Учебник Физика 7 класс Белага Ломаченков Панебратцев

'ФГОС ф в. в. Белага И. А. Ломаченков Ю. А. Панебратцев Физика 7 класс Учебник для общеобразовательных организаций Рекометовйио Министрравом обраловоиия и науки ^хсийской Федерации 2-е издание Москва «Просвещение» 2014 УДК 373.167.1:53 ВВК 22.3я72 В43 Серия учебно методических комплексов «Сферы* основана в 2003 году Руководители проекта: чл.-корр. РАО, д-р iTorp. наук В. //. Дроноа, чл.-корр. РАО, д-р. пед. наук А. М. Кондаков На учебник получены положительные экспертные ааключения по результатам uay'iuoii (заключение РАН № 10106-5215/7 от 29.09.2011 г.), педагогической (заключение РАО № 01-5/7д-329 от 17.10.2011 г. и № 314 от 29.01.2014 г.) и общественной (заключение РКС № 295 от 07.02.2014 г.) экспертиз. Белага В. В. В43 Физика. 7 класс : учеб, для общеобразоват. организаций / В. В. Велага, И. А. Ломаченков, Ю. А. Панебратцев. — 2-е изд. — М. : Просвещение, 2014. — 144 с.; ил. — (Сферы). — ISBN 978-5 09 032982-8. Данный у'|ебник начинает линию у'1ебно методических комплексов «Сферы» но физике. Издание нод1хт>влено в сххггвететвии с Федеральным государственным образовательным стандартом основного общего образования и освещает вонросы курса физики для основной школы. Материал учебника направлен на формирование первых научных представлений о физических законах и явлениях и основывается на достижениях современной физики и техники. Главными особенностями данного учебника являются фиксированный в тематических разворотах формат, лаконичность и жесткая структурированность текста, разнообразный иллюстративный ряд. Исполизовапие электроппого приложения к учебнику позволит значительно расширит!, информацию (текстовую и ви.зуал1лую) и паучипхгя применят!, ее при решении разнообразных физических .задач и подготовь творческих работ. УДК 373.167. li-W ББК 2‘2.3я72 ISBN 978-5-09-032U82-8 О Издательство «Просвещение», 2013, 2014 О Художественное оформление. Издательство «Просвещение», 2013, 2014 Все права защищены СОДЕРЖАНИЕ Введение ......................................5 1. Что изучает физика.........................8 2. Некоторые физические термины..............10 3. Иаблюление и опыт ........................12 4. Физические величины и их измерение........14 5. Измерение и точность измерения ...........16 6. Человек и окружающий его мир..............18 Подведём итоги............................20 7. Строение вещества ........................22 8. Молекулы и атомы..........................24 9. Броуновское движение. Диффузия............26 10. В.заимное притяжение и отталкивание молекул...................................28 И. Смачивание и {саниллярность ...............30 12. Агрегатные состояния вещества............32 Подведём итоги............................34 13. Механическое движение....................36 14. Скорость.................................38 15. Средняя скорость. Ускорение..............40 16. Инерция..................................42 17. Взаимодействие тел и масса...............44 18. Плотность и масса........................46 Решение задач.............................48 Подведём итоги............................50 19. Сила ....................................52 20. Сила тяжести.............................54 21. Равнодействующая сила....................56 22. Сила упругости...........................58 23. Закон Гука. Динамометр...................60 24. Вес тела. Невесомость....................62 25. Сила трения..............................64 26. Трение в природе и технике...............66 Подведём итоги............................68 27. Давление.................................70 28. Способы увеличения и уменьшения давления..................................72 29. Природа давления газов и жидкостей.......74 30. Давление в жидкости и газе, .^кон Паскаля.76 31. Расчёт давления жидкости на дно и стенки оюсуда ...................78 32. Сообщающиеся сосуды......................80 V. ДАВЛЕНИЕ ТВЕРДЫХ ТЕЛ. ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ 33. Использование давления в технических устройствах..................82 Подведём итоги.............................86 34. Вес воздуха. Атмосферное давление........88 35. Измерение атмосферного давления. Опыт Торричелли............................90 36. Приборы для измерения давления...........92 Подведём итоги.............................94 37. Действие жидкости и газа на ногружённос в них тело..................96 38. Закон Архимеда...........................98 39. Плавание тел. Во.здухоплавание .........100 Решение задач.............................102 Подведём итоги............................104 40. Механическая работа.....................106 41. Мощность................................108 42. Энергия ................................110 43. Потенциальная и кинетическая энергия....112 44. Закон сохранения механической энергии...114 45. Источники энергии.......................116 46. Невозможность создания вечного двигателя.........................118 Подведём итоги............................120 47. Рычаг и наклонная плоскость.............122 48. Блок и система блоков...................124 49. ♦Золотое правило* механики..............126 50. Коэффициент полезного действия..........128 Решение задач ............................130 Подведём итоги............................132 Имена в истории физики.......................133 Заключение...................................139 Предметно-тематический указатель ............140 ВВЕДЕНИЕ Доро1ие ребта! Сегодня вы начинаете изучать новый ттредмет — физику. Оюво «физика» происходит от греческого слова physis — природа. С древних времён люди пытались понять: как и почему происходят различные природные явления; как летают птицы и почему они не падают; как может дерево пл1>тл> по воде и почему оно не тонет. Такие природные явления, как гром и молния, солнетное и лунное затмения, ттутали людей, тюка учёные не выяснили, как и по'тему они возникают. Изучая физику, вы тоже сможете объяснить многие явле ния, которые происходят вокрут. Физика изучает прсктейшие и вместе с тем общие закономерности явлений природы. Понятия физики и её законы лежат в основе всего естествознания. Знания по физике будут вам необходимы при изу>1ении многих прещметов и помогут глубже понять процеса.1, которые изучает география, биология, химия. Физика — это эксттериментальная наука. Её законы осно вываются на фактах, усгатювленных при тюмощи опытов. Открывая физические закотвя, человек смог применять их для своих целей: создал мощнейшие машины и механизмы, научился управлять внутриядерной этюргией, вьвиел в космическое пространство. Работа технических устройств, с которыми человек аалки-вается дома, на работе и на улице, без которых сегодня не мыслима жизнь человечества, основана на правильном применении законов природтя, изучаемтях физикой. Физика — то'тная наука и изу^тает количественные законо мерности явттений, которые записываются в виде формул, по--зтому физика «говорит» тта языке математики. Современная физика — это бурно развивающаяся наука, охватывающая многие области знаний >теттове>тества. Усвоить материал, содержащийся в учебнике, вам потжзгут тетрадт. пракгикум, тетрадь-треттажёр, тетрадь-экзаметтатор, задачник, а также эттектрсжное ттриложение, которые составляют единый комплект. Желаем вам успехов на пути полу'тения новых знаний! 1 J bi ■* r ФИЗИКА В КОТОРОМ что ИЗУЧАЕТ ФИЗИКА НЕКОТОРЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ 1ЕРМИМЫ НАБЛЮДЕНИЕ И ОПЫТ ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ И ИХ ИЗМЕРЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЕ И точноаь ИЗМЕРЕНИЯ ЧЕШВЕК И ОКРУЖАЮЕЦИЙ ЕГО МИР вы УЗНАЕТЕ: О Чго изучает физика. 9 Какие основмые виды физических явлений встре‘1аются в окружающем нас мире. 9 Какие науки о природе вам известны? Ломоносов Михаил Васильевич (1711-1765) Учёный-естествоиспытатель, первый российский академик Петербургской академии наук; реформатор русского языка, поэт, художник. По словам Л. С Пушкина: «Он создал 1к?рвый униворси101. он, лу^ше сказать, сам был первым нашим университетом». У Аристотель (384-322 и. до н.э.) Великий древнегреческий мыслитель. В своих трудах обобщил достижения, связанные с суще-авуюн^ими в то время предаав лениями о картине мира. ЧТО ИЗУЧАЕТ ФИЗИКА Физика — это самая фундаментальная, самая всеобьем/тющая из всех наук, изучаюищя закопоморпости окружаюп(сго нас мира. Геогратрия изучает поверхность Земли, геология — её недра, биолотия — живые организмы, населяющие нашу тита-ногу. А что изучает физика? Ш‘3i'I11jI11Е Само слово «физика» происходит от ттзеческогч) слова physisi, озттачающего ♦природа*. В русский язык это слово ввёл в XVIII в. основоположник российской науки Михаил Васильевич Ломоносов, когда он издал в переводе с немецкого первый учебник физики. Первым это слово использовал в своих трудах один из величайших учёных древности Аристотель в IV в. до н. э. В окружающем нас мире все время происходят различные изменения или явления. Кипение воды в чайнике, таяние мороженого, ттагревание утюга, свечение лампочки, звучание радиоприемника — всё это ттримеры физических явлений в неживой ттрироде. В живой природе тоже постоянно происходят физические явления. Светлячки светятся в темноте, вода поднимается по стеблю растения, внутри нас течёт по сосудам кровь, если рукой в темноте гладить кота, то можно увидеть электрические разряды, соттровождаю-щиеся лёгким потрескиванием. Физика как наука о природе позволяет понять причины явлений, учит их оттисывать, а в некоторых случаях предсказывать их или даже управлять ими. Ki>)i|g!'il!l<4:VilE:i:)j|a.!ril:B В природе происходят самые разнообразные явления, которые можно ра.зделить на механические, тепловые, электромат'нитные и световые. Их изучают различные разделы физики. Движение планет, полёты самолётов и ракет, плавание судов и т. д. — всё это примеры .механичсстсих яв-леттий. Раздел физики, в котором они изучаются, называется «Механитса*. Такие явления, тсак испарение воды, превращение ее в лёд, ттлавление металлов, процессы физического выветривания горных пород и т. д., называют тепловыми. Они изучаются в разделах «Термодинамитса* и «Молекулярная физика». Электромаптитными называют явления, связанные с взаимодействием и движением электрически заряженных частиц. Например, молнии, полярные сияния, поведение стрелки компаса и т. д. Они изучаются в разделе «Электродинамика». К световым относится явления распространения, излучения и поглощения света. Солнечный свет, солнечный зайчик, радутт! — примеры световых явлений. Они изучаются в ра.зделах «Оптика» и «Квантовая фи.зика». Почему светит Солнце и звёзды? Почему вода может быть жидкостью или твёрдым телом в виде кусочка льда? Почему даже при комнатной температуре металл ртуть является жидким, а чтобы расплавить железо, надо нагреть его до очень высокой температуры? Для того чтобы ответить на подобные вопросы, физика изучает строение вещества. Изучив внутреннее строение тел, можно объяснить многие их свойства, а также создать новые вещества с нужными свойствами — прочные сплавы, жароупорные материалы, пластмассу, искусственные волокна. ЧIJиi: NiiЬ)Знания о физиче- ских явлениях, накопленные человечеством, не устаревают с течением времени. Новые открытия в физике не отменяют открытия, сделанные ранее, а только дополняют их, углубляют наши представления об окружающем мире. Именно физические открытия явились причиной технического прогресса человечества. Открытие законов механики позволило создать сложнейшие механизмы. Открытия в термодинамике позволили человечеству овладеть тепловой энергией. Понимание природы электромагнетизма позволило исполызовать в практических целях электрический ток и стало причиной технической революции, преобразившей жизнь всего человечества. Такие привычные с.егодня технические устройства, как мобильные теле<1)оны, компьютеры, лазеры и многие другие, появились вследствие открытий в квантовой физике. , .'Задача курса физики состоит в том, чтобы познакомить вас с теми физическими явлениями, с которыми вы сталкиваетесь в жизни, которые лежат в основе действия многих технических устройств, используемых на производстве и в быту. И.зучив данный курс, вы получите представление о многих очень важных законах физики и усвоите то, что нужно любому современному человеку, кем бы он ни работал. О Что такое физика? О Какую роль играет физика в по-зттании окружаю(1(их явлений? вы УЗНАЕТЕ: О Чго гакое фиаич^чжио термины. 9 Что такое физическое тело, вещество и материя. О Из чего соаоит ве»цеаво. Что изучао! физика? Одно из наиболее распространенных предаавлений дре««ости заключалось в том. 410 всё в мире соаоит из четырех злемешоо (стихий): воды, огня, воздуха и земли. Учёные рассуждали так; при горении деретза сначала поднимается дым (воздух), а затем возникао! пламя (огонь). При этом на холодной поверхности, оказавшейся рядом с luiaMOHOM. образуется влага (вода), а после сгораттия дерева образуется зола (земля). И потому основными элеметттами следует считать огонь, воздух, воду и землю. I НЕКОТОРЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ Когда человек появляется на свет, он воспринимает окружающий мир через ощущения. Постепенно в его сознании (|>орми-руются образы разли*1ных предметов, которые его окружают. Позднее человек связтявает .эти образтя со словами, обозначающими эти предметьт. И только потом он начинает узнавать и использовать различньте понятия. Понятиями принято называть обобнзения разных пртедметов и явлений по оттределён-ным признакам. Ромашка, колокольчик, роза — это цветы. Цветок — это понятие. У разных людей с одним и тем же понятием могут быть связаны разные образы. Например, машина — это и игрушка, и автомобиль, и стиральная машина, и т. д. Особенностью языка науки является использование специальных слов, которые всеми понимаются одинаково. Их называют научными терминами. Термины — это слова или словосочетания, обозначаюп^ие определённые понятия какой-либо области науки, техники и искусства. Они необходимы для то1Ю, чтобы люди, использующие эти слова, точно понимали, что они обозначают. Например, понятие «сила* мы используем, говоря; сила воли, сила ветра и т. д. В физике используется термин «сила*, обозначающий физическую величину, с которой вам ещё предстоит познакомиться. ФИЗИЧЕСКОЕ ТЕЛО Одной из главных целей науки является нахождение общих закономерностей, описываю-1ЦИХ окружаюпщй нас мир. Зная их, можно не только объяснять многие явления, но и делать прогнозы. В физике любой из окружающих нас объектов (карандаш, каплю воды, целую планету) принято называть физическим телом или просто тело.