 4-10“ Аммиак (жидкий) 1,4-10“ Ртуть 3-10“ Спирт 9-10“ 1 Воздух (жидкий) 2-10“ Проверьте себя 1. 2. *3. 4. 5. Что такое кипение? Становится ли жидкость горячее в процессе кипения? Где кипящая вода горячее: на высокой горе или в глубокой шахте? Используя график (рис. 160), поясните, какой его участок соответствует процессу кипения. Что такое удельная теплота парообразования? Что означает утверждение: «Удельная теплота парообразования воды равна 2,3-10'’ Дж/кг»? 117 6. Какое вещество обладает большей внутренней энергией: жидкий эфир при температуре 35 "С или пары эфира такой же массы при той же температуре? 7. Какое количество теплоты необходимо для обращения в пар спирта массой 0,5 кг, взятого при температуре его кипения? *8. Водяной пар, температура которого 100 ”С, конденсируется, и образовавшаяся из него вода остывает до 50 "С. Какое количество теплоты выделяется при этом, если масса пара 2 кг? § 41. Влажность воздуха Абсолютная влажность. В воздухе всегда есть водяной пар. Он образуется в результате испарения воды с поверхностей океанов, морей, озер, водохранилищ и т. д. От количества водяного пара, содержащегося в воздухе, зависит погода, самочувствие человека, жизнь растений и животных, а также сохранность технических объектов, архитектурных сооружений, произведений искусства. Поэтому очень важно следить за влажностью воздуха. За характеристику влажности воздуха может быть принята плотность водяного пара р, содержащегося в воздухе. Эту величину называют абсолютной влажностью и из-за ее малости выражают в граммах на кубический метр. Абсолютная влажность, таким образом, показывает, сколько водяного пара в граммах содержится в 1 м^ воздуха. Относительная влажность. Знание абсолютной влажности ничего не говорит о том, насколько водяной пар в данных условиях далек от насыщения. Если бы водяной пар, содержащийся в воздухе, был насыщенным, то поверхность Земли и все на ней находящееся было бы покрыто капельками жидкости и никогда не высыхало бы. И наоборот, чем дальше водяные пары, содержащиеся в воздухе, находятся от насыщения, тем воздух суше, тем быстрее высыхают ткани, почва, увядают растения и т. д. Вот почему вводят величину, показывающую, насколько водяной пар при данной температуре близок к насыщению, — относительную влажность. Относительной влажностью воздуха ф называют величину, равную отношению плотности р водяного пара, содержащегося в воздухе при данной температуре, к плотности р^ насыщенного водяного пара при той же температуре. Относительную влажность воздуха выражают в процентах: Ф = 100%. Р., 118 Значения плотности насыщенного пара при разных температурах t приведены в таблице 14. Таблица 14 Плотность насыщенного водяного пара при различной температуре t, °с Р„. г/м® 1 «, °С р^, г/м® t, ”С Р,, г/м® -20 0,88 ' 16 13,65 ' 26 24,40 -10 2,14 ! 14,50 28 27,26 -5 3,25 18 15,39 30 30,3 0 • 4,85 19 16,32 40 51,2 5 6,8 20 17,32 50 83,2 6 7,27 21 18,35 60 130,5 8 8,28 : 22 19,44 70 198,4 10 9,41 23 20,60 80 354,1 13 11,36 24 21,81 90 424„1 15 12,84 : 25 23,07 ; 100 598,0 А как определить плотность р водяного пара, содержащегося в при данной температуре? Для этого надо узнать точку росы. Точка росы. При охлаждении влажного воздуха при постоянном давлении его относительная влажность повышается и при некоторой температуре достигает 100%, а пар становится насыщенным. Температуру, до которой должен охладиться воздух, чтобы находящийся в нем водяной пар достиг состояния насыщения (при данной влажности воздуха), называют точкой росы. При охлаждении воздуха до точки росы начинается конденсация паров: появляется туман, выпадает роса. Точку росы определяют с помощью прибора, называемого конденсационным гигрометром. Гигрометр представляет собой металлический цилиндр с блестящей поверхностью (рис. 161), который частично заполняется эфиром. Вокруг основания цилиндра закреплено полированное кольцо, отделенное от цилиндра теплоизолирующей прокладкой. Через цилиндр прокачивают воздухе Рис. 161 119 воздух при помощи резиновой груши. Эфир быстро испаряется, что приводит к понижению температуры цилиндра. В тот момент, когда охлаждаемая блестящая поверхность гигрометра запотевает, термометром измеряют температуру. Это и есть точка росы, так как появление росы указывает, что водяной пар стал насыщенным. Допустим, что температура воздуха 25 “С, а точка росы, определенная с помощью гигрометра, оказалась 10 ”С. По таблице 14 находим плотность насыщенных водяных паров при 25 "С — 23,07 г/м'* — и абсолютную влажность воздуха при данных условиях — 9,41 г/ы^ (водяные пары, содержащиеся в воздухе в настоящий момент, стали насыщенными при 10 "С). Относительную влажность воздуха при температуре 25 °С вычисляем по формуле 9,41 " Ф = ■ 100%; Ф = - Рн 23,07 м 100% = 40,8%. м Психрометр. Другим прибором, с помощью которого определяют относительную влажность, является психрометр. Его действие основано на том, что вода при испарении охлаждается. Психрометр (рис. 162) состоит из двух одинаковых термометров. Резервуар одного из них обернут тканью, конец которой опущен в воду. Вода испаряется, и температура термометрической жидкости в нем понижается. Показания этого термометра будут меньше, чем сухого. Если бы водяной пар в воздухе был насыщенным, то вода с ткани не испарялась бы. Оба термометра имели бы одинаковые показания. Чем суше воздух, тем быстрее испаряется вода из ткани, и тем ниже ее температура. Следовательно, разность показаний термометров зависит от относительной влажности воздуха. Используя эту разность и показания сухого термометра, по специальной, заранее составленной ■ таблице, которая прилагается к психрометру, определяют относительную влажность воздуха. Для хорошего самочувствия и здоровья необходимо, чтобы относительная влажность была в пределах от 40 до 60%. В зимние месяцы в наших домах и школах относительная влажность часто не превышает 10—20%. Такие условия вызывают быстрое высыхание слизистой оболочки носа, горла, легких, что приводит к заболеваниям органов дыхания. Поэтому в зимнее время Рис. 162 необходимо увлажнять помещения. 