м. Каждое из них имеет собственную форму и объём, а также обладает набором своих индивидуальных свойств. Это может быть цвет, прозрачность, масса, электрический заряд. Мы знаем, что и подброшенный вверх ка.мень, и подброшенный вверх мячик, и подброшенное вверх яблоко упадут в конце концов на землю. Использование термина «физическое тело* позволяет нам обобщить три этих явления и сформулировать общую закономерность: подброшенное вверх физическое тело упадёт па землю. ВЕЩЕСТВО Всё то, из чего состоят физические тела, называют веществом. Железо, стекло, пластилин, резина, ВО.ЗДУХ, вода — это ра.зличпые виды BentecTBa. в тсчснио жизни человек сталкивается с огромным числом разных веществ. Насколько их много в окружающем нас мире? Это число конечно или веществ бесконечное множество? Эти вопросы волновали человечество с самых древних времён. В V в. до п. э. древнегреческий философ Демокрит выдвинул гипотезу о строении вещества. Согласно легенде, он задался вопросом: что получится, если разрезать яблоко пополам, потом половинку ра.зрезать ещё раз пополам и т. д.? Сможем ли мы резать яблоко до бесконечности, или существует предел его деления, которым является мельчайшая частица? Филосюф пришёл к выводу, что должен существовать предел деления. Самую маленькую частицу вещества, которую нельзя разделить на части, Демокрит назвал атомом. Слово «атом» в переводе с греческого означает «неделимый». Сегодня уже достоверно известно, что вещество в окружающем нас мире состоит из атомов. Атомов различных видов всего около 100, по они могут объединяться, образуя огромное множество разнообразных молекул, которые, в свою очередь, являются мельчайшими частицами вещества. Атомы современная наука уже нс считает неделимыми, они сами состоят из более мелких составляющих — электронов и ядер, а ядра — из протонов и нейтронов. Ещё около 50 г. до н. э. была написана знаменитая поэма «О природе вещей», в которой её авюр 1ит Лукре«4ий Кар изложил великие научные доаижения Антишюсги. Глубина и точность мыслей поэмы до сих пор поражают читателя. ...Гели не будет затем нкнего наименьшего, будет Из бесконечных чааей состоять и мельчайшее тело: У половины всегда найдётся своя половина И для деления нигде не окажется вовсе предела. Чем отичишь ты ют да наименьшую часть от Всслен1юй? Ровно, поверь мне, ничем. Потому что, хотя никакого Нет у Вселенной конца, но ведь даже т^/ъчайшие вещи Из бескоттечных частей состоять одинаково будут. (Перевод Ф. А Петровского) Всё то, что существует во Вселенной незави- Демокрит (VB. до н. э.) Древнегреческий философ материалист, один из первых пред-аавителей учения о том, что материя соаоит из чрезвычайтю малых частиц На сегодняшний день известно около ста различных атомов, из которых соаоит вся наша Вселенная. Атомы настолько малы, что их невозможно увидеть невооружённым глазом. В зависиткюсти от того, атомы какого вида и в каких соотношегтиях входят в соаав ве щества. это вещество будет обла дать теми или иными свойствами. Размеры атомов можно предаавиш себе, приняв следуювюе сравне ние. Гели обычное яблоко увели-WTb до размеров Земли, то сами атомы аанут размером с яблоко. О • симо от нашетчэ сознания, называют материей. Материя является более обтцим понятием, чем вещество. Материальны, т. е. действительно существуют в природе, растения, мсивотные, планеты, различные предметы. Вещество — это один из видов материи. Примерами материи также являются свет, радиоволны, которые передают сигнал от радиостанции к радиоприёмнику, излучение в микроволновой печи и т. д. вы УЗНАЕТЕ: О Чго гакое наблюд^и^ и опмг. О В чём разлтие между наблюдением и опытом О Что такое гипотеза. О Что такое измерительные приборы. О Какую роль играют ттаблюдение и опыт в получении знаний об окружающем нас мире. О Какие явления изучает физика? Галилео Галилей (1564-1642) Великий итальянский физик и аароном, впервые применив ший экспериментальный метод исследования в науке. Ч. НАБЛЮДЕНИЕ И ОПЫТ Физика как современная наука берёт начало с трудов великого итальянского учёного Г. Галилея. В отличие от своих предшественников, для которых критерием истины была строгая лотика умозаклю‘1ений, он опирался также на наблюдения и эксперимент. ■ Начальные знания об окружающем мире мы получаем из наблюдений за явлениями. Но сами по себе наблюдения не могли привести к построению физической картины мира, хотя и сыграли огромную роль, прежде всего в астрономии. ■ Накопив за время наблю- дений определённые сведения о явлении, мы пытаемся выяснить, как ото явление протекает и почему. В ходе таких размышлений рождаются различные предположения о сути наблюдаемого явления, которые называются гипотезами. Для тот'о чтобы проверить т’инотезу, ставят спеттиальные опыты, которые также называют экспериментами. Во время опытов обычно производят измерения. Опыты преднолат'ают наличие цели, плапа действий и специального оборудования. Наблюдая за кораблями, которые исчезали за горизонтом, человек ещё в древности предполагал, что Земля имеет округлую форму. В IV а до н. э, греческий философ Лриаотель, наблюдая за тенью .Земли при лутттюм затмении, утверждал, что Земля должна иметь форму шара. Опыт, подтвердивший данную гипотезу, был поставлен в сере дине XVI в. Это было ттервое кругосветное путешествие, которое осуществитт ттортуталикий морсштаватстть Фернато Mawnnan. Космические снимки Земли етт(ё раз наглядно подтвердили ттрави/тытость этой титютезы. Выдвигая ту или иную гипотезу, мы с помопщю эксперимента можем либо ее подтвердить, либо опровергнуть. Таким образом, знание рождается в результате следующей последовательности шагов: наблюдение * гипотеза -► эксперимент » вывод ФИЗИЧЕСКИЙ ЗАКОН После происдсиим эксперимента и анализа результатов измерений делается вывод о свойствах изучаемого физического явления. Как правило, этот вывод записывают в виде математической формулы и называют физическим законом. Физические законы не только позволяют описать изучаемые явления, но и в ряде случаев дают возможность предсказать новые, ранее не известные явления. В любом случае, для того чтобы знания о физическом явлении стали законом, требуется экспериментальная проверка. Именно поэтому физику называют экспериментальной наукой. ■ 'ilel'.ia Для измерений, проводимых в ходе эксперимента, необходимы измерительные приборы. Некоторые из них достаточно простые. Это линейка, весы, мензурка. По для более точных и сложных измерений используют сложные приборы. Например, различные приборы для измерения времени, скорости, давления во.здуха. v В качеаве одного из самых древних измерительных приборов можно рассматривать обычные часы. Для измерения времени в разные времена люди ииюльзо вали разнообразные конарутавти часов. Это были солнечные, песочные. водяные часы. Taicxe известны часы в виде свечей, на которых делались временные засе'ки. ио1езающие по мере сго-рат<ия свечи. В наше время часы предаавляют собой более сложные и точные механизмы и бываю! кварцевые, мехаш^еские. электронные и пр. За падением тел люди наблюдают с начала своего сутт(еавования. Одновременно вознтвити два вопроса; почему тела падают и от чего зависит скорость падения тел? Над этитии воттросами размынлтятти еще древнегреческие у^тёнме. Лристо тель выдвинул гипотезу о том. что падение тела проиаодит тем быстрее. чем тяжелее само тело, (алиттоо 1аттиттой был тте сотласотт с выводами Ариаотеля и провёл опыты, пытаясь тюдтвердить или ентроиеротуть ото (итютезу. По лс генде. он бросал легкие и тяжелые тепа со зттаметтитой Пизанской бэштти и уаановил. что и тяжелые, и лёгкие тттары доаигают земли тточти одтюврометттто. Нсботтьшос разли'тие во времегти падения связано с сотфотивлением воздуха. 1аким образом ттри тюмощи экотс римегтта Галилей опроверг гипотезу Ариаотеля. О Что является источником ттолу-чения знаний об окружаютт^ем нас мире? О Чем отл^ртается наблюдение от эксперимента? О Что такое титютоза? О Для чего нужны измерительные ттриборы? вы УЗНАЕТЕ: О Что тако(^ фитичоская йт>личина и её едини1Ц>1. О Что такое Международная си-аема едини1( (СИ). О Как можно измори1ь физическую вели*»1ну. 9 Как МОЖ1Ю сравнивать физиче скио величины. 9 Что такое физическое тело? <1^ Что такое физическое яшкнтие? 9 Сколько сантиметров содержится в метре? 9 Сколько миллиметров содержится в сатпиметре? До т^тинятия метрической системы (такой, как G1) люди разных пран пользовались своими единицами. Например, для измерения длины на Руси исполкзовали пядь, аритп. локогь. сажень. В Ант ттии — дюйм. ярд. фуг. Чаще всего эти размеры соответствовали размеру ттредме тов. которые всегда были под рукой, а еи(ё чатт(е — размерам, которые можтю ттоказать рукой. ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ И ИХ ИЗМЕРЕНИЕ Все физические тела обладают ттабором определётттттях свойств. Все физические явления протекают во времени. Задача физики — ттонять ттричины тех или итттях физтпеских явттений и описатт> их. Для описания какого-либо свойства физютеского тела и явления служит физическая величина. Одна и та же физическая величина используется для характеристики одного и того же свойства ра.зличньтх физических явлений и тел. Наттример, мы можем говорить о длине тпага, длине стола, длине доски. При этом значения выптеперечис-ленных длин будут разными. Для того чтобы количественно описать физическую величину, необходимо знать её числовое значение и единицу физической величины. Говоря о том, что урок в школе длится 45 минут, мы описываем физическую величину время. Сочетание «45 минут* — это время, показывающее длительность урока, состоящее из числового значения — 45 и единиц времени — минут. !i:H^r-r.lc!>L!l:f.’7iT'l:!ji':j'>l!IPI Говоря о значении физической величины, мы всегда должны учитывать, в каких единицах она выражена. Для каждой физической величины существуют свои единицы. Например, единицами длины могут быть сантиметр, .метр, километр. Что же в этом случае означает измерить физическую величину? Измерение физической величины — это сравнение ее с эталоном. Ужо более двух веков все страны мира стремятся использовать одинаковые эталоны для измерения основных физических величин. Для этого и была создана Международная система единиц СИ (система интернациональная). Единицы СИ Единица дговм Едимица цромсни Единица массы Meip (1 м) Соку|ща (1 с) Кижхрамм (1 кг) Ек:ли сравнивать длину какого-либо тела с эталоном метра, мы получим длину, выраженную в метрах. КРАТНЫЕ И Итак, эталоном длины Название приставки служит метр. Но ведь существуют тела, обладаюнще совсем маленькими или очень большими размерами. Так, длина инфузории-туфельки, которая составляет примерно 0,0002 м, очень мала, _____________ ______ а длина экватора .'^мли, составляющая 40 075 696 м, — вели1са. Эти величины часто неудобно выражать в метрах, поэтому для та1сих целой используют единицы, которые могут быть меньше метра в 10, 100 и т. д. раз (их называют дольными), или больше метра в 10, 100 и т. д. раз (их называют кратными). Например, километр является кратной единицей для метра и равен 10(К) метрам. При этом в названии «километр» появилась приставка «кило», которая и определяет, насколько одна величина больше другой. Для того чтобы величину, выраженную в метрах, перевести в сантиметры, необходимо её значение умножить на 100. В этом случае число 100 называют множителем. В качестве примеров дольных единиц можно рассмотреть: единица в тысячу раз меньше метра называется миллиметр, в миллион раз меньше метра микрометр или кратко — микрон, в миллиард раз меньше метра — нанометр. ДЕЙСТВИЯ НАД ФИЗИЧЕСКИМИ Нельзя напрямую сравнивать две физические величины, выраженные в разных единицах. Например, расстояние между школой и домом одного ученика равно 1 километру, а расстояние от школы до дома другого ученика — 1100 метров. Как понять, кто живёт дальше от школы? Чтобы сравнение было правильным, нужно сначала выразить значения величин в одинаковых единицах: 1 км = 1000 м; ШЮ м < 1100 м. При .этом всегда надо помнить, что нелызя сравнивать неоднородные величины, например такие, как масса и расстояние, или расстояние и время. Такое сравнение не имеет никакого смысла. Таблица перевода различных единиц измерения длины в метры Название единицы, кратной или дольной метру милгатметр (мм) сантиметр (см) Для того чтобы зафиксировать единицы СИ. были созданы их ме>кдународные эталоны, которые хранятся во Франции в городе Севр. Исюричоски мсф. кило1рамм и секунда определялись следую щим образом: метр — это одна сорокамиллионная чааь длины Парижского ме ридиа1га а : килограмм — это масса кубика воды обьёмом КЮО кубических сэнгимегров б ; секунда это 1 /86 400 часть времени обращения Земли вокруг своей оси в . Однако во второй половине XX в. доаижония физики гюзволили вве сти более совершенные эталоны метра и секунды. Так. в 1983 г. за эгатюн метра был принят путь, проходимый светом в пуаоте за 1/299 792 458 долю секунды. О Является ли длитта физической величиной? Поясните ответ. О Является ли деревянная литтейка /утлтой 1 метр эталоном 1 метра? Поясните свой ответ. 9 В каких случаях удобнее исполь зовать кратные и долытые сдиттицы? вы УЗНАЕТЕ: О Что такое шкапа измерительного прибора. <> Что такое цена деления шкалы. О Какие проблемы ло.зникают при изморен ИЯХ. О Что влияет на точность измере ния. о Что такое среднее зттачоние из< мерений. О Что такое измерителытые прИ' (юры? Для записи велитин с уметом по-^ трешности измореттия используют атедующую формулу: А = а ± да. тде А — измеряемая вeли^»*^a, а — результат измереттий. да — потрешность измерений (д — трочоскэя буква «дельта»). ИЗМЕРЕНИЕ И ТОЧНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЯ Если мам псюбхолимо изморить какую-либо физическую во* nweTHMy. мы используем для этого соответствующие измерительные ттриборы. ШКАЛА ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПРИБОРА На шкалах измерительных приборов нанесены штрихи, некоторые из которых подписаны определёнными значениями. Между соседними подписанными штрихами может находиться несколько неподписанных штрихов поменьше. Штрихи и подписанные значения физштеской величины обра.зуют шкалу прибора. Промежуток между двумя соседними штрихами называется делением шкалы. Значение физической велштины, соответствующее самому маленькому делению, называется ценой деления шкалы прибора. Для TOIX) чтобы определить цену деления шкалы прибора, необходимо найти разность двух соседних значений физической величины, которые ука.заны на приборе, и ра.зделить на число делений между ними. Например, на школьной линейке подписаны штрихи с обозначениями «1 см» и *2 см». Между ними находятся 10 неподписанных делений. Следовательно, цена каждогч) деления линейки равна 2 см 10 0,1 см. ПОГРЕШНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЯ \ Производя измерения, необходимо учитывать соотношение значений измеряемой величины и возможностей измерительного прибора. Так, при измерении размеров тол удобнее использовать прибор (линейку, штангенциркуль и т. п.), максимальное значение измерительной шкалы которого превышает значение измеряемой величины. Но и такое измерение не будет абсолютно точным. В физике допускаемую при измерении неточность называют погрешностью измерений. Она возникает, например, в случав, когда измеряемая величина лежит между штрихами шкалы прибора. В этом случае погрешность нс может быть больше цены деления. При этом, даже если нам кажется, что длина предмета в точности совпадает со штрихом на измерительном приборе, погрешность измерения всё равно присутствует, потому что оценка на глаз не бывает идеально точной. Именно поэтому принято считать, что погреш ^ поешь измерений равна половине цены деления шкалы измерительного прибора. Часто нам приходится измерять величины, значения которых больше максимального значения, указанного на шкале измерительного прибора, с которым мы работаем. Например, если необходимо измерить длину большого стола, но под рукой есть только короткая линейка, то нам придется последовательно нри1сладывать линейку несколько раз. При этом с каждым измерением погрешность измерения будет накапливаться. CE?IU Е ЗНАЧШИЕ ИЗМЕРЕНИЙ Чтобы получить более точное значение, измерение производят несколько раз. Иногда для этого даже используют разные измерительные приборы. В результате каждого измерения получают значения, которые могут несколько отличаться одно от другого. Как же понять, чему в итоге равна измеряемая нами величина? Для ответа на этот вопрос вычисляют число, которое называют средним значением. Среднее значение получают следующим обра.зом: складывают результаты всех измерений, а затем полученную сумму делят на количество измерений. Очевидно, что многократные измерения и нахождение их средпе1Ч) значения дадут более точный ре-зультат измерения. " ■ Выполняя из- мерения, всегда нужно быть уверенным, что прибор, которым мы пользуемся, подходит для наших целей. Например, всем нам хорошо знакомы термометры, предназначенные для измерения температуры. При этом для измерения температуры в комнате мы пользуемся одним термометром а , для измерения температуры тела — другим б , для измерения температуры воды — третьим в . © J Срецнео знэчо1ие для /щух измо рений рассчитывают по формуле среднее знач«<ие ишоронис 1 + измерение 2 Т МОИ ФИЗИЧЕСКИЕ иссле;|(овл11ИЯ Определите толщину нити с помощью линейки с ценой деления 1 мм. «ПОМОЩНИК» ^ Плоню обмогайгс нить во круг линейки между штрихами, расаояние между которыми рав1ю О.Ь см. V Посчитайте количеово получившихся ВИ1КОО НИ1И. ^ Рассчитайте толщину нити, раадетмв 0,5 см на количество полученных витков. Определите длину стола, сделав несколько измерений обычной шко/и>ной линейкой. «ПОМОЩНИК» Для определения длины аола приложите линейку не обходимое количество раз. ^ Запишите полученный результат измереттия. > Повторите измерение тте сколько раз. J Вычислите среднее значение. i О Измерить длину стола можтю либо с помощью металлической ру-ттотки. либо с ттомощью короткой линейки с такой же ттеной делегтия. Каким прибором следует воатоль зовэться для полу*к?ния более то>т ного результата? О Как оттрсдоттить сродттое зттачо ттие при нескольких измеретлтях? вы УЗНАЕТЕ: О Каки(> чртыро иам^'ррния им(Н'1 наш мир. О Что такое аепень числа 10. О Как можно сравнить размеры больших и малых тел. Что такое физическое тело? 9 Что такое единицы измереттия? Стивен Уильям Хокинг (р. 1942) Один из наиболее авторитетных у^теттых и извеаных широкой о6-щеавонности физиков юорети ков нашего времетлт. ЧЕЛОВЕК И ОКРУЖАЮЩИЙ ЕГО МИР Для описания размеров тол используют длину, ширину и высоту. Они выражаются в единицах длины. Длину, ширину и высоту принято называть тремя измерениями, а наше про-страттство — трёхтиертттям. 11о с точоттиом вромотти тела мотут менять как своё положение в пространстве, так и свою форму и свои размеры. Время часто называют четвёртым измере-ттиом. ■ Для нас является привычной возможность двигаться вперёд и назад, вверх и вттиз, вправо и влево, т. с. в противоположных направлениях для любого из трёх измерений нашего пространства. Развитие событий по времени идёт только в одпом направлении — из прошлот'о в будущее. Вернуться к каким-либо событиям в прошлом мы можем только в патпих воспоминаниях. Если попытаться продумать последствия путешествий во времени, можно прийти к серьёзным логическим противоречиям. Именно это, по-видимому, послужило причиной гипотезы, выдвинутой выдающимся астрофизитсом Хокинтом, о принципи-азтьной необратимости времени. Согласно этой гипотезе в природе обязан существовать до сих пор не открытый закон, запрещающий перемещение во времени из настоящего в прошлое. Физика — это не свод застывших правил, а живая наука, которая развивается с тетением времени и открывает новые горизоттты позттания. Нобелевский ^ лауреат тю физике Дэвид I росс в коттце XX в. сформулировал 10 ключевых проблем, которые надо ретттиш физикам в следую щем пасячелетуш. Одна из них — почему наша Вселенная имеет одтю временное измеретл1е и три пространственных. БОЛЬШОЕ И МАЛЕНЬКОЕ «Быть может, следует признать тот факт, что время — это одно из понятий, которое определить не возт^жно, и проао сказать, что это ттечто известно нам: это то. что определяет два последовательных события! Дело, одттако, не в том, как дать определение поттятия «время», а в том, как его изме рить. Один из стюсобов измерить время — это использовать не»тто регулярно повторяющееся, нечто ттериодичесхое». Р. ФРЙНМЙИ 1 Нас окружают самые разные физические тела, от очень больших до очень маленьких. Но как сравнить диаметр атома, который в десять миллиардов раз меньше 1 м, и диаметр Земли, который примерно равен 12 700 км? Во-первых, чтобы сравнить две величины, их нужно выразить в одинаковых единицах (в нашем случае в метрах). Во-вторых, хотелось бы избежать записи чисел с огромным количеством нулей (например, в капле воды содержится около 10 000 000 0(К) 000 000 000 0(Ю молекул воды). Для этого мы будем исполызовать .запись болыпих и малых чисел в виде степени числа 10. В этом случае можно сказать, что число молекул в капле воды — 10^^, или величина двадцать второго порядка. Сравнивать величины, которые отличаются по степени числа 10, можно, найдя разницу мемеду показателями степеней. Например, длина плодовой мушки составляет 10 ’ м, а длина нолевой мыши — 10 ' м. Число 10 ' больше числа 10 * в 100 (10^) раз. Это означает, что длина мыши превышает длину плодовой мушки на два порядка. Ш ЛI in ОЖ; I Jj М: 1 i у л :Ж»] А liV! [»] ч I з^ ОМ Л1 i I Д Согласно современным научным представлениям, 13-14 миллиардов лет на.зад произошло событие, которое называют Большим взрывом или моментом рождения нашей Вселенной. За последующее время сформировались атомы различных элементов, звёзды, планеты, многочисленные галактики. На Земле возникла жизнь и, наконец, появился «венец природы» — Человек. Привычными ед1*«ицами длины и времени для человека ЯШ1ЯЮ1СЯ метр и секунда. Дойститслыю, метр — это средний роа трёхлетттего малыл1а, а примерно раз в секунду бьётся человеческое сердце. При этом физические величины, которые встречаются в окружающем нас мире, имеют огромный раэб|юс в .эначеттиях. 1ак. раз1ж>р атома водорода на десять тюрядко» меттьше метра и соаавляет примерно 10 ’®м. А размеры Вселенной, по соере меннтам оценкам, составляют 10^* м. Что касается времени, то разброс в зттачеттиях тторажает воображение тте меньше; время, за которое свет проходит расстояттие 30см. соаавляет 10 ’с (0.000000001 с) или о;щу наттосекуттду. а возраа Земли учёные оценивают в 10'^ с (100 000 000 000 000 000 с). Человек научился со.здавать приборы (ускорители частиц, мощные телескопы и космические аппараты), нозволяютцие ему изучать как тайны строения крошечных атомов, так и .загадки огромттой Бселенттой. И в этом большая заслут'а физики как науки о природе. Трудно себе предаавить промежуток времени 10’* с. По т^тетмю современттых учёных, именно аолько вре мени прошло с настала образования Вселенной. Этот момент современная наука называет Большим взрывом. Л пер^ вые люди на Земле появились митв1ионы лет назад. Чтобы сравнить возраа этих событий, предаавьте. что всё это случилось за один «космический» год. Такую хротюлогию придумал американский астроном Карл Саган. Он описал историю Вселетнюй в мае влабе, при котором одной «космической» секунде соопзетовует 500 реалытых земных лет. По такой хротюлотии тташа Вселенная (тантала своё сущёавование 1 января, а сей^тас у нас на календаре 31 декабря. ?3 часа ?0 миттут. По этой хротюлотии новый «космический» тод ттачттётся через 40 «космических» тяинут. итти через 40 X 60 X S00 = 1 200 000 земных лет. Дття того чтобы сделать короче запись таких чисел, как ЮО. 1000. 10000. 1 000 000 000. их записывают как аепени числа десять Вторая аепень десяти — 100, за-ттисывается как 10^. Соответственно 1 000 000 000 = 10*. Размеры даже очень мэлеттьких тел чаао необходимо выражать в титрах. Так. например, размер микробов в средттем составттяет одну миллионттую ‘тасть метра, или 0,000001 м. Это число также кюжтю выразить стетюттью чиата 10: 0.000001 м = 10* м. О Как при помотт(и аеленей числа 10 записать числа: ао, тысяча, миллион? О Как при помотт^и аеленей числа 10 заттисать чиата: 0.1: 0.01? О Какие объекты являются харак-терттыми /утя микро- и макромира? Вывод Эксперимент Гипотеза Наблюдение Физический знциклоледический словарь ч https://www^lMlzlkacom Архив фотографий НАСА https://apod.nasagov/apod/ archlwplx.html Метрологический музей ГОССТАНДАРТА при ФГУП ВНИИМ им. Я И. Менделеева https://museunrvnllm.ru ПОДВЕДЁМ ИТОГИ ^ Физшса — iiayica о природе, которая изучает физические тела, явления и законы, которым они подчиняются. Всё то, из чего состоят физические тела, называют веществом. Вещество состоит из атомов. Материей называют всё то, что существует во Вселенной независимо от нашего сознания. цЭ Для описания какого-либо свойства физического тела и явления служит физическая величина. ^ Для измерения физических величин используются измерительные приборы. Измерение — это сравнение физической величины с эталоном. ^ При измерении физических величин всегда присутствуют погрешности измерения, которые необходимо учитывать. Электромагнитные Механические Тепловые Световые «ПОДРОБНЕЕ^» Суорц Кл. Э. Необыкновенная физика обыкновенных явлений. Т. 1. — М.: Наука, 1986. Хребтов В. Л. Физика. — СНб.: Издательский дом ♦Литера», 2006. — (Энциклопедический словарик школьника). Энциклопедия для детей. Т. 16. Физика. Ч. 1. Биография физики. Путешествие в глубь материи. Механическая картина мира. — М.; Авапта+, 2000. ВСИЖКЫ для ОБСУЖДЕНИЯ: Q Можно ли получить новое знание, ограми^ваясь только процессом наблюдений? О Проследите за прогрессом испарения воды, налитой в аакан, в двух опытах; а) аакан уаановлен в прохладном месте; б) аакан уаатювлен вблизи горячей батареи отопления. Какой главный вывод вы сделаете? СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА СТРОЕНИЕ ВЕЩЕаВА МОЛЕКУЛЫ И АГОМЫ БРОУНОВСКОЕ ДВИЖЕНИЕ. ДИФФУЗИЯ ВЗАИМНОЕ ПРИТЯЖЕНИЕ И ОПАЛКИВАНИЕ МОЛЕКУЛ СМАЧИВАНИЕ И КАПИЛЛЯРНОаЬ AIPETATHUL СОСЮЯНИЯ ВЕЩЕСТВА вы УЗНАЕТЕ: О Из чего соаоит всщеано. О Как можно экспериманально подтвердить, что вещество состоит из мельчайших чааить О Длл чао нужны научные типо-тезы? Ричард Филипс Фейнман {1918 1988) Выдающийся американский физик Лауреат Нобелевской пре мии самой лреаижной в мире премии в оСмтасти физики. Автор знаменитого учебника по физике. СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА Ео1и бы мы захо1ели в одной короткой фразе передать самое важное научное доаижеиие нашей цивилизации, то что 6т>| мы сказали? Выдающийся физик XX в. Ричард Фейнман на этот BotipcK отве‘1ая 1ак; «Это должна была бы бы1ь фраза о том, что все тела состоят из атомов». ЗАЧЕМ НУЖНО ЗНАТЬ. ИЗ ЧЕГО СОСТОИТ ВЕЩЕСТВО Людей на протяжении всей истории человечества интересовало не только наблюдение и описание физических явлений окружаютцетх) мира, но и понимание причины происходятдетх). Почему пролитая вода растекается, а просыпанный песок ведёт себя соворшоппо по-другому? Почему теплый кусок пластилина легче сжать в руке, чем холодный? Ответ на подобные вопросы можно дать, понимая, из чего состоит вещество. р]щё в Древней Греции около двух с половиной тысяч лет па.