120 в современных зданиях производится кондиционирование воздуха, т. е. создается и поддерживается воздушная среда, наиболее благоприятная для самочувствия людей. Определенную влажность воздуха требуется поддерживать в ткацком, кондитерском и других производствах, а также при хранении книг, произведений искусства. Поэтому, например, в музеях на стенах вы можете увидеть психрометры. Проверьте себя 1. Какой пар называется насыщенным? 2. Что такое абсолютная влажность? относительная влажность? 3. Почему при увеличении температуры окружающей среды абсолютная влажность воздуха повышается? 4. Чему равна относительная влажность, если водяной пар в воздухе достигает насыщения? 5. Почему в теплые влажные дни трубы водопровода покрываются влагой? 6. Почему в жаркий день, когда воздух сухой, наше самочувствие лучше, чем в жаркий день, когда влажность воздуха высока? ЭТО ИНТЕРЕСНО ! Чтобы определить, какую максимальную температуру может выдержать человеческий организм, проводились опыты. Оказалось, что при постепенном нагревании в сухом воздухе человек способен выдержать не только температуру кипения воды (100 °С), но и более высокую температуру, до 160 °С. Это доказали английские физики Благден и Чентри, проводившие ради опыта целые часы в натопленной печи хлебопекарни. § 42. Энергия топлива Для человека главным источником энергии является Солнце. Посредством излучения энергия Солнца передается Земле. Благодаря этому на ней поддерживается температура, необходимая для всего живого: людей, животных, растений. Солнечную энергию, аккумулированную в виде полезных ископаемых, человек использует для приготовления пищи, работы транспорта и т. д. Такие полезные ископаемые, как каменный уголь, нефть, торф, используются как топливо. При сгорании топлива атомы углерода, который обычно содержится в топливе, соединяются с атомами кислорода, содержащегося в воздухе, в результате чего образуется углекислый газ. Эта реакция сопровождается выделением большого количества теплоты. 121 Из повседневного опыта мы знаем, что количество теплоты, выделяющееся при сгорании топлива, зависит от его массы. Готовясь к зиме, люди запасают топливо: дрова, уголь, газ и т. д. При этом они учитывают, что количество теплоты, которое выделяется при сгорании разных видов топлива одной и той же массы, различно. Например, при сгорании дров массой 1 кг выделяется количество теплоты, в три раза меньшее, чем при сгорании 1 кг каменного угля, и в четыре раза меньшее, чем при сгорании 1 кг природного газа. Для характеристики различных видов топлива используют физическую величину — удельную теплоту сгорания топлива. Эту величину обозначают буквой q. Удельной теплотой сгорания топлива называют величину, равную отношению количества теплоты, которое выделяется при полном сгорании топлива, к.массе сгоревшего топлива: т Единицей удельной теплоты сгорания является джоуль на килограмм (Дж/кг). Удельную теплоту сгорания топлива определяют опытным путем. В таблице 15 приведены значения удельной теплоты сгорания некоторых видов топлива. Таблица 15 Удельная теплота сгорания некоторых видов топлива Топливо q, Дж/кг Топливо q, Дж/кг Порох 3,810“ Древесный уголь 3,4-10’ Дрова сухие 1,010’ Природный газ 4,4-10’ Торф 1,410’ Нефть 4,4-10’ Каменный уголь 2,7-10’ Бензин 4,6-10’ Спирт 2,7-10’ Керосин 4,6-10’ Антрацит 3,010^ . Водород 1,2-10* Чтобы подсчитать количество теплоты Q, выделившееся при полном сгорании топлива массой т, нужно удельную теплоту сгорания q умножить на массу сгоревшего топлива: Q = qm. 122 Интенсивное использование топлива ведет к истощению природных ресурсов и загрязнению окружающей среды. Наибольший вред наносят тепловые электростанции и котельные. Кроме углекислого газа при сгорании топлива выделяется угарный газ и другие вредные газы, а также образуется зола и топочные шлаки, загрязняющие почву и воду. Избыток углекислого газа в атмосфере вызывает парниковый эффект. За счет парникового эффекта температура Земли повышается. Все это требует проведения специальных мероприятий по охране окружающей среды, экологически безопасному использованию топлива. Проверьте себя 1. Что такое удельная теплота сгорания топлива? 2. Что означают утверждения: «Удельная теплота сгорания торфа равна 1,4-10^ Дж/кг», «Удельная теплота сгорания керосина 4,6-10^Дж/кг»? 3. Используя таблицу 15, назовите топливо, которое при полном сгорании выделяет наибольшее количество теплоты. 4. При полном сгорании топлива выделилось количество теплоты, равное 50 000 кДж. Определите массу топлива, если бы в качестве топлива использовались: а) природный газ; б) сухие дрова. 5. Какую массу керосина надо сжечь, чтобы выделившегося количества теплоты хватило на нагревание воды массой 22 кг от 20 "С до кипения? Тепловыми потерями пренебречь. САМОЕ ВАЖНОЕ В ГЛАВЕ 5 1. 