зад Демокритом была выдвинута гипотеза о том, что вещество состоит из мельчайших частичек (атомов) и пустот между ними. В научную теорию эта гипотеза превратилась лишь в XVIII—XX вв. Благодаря этой теории можно нс только объяснить oipoMiioc разнообразие явлений окружаюпщго нас мира, но и предсказать, как то или иное явление будет развиваться во времени. Эти знания помогают человечеству создавать новые материалы и технологии, используемые в современной технике, медицине и в быту. ЯВЛЕНИЯ И ОПЫТЫ. ПОЗВОЛЯЮ о СТРОЕНИИ ВЕЩЕСТВА ЛАТЬ ВЫ60 тешз Если бы мы смогли рассмотреть окружающие нас тела через специальный микроскоп с увеличением в миллиарды раз, то увидели бы отдельные атомы и молекулы. Многие примеры подтверждают то, что все вещества состоят из мельчайших частичек. Кажущийся сплошным кусочек резины, из которого сделан обычный воздушный шарик, легко растягивается руками и изменяет свой размер, становясь тоньше. Приложив некоторое механическое усилие, можно также изменить форму куска глины. Форма тела меняется из-за изменения взаимного расположения частичек, из которых состоит тело. Объём тела может изменяться вследствие того, что меняются расстояния между этими частичками. Рассмотрим следующий опыт. Стальной шарик в холодном состоянии свободно проходит через кольцо. Если шарик нагреть, то он расширяется и застревает в кольце. Через некоторое время шарик, остыв, уменьшается, а кольцо, нагревшись от шарика, расширяется, и шарик вновь проходит сквозь кольцо. При нагревании расширяются нс только твёрдые тела, но и жидкости. V Это момсио увидеть иа следующем опыте. На штативе закреплена колба с водой. Колба закрыта пробкой, через которую в сосуд опущена стеклянная трубочка. Уровень воды в трубочке немного выше уровня воды в колбе. Можно заметить, что при нагревании колбы уровень воды в трубочке повышается. Опыты показывают, что при нагревании объём тела увеличивается, а при охлаждении — уменьшается. Чем можно объяснить способность тел изменять свой объём? Дело в том, что все вещества состоят из отдельных частиц, .между которыми есть промежутки. С изменением температуры промежутки между частицами вещества изменяются, поэтому изменяется и объем тела. Рассмотрим ещё один опыт. Если смешать равные объемы воды по 100 мл, то объем смеси получится 200 мл. Теперь в мензурку нальём 100 мл воды и 100 мл спирта. Объём смеси получится не 200 мл, а меньше, так как при слиянии жидкостей их частицы перемешиваются и более мелкие частицы воды размепщются в промежутках между более кругшыми чаеггицами спирта. Г^олнение этих промежутков и способствует уменьшению общего объема веществ. Частицы, из которых состоит вещество, очень малы. Число атомов, которое содержится даже в самом маленьком кусочке вещества, превышает миллиард в десятки тысяч миллиардов раз. Так, в капельке воды число таких частичек достигает 10*=*. Чтобы убедиться в том, что частицы вещества .малы, проведем опыт. В сосуде с водой растворим немного марганцовки. Через некоторое время вода в нём окрасится в малиновый цвет. Отольём немного подкрашенной воды в другой сосуд и дольём в него чистую воду. Получившийся рас- \, твор будет окрашен слабее, чем I первоначальный. Проведём такие переливания несколько раз. Таким образом, в последнем сосуде получим слабо окрашенную жидкость. Несмотря на небольшое количество марганцовки в первом сосуде, малая её часть попала и в последний сосуд. Это свидетельствует о том, что даже кристаллик марганцовки состоит из огромного числа мельчайп1их частичек. Антуан Лавуазье (1743-1794) Вцдаюпиися француюсий хим»«, ос1ювопо;юж11ик совром(Н1мой химии. В 1789 г. оп^ликовал 1руд «Методы ттаименования химических элементов», в котором И.ТЛОЖИЛ теорию элементов как ароительных блоков в химии. Джон Дальтон (1766-1844) Английский физик и химик, ока-.завжий болмтюе влияние на развитие атомистической теории. Ввёл в науку понятие «атомный вес» и первым определил атом-ттые веса (массы) ряда эттеметт-тов. О Из чего состоит вещесттю? ^ Какие опыты подтверждают ги потезу о том, что вещеаво соаоит из тктельчзйших чааиц? О Какой вы можете предложить ттровести оттыт, тюдтверждающий, что между атомами вещеава име ются ттромежужи? МОЛЕКУЛЫ И АТОМЫ О Чго такое молекулы и атомы. О Каковы размеры молекул и атомов. 9 Из чего соаоит вещеаво? - < Дмитрий Иванович Менделеев (1834-1907) Великтм русский химик, открыв ший периодический закон химических элементов, разноаоронний ученый, пецаю! и общоствонный деятель. ‘1 Джон Уильям Стретт лорд Рэлей (1842—1919) Английский физик, член Лондон ского королевского обитеава. Диапазон «о iiayniux итеросов I был очень широк; акуаика, теория колебаний, оптика, электри чоство и т. д. Атомы — это те кирттичики материи, из которых ткхтроен окружаю1Т(ий нас мир. Совромстлтая наука утвстрждаот, что всего в природе существует 92 различных атотиа, ещё около 25 атомов ттовых элементов учёные искусственно создали в своих лабораториях. Все атомы систомати-зировантя тта основе периодического закона, открытого Д. И, Менделеевым. ■ Равмерм атотаов очень малы. Если увели- чить яблоко до размеров земного шара, то размер атома увеличится до размера яблока. Но как из кирпича, дерева, стекла можно построить множество ра.зличных зданий, тате из атомов можно ностроить более сложные соединения — молекулы. Например, молекула воды а состоит из трёх атомов: двух атомов водорода и однотчэ атома тсислорода. Названия различных атомов принято обозначать латинскими буквами. Из курса химии вы узнаете, что воду обозначают символом HgO. Здесь Н — атом водорода, О — атом кислорода. Молекула кислорода б состоит из двух одинаковых атомов кислорода и обозначается 0^. Молекулы одного вещества одинаковы. Например, молекула воды всегда одна и та же: и в воде, и в снежинке, и в паре. 4t U, РАЗМЕРЫ МОЛЕКУЛ Молекулы очень малы. В разнос время для определения размера молекул ставились разнообразные эксперименты. Один из них провёл -К английский учёный 1Ълей. В чистый тнирокий сосуд наливают воду и на её поверхность помещают каплю оливкового масла. Капля растекается по новорхности воды, и обра-зуется круглая плёнка. Постепенно площадь плёнки увеличивается, но затем растекание прекращается, и ттлотт^адь больше нс изменяется. Рэлей предположил, что молекулы масла в этом опыте располагаются в один ряд, т. е. толщина плёнки совпадает с размером одной молекулы. Толщина плёнки (или диаметр молекулы) в данном случае равна отношению объёма капли к площади плёнки. Учитывая значения, полученные в этом опыте, получаем V _ 0,0009 см* S ^ 5500 см"* 0,00000016 см. Когда говорят о размерах молекул или атомов, то в качестве единицы длины используют не метр, а ангстрем (обозначается А), равный 10 '® м, или нанометр, равный 10 ® м. Р1апример, размер молекулы воды равен примерно 3 ангстремам (3 А), а размер атома золота 1 равен примерно 1 ангстрему (1 А). Размеры молекул и аюмов очень малы. Earn onoBcaib земной шар верёвкой вдоль экватора, то её длина окажется во столько раз больше ширимы вашей ладони, во сколько раз штфи«1а ладо*1и больше диамефа аюма. Интересен и такой пример: извеано, что на специальном оборудовании можно получить липки золота толщиной метке 0,01 шм. Но даже у такого тонкого листка колимеаво атомных слоёв сопавляет порядка сотни. Из-.за очень малых размеров молекулы нелызя увидеть невооружённым глазом или в обычные микроскопы. Только при помощи электронного микроскопа удалось сфотографировать наиболее крупные из них. Сам мир молекул и атомов очень разнообразен. Если размер самых маленьких молекул достигает порядка 10 м, то крупные молекулы могут достигать «больших» размеров микрометров (10 ® м). Примерами таких молекул являются белки — это молекулы живой природы, которые состоят из огромного числа атомов. Сами атомы также нс якпяются неделимыми части-т;ами. Отвременные технологии позволяют расщеплять атомы и со.здавать новые .элементы. новой эре — эре нанотехнологий. Нанотехнологии — это область знаний, позволяющая со.здавать материалы из относительно небольшого числа атомов. Физики в настоящее время научились работать с отдельными атомами и создавать из них новые материалы, обладающие качественно новыми физическими, химическими и биологическими свойствами. Как ожидается, нанотехнологии позволят решить мно гие важные для человечества .задачи. Примером одной из наноару1сгур является фулперен, который получил свое название в честь архитектора Б. Фуллера, придумавшего подобные пруктуры для использования их в apxHicKiypo. Фуллерен вненме напоминает футбольный мяч, который состоит из заплаток пяти и шеаиугольной формы. Если предаавить, что в вершинах зюто м1Ю101ранника находятся атомы углерода, то полу-WTCH самый пабильный фуллерен С60. Удивителыме свойства моле кулм фуллерена, связанные с их сфуктурой и прочносп,ю, позволили использовать их для решения самых разных практзяеских задач в технике и тиедишято. о Что такое броуновское движение. О Что такое диффузия. 0 Как скорость диффузии зависит 01 lOMHopaiypti. 9 Что такое молекулы и атомы? О Каковы размеры молекул и атомов? Роберт Броун (1773-1858) Английский ботаник. Основные рэб01Ы посвящены морфологии и сиаематике рааений. БРОУНОВСКОЕ ДВИЖЕНИЕ. ДИФФУЗИЯ Все всщс?ства состоят из мельчайших частиц — молекул и атомов. Опыты показывают, что эти частицы находятся в постоянном движении, которое не может быть обнаружено каким-либо прямым наблюдением; .это явпеттие ттельзя увидеть ни в лупу, ни в мик^юскоп. Однако убедиться, что молекулы движутся, можно косвенным образом, т. е. увидеть не само движеттие молекул, а результат этого движения. К»')Iii ЯК числу основных опытных доказательств тотч), что молекулы вещества находятся в непрерывном движении, относится явление, которое внервые наблюдал английский ботаник Роберт Броун. В 1827 г. Броун, занимаясь и.зучением поведения цветочной пыльцы в жидкос*ти под микроскопом (он изучал водную взвесь пыльцы растения Clarkia pulchella), неожиданно обнаружил очень необычное явление. Отдельные споры хаотично двит'ались без видимых на то причин. Броун наблюдал это явление несколько дней, однако так и не смог дождаться его прекращения. Также он установил, что хаотичное движение частиц пыльцы в воде не связано ни с потоками в жидкости, ни с её испарением. Сначала Броун решил, что в поле микроскопа попали некие живые существа, однако так же вели себя и частички мёртвых растений, засугпенных задолго до этого в гербариях. Броун провёл опыты с мельчайшими ча-I стичгсами угля, сажи, стекла и различных минералов. Он наблюдал беспорядочное движение всех частичек в воде. Описав характер движения частиц, Броун вынужден был признать, что он не знает объяснения этого процесса. Впоследствии это явление назвали броуновским движением. Впервые строгое объяснение броуновского движения дал в 1904 г. польский физик Мариан Смолуховский. Одновременно теорию этого явления ра.зрабатывал Альберт Эйнштейн, осознавая, что оно служит экспериментальным подтвер-яедением атомной теории строения веществ. Эйнштейн объяснил, что взвешенная в воде спора подвергается постоянной ♦ бомбардировке* со стороны молекул воды. Удары молекул в частицу с разных сторон и приводят к скачкообразным перемепщпиям, которые Броун наблюдал в микроскоп. А поскольку молекулы в микроскоп не видны, то движение спор казалось Броуну беспричинным. ДИФФУЗИЯ в сосуд с водой бросим несколько кристалликов марганцовки. Они опустятся на дно сосуда, и вокруг них образуется облачко окрашенной воды. Постепенно окрашивание воды произойдёт во всем сосуде. Аналогичное явление можно наблюдать и на другом опыте. Если удалить разделяющую нереюродку между сосудами, в нижнем из которых находятся пары брома, а в верхнем — воздух, то спустя некоторое время они полностью переметаются между собой. Модель явления диффузии представлена на рисунке 1 . Наблюдаемое явление объясняется тем, что молекулы во.здуха и брома, распложенные возле границы раздела газов, меняются мостами. Двигаясь непрерывно и беспорядочно, молекулы газов постепенно распространяются по всему объёму. Смесь этих га.зов в сосуде становится однородной. Явление, при котором происходит взаим-нос проникновение молекул одного веще-ства между молекулами другого, называют ди(|м})узией. Причиной ди(М>узии является непрерывное и беспорядочное движение частиц вещества. Наиболее быстро диффузия происходит в газах, медленнее — в жгадкостях, а в твёрдых телах — совсем медленно, годами. Таким образом, диффузия является еще одним проявлением движения молекул. Известен опыт, в котором гладко отшлифованные пластинки свинца и золота пролежали друг на друге 5 лет, сдавленные грузом. За это время .золото и свинец проникли друг в друга на расстояние около I мм. ■ 11 iL*Л*I.^:IiiiM IЫi jjПроцесс диффузии ускоряется с повышением температуры. Это происходит потому, что с повышением температуры увеличивается скороеггь движения молекул. Чем выше температура вещества, том быстрое происходит диффузия. Диффузия играет огромную роль в нащой жизни. Кислород и другие питательные вещества попадают в клетки живого организма, в том числе благодаря процессам диффузии. Например, существует так называемое кожное дыхание, при котором человеческий организм получает от 2 до 5% необходимого ему кислорода. Диффузия является одной из причин распространения вредных веществ в окружающей среде. О Каковы причины броуновсхого движения? О Что является npHinnon диффузии? О В 10ПЛОМ или ХОЛОД1ЮМ поме щении запах духов распропраняется быарее? Объясните свой ответ. вы УЗНАЕТЕ; О Как мошчсулм л^^вуют друг на друга. О Когда проявляется притяжение, а когда — опалкивание молекул. О Из Ч(ЧО С0С10И1 всщосшо? О Что такое диффузия? ВЗАИМНОЕ ПРИТЯЖЕНИЕ И ОТТАЛКИВАНИЕ МОЛЕКУЛ Мы узнали, чю все молекулы находакя в сосзоянии непрерывного движения. Однако одни тола сохраняют спою форму и объём, а другие нет. Почему это происходит? ВЗАИМНОЕ ПРИТЯЖЕНИЕ МОЛЕКУЛ Если ножом или лезвием срезать и зачистить до блеска поверхности свинцовых цилиндров, а затем плотно прижать их друг к дру!^, то можно обнаружить, что цилиндры «сцепятся». Сила их сцепления достаточно велика, нри удачном проведении опыта цилиндры выдерживают пятикилограммовую гирю. Результат ноставлениого опыта объясняется тем, что между молекулами существует взаимное притяжение. Каждая молекула притягивает к себе соседние молекулы и сама притягивается ими. Огромное множество молекул внутри вещества притягиваются друг к другу. Если мы .