2. 3. 4. 5. 6. При нагревании большинство тел (твердые, жидкие и газообразные) расширяются. Различные твердые тела и жидкости расширяются по-разному. Все газы расширяются одинаково. Физическую величину, характеризующую тепловое состояние тела, называют температурой. Для измерения температуры созданы специальные приборы — термометры. Единицей температуры служит градус Цельсия. Внутренняя энергия тела равна сумме кинетической энергии движения молекул и потенциальной энергии их взаимодействия. Если горячее тело приведено в соприкосновение с холодным, то горячее тело охлаждается, а холодное — нагревается. Изменение внутренней энергии тела без совершения работы называется теплообменом. Теплообмен возникает между телами (или частями одного и того же тела), имеющими разную температуру. 123 7. Количеством теплоты называют часть внутренней энергии, переданной от одного тела к другому при теплообмене. 8. Существуют три вида теплообмена: теплопроводность, конвекция и лучистый теплообмен. 9. Энергию, переданную телом при теплообмене (количество теплоты), можно рассчитать по формуле Q = cm - t^), где с — удельная теплоемкость вещества, т — масса тела, и — конечная и начальная температуры тела. 10. При определенных условиях вещества могут переходить из одного агрегатного состояния в другое. 11. Переход вещества из твердого (кристаллического) состояния в жидкое называется плавлением. Чтобы вещество расплавить, ему нужно сообщить некоторое количество теплоты, которое может быть рассчитано по формуле Q = Хт, где X — удельная теплота плавления, т — масса тела. Плавление происходит при определенной для каждого вещества температуре, называемой-температурой плавления. 12. Переход вещества из жидкого состояния в газообразное называют парообразованием. Различают два вида парообразования: испарение и кипение. Испарение жидкости происходит при любой температуре, при этом ее температура понижается. Кипение происходит при постоянной температуре, называемой температурой кипения. Для поддержания процесса кипения при постоянной температуре к жидкости необходимо подводить количество теплоты, которое рассчитывается по формуле Q = гт, где г — удельная теплота парообразования, т — масса тела. 13. Влажность воздуха характеризуется специальной величиной — относительной влажностью. Относительная влажность показывает, насколько водяной пар, содержащийся в воздухе при данной температуре, близок к насыщенному. ГЛАВА Г' Тепловые двигатели Тепловым двигателям принадлежит исключительно большая роль в истории человечества. Можно без преувеличения сказать, что без создания тепловых двигателей не было бы на Земле современного человеческого общества. Судите сами: без тепловых двигателей не было бы тепловых электростанций, самолетов, автомобилей, тракторов, экскаваторов и многих других машин и сооружений. Без тепловых двигателей были бы невозможны космические полеты, так как ракеты, выводящие в космос космические корабли, — это также тепловые двигатели. Знания, которые вы уже приобрели, позволят вам понять, как работают наиболее распространенные тепловые двигатели. Принцип работы всех тепловых двигателей, несмотря на их многообразие, очень прост: все они преобразуют внутреннюю энергию топлива в механическую энергию. § 43. Устройство и действие реактивного двигателя Прежде чем рассматривать принцип работы реактивных двигателей, познакомимся с понятием реактивного движения. Реактивное движение. Надуем детский воздушный шар и отпустим его. Мы заметим, что шар летит в сторону, противоположную той, куда вытекает из него воздух (рис. 163). С этим явлением вы, конечно, знакомы. Наденем на водопроводный кран слегка изогнутую трубку (рис. 164). Откроем кран. Мы видим, что трубка отклоняется в сторону, противоположную направлению вытекания воды. Подумаем над этими опытами. Что в них общего? Прежде всего, общее то, что происходит взаимодействие двух тел: в первом опыте взаимодействует шар и вытекающий из него Рис. 163 125 воздух; во втором — вода и резиновая трубка. Общее и то, что взаимодействующие тела отталкиваются друг от друга и в результате взаимо*-действия движутся в противоположных направлениях. Движение, которое возникает, когда от тела (или от системы тел) отделяется и движется с некоторой скоростью какая-то его часть (или тело), называется реактивным. Твердотопливный реактивный двигатель. Наиболее простым по устройству реактивным двигателем является сигнальная ракета (рис. 165). Она состоит из корпуса, наполненного твердым топливом, смешанным с веществом, которое при нагревании выделяет кислород (окислитель), необходимый для сгорания топлива. После пуска ракеты (из специального прибора —'ракетницы) твердое топливо в ракете воспламеняется. Образующиеся при этом газы вытекают из отверстия с большой скоростью, а сама ракета движется в противоположную сторону. Корпус ракеты играет двойную роль: во-первых, он служит вместилищем для топлива и окислителя; во-вторых, он предохраняет топливо от загорания со всех сторон, кроме одной — тыльной, и тем самым сохраняет в полете заданное ракете направление реактивного движения. Для создания светового сигнала в твердое топливо, помимо окислителя, добавляется вещество, горение которого сопровождается ярким цветным свечением. Топливо Корпус Топливо Окислитель Камера сгорания Рис. 165 Рис. 