захотим изменить форму какого-либо тела, то нам придётся преодолеть эти силы притяжения. Чем больше молекул и чем сильнее они притягиваются, тем сложнее нам будет это сделать. Почему же, для того чтобы «сцепить* цилиндры, необходимо как следует зачистить их поверхности? Дело в том, что притяжение между молекулами становится существенным только тогда, когда они находятся очень близко друг к другу. На расстоянии, большем, чем размеры самих молекул, притяжение ослабевает. Разбитую чашку нельзя склеить простым прижатием её осколков. Неровности их граней не дают им сблизиться на расстояние, на котором станут проявляться силы межмолекулярного притяжения. Если же прижать друг к другу два куска пластилина, то они не распадутся, так как молекулы сближаютсл на расстояния, сравнимые с их размерами. Металлические детали конструкции соединяют в единое целое благодаря технологии, которая называется сваркой, основанной на притяжении молекул двух веществ, находящихся в расплавленном состоянии. Почти две Tbicflfw лет аоротжики атомиаической теории считали, что атомы в ветцеаве держатся вмеае Олатодаря какой ю атожиой комирукции. 1юхожсй на крючки или специальные зазоры. Английский физик и химик Роберт Бойль, прославившийся своими работами по изучению тазов, писал, что чааицы твердых тел держатся вместе из-за «своей разветвленноаи. неправильной фитуры... и других неудобств формы». Великий английский физик Исаак Ньютон впервые заговорил о том. что возможтто сущеавуют силы притяжения, действующие на столь малых расстояниях, что они до сих пор ускользали от наблюдения. Он же впервые предположил, что эти силы имеют электрическую т^тироду. Но почему, если молекулы притягиваются друг к другу, между ними в вещество имеются промежутки? Если бы молекулы только притягивались, то они должны были бы «прилипнуть» друг к другу, пе оставляя никаких промежутков. Этчэго по происходит, потому что между молекулами (атомами) в то же время существует и отталкивание. Молекулы вещества притягиваются друг к другу и отталкиваются друг от друга одновременно. Что действует сильнее — притяжение или отталкивание, напрямую зависит от расстояния между молекулами. На расстояниях, сравнимых с размерами самих молекул (атомов), заметнее проявляется притяжение, а при дальнейшем сближении — отталкивание. Многие явления подтверждают отталкивание между молекулами. Например, если достаточно сильно надавить на резиновый ластик, то он изменит свою форму. Однако если мы уберём палец, то ластик при.мет первоначальную форму. Это происходит потому, что при надавливании молекулы вещества оказываются на столь близком расстоянии друг от друга, что начинает проявляться отталкивание между ними. о ЮМ, чю можно создаю уаройава и pa6oiaib с объектами, которые имеют наноразмеры, была впервые высказана Ричардом Фейнманом в 1959 г. Не только наблюдать за на»«ообъектами. но и передвигать отдельные атомы стало возможным после создания спе1гиалыюго уарой-ства, которое называю! ска!1ирующим 1у!!нсльным микроскопом. Это изобретение было отмечено Нобелевской премией. Принцип действия этого микроскопа основан тта использовании законов квантовой физики. В разных вездоствах притяжение между молекулами разное. Сломать деревянную палку несложтто. а вот атомать сталытой ттрут руками мы не можем. Роберт Бойль (1627-1691) Английский физик и химик, ТфО атавиттся исатедованиями в обла-сти естественных наук. О Как взаимодейавуют между собой молекулы? О Что произотттло бы с окружаю щим ттас тчиром, сити бы вттезатттю иотезло притяжение между молекулами? вы УЗНАЕТЕ: Q Чго такое смачивание. О Что такое кагитллярноаь. О Как молекулы дейавуют друг на друга? О Когда гровшкгется при1яжсние. а когда — опалкивание молекул? СПЛАЧИВАНИЕ И КАПИЛЛЯРНОСТЬ Если пролить поду на пол, то опа рааочотся лужицей и образует тонкую плёнку. Если же поюлить немного воды на смазанную жиром сковороду, она не расгечётся, а соберётся в круглые капельки. Одна одежда промокает под дождём, а другая нет. вода просто аекает с неё. Почему? Проведём следующий опыт. Смачивание широко иа1ользуо1ся на практике. Материалы, из которых шьётся одежда, защищающая от дождя, плохо смачиваются водой. И наоборот, полотенг^а ШЫ01СЯ из гканой. которые хорошо сма*1иваются. шшшшпшт Поднесём к поверхности воды стеклянную пластинку, подвешенную на пружине. Когда пластинка коснётся поверхности воды, начнём поднимать её вверх. Можно увидеть, что в течение некоторотх) времени пластинка как будто прилипла к воде, и наши усилия только растягивают пружину. Когда же наконец пластинка оторвётся от воды, на об нижней поверхности останется тонкая водяная плёнка. Мы уже знаем, что между молекулами действуют силы притяжения. То, что нам понадобилось приложить определённое усилие для того, чтобы оторвать стеклянную пластинку от поверхности воды, говорит о том, что силы межмолекулярного притяжения в этом опыте действовали между молекулами воды и молекулами стекла. Вода, оставшаяся на стекле после отрыва, свидетельствует о том, что разрыв прои.зошёл именно между молекулами воды. В противном случае стекло осталось бы сухим. Значит, сила притяжения молекул воды к молекулам стекла превосходит силу притяжения молекул воды друг к другу. Явление растекания жидкости по поверхности твёрдого тела называют смачиванием. Зто происходит в том случае, когда молекулы жидкости притягиваются к твёрдому телу сильнее, чем друг к другу. Теперь покроем стеклянную пластинку тонким слоем рас-тителыюго масла и повторим опыт. При вынимании пластинки из воды она останется сухой, а пружина не будет дополнительно растягиваться. Говорят, что тело не смачивается жидкостью, если жидкость нс растекается по поверхности этого тела тонкой плёнкой, а собирается в круглые капельки. Явление несмачивания объясняется тем, что молекулы жидкости притягиваются к молекулам твёрдого тела слабее, чем друг к другу. Явл«ни('м смачивания объясняются многие удивительные факты, присущие жиеой природе. Например, цветки ло тоса, одного № самых красивых водных ранений, остаю1ся ЧИС1ЫМИ в любой воде, даже еои она сильно загрязнена. Дело в том, что капли воды не оиачивают поверхжхль листьев и цветков и ска-тываюкя с них. но онавляя акщов. Не смачиваются водой также перья водоплаваютцих птиц, что позволяет им долго находиться в воде сухими. Прелина плохой сма*мваемости перьев — наличие на их поверхности тонкой жировой плйки. Смачивание влияет на то, какую форму принимает поверхность жидкости в месте соприкосновения с сюсудом. Когда силы межмо лекулярнот'о притяжения в жидкекгги нревы-тпают силы притяжения молекул жидкости и степок сосуда, форма поверхности жидкости в месте соприкосновения становится выпуклой. Если же поверхность сосуда смачивается жидкостью, форма поверхности жидкости будет вогнутой. Долгое время физиков и биологов интересовал вопрос; как мухам удаётся бегать по оконному аеклу и даже ходить по потолку вверх лапками? Как ока.залось, дело не в каких-то особенных присосках. а в смачиваемости. Лапка мухи оставляет как след крохотную капельку вязкой жидкоаи. вы деляемую железами. Иметтно это удерживает муху как тта аскле. так и на тютолке. Смачиванием обусловлено явление, называемое капиллярностью. Капиллярами называют тонкие трубки (от лат. capUlaris — волосяной). По капиллярам смачиваютт;ая жидкость поднимается вверх. Чем тоньше капилляр, тем выше подними ется в нём смачивающая жидкость. Если же жидкость не смачивает ветт^ество, из которого сюстоит капилляр, она опускается по капилляру вниз. Мы нередко сталкиваемся с телами, пронизаттными капиллярами. Ото, например, бумага, пряжа, дерево, кожа и т. д. Капилляры часто настолько тонки, что их нельзя увидеть невооружённым глазом. Ike подобные BeiTtecTBa при соприкосновении с жидкостью впитывают ее в себя. Если маленькую часть кусочка сахара опустить в воду, вода по капиллярам быстро поднимется вверх и весь кусочек сахара намокнет. Похожая картина будет и в случае, когда мы опустим в воду кусочек салфетки или бумажного полотенца. Явление хапиплярности широко распространено в природе. Питательные ве|цеслза раслроараняются по различным частям расюний блатодаря капиллярам, пронизываютцим их. Человек и животное обладают сетью мелких кровеноотых сосудов, называемых капиллярами. Влага поступает к корням рааений через капилляры, пронизывающие по‘ву. Вода Ртуть О Почему капли росы на лиаьях растений имеют форму шариков? О Почему ветер, дуюн(ий над по-верхноаью водоёма, практически не поднимает брызг? вы УЗНАЕТЕ: О Какир су|Ц(ч:твуют соаоя>4ия №-щества. О Каковы свойава твердых тел, жидкоаей и газов. О МОЛОКУЛЯРИОС СТрООвИО 1ВОРДЫХ тел. жидкостей и газов. О № чего соаоиг всщеаво? О Как молекулы дейавуют друг на друга? АГРЕГАТНЫЕ СОСТОЯНИЯ ВЕЩЕСТВА Наш жизненный опыт говорит, что в окружающем нас мире вода может находиться в твёрдом (лёд), жидком (вода) и газообразном (водяной нар) сосюяниях. Легом мы >габлюдаем поду в реках и озёрах, пар содержится в окружающем воз-духе, а зимой воду можно наблюдать в виде снега и льда. Окалывается, что в природе каждое вещество может находиться в трёх состояниях: в твёрдом, жидком и газообразном. Эти состояния называют агрегатными состояниями. В различных агрегатных состояниях всщесп'ва обладают разными свойствами. Так как все физические тела состоят из атомов и молекул, то физические свойства вещества зависят от того, каким образом упорядочены в нём молекулы и как они взаимодействуют между собой. j[ся в отдалённом углу комнаш? ДВИЖЕНИЕ, ВЗАИМО- ДЕЙСТВИЕ, МАССА МЕХАНИЧЕСКО£ ДВИЖЕНИЕ скороаь СРЕДНЯЯ скороаь. ускорение ИНЕРЦИЯ ВЗАИМОДЕйаВИЕ ТЕЛ и МАССА плотность и МАССА вы УЗНГ о Мго такор мРха><ичРское дниж« НИР. О Что такое траектория, путь О Как зависит механическое дви жемие от выСюра тела отсчёта. ватюмчитЕ: о Какие основные единицм G1 вы МЕХАНИЧЕСКОЕ ДВИЖЕНИЕ Вокруг себя мы можем наблюдать множество примеров движения тел: движение автомобиля относительно дороги. Луны вокрут Земли и планет Соштечной системы вокруг Соттнца. Броуновское движение и явление диффу.зии свцдотелт.ствуют о непрерывном движении молекул. МЕХАНИЧЕСКОЕ т1!Г,КЗа!|*,Я Начиная с древних вретутён египтяне, греки и римляне применяли различные простые механизмы в транспорте, строительстве, военном деле. Раздел физики, изучаютт^ий движение тел, называют механикой (от трсч. mechanike — iiayica о машинах). Говорят, что тело движется, если его положение меняется относительно окружаютттих его тел. Мсханичсстсим движением тела называют изменение положения тела в пространстве относительно других тел с течением времени. Говоря о движении тела, обязательно надо указать, относительно каких тел происходит это движение. Представьте себе, что вы стоите на железнодорожной станции и мимо вас едет пое.зд. В этом поезде сидит ваш друг и смотрит из окна на вас. Движется ли поезд? ♦ Конечно, да!» — скажете вы. ♦Пет, пое.зд покоится. Движется перрон, стоящие на нём люди, деревья за окном», — скажет ваш друг. Так кто же из вас нрав? Для ответа на вопрос, покоится тело или движется и как именно движется, необходимо указать, относительно каких тел рассматривается движение тела. Всякое двимсснис тела, а также состояние покоя относительны. Тело, по отношению к которому рассматривается данное механическое движение, называют телом отсчета. За тело отсчёта может быть принято дерево, .здание, Земля, автобус и т. д. При этом само тело отсчёта может двигаться относительно какого-либо другого тела отсчёта. ОПИСАНИЕ ДВИЖЕНИЯ в некоторых случаях при описании движения размеры тола можно нс принимать во внимание и рассматривать его как точку. Например, если требуется рассчитать время двимссния самолёта, летящего из Москвы в Сочи, то в этом случае не важен размер самолёта. Однако при вт>езде в ангар размеры самолёта играют важную роль. ТРАЕКТОРИЯ Когда тело с течением времени изменяет своё положение в пространстве, то оно движется по некоторой линии, называемой траекторией движения тела. Траектория может быть видимой (следы . с1Х)рающих частиц при запуске фейерверков и салютов, следы ручки на бумаге при письме) или невидимой (линия дви-жения автомобиля но доро1Ч}). Форма траектории зависит от выбора тела отсчёта. Например, если за тело отсчёта выбрать вертолёт, то траектория точки на лопасти пропеллера является окружностью. Если же .за тело отсчёта принять Землю, то траектория этой точки будет иметь более сложную форму. ФОРМЫ ТРАВСТОРИИ Прямая ■ Траектория тела характеризу- ется не только формой, но и длиной. Длину траектории, по которой движется тело в течение некоторого промежутка времени, называют пройденным путём. Путь обозначают буквой а. Основной единицей пути в Международной системе (СИ) является метр (м). Также можно использовать и другие единицы длины: миллиметр, сантиметр, километр и т. д. Если траектория тела — прямая линия, то такое движение называют прямолинейным. Если тело за любые равные нромеясутки времени проходит равные пути, то его движение называют равномерным. На практике равномерное движение встречается достаточно редко. Близким к равномерному является движение Земли вокруг Ск)лнца, равномерным можно считать движение эскалатора метро и др. В большинстве cjijrfiaeB движение тел не является равномерным. Поезд, отходя от станции, проходит всё большие и большие пути .за одинаковые промежутки времени. Машина на дороге движется то медленнее, то быстрое. Сосулька, сорвавшись с крыши, проходит разные пути .за одинаковые промежутки времени. Всё это примеры неравномерного движения. Итак, если тело за равные промежутки времени проходит разные пути, то его движение называют неравномерным. А*. Ломаная • Б Кривая МОИ ФИЗИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ Проведите эксперимент, используя линейку и фломастер так. как показано на рисунке. «ПОМОЩНИК» ^ Постарайтесь двитать линейку так. чтобы фломастер катился по аолу без скольж«»ия. Сравните путь, пройденный фломасюром, и ну1ь, пройден ный концом линейки, обозначен ным буквой А. J Обьяснию (юлученный ре зультат. ЕОПРОСЫ: О Что называют MexanniKXKiw дви жет<ием? О Почему, говоря о движентм тела, обяза1слыю надо указа1ь, отоси тельно каких тел происходит это доижение? О Чю называют путём, пройденным телом? О Какое движеттие называют рав номерным? Q Какое движение называют не равномерным? вы УЗНГ о Чго такое скорость. 