166 126 Сигнальная ракета принадлежит к большому классу ракет, имеющих общее название — твердотопливные ракеты. Жидкостный реактивный двигатель. Жидкостный двигатель отличается от твердотопливного только видом топлива: и само топливо, и окислитель жидкие (рис. 166). Это вносит конструктивные изменения в двигатель, но не меняет его принципа работы. Топливо и окислитель специальными насосами подаются в распыленном виде в камеру сгорания. Образовавшиеся в камере сгорания газы выбрасываются с большой скоростью, отталкиваясь от ее стенок. В результате ракета движется в противоположную движению газов сторону. На рисунке 167 показана современная трехступенчатая ракета с жидкостным ракетным двигателем. В ракетных двигателях энергия, выделяющаяся при сгорании топлива, преобразуется в механическую энергию. Топливный бак 3-й ступени Топливный бак 2-й ступени Топливный бак 1-й ступени I Сопло п. р Рис. 167 Рабочий отсек Бак окислителя 3-й ступени Бак окислителя 2-й ступени * Бак окислителя 1-й ступени I___ Насосы Камера сгорания Проверьте себя 1. Понаблюдайте за шлангом для поливки огорода или улицы в момент подачи воды. Объясните увиденное. 2. Как устроена твердотопливная ракета? 3. Для чего на космических ракетах нужен окислитель? 4. Может ли ракета двигаться в пустоте? 127 § 44. Поршневые двигатели внутреннего сгорания ^ Двигателями внутреннего сгорания (как это видно из их названия) называют большую группу двигателей, в которых сгорание топлива происходит внутри двигателя. Первый двигатель внутреннего сгорания изобрел в 1860 году французский инженер Этьен Ленуар (1822—1900). В 1876 году немецкий инженер Николаус Отто (1832—1891) предложил более совершенный двигатель. В 1897 году немецкий инженер Рудольф Дизель (1858—1913) предложил еще более совершенный двигатель, впоследствии названный дизелем. В настоящее время двигатель Ленуара не используется из-за его неэкономичности. Наибольшее применение находят двигатели Отто и Дизеля. Карбюраторный двигатель Отто. В качестве примера рассмотрим упрощенную схему работы автомобильного двигателя внутреннего сгорания — карбюраторного четырехтактного двигателя. Этот двигатель работает на специально подготовленной смеси топлива с воздухом. Кислород, содержащийся в воздухе, необходим для сгорания топлива. Горючая смесь образуется в специальном устройстве — карбюраторе. Отсюда и происходит название двигателя — карбюраторный. Для сгорания горючей смеси в этом двигателе используется цилиндр 1, в котором свободно ходит хорошо прилегающий к стенкам цилиндра поршень 2 (рис. 168, а). Поршень с помощью шатуна 3 и кривошипа 4 соединен с коленчатым валом 9. На ось коленчатого вала насажен маховик (на рисунке не показан). Рис. 168 128 При движении поршня вверх и вниз и снова вверх и вниз шатун за-^;тавляет вал двигателя вращаться. Когда поршень движется вверх, он не доходит до крышки цилиндра. Поэтому между крышкой цилиндра и поршнем всегда есть свободное пространство — камера сгорания 5. Верхняя часть цилиндра сообщается с двумя каналами, закрытыми клапанами 6 и 7. Через один из каналов — впускной (на рис. 168, а — левый) — подается горючая смесь, через другой — выпускной — выбрасываются продукты сгорания. Клапаны в нужные моменты открываются с помощью кулачков, помещенных на кулачковом валу. Кроме клапанов в верхней части цилиндра помещается свеча 8 — приспособление для зажигания горючей смеси посредством электрической искры. Работа двигателя состоит из следующих тактов. Первый такт — всасывание (или впуск). Пусть поршень движется вниз и клапан 6 открыт (см. рис. 168, а). При опускании поршня через этот клапан в камеру сгорания из карбюратора всасывается горючая смесь. В конце такта всасывания клапан 6 закрывается. Клапан 7 тоже закрыт. Второй такт — сжатие. Поршень начинает подниматься вверх, сжимая горючую смесь (рис. 168, б). Оба клапана закрыты. При сжатии смесь сильно нагревается. В конце такта сжатия, незадолго до того, как поршень придет в крайнее верхнее положение, в свече проскакивает искра, и горючая смесь воспламеняется. Третий такт — рабочий ход (рис. 168, в). Образовавшиеся при сжигании горючей смеси газы с большой силой давят на поршень, который опускается вниз и с помощью шатуна и кривошипа приводит во вращение коленчатый вал с маховиком. Получив сильный толчок, маховик будет вращаться дальше, обеспечивая тем самым движение поршня и при последующих тактах. Четвертый такт — выпуск. Открывается клапан 7. Клапан 6 закрыт. Поршень из крайнего нижнего положения движется вверх. Продукты сгорания выталкиваются в атмосферу. В конце четвертого такта клапан 7 закрывается. После этого начинается снова первый такт — всасывание горючей смеси. Так как из четырех тактов работы двигателя только один рабочий, то обычно собирают в один блок четыре (или больше) цилиндров с тем, чтобы в любой момент в одном из цилиндров был рабочий ход. За счет этого рабочего такта совершается полезная работа. Отношение полезной работы к энергии, выделившейся при сгорании топлива, называют коэффициентом полезного действия (КПД). Следова- 129 тельно, коэффициент полезного действия показывает, какую долю от внутренней энергии топлива составляет совершаемая с помощью двигателя ме/ ханическая работа. Коэффициент полезного действия обычно выражают в процентах. ^ У современных карбюраторных двигателей Отто коэффициент полезного действия составляет примерно 25%. Около 35% энергии уносят выхлопные газы, 25% — охлаждающая двигатель вода, 5% — не полностью сгоревшее топливо и около 10% расходуется «на внутренние нужды» двигателя (подготовительные такты и трение). Двигатель Дизеля. Двигатель Дизеля, как и двигатель Отто, — четырехтактный. Он отличается от карбюраторного двигателя тем, что при первом такте в цилиндр засасывается не горючая смесь, а воздух. Попавший при первом такте воздух к концу второго такта сжимается в 15—20 раз. При столь сильном сжатии температура воздуха повышается до 500—600 "С. В этот сжатый и сильно нагретый воздух специальным насосом впрыскивается в начале третьего такта дизельное топливо, которое сразу же сгорает. Образующиеся при этом газы толкают поршень. Далее открывается выпускной клапан и отработавшие газы выходят в атмосферу. Коэффициент полезного действия самых лучших двигателей Дизеля достигает 40%. Высокий КПД — несомненное достоинство дизельных двигателей, но это достоинство не единственное. Дизельные двигатели потребляют не бензин, а более дешевые сорта топлива. Кроме того, в дизельных двигателях потребляется гораздо меньше горючего, чем в карбюраторных. Эти и другие преимущества двигателей определили их широкое применение в технике. Двигатели Дизеля применяются на автомашинах, экскаваторах, тракторах, тепловозах, теплоходах, подводных лодках и других современных машинах. Проверьте себя 1. Каково назначение двигателей внутреннего сгорания? *2. Как устроены поршневые двигатели? 3. Почему в двигателе Дизеля нет электрической свечи для поджигания топлива? 4. За счет какой энергии совершается механическая работа в двигателе внутреннего сгорания? 5. Почему КПД двигателя не может быть равен 100%? 130 § 45. Паровая турбина Паровая турбина — тепловой двигатель, в котором внутренняя энер-,-ия водяного пара превращается в механическую энергию. Для получения водяного пара служат специальные паровые котлы, в которых за счет сжигания топлива получают водяной пар при очень большом давлении (до 3-10^ Па) и очень высокой температуре (до 600 °С). Паровой котел. Паровой котел, снабжающий паром современную паровую турбину, ни по своим размерам, ни по устройству не напоминает то, что в обыденной жизни мы называем котлом. Это сложное техническое сооружение высотой с 8-этаж-ный дом, производящее несколько тысяч тонн пара в час. Это, по существу, не что иное, как завод по преобразованию многих тысяч тонн воды в пар. На рисунке 169 схематично показан паровой котел, состоящий из топки 1, парового котла 2 и перегревателя пара 3. Полученный в котле пар в пароперегревателе нагревается до 600 °С. При этой температуре жаропрочные стальные трубы раскаляются. Вода в котел нагнетается специальным насосом. Паровая турбина, как и паровой котел, исключительно сложное техническое сооружение. На рисунке 170 схематично изображено устройство турбины. Пар из пароперегревателя 3 поступает в корпус турбины, в котором установлено турбинное колесо 5 с лопастями. Пар, вырываясь из сопла 6, ударяет о лопасти и приводит колесо 5 во вращение. На оси турбины расположено не одно, а несколько колес, и около каждого Рис. 170 131 колеса находится несколько сопел. Отработанный пар в специальном устройстве — конденсаторе 7 охлаждается, превращается в воду, которая насосом 4 закачивается в котел 2. О размерах турбинных колес, их числе и размещении вы можете получить представление, внимательно рассмотрев рисунок 171. Например, турбина, установленная на Костромской ГРЭС, имеет длину 47,9 м и массу 1900 т. Вал современных турбин, устанавливаемых на тепловых электростанциях, делает 50 оборотов в секунду (3000 оборотов в минуту). КПД современных турбин около 40%. Рис. 171 Проверьте себя 1. Рассмотрите рисунок 170 и расскажите, как работает паровая турбина. 2. Пар в турбину поступает при температуре 500 °С, а в конденсатор — при температуре 300 “С. Почему произошло понижение температуры пара? САМОЕ ВАЖНОЕ В ГЛАВЕ 6 1. Тепловым двигателем называют устройство, которое преобразует внутреннюю энергию топлива в механическую энергию. 2. Существуют разные виды тепловых двигателей: реактивный двигатель, двигатель внутреннего сгорания, паровая турбина и др. 3. В каждом из двигателей внутренняя энергия топлива переходит в энергию газа (или пара), при расширении которого совершается работа. 4. Отработанные газы или пар имеют достаточно высокую температуру и уносят с собой часть энергии. Поэтому внутренняя энергия топлива пре" образуется в механическую энергию не полностью. 5. Коэффициентом полезного действия теплового двигателя называют отношение полезной работы ко всей энергии, выделяемой при сгорании топлива. КПД паровой турбины равен 20—40%, у карбюраторных двигателей внутреннего сгорания он равен 20—25%, у дизеля — 30—40%. 