9 Как можно определить асороаь движения тел. О Каковы единицы скороаи. 9 Как вычиа1И1ь скороаь тела при равномерном движении. 9 Как гюстроить графики зависи мост скорос1и от времени. 9 Как построить графики .зависи мости пут от времени. ЗСПОМИ1ГГЕ: 9 В каком случае тело движется равномерно? 9 Что такое путь, единицы пути? I 3d одтю и то же время различные тела могут проходить раз-1Н>10 расстояния. За 5 мин движония поезд прошёл болыттос расаояние, чем проехал велосипедист, а велосипедист — большее расстояние, чем пролетела муха. Значит, одтто и то же расстояние поезд проезжает бтястрее, чем велосипедист, а велосипедист — быстрее, чем пролетает муха. В окружающем нас мире ветре чаются самые разные скорости Так, черепаха может ползти со скоростью от 0,0Ь до 0,14 м/с Идущий в средттем темпе человек движется со осороаью 1,4 м/с Скорость теттэрда может ттревы тттать 30 м/с. Скороаь ветра во время урагана может превышать 32,6 м/с. Звук в воздухе распро-араняется со скоростью приблизи тсттыто 333 м/с, а Земття движется вокруг Солнца со скороаью около 30 000 м/с. Скорость света в вакууткте — самая болыттая скорость во Вселенной — равтта 299 792 458 м/с ПОНЯТИЕ СКОРОСТИ в физике быстроту исрсмсщсиия тела характеризует такая величина, как скорость. Например, человек может за время 1 ч пройти путь 5 км, автом^иль за это нее время моясет проехать 60 км, а самолёт пролетит 850 км. Тогда говорят, что человек движется со скоростью 5 километров в час, скорость автомобиля составляет 60 километров в час, а скорость самолёта — 850 километров в час. Скорость при равномерном движении тела показывает, какой путь проходит тело за единицу времени. Тате кате при равномерном движении тело за равные промежутки времени проходит равные пути, то скорость при таком движении отсазывается постоянной. Для того чтобы оттределить скорость тела при равно-мерттом движении, необходимо путь, пройденный телом, разделить на время, за которое этот путь пройден: скорость = путь время 1:^11 В Международной системе еди- пиц (СИ) за с;ии1И1^ скорости принимают скорость такотю равномерного движения, при котором движущееся тело за 1 секунду проходит путь, равный 1 метру. Эту единиду называют 1 метр в секунду и обозначают 1 м/с. Очень часто используются и другие единит^ы скорости: километр в час (км/ч), километр в секунду (км/с), сантиметр в секунду (см/с). При выборе разных едиттиц скорость тоже будет иметь разные численные значения. НАПРАВЛЕНИЕ СКОРОСТИ Величины, которые, кроме числового значения (модуля), имеют ещё и направление, называют векторными. Числовое значение векторной величины также называется модулем вектора. Скорость, кроме числового значения, всегда имеет направление, следовательно, скорость — это векторная величина. Именно поэтому скорость обозначается 1сак !Г (со стрелочкой), а её модуль как v (без стрелочки). Говоря о модуле скорости, мы можем понять, насколько быстро или медленно двиясется физическое тело. Для решения большинства .задач необходимо ещё знать, куда направлена скорость тела. Кро.ме скорости, существуют и другие векторные физические величины, которые характеризуются числовым значением и направлением (с ними вы познакомитесь чуть позже). Вместе с тем существуют и другие физические величины, которые не имеют направления, а характеризуются только числовым значением. Такие физические величины называют скалярными. Примерами скалярных величин могут служить путь, объём, площадь и т. д. ГРАФИКИ ЗАВИСИМОСТИ ПУТИ И СКОРОСТИ от ВРЕМЕНИ Путь, пройденный телом, и скорость его движения с течением времени могут изменяться. Для большей наглядности эти изменения часто изображают графически. Для построения графиков на горизонтальной оси (абсцисс) откладывают время, а на вертикальной оси (ординат) — путь, пройденный телом, или его скорость. ('рафик зависимости скорости от времени при равномерном движении — это прямая, параллельная оси абсцисс. Действительно, с течением времени скорость при таком движении остаётся постоянной. График .зависимости пути, пройденного телом, от времени при прямолинейном равномерном движении — это прямая, расположенная в первой четверти координатной плоскости и проведённая из начала координат. Действительно, при движении тола с постоянной скоростью с течением времени путь, пройденный телом, увеличивается. Причём эта .зависимость прямая, так как она описывается уравнением s vl. . График зависимости скорости тела от времени при равномерном движении График зависимости пути, пройденного телом. -•Г* S, м 10- 10 8- 80- 6^ 60- Л 1 40- 20- 0 2 4 6 8 10 /. с 0 6 8 10 с Изучите процесс падения мыльного пузыря и ответьте на вопрос. является ли его движение равномерным. «ПОМОЩНИК» J В качество оборудования используйте рулетку, секундомер, 1лалы1ый раствор и трубочку для выдувания пузырей. ^ Для гюлучения долгоживущих пузырей добавьте в раствор не много глицерина. График зависимости пути от времени при равномерном движении Поезд Волосинедис1 Муха 5 6 т, с ВОПРОСЫ: О Что показывает скорость тела при равномерном движении? О Одинакова ли скоросп> тела в начало и конце любою отрезка пути при равномерном движении? <> Каковы едтв1тяты скорости в СИ? вы УЗКАЕТГ о Как можно опр^^лолить срс'лиюю скороаь при норашомсрном пря молинейном движении тела. О Что такое ускорение. BCnOML:jiF£: О В каком а1учэе тело движокл неравномерно? 9 Что такое путь? О Что такое скорость? О Каковы единицы скороаи? О Как опредоли1ь скорость тела при рав»К)мерном движении? СРЕДНЯЯ СКОРОСТЬ. УСКОРЕНИЕ В окружаютцом нас мире мы крайне редко сталкиваемся с равномерным движени(>м. Обычно скорость тела изменяется с те1енисчи времени, и за одиттаковые промежутки времсчти тело проходит неодит1акоп1>1е пути. Такое движение является нерав-ттомерным. Однако никого не удивляет, когда мы говорим, что ехали на автомобиле со скоростью 60 км/ч, хотя при этом подразумевается, что мы и тормозили, и останавливались перед светофорами, и вновь ускорялись. О какой же скорости тогда идёт речь? Для характорис*тики исрашюмср-ного движения вводят понятие средней скорости. Средняя скорость тела при неравномерном движении находится так же, как и стсорость при равномерном движении, т. е. весь пройденный телом путь необходимо разделить на полное время движения тела, включая остановки: средняя скорость путь время Полученное значение показывает среднюю скорость движения тела на всём пути, и оно может не совпадать со значением скорости в различные моменты времени движения. Предположим, что автомобиль проехал путь S, состояп^ий из участков s,, Sf_ и S3, при-чём прохождение каждотч) из них заняло соответствен 110 время и t,. Для определения средней скорости движения автомобиля надо t весь пройденный путь разделить на общее время движения: + Гз + Г3 Зная среднюю скоросп. движения тела и время движения, можно найти пройденный за это время путь по формуле S - Уср<- Если нам извеаны средняя скорость движения и пройденный путь, мы можем определить время движе ния по формуле о... ГРАФИКИ ЗАВИСИМОСТИ ПУТИ И СКОРОСТИ от ВРЕМЕНИ в отличие от графиков прямолинейного равномерного движения при неравномерном движении т'рафики зависимости скорости и пути от времени могут выглядеть совершенно по-разному в зависимости от конкретной задачи. Рассмотрим пример. Пусть велосипедист при двиясе-нии из одного города в другой сначала проехал 8 км за 20 мин. Затем, отдохнув 10 мин, проехал ещё 6 км за 30 мин, а оставшиеся 2,5 км протпел пешком за 30 мин. 1Сак будут выглядеть соответствуютт^ие графики, если в пределах камедого временного интервала велосипедист двигался с постоянными скоростями? График зависимости пути, пройденного велосипедистом, от времени График зависимости скорости велосипедиста от времени ‘'чмип 102030405060 7080 <. мин о 1020304050607080 /.мин Предположим, в начале определённого отрезка времени мы движемся в автомобиле со скоростью оо- Автомобиль начинает увеличивать скорость, и через время I его скорость становится равной и. Если за любые одинаковые промежутки времени скорость этого автомобиля увеличивалась на одно и то же значение, то в течение времени / автомобиль двигался равноускоренно. Прямолинейным равнопеременным движением называется движение, нри котором траекторией тела является прямая линия и за любые равные промежутки времени скорость тела изменяется (увеличивается или уменьшается) на одно и то же значение. в физике существует велшшна, характери-зуюпщя изменение скорости тела при равнопеременном движении. Она называется ускорением и обозначается латинской буквой а. Для toix) чтобы вычислить ускорение, необходимо найти отношение изменения скорости ко времени, в течение которого это изменение произошло: ускорение изменение скорости время т. е. от значения его конечной скорости нужно отнять значение начальной скорости и полученный результат разделить на рассматриваемое время движения. в Международной системе единиц (СИ) за единицу ускорения принимают ускорение такого равнопеременного движения, при котором скорость движущегося тела за время 1 с изменяется на 1 м/с. Эту единицу называют 1 метр па секунду в квад рате и обозначают 1 м/с*: 1— с 1с Ускорение может принимать как погожитслыюе. так и О1рица1оль-ное значение. Деиавительно, если скорость тела в начале движения (оо) меньше скорости тола в конце движения (о), то при нахо)цдении ускорения положительное число (о - Оо) мы делим на положительное число (О и получаем положи-тслыюо л1ачоние ускорения. Если же тело замедляется, то значение начальной скороаи оказыва-01СЯ больше значения скорос1и в конце движения, разноаь v - Vq аановится отрицательной и значение ускорения тоже оказывается меньше нуля. ^ Если обозначить веттчины: '' время движения тела — t. начальная скорость оц и скороаь тела в момент времени t — о. ю ускорение расститывают по формуле Еолрось:: о Как ог^деляют среднюю ско роаь при неравномерном движе НИИ? О Може1 ли отличаться скорость тела в некоторый момент времени от его средней скорости и если да. то почему? О Как определить ускорение тела ттри равноускореттном движении? Каковы единицы ускорения в СИ и могут ли сутцествовать другие единицы ускорения? вы УЗНАЕТЕ О Чго такое №<ер4^ия. О Что такое движение по инерции. О Как ведёт себя тело, если на него не дейавуют другие тела. 9 Что 1ЭК00 механическое движе ние? 9 Что такое тело отсчёта? 9 Что такое равномерное прямолинейное движение? 9 Что laKoe неравномерное движение? Знания об окружающем нас мире подсказывают, чю изменение скорости тела (по значению и направлению) не происходит самопроизвольно, а случается лишь тогда, когда на тело воздейс1вую1 другие гела. Например, играя с мячом, мы изменяем скорость его движения, ударяя по нему рукой или ногой. Скорость езды на велосипеде можно увеличить, если начать крутить тгедали быстрее. Автомобиль начинает тормозить. если нажать на тормоз. А что происходит с телом, если на него не действуют другие тела? ЗАВИСИМОСТЬ ХАРАКТЕРА ДВИЖЕНИЯ ТЕЛА ОТ ВОЗДЕ СТВИЯ НА НЕГО _______________ Сначала тюиытасмстг ответить па вопрос: «Почему движущиеся тела останавливаются?* Например, почему останавливается мяч, катягтщтюя по земле. Из новседпевпот'о опыта попятно, что в одних случаях мяч остаттавливается быстро, а в других — медленнее. Зависит это от того, насколько гладкой является поверхность, по которой он двимсется, и встречаются ли на его пути препятствия (ямы, камни и т. п.). Очевидно, что, чем более гладкой является поверхность, тем дольше и дальше будет катиться мяч. А теперь представим себе ситуацию, когда на движущийся мяч не действуют никакие помехи. Каким в этом случае будет характер движения мяча? Древне! реческ»«1 учёный Арисюгель угворждэл. чю причигюй любого движения является воздействие чего либо на движущееся тело. т. е. движение без посюроннсго воздойсгвия на тело нсвозмож1ю. Ц качесгве одно* о из аргументов он приводил пример с лошадью и телегой. Пока гюшадь везет гелсту, она движется. Lam лошадь оаановится. телега двигаться перестанет. Авторитет Ариаотеля в науке был так высок, что это его утвсрждет!ие являлось непререкаемым на протяжении более чем двух тыстмелетий. И только в XVII в. исследования Галилео Галилея доказали оши-бочноаь этого утверждения. Галилей провёл мысленный экспе-ритлент. в котором отт предаавлял, *по будет с телом, которое получило тотмок и движется по гладкой поверхности. Основываясь на тенденции тела сохранять состояние своего движения при уменьшении внешттих воздейавий, Галилей утверждал, шо на идеальтю гладкой поверхности тело после толчка уже 1ткогда не остановится. Свою 1И1ютезу он постарался доказаш эксперимон-тальтю. Для этого им были поаавлетты ндательные опып>т по изучению движеттия шара по длтв!Т!ому наклоннотиу жёлобу, переходящему в гладко отполированную поверхноаь. ДВИЖЕНИЕ ПО ИНЕРЦЩ Чем меньше дейсп’вие других тел на движущееся тело, тем дольше сохраняется скорость его движения и тем больше движение тела похоже на равномерное. Галилей пришёл к выводу, что если на тело нс действуют другие тела, то оно или находится в покое, или движется прямолинейно и равномерно. Явление сохранения скорости тела при отсутствии действия на него других тел называют инерцией (от лат. inertia — неподвижность). Движение тела при отсутствии действия на него других тел называют движением по инерции. Например, если выключить двигатель автомобиля, он будет продолжать двигаться дальше. Он смог бы сохранить скорость своего движения, если бы не трение шин о дорогу и сопротивление среды. ПРИМЕРЫ ИНЕРЦИИ Проявления инерции мы наблюдаем постоянно и настолько к ним привыкли, что часто даже не замечаем их. Например, при резком торможении автобуса а пассажиры некоторое время продолжают по инерции своё движение и наклоняются вперёд. Когда же автобус неожиданно трогается с места, пассажиры но инерции продолжают оставаться в покое б и отклоняются назад. Наличие инерции объясняет невозможность мгновенной остановки автомобиля, даже если водитель резко нажал на тормоза. Если человек бежит достаточно быстро, он не способен остановиться мгновенно, но инерции он сделает ещё хотя бы несколько шагов. 1ШТ1ПТ1!ГЯПсГ;М!Ы!:;{;ЦУ«К>тД Повседневный опыт показывает, что, если на катящийся мяч никак не воздействовать, он в конце концов остановится. Если велосипедист прекращает крутить педали, то скорость велосипеда начинает снижаться, и он через некоторое время остановится. Нот ли здесь противоречия с законом инерции? Противоречия нет. Г)то происходит потому, что движе нию тела оказывает сопротивление воздух, трение о поверхность и т. д. В противном случае тела двигались бы но инерции, т. е. равномерно и прямолинейно. При взаимодействии тел скорость может изменяться как по значению, так и по направлению. Например, при игре в теннис мяч меняет направление движения после удара ракеткой по нему. Изменение скорости тела (значения и направления) происходит в результате действия на него другого тела. ВБРОСЫ: О Чю называют И1«ерцисй? О Какое движение называют дви жениом тто инерции? О Как движется тело, если на него не дейавуют другие тела? СЫ y3“»FTt: О Чго такое аадимодействие тел. О Что такое масса. 9 Каковы единицы массы. В£ПО«Мр|ГЕ: 9 Как ведёт себя тело, если на него действую! друтис тола? О Как ведёт себя тело, если на него не дейавуют другие тела? 9 Что такое инерция? г в нашей ж№ни т^ чаао аалки-ваемся с примерами ваатшодей-ствия тел. Рассмотрим взаимодей ствие пушки и снаряда. Перед выстрелом отаряд ттаходится в покое относительно пушки. Во время выстрела сттаряд и пуивса взаимодействуют и начинают двигаться в разные аороны. Происхо дит явление отдачи. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЕЛ И ПЛАССА Мтя -зисзсни, что И-ЗМС1Т011И0 скорости тела происходит в результате воздействия на него другого тела. Если мы говорим, что ттервое тело действует тга второе, то и второе тело, тто-види-мому, как-то действует тта первое. Поэтому приттято говорит!, о взаимодействии тел. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЕЛ Детгетвие тел друг на друга называется взаимодействием. С взаимодействием тел мы часто сталкиваемся в повседневной жизни. Удар ноги по мячу, столкновение бильярдных шаров, сжатие пружины, давление подошвы на землю — всё это примеры взаимодействия тел. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЕЛ И ИЗМЕНЕНИЕ ИХ СКОРОСТИ Обычно наш жизненный опыт позволяет безошибочно определить, какое тело имеет большую массу, а какое — меньшую, без измерительных приборов. Представим себе, что мы хотим раскачать или остановить капели, стоя около них. Очевидно, что в случае, когда на качелях сидит человек, это сделать труднее, чем в случае, когда на качелях никого нет. Это означает, что, чем массивнее тело, тем труднее изменить его скорость. В нашем примере во в.заимодействии участвовали следующие тела: качели (пустые или вместе с сидящим на них человеком) и человек, раскачивающий их. Прикрепим к первой тележке упругую пластинку, изогнутую и связанную нитью. Если перерезать нить, пластинка, выпрямляясь, не действует на другие тела. Поэтому тележка остаётся в покое и её скорость не изменяется. Поставим вторую тележку вплотную к согнутой пластинке. Теперь пластинка, выпрямляясь, действует на вторую тележку, а та, в свою очередь, действует на первую. В результате обе тележки начинают двигаться относительно стола. Опыт подтверждает, что действие одного тела на друт'ос по может быть односторонним, оба тола действуют друг на друга, т. е. взаимодействуют. В результате в.заимодействия оба тела могут изменить свою стсорость (начать движение или остановиться), а также изменить направление своего движения. При этом у разных тел скорости изменяются по-разному. Г1родолжим изучать движение тележек, к одной из которых прикреплена пластина, стянутая нитью. Если в опыте участвуют одинаковые тележки, то после разрезания нити они разъедутся приблизительно с одинаковой скоростью. Если же на одну из толоисск положить т'ирю, то после разрезания нити она будет двигаться значительно медленнее. ПОНЯТИЕ ИНЕРТНОСТИ оворят, что тело, которое при взаимодействии меньше изменяет свою скорость, более инертно и имеет большую массу. Тело, которое при взаимодействии больше изменяет свою скорость, менее инертно и имеет меньшую массу. Таким образом, инертностью называют свойство тела сохранять свою скорость (или состояние покоя). ПОНЯТИЕ МАССМ На протяжении всей истории физики учёные неоднократно возвран^ались к обсуждению понятия массы. При кажущейся на первый взгляд простоте это понятие таит в себе много интересного, и мы к этому ещё вернёмся при дальнейшем изучении физики. На с^мом деле понятие массы относится к числу наиболее фундаментальных и первичных характеристик объектов материального мира. Масса тела — это физическая величина, которая характеризует eix) инертность, т. е., чем больше масса тела, тем труднее изменить его скорость при взаимодействии. Массу принято обозначать латинской буквой т. Любое тело — человек. Земля, Солнце, капелька воды, атом, молекула и т. д. — обладает массой. ■ач!1Г!ПТ1<г;та Я1 в Международной системе единиц (СИ) за единицу массы принят килограмм (I кг). Килограмм — это масса эталона, который изготовлен из сплава платины и иридия и хранится во фран11у.чском городе Севре. На практике, кроме килограмма, используют и другие единицы массы — тонну (т), центнер (ц), грамм (г), миллиграмм (мг): 1 т " КЮО кг, 1 г - 0,001 кг, 100 кг, 1 мг = 0,000(Ю1 кг. Ц Для определения массы существуют ра.зличные способы. Способ определения массы тела по изменению его скорости при взаимодействии применяется в обыденной жизни нечасто. Самый распространённый и самый древний способ определения массы — это взвешивание на рычажных весах. Взвесить физическое тело — значит сравнить его массу с массой эталона. ^ В Египте на пирамиде в Гизе BMceieno изображение равноплечих весов. Эта пирамида была поароена при динааии Хеопса, т. о. между 2930-2/b0rt. до и. э. При археологи^«еских раскопках удалось найти гири древних египтян. Самая малеггькая из них весит несколько граммов. В Древгюй Руси ювары взвешивали на рав1юш1счих весах, или. как тогда говорили, скалвах. Однако наши предки пользовались и неравносшечими весами римской конструкцмт. которые поначалу назывались «пуд». Даже ребенку доааточно просто разогнать или оаановить игрушечную машинку, но нужен мощный электровоз, чтобы озвинуш с места гружёный соаав. Ракеткой для (^миню«1а ipocio изменигь ско рость и направление движения лёпеого волана. Но такая ракетка не пригодна для игры в большой теннис. :3ти примеры подтвер ждают, чго изменение скоросги тепа при взаимодействии зависит от массы тела. о Масса тепа — это физи‘геская ве личина, харэкгеризующая меру его иггертноаи. Массу принято обозначать па гюгекой буквой пг. ВОПРОСЫ: О в каком случае тело называют более инершым. а в каком - менее инергным? О Какие способы определения массы вы знаете? О Какова единица массы в СИ? плотность вы УЗНАЕТТг Q Чго такое ппотнооь RetiteciBa. О Как определить плотноаь вещества, зттая его массу и объ^. О Какова единица плотноаи в СИ. В окружающем нас мире вс1ре>1аются тела, имеющие тиассы от очстть маленьких до огромитях. От чего же .тависит масса тела? Наш жизненный опыт подсказывает, что шарик, сделанный из ваты, легче, чем шарик тою же размера из металла. Почему? при ттомопди весов сравнитут массы двух ттилиидров ив желева, имеющих разные объёмы. Опыт показывает, что масса боль-шотю цилиндра больше массы маттенького цилиндра. Следовательно, масса тела зааасат от его объёма. Теперь сравним массы двух цилиндров, имеющих равные объемы, но ивтхттовленных из разных материалов (например, из желе.ва и алюминия). Опыт показывает, что масса цилиндра из железа больше массы цилиндра из алюминия. Следовательно, масса тела зависит от вещества, аз которого оно состоит. Результаты поставленного эксперимента объясняются том, что разные вещества имеют разную плотность. Плотность показывает, чему равна масса вещества в единитщ объёма (наттример, в 1 м* или в 1 см=*). Плотность вещества Вода 1000 кг на 1 м^ Железо 7800 кг на 1 Воздух 1,79 кг на 1 м^ Как найти плотность вещества? Например, известно, что сосновый брусок объёмом 2 м=* имеет массу 800 кг. Тогда брусок объёмом 1 м=* будет иметь массу в 2 раза меньшую, т. е. 400 кг. Таким обра.зом, плотность сосны равна 400 кг на 1 м*. Итак, если известны масса тела и его объем, можно определить плотность. Плотность — это физическая величина, равная отношению массы тела к его объёму: плотность объём Плотность принято обозначать греческой буквой р (читается «ро»). В Международной системе единиц (СРТ) за единицу плотности принимают килограмм на кубический метр (1 кг/м“). Па практике также используют единицу грамм на кубический сантиметр (1 г/см^): г см® 0,001 кг 0,000001м® Так как все ве«цесгоа соаоят № атомов, то масса любого тела должна зависегь от массы атомов и от того, насколько плотно «упакованы* атомы и молекулы в веществе. IbioTHOCTb вещес1ва можно онрецоли1ь, ум1южив массу одной молекулы на их количеаво, содержатцееся в 1 м^. Современные приборы позволяют доааточно точно определить массу одной молекулы. Используя это значение, а также зная массу единицы объема веитеава, можно определить колтеаво молекул в еди НИ1Ю объема. Таким аюсобом определено, что в 1 м^ чисюй воды содержится 3,34-10^* молекул. Молекулы вещеава находятся на разном расстоянии друг от друга в газообразном, жидком и 1вёрдом эгро1атном сосюянии. Их количесгео в единице объема сильно разлтается, следовательно, будет различаться и тиютгюсп,. Это обьясняет, шпример, почему плотноаь вещеава в жидком соаоянии превышает его плотность в газообразном соаоянии. ПЛОТНОСТИ в состояни я РАЗЛИЧНЫХ АГРЕГАТНЫХ 1а11ПГиТТ:¥Тт ЕЯ Плотность одного и того же eeuieemea в твёрдом, жидком и газообразном состояниях различна. Плотность вещества зависит от внешних условий. Например, плотность га.зов существенно зависит от температуры. ________ , Лвд (при о *С) Плотноаь 900 кг/м^ Вода (при 4 *С.) Плотость 1000к1/м^ Водяной пар (при 100 *С) Плошоаь 0,')9 кг/м^ Если обозначить вегагчины: плотность — р , масса — m и объем — V, то плотноаь рассчиты вают 1ю форму/ю Если известно, что в 1 см^ содержится 1,35 г мёда, то для того, чтобы подсчитать, сколько кило граммов мёда содержится в кубическом метре, надо 1.35 умтюжить на 1000. Таким образом, плотноаь мёда равна 1350 кг/м’. Зная массу тела и плотность веще ава, из которого это тело соаоит, ото объём можтю найти тю фор муле v=!l Р‘ Если же нам известны тиютттость и объём, массу тела можно ттайти по формуле т “ pV. ВОПРОСЫ: О Что такое титотгтость? О Как можтю найти плотноаь ве-тдества, зная его объём и массу? О Какова единица плотности в СИ? -94 вы УЗНАЕП^* О Как р^'шать зал^и на расчёт скороаи движомия, времени дви жения и пути. 9 Как решать задачи >та расчет сродной скороаи движония. 9 Как решать задд«1и на рас*1ёт ускорения. 9 Как рошаш задачи на расчо! плотноаи ветцеава. '•«w ч Москва Дано: S “ 645 км / = 1 ч 25 мин Перелёт из Москвы в Санкт-Петербург самолёт Аэробус АЗ 19 осуществляет за 1 ч 25 мин. Расстояние между этими городами равно 645 км. Определите скорость самолёта в метрах в секунду и в километрах в час, считая его движение равномерным. ^^пишем условие задачи и решим её. Решение: Выразим расстояние между городами и время полёта в единицах СИ, т. о. километры переведём в метры, а часы и минуты — в секунды: « - 645 км - 645 000 м, f = 1 ч 25 мин = 85 мин = 85*60 с = 5100 с. Теперь найдём скорость движения: я у--; t 645 000 М . оо е ---------126,5 — . 5100 с с Выразим полученное значение скорости в километрах в час: V = 126,5 •м 0,1265 к.м 3600 0,1265 • 3600-5^ = 455,4-?^ ч ч Ответ: v = 455,4 км/ч, или 126,5 м/с. шr^mлwш Сколько времени понадобится самолёту (см. задачу 1) на перелёт из Москвы в Сочи, если он будет двигаться равномерно с такой же скоростью, как и в предыдущей задаче, а расстояние от Москвы до Сочи равно 1358 км? Запишем условие задачи и решим сё. Решение: Дано: а - 1358 км V = 455,4 км/ч / — ? Ответ: / — 3 ч. t=-; V 1358 км 453,4 км ч Зч. ЗАДАЧА 3 Из Москвы в Санкт-Петербург можно доехать на фирменном поезде. За первые 30 мин поезд преодолевает расстояние 30 км, .за последующие 7 ч он проходит 590 км, а на оставшиеся 25 км поезд тратит 30 мин. Определите среднюю скорость поезда. Запишем условие задачи и решим её. ^ Решение: Дано: ti “ 0,5 ч S, — 30 км ti = 7 ч $2 “ 590 км h = 0,5 ч = 25 км ^'ep ^ Ответ: <>• i' я = s,+ 8j +», = 30+ .590-;- 25 = 645 КМ; f - f, + ^2 + fa - 0,5 + 7 f 0,5 - 8 Ч; --------- 8 Ч Ч 80,6 км/ч, или 22,4 м/с. За первые 12 мин своего движения фирменный поезд Москва — Санкт-Петербург набирает скорость от о до 72 км/ч. Считая его движение равноускоренным, найдите значение ускорения. Запишем условие задачи и решим её. Дано: Решение: f — 12 мин Переведём данные задачи в единицы СИ: Оо = о км/ч 0-72 км/ч 0 = 72 12 мин км '12.60-72 000 720с; ч 3600 с Теперь найдём ускорение по формуле 0-V.. I 20-0 720 ----0,028 м/с^ 720 с 20 Ответ: а = 0,028 м/с*. Найдите объём, который занимает мёд массой 300 г, если известно, что плотность мёда 1,35 г/см*. Запишем условие задачи и решим её. Дано: т - 300 г р — 1,35 г/см* Решение: К- 300 222,2см^ 1,35 см* Ответ: V = 222,2 см*. Российский общеобразовательный портал https://experlment.edu.ru/ catalog.asp ^ Чтобы судить о движении тела, надо узнать, меняется ли положение этого тела относительно окружающих его тел. J Если тело за любые равные промежутки времени проходит равные пути, то его движение называют равномерным. Если же тело за равные промежутки времени проходит разные нуги, то evo движение называют неравномерным. Скорость при равномерном движении тела показывает, какой путь проходит тело за единицу времени. Ускорение характеризует быстроту изменения скорости тела при равнопеременном движении. ^ Изменение скорости тела (значения и направления) происходит в результате действия на него другого тела. ^ Масса является мерой инертности тел. Плотность показывает, чему равна масса вещества в единице объёма. Скорость ДВИЖЕНИЕ А Ускорение пЛОДРОБНЕЕ^я ^ Липсон Г. Великие эксперименты в физике. — М.: Мир, 1978. Перельман Я. И. Занимательная физика. Кн. 1. — М.: Римис, 2009. Суорц Кл. Э. Необыкновенная физика обыкновенных явлений. Т. 1. — М.: Наука, 1986. Тит Т. Продолжаем научные забавы: Интересные опыты, фокусы, самоделки. — М.: ИД Мещерякова, 2007. ВОПРОС'^ 1ЛЯ ОБСУЖДЕНИЯ: ^ Извесшо, что тело за каждую последукхцую секунду проходит одинаковые пу1и. Можно ли на ооювании этого утиерждап>, чю тело движется рэвтюмерно? О При сплаве леса по рекам брёвна часто выносит на берег на 1Юворо1ах реки. Обьясните датюе явление. О Почему при прополке сорняков их не следует выдёргивать из земли рьюком? 