132 Заключение Вы сделали первый шаг в изучении физики: — познакомились с удивительным миром световых, звуковых и тепло-вых явлении^ — узнали, что физика — очень интересная и нужная наука; — получили первые сведения о строении вещества, о молекулах, их движении и взаимодействии; — наполнили физическим содержанием такие известные из повседневной жизни понятия, как: масса, сила, давление, энергия, работа, мощность, температура; — познакомились с рядом новых понятий, среди них: внутренняя энергия, количество теплоты, коэффициент полезного действия. Узнали вы многое и о многом. Но ваши знания пока еще не достаточно глубоки и полны. Много неизвестного и интересного у вас впереди. Образно говоря, вы только заглянули в оглавление интересной книги «Физика» и успели прочитать лишь ее первую часть. Дальше в этом оглавлении следуют: «Механика», «Электричество», «Атомная физика», «Физика атомного ядра» и др. С этими разделами вы будете знакомиться в 8—9-м классах. Лабораторные работы Лабораторная работа № 1 Измерение фокусного расстояния и оптической силы линзы Цель работы: научиться измерять фокусное расстояние собирающей линзы. Оборудование: собирающая (двояковыпуклая) линза; экран; измерительная лента или линейка. Указания к выполнению работы 1. Расположив линзу между окном и экраном, получите на экране изображение какого-либо удаленного предмета (здания за окном, дерева или окна кабинета). 2. Измерьте расстояние от линзы до полученного изображения. Это и есть (приблизительно) фокусное расстояние F линзы. Выразите результат в метрах. 3. Рассчитайте оптическую силу D линзы. Лабораторная работа № 2 Получение изображений с помощью линзы Цель работы: научиться получать различные изображения с помощью собирающей линзы. Оборудование: собирающая линза на подставке; лампа на подставке с колпачком, в котором сделана прорезь; белый экран; измерительная лента; источник питания; ключ замыкания тока; соединительные провода. Указания к выполнению работы 1. Измерьте фокусное расстояние F линзы (см. лабораторную работу № 1). 2. Соберите электрическую цепь из лампы, ключа и источника питания (рис. 172). Наденьте на лампу колпачок с прорезью. (Не замыкайте собранную вами электрическую цепь, пока учитель не проверит ее.) 3. Поместив линзу на середине стола, расположите лампу на таком расстоянии d от нее, которое превышало бы фокусное расстояние линзы более чем в 2 раза. 134 4. Перемещая экран, получите на нем резкое изображение контуров прорези, имеющейся в колпачке. Измерьте расстояние f от линзы до изображения. 5. Расположите лампу на таком расстоянии от линзы, чтобы оно было больше фокусного расстояния, но меньше двойного фокусного расстояния. Снова получите на экране резкое изображение контуров прорези в колпачке лампы. Измерьте новое расстояние от линзы до изображения. 6. Запишите в таблицу, каким будет изображение в каждом из проделанных вами опытов. Рис. 172 № Фокусное Расстояние Расстояние Вид опыта расстояние ОТ лампы ОТ линзы изображения F, см до линзы d, см до изображения /, см 1 2 тт 111 *7. Для каждого из опытов вычислите значения величин: —, --, -. F а f *8. Проверьте, выполняется ли соотношение 1 = 1 1 F~ d'^ f' Если у вас левая и правая части этого выражения отличаются друг от друга, объясните причину расхождения. Лабораторная работа № 3 Наблюдение дисперсии света Цель работы: убедиться в сложном составе белого света. Оборудование: стеклянная пластинка (призма) с косыми гранями; экран с щелью или электрическая лампа с прямой нитью накала (одна на класс). 135 Указания к выполнению работы 1. Возьмите экран со щелью в одну руку, а пластинку с косыми гранями — в другую (рис. 173). 2. Смотрите через косую грань пластинки на хорошо освещенную щель в экране. Добейтесь наибольшей яркости цветных изображений щели (пятна). 3. Запишите, в какой последовательности наблюдаются цвета в полученном спектре. Л Рис. 173 Лабораторная работа № 4 Измерение размеров малых тел Цель работы: научиться выполнять измерения способом рядов. Оборудование: линейка; дробь (или горох); пшено; иголка. Указания к выполнению работы 1. Расположите вплотную вдоль линейки несколько (20—25) штук дробинок (или горошин) в ряд. Измерьте длину ряда и вычислите диаметр D одной дробинки: п где I — длина ряда; п — число дробинок (горошин). ' 2. Определите таким же способом размер крупинки пшена. Чтобы удобнее было укладывать и пересчитывать крупинки, воспользуйтесь игол-Рис. 174 кой. 136 Способ, которым вы определили размер тела, называется способом рядов. 3. Определите способом рядов диаметр одного атома золота по фотографии (рис. 174), полученной с помощью электронного микроскопа. 4. Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу. Малые тела 1, см N D, см 1. Дробинка (горошина) 2. Пшено 3. Атомы золота Лабораторная работа № 5 Измерение массы тела на рычажных весах Цель работы: научиться пользоваться рычажными весами и с их помощью определять массу тел. Оборудование: весы с гирями; несколько небольших тел разной массы. Указания к выполнению работы 1. Если весы не уравновешены, добейтесь их равновесия, положив на более легкую чашу весов несколько кусочков бумаги или картона. 2. Поместите на левую чашу весов взвешиваемое тело (класть его нужно осторожно, придерживая чаши весов рукой). 3. Откройте футляр с гирями и, достав ту, что, на ваш взгляд, имеет массу немного большую, чем масса взвешиваемого тела, положите ее на правую чашу. Если она перетягивает, поставьте ее обратно в футляр, а на чашу положите другую гирю (меньшей массы). Если она тоже перетянет, замените ее следующей гирей, если же нет — оставьте на правой чаше. Перебирая таким образом гирю за гирей, добейтесь равновесия весов. Гири доставайте из футляра с помощью пинцета. 4. Заполните таблицу. Взвешиваемое тело Гири, которыми было уравновешено тело Масса тела, г 137 Во второй колонке этой таблицы должны быть перечислены все гири, оказавшиеся на правой чаше весов после достижения равновесия. Определив их общую массу, запишите результаты в третью колонку. 5. Придерживая чаши весов, снимите с них все гири и положите их обратно в футляр. 6. Замените тело на левой чаше весов другим и повторите всю процедуру взвешивания заново. Полученные результаты запишите в таблицу. Лабораторная работа № 6 Измерение плотности твердого тела Цель работы: научиться определять плотность твердого тела с помощью весов и измерительного цилиндра. Оборудование: весы с гирями; измерительный цилиндр с водой; твердое тело на нити. Указания к выполнению работы 1. Измерьте массу тела (т) на рычажных весах (см. лабораторную работу № 5). 2. Измерьте объем воды в цилиндре (F^). 3. Удерживая тело за нить, опустите его в воду. Измерьте объем воды вместе с погруженным в нее телом (F^). 4. Определите объем тела (F = F^ - Fj). 5. Зная массу и объем тела, рассчитайте его плотность (р) по формуле т ^ ~V' 6. Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу. т, г Fj, см^ Fj, см® V, см® р, г/см® Лабораторная работа № 7 Градуирование пружины и измерение сил динамометром Цель работы: научиться градуировать пружину и измерять силу динамометром. 138 Оборудование: динамометр, шкала которого закрыта бумагой; набор грузов массой по 102 г; штатив с муфтой, лапкой и кольцом; линейка с делениями. Указания к выполнению работы 1. Укрепите динамометр с закрытой шкалой вертикально в лапке штатива. Отметьте горизонтальной чертой начальное положение указателя динамометра, — это будет нулевое деление шкалы. 2. Подвесьте к крючку динамометра груз, масса которого 102 г. На этот груз действует сила тяжести, равная 1 Н. С такой же силой груз растягивает пружину динамометра. Новое положение указателя динамометра также отметьте горизонтальной чертой на бумаге. 3. Затем подвешивайте к пружине второй, третий грузы той же массы (102 г), каждый раз отмечая черточками на бумаге положение указателя (рис. 175). ч Рис. 175 4. Снимите динамометр со штатива и против горизонтальных черто- чек, начиная с верхней, проставьте числа 0, 1, 2, 3, 4, ... . Выше числа 0 напишите: «ньютон». ' 5. Измерьте расстояния между соседними черточками. Одинаковы ли они? 6. Отметьте на этой шкале десятые доли ньютона. 7. Измерьте проградуированным динамометром силу тяжести, действующую на какое-нибудь тело, например на кольцо от штатива, лапку штатива. 139 Лабораторная работа № 8 Градуировка комнатного термометра Цель работы: научиться градуировать термометр и измерять термометром температуру. Оборудование: термометр для лабораторных работ; комнатный термо-:метр с закрытой шкалой; сосуд с горячей водой; сосуд с талым льдом или снегом; линейка с миллиметровыми делениями. Указания к выполнению работы 1. С помощью лабораторного термометра убедитесь в том, что температура воды в сосуде не превышает 40 “С. Опустите в воду комнатный термометр. На бумажной полоске, закрывающей его шкалу, сделайте отметку, соответствующую примерно 40 "С. Сверьте с показаниями лабораторного термометра. 2. Не вынимая термометры, долейте в сосуд холодную воду так, чтобы температура смеси стала равна примерно 20 ”С. Сделайте на шкале вторую отметку. 3. Вынув термометры из воды, проградуируйте комнатный термометр. Для этого расстояние между отметками 20 и 40 на шкале разделите на 20 равных частей. Расстояние между двумя соседними черточками соответствует 1 “С. 4. Отметьте на изготовленной вами шкале деление, соответствующее о "С. 5. Опустив проградуированный термометр в тающий лед или снег, проверьте, правильно ли вы отметили положение 0 “С. 6. Измерьте температуру воздуха в классе обоими термометрами. Сравните их показания. Лабораторная работа № 9 Сравнение количеств теплоты при смешивании воды разной температуры Цель работы: определить количество теплоты, отданное горячей водой, и количество теплоты, полученное холодной водой, и объяснить результат измерений. Оборудование: калориметр; измерительный цилиндр (мензурка); термометр; стакан. Примечание. Калориметр — прибор, применяемый при изучении тепловых явлений. 140 Калориметр состоит из двух сосудов, разделенных воздушным промежутком. Дно внутреннего сосуда отделено от внешнего деревянной подставкой. Такое устройство позволяет уменьшить теплообмен содержимого внутреннего сосуда с внешней средой. Указания к выполнению работы 1. Отмерьте мензуркой 100 мл холодной воды (масса т, = 100 г) и перелейте ее во внутренний сосуд калориметра. 2. Измерьте температуру холодной воды в калориметре. 3. Налейте в мензурку 100 мл горячей воды (масса = 100 г). 4. Измерьте температуру горячей воды в мензурке. 5. Осторожно перелейте горячую воду в калориметр, помешайте термометром полученную смесь и измерьте ее температуру t. 6. Рассчитайте количество теплоты, отданное горячей водой при остывании от температуры до температуры t. 7. Рассчитайте количество теплоты, полученное холодной водой в процессе нагревания от температуры i, до температуры t. 8. Сравните количество теплоты, отданное горячей водой, с количеством теплоты, полученным холодной водой. Объясните, почему эти количества теплоты не равны друг другу. Как уменьшить расхождение между ними? Ответы к задачам § 5. 4. Перед зеркалом, на расстоянии 60 см от него. § 7. 6. На расстоянии 1 м от линзы. 7. Перед линзой (f ~ - 33,3 см). § 9. 4. 0,5 (линза собирающая); 4 м (линза рассеивающая); 0,25 м (линза рассеивающая); = 0,67 м (линза собирающая). § 13. 3. Бражника. § 16. 3. а) Да; б) нет. § 18. 4. = 7 -10*9. § 23. 3. 8,9 г/см9. § 24. 4. 49 Н. § 25. 4. 40 кПа. 5. 2,5 • 10* кПа. 6. « 2,34 кПа. § 26. 4. 10 кДж. § 27. 3. 50 кВт. 4. 360 кДж. § 28. 5. = 51 м. § 36. 5. 78,5 МДж. 6. 963 кДж. § 37. 5. 11 кг. 6. = 805 Дж/(кг-“С). § 38. 6. Вода. § 40. 6. Пары эфира. 7. 450 Дж. 8. 5020 кДж. § 42. 4. а) = 1,14 кг; б) 5 кг. 5. = 161 г. ОГЛАВЛЕНИЕ Введение..................................................... 3 Глава 1 Первоначальные сведения о свете § 1. Источники и приемники света .......................... 7 § 2. Распространение света................................ 10 § 3. Солнечное и лунное затмения.......................... 13 § 4. Отражение света ..................................... 14 § 5. Сферические зеркала...................................20 § 6. Преломление света.....................................24 § 7. Линзы.................................................27 § 8. Оптические приборы ...................................31 § 9. Глаз и зрение.........................................33 § 10. О составе света......................................35 Самое важное в главе 1............................... 37 Глава 2 Первоначальные сведения о звуке § 11. Источники и приемники звука..........................39 § 12. Распространение звука................................43 § 13. Звуковые волны.......................................45 § 14. Характеристики звука.................................47 § 15. Зачем музыкальным инструментам корпус?.............. 50 § 16. Отражение звука......................................52 § 17. Ультразвук...........................................54 Самое важное в главе 2............................... 55 Глава 3 Первоначальные сведения о строении вещества § 18. Молекулы ............................................56 § 19. Взаимодействие молекул ............................ 59 § 20. Движение молекул.....................................61 § 21. Броуновское движение ................................63 § 22. Строение газообразных, жидких и твердых тел ........ 64 Самое важное в главе 3............................... 66 Глава 4 Физические величины § 23. Масса................................................. 67 § 24. Сила ................................................. 71 § 25. Давление.............................................. 75 § 26. Работа................................................ 78 § 27. Мощность.............................................. 81 § 28. Энергия............................................... 82 Самое важное в главе 4................................. 86 Глава 5 Тепловые явления § 29. Что такое тепловые явления............................ 88 § 30. Тепловое расширение................................... 89 § 31.. Температура.......................................... 93 § 32. Особенности теплового расширения воды................. 97 § 33. Внутренняя энергия.................................... 98 § 34. Способы изменения внутренней энергии ................. 99 § 35. Виды теплообмена..................................... 101 § 36. Как рассчитать количество теплоты при теплообмене.... 106 § 37. Уравнение теплового баланса.......................... 108 § 38. Плавление и отвердевание............................. 110 § 39. Испарение и конденсация............................... ИЗ § 40. Кипение.............................................. 115 § 41. Влажность воздуха.................................... 118 § 42. Энергия топлива...................................... 121 Самое важное в главе 5................................ 123 Глава 6 Тепловые двигатели § 43. Устройство и действие реактивного двигателя.......... 125 § 44. Поршневые двигатели внутреннего сгорания............. 128 § 45. Паровая турбина...................................... 131 Самое важное в главе 6................................ 132 Заключение.................................................... 133 Лабораторные работы........................................... 134 Ответы к задачам ............................................. 142 ИЗДАТЕЛЬСТВО ПРЕДЛАГАЕТ УЧЕБНУЮ И МЕТОДИЧЕСКУЮ ЛИТЕРАТУРУ ПО ФИЗИКЕ Программы общеобразовательных учреждений: Физика. 7—9 кл. / Авт.-сост.: Н. М. Шахмаев и др.; Под ред. Ю. И. Дика. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКТЫ для 7—9 классов Н. М. Шахмаев и др. Физика. 7, 8, 9 кл. Учебники / Под ред. Ю. И. Дика Р. Д. Минькова. Физика. 7, 8, 9 кл. Рабочие тетради. Р. Д. Минькова, В. А. Коровин, Ю. И. Дик. Методические рекомендации и тематическое планирование. 7—9 кл. ^ Программы общеобразовательных учреждений: Физика. 10—11 кл. / Авт.-сост.: Л. И. Анциферов, В. А. Коровин; Под ред. Ю. И. Дика. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКТЫ для 10—11 классов Л. И. Анциферов. Физика. 10, 11 кл. Учебники. Л. И. Анциферов, М. Ю. Демидова, В. А. Коровин. Методические рекомендации и тематическое планирование. 10—11 кл. С. М. Козел. Физика. 10—11 кл. Пособие для учащихся старших классов и абитуриентов. С. М. Козел, В. А. Коровин, В. А. Орлов. Физика. 10—11 кл. Сборник _ ^ задач и заданий с ответами и решениями. (По материалам международ-ных физических олимпиад 1985— 1999гг.) . С. М. Козел, В. А. Коровин, В. А. Орлов. Физика. 10—11 кл. Сборник . задач и заданий с ответами и решениями. (По материалам международных у физических олимпиад 2000—2003 гг.) i'* Методический справочник’ vm-iTona / Сост.; М. Ю. Демидова, ' В. А. Коровин. ISBN 978:5-346-00773-9 007739 : ■ -■ -lir.-' ‘ Vi^>A:s