9 Что тяжелее: 1 л морской воды или 1 л озерной воды, взятой при той же температуре? силы ВОКРУГ НАС СИЛА СИЛА 1ЯЖ1С1И РАВнолРйавуюшля сила СИЛА упругоаи закон ГУКА. ДИНАМОМЕТР ВЕС ТЕЛА. НЕВЕСОМОаЬ СИЛА I РЕНИЯ ТРЕНИЕ В ПРИРОДЕ И ТЕХНИКЕ вы УЗНАЕТЕ: О Чго такое сила. О Каковы единицы силы. О Что такое научные термины? 9 Что такое взаимодействие тел? 9 Что являекя нртминой измс1№ ния скороаи тела? 9 В каком случае тело движется равномерно, а в каком - неравно-мертю? Слово «сила» вам хорошо знакомо, и упофебляем мы ею достаточно часто. При .атом псом нам гк>т1ятно, что означают словосочетания «силы природы», «сила ветра», «сила мышц» или «сильный xapaKiep». ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЕЛ И ПОНЯТИЕ СИЛЫ В физике также сутцествует термин сила, который означает определённую физическую величину. Из предыдущих уроков мы уже знаем, что причиной изменения скорости тела является взаимодействие его с другими телами. Покоя-пщйся мяч при ударе по нему ногой начинает движение некоторой скоростью. Это пример действия силы при непосредственном взаимодействии. По есть также силы, которые действуют на расстоянии. В результате взаимодействия с магнитом изменяется скорость плавающей пробки с лежащей на ней железной гирькой. Эти примеры показывают, что любое взаимодействие характеризуется наличием, как минимум, двух тел. Исаак Ньютон (1642-1727) I Великий английский физик |Ма1омэ1ик, создавший loopoin-ческие основы механики и аа-рономии, 01крьюший закон всемирного ГЯГ010ГГИЯ. Когда одно тело действует па другое, то ^ говорят, что на тело действует сала или к нему ^иложена сила. Силу обозначают латинской буквой Если ггам неважно, что привело в движение мяч, а важно, что при воздействии силы мяч приобрёл скорость, то в данном случае мы говорим, что сила — зто причина изменения скорости .движения тела. Впервые понятие силы конкретизировал Галилей: в механическом движетгии сила еаь причина ускорения тела. Он понимал, что всякое тело, не взаимодейавуюитее | с другими телами, должно находиться в состоянии покоя лиСю двигашея равномерно и прямоли нейно. Поэтому ситтэ является той причиной, которая вызывает изткге тгение скороаи тела. Сила, действуютцая на тело, может изменить не только скорость всего тела, но и взаимное расположение отдельных С1х> частей. Например, под действием силы происходит сжатие пружины, изгиб упругого стального стержня и другие изменения формы и размеров тел. Тогда говорят, что тело деформируется. Дег{м)рма1тисй называют любое изменение формы и размера тела. СИЛА КАК МЕРА ВЗАИМОДЕЙаВИЯ Т В .зависимости от силы удара мяч приобретёт разную скорость. В зависимости от силы удара молотком гвоздь входит в доску на разную глубину. Значит, силу можно измерить, а её значение выразить численно. Результат действия силы будет зависеть от её значения. Таким образом, сила является мерой в.заимодействия тел. Великий физик XX в. Альберт Эйнштейн в своей работе «Эволюция физики» писал: «Что такое сила? Интуитивно мм чувавуем. что иметшо обозначается этим термином. Это ттонятие возникает из усилия, которое мы производим при толчке, броске или тяге, из того мускульного ощутцения, которое сотровождает все эти действия. Но обобщение этих понятий выходит далеко за пределы аоль проаых при меров. Мм можем думать о силе, даже не воображая себе лошадь. тянущую ттовозку». ^ Результат действия силы на тело зависит от её модуля, направле ния и точки приложения. Модуль Направление Точка приложения СИЛА — ВЕКТОРНАЯ ВЕЛИЧИНА ______________________________ Сила, как и скорость, является векторной величиной. Это значит, что она характеризуется не только численным значением (модулем), но и направлением. Предположим, человек пытается сдвинуть с места автомобиль. Хотя силы, действуютттие на машины, одинаковы но модулю (значению), но они направлены в противоположные стороны и результат различен: маншны едут в разные стороны. Таким о6ра:юм, результат дей ствая силы зависит от её направления. Силы можно изображать в виде арележ. Длина этих арелок должна соответствовать модулю силы; чем длиннее арелка. тем больше значение силы. Когда говорят о силе, важно указывать не только её направление и значение, но и точку её приложения. Если мы двигаем книгу по столу, прикладывая силу, то результат зависит от того, в какую точку книги мы надавим пальттем. Хотя и по значению, и по направлению силы одинаковы, характер движения тола различен. Это означает, что результат дей ствия силы зависит от точки приложения силы. 1т1У1 Так как сила — это физическая величина, то её можно измерить, т. е. сравнить с силой, принятой за единицу. За единицу силы принята сила, которая .за время 1 с изменяет скорость тела массой 1 кг на 1 м/с. В чес;ть великого английскош учёного И. Ньютона эта единица названа ньютоном (1 И). На практике также применяют килоньютоны и миллиньютоны: Альберт Эйнштейн (1879-1955) Физик-теоретик, один из осново положников современной физики. Известен прежде всего как автор теории относителы«оаи. О Что является прггянюй измене ния скорости тела? О От чего зависит результат дей авия силы на тело? О Всегда ли взаимодействие тел проиаодит при их непосредствен-ттом контакте? 1 кИ = 1000 И, мП = 0.001 И. о Чго такое всемирное тяготение. О Что такое сила тяжели. О Как рассчитать силу тяжели Что такое сила? О Каковы единицы силы? Если массы тел невелики, то неее лика и сила их взаимного притя жония. Например, два человека, поящие на раслоянии 7 м друг от друга, взаимно притяпжаются с HTf 1тож>ю малой силой. С такой же силой гирька массой 0,00001 г оказывает давление на чашу весов. Если же массы тел значительны, то и силы гритяжеттия велики. Солнце при1Я1ииае1 тша1кмы, оОрэзуя Солнечную систему. Так, между Солнцем и Землёй дейлвует сила тяго тения, равная примерно 3*10“ Н. .Земля притягивает Луну, удержи вая сё на своей орОите. Но и Луна тоже притягивает Землю. Ведь при га«ы происходят из-за притяжения I инфосферы Земли к Луне. СИЛА ТЯЖЕСТИ Еоти мттчик подбросить вверх, ю через некоторое время он падает вниз. Капли дождя и снежиттки также падают на .землю. То же самое происходит и с любыми другими телами. Под-прытттув вверх, четтовек обязательно опустится на землю. Почему происходит так, а не итта«те? Для всех живущих на наптей планете особенно важное вначение имеет сила притяжения тел к Земле. Силу, с которой .'Земля притяптвает к себе тело, называют силой тяжести и обозначают Сила тяжести всегда направлена вертикально вниз, к центру Земли. Рассмотрим два тела, первое из которых имеет большую маехту, чем второе. Мы говорим, что одно из них тяжелее, а другое легче. Почему? Дело в том, что сала тяжести прямо про порциопалыш массе тела, т. е. во сколько раз масса одного тела больше массы другого, во столько раз сила тяжести, действующая на первое тело, превышает силу тяжести, действующую на второе. Установлетто, «тто вблизи поверхности .Земли на тело массой 1 кг действует сила тяжести, равная 9,8 Н. На тело, масса которого в 2 раза больше, действует сила 19,6 П и т. д. Таким обра.зом, чтобы определить силу тяжести, действующую на тело любой массы, необходимо 9,8 Н/кг умномсить на массу этого тела, выраженттую в килограммах. Счи1ас1ся, что сипа тжели приложена к телу, на которое она действует. Открытие того, что все тепа падают на поесрхттость Земли с одинаковым ускорением, приттадлежит Г. Галилею. По легенде, учёный установил этот факт тюою опытов, в которых он сбрасывал лепсие и тяжёлые тела с наклонной баштти. - 9.8 - КГ На тело, падающее вниз в результате притяжения к Земле, кроме силы тяжести, действует сила сопротивления воздуха, а также возможно воздействие со стороны друт'их тел. Если сила сонротивзтеиия воздуха много меньше силы тяжести и ею можно пренебречь, а также отсутствует воздействие со стороны друт’их тол, то такое движение на.зывают свободным падением. Рассмотрим падение листа бумаги и камня с одинаковой высоты. Камень упа;тст на землю быстрее, чем лист бумаги, и причина этого — сопротивление воздуха. Для наблюдения свободного падения необходимо поставить эксперимент, в котором отсутствовало бы сопротивление воздуха. Для такого опыта используют стеклянную трубку, один конец которой закрыт, а другой снабжён краном, через который из трубки можно откачать воздух. Такую трубку называют трубкой Ньютона. Не откачивая воздух, поместим в неё перышко, кусочек пробки и дробинку. Если трубку резко перевернуть, все три предмета а упадут вниз в разные моменты времени. Теперь откачаем из трубки воздух. Если её быстро перевернуть, все три предмета б упадут на дно одно временно, так как все падающие вниз тела движутся с одинаковым ускорением. Итак, если тело падает вниз под действием силы тяжести, то за каждую секунду ei4) скорость увеличивается па одно и то же значение независимо от его массы. Эту величину называют ускорением свободного падения и обозначают латинской буквой g. Вблизи поверхности Земли ускорение свободного падения равно примерно 9,8 м/с*, т. е. скорость тела за каждую секунду увеличивается на 9,8 м/с. Ускорение свободного падения является тем коэферициентом пропорциональности, который связывает силу тяжести и массу тела. Таким обра.зом, зная массу тела, можно определить силу тяжести, действующую на него: Fru^ = mg. (1) Из формулы (1) следует, что g = (2) Поэтому единицей ускорения свободного падения g может быть как м/с*, так и II/кг. При рещении задач, которые не требуют высокой точности, g можно округлять, считая = 10 м/с*. ЗАКОН ВСЕМИРНОГО ТЯГОТЕНИЯ Английский учёный И. Ньютон сделал величайшее открытие. Он впервые понял, что притяжение различных тел к поверхности Земли, движение звёзд и планет подчиняется единому закону — закону всемирного тяготения. А - - Эл' С 1 tjf 1 ■!*' \1 U 1о1и оОозиачи1ь BOJWt^Miiu: сила тяжести — масса — m и ускорение свободного падения — Притяжение всех тел Вселенной друг к другу называют всемирным тяготением. Установлено, что силы притяжения между телами тем больше, чем больше массы этих тел. Известно также, что силы притяжения между телами уменьшаются, если увеличивается расстояние между ними. вы УЗНАЕТЕ: О Что так(№ равнол^овуюм^ая сила. О Как определить равнодейавую-|цую сил, направленных по одной прямой. О Что такое сила? О Каковы едиттицы силы? Если направление движения тела совладает с направлением равнодействующей силы, то скорость движения тела вшрааает. Напри мер. 0О1И мы начнем подталкивать движущуюся тележку в иаправле НИИ её движения, то её скороаь будет увелт^иваться. Рели ттаправление движения тела прот>«оположно ттаправлению рэвнодейавутощей силы, то скороаь движетмя тела уменыиается. РАВНОДЕЙСТВУЮЩАЯ СИЛА Обтячтто тела движутся под действиети тто одттой, а сразу нескольких сил. Например, на зонт, падающий на землю, действуют сила тяжести и ситта соттротивления воздуха. На движущийся лифт действует сила тяжести, а татеже сила тяги его двигателя. РАВнодействую \шша NTiE Если па тело одновременпо действует несколько сил, то их можно заменить одной силой, равнот^ештой по своему действию этим силам. Сила, которая производит на тело такое же действие, как несколько одновременно действуюн^их сил, называется равнодей-ствуюнтей этих сил. На предыдущих уроках говорилось, что сила, действующая на тело, является причиной изменения его скорос'ти движения. Чтобы нонять, как будет двигаться тело, если на него действует сразу несколько сил, необходимо найти равнодействующую силу. ВУХ сил. НАПРАВЛЕННЫХ ПО Рассмотрим ситуацию, когда две силы, действующие на тело, направлены в одну и ту же сторону. Если необходимо сдвинуть с места тяжёлый предмет и это не под силу одному человеку, то за дело берутся несколько человек. При этом они толкают тяжёлый предмет в одну и ту же сторону. Наш жизненный опыт говорит, что в подобной ситуации усилия складываются. Действительно, если на тело действуют две силы, направленные по одной прямой в одну сторону, то ах равнодействующая направлена в ту же сторону, а её модуль равен сумме модулей составляющих сил: (1) Ф = Ft F\ р Ft [Рассмотрим опыт, иодтвсрждающий cicaaamioc. Подвесим к пружине два груза и отметим, насколько растянулась пружина. На пружину действует сила, равная сумме сил тяжести, действующих на каждый из ipysoB. Теперь к той же пружине подвесим груз, масх^а которого равна сумме масс грузов, используемых ранее. При этом пружина растянется так же, как и в предыдущем случае. Выясним теперь, как найти равнодействующую сил, направленных по одной прямой в разные стороны. Если на тело действуют две силы, направленные по одной прямой в противоположные стороны, то ах равнодействующая направлена в сторону большей по модулю силы, а её модуль равен разности модулей составляющих сил: Ft-Fu (2) I; 1ш: ■ Чему будет равна равнодействующая двух сил, одинаковых по модулю и направленных в противоположные стороны? Если два человека начнут толкать некоторый предмет с одинаковой силой в противоположных направлениях, он lie сдвинется с места. Согласно формуле (2) равнодействующая в этом случае будет равна нулю. Итак, если на тело действуют две равные по модулю и противоположные по направлению силы, то их равно действующая равна нулю. В этом случае говорят, что силы уравновешивают или компенсируют друг друга. В случае, когда равнодействующая сил, действующих на тело, равна нулю, тело находится в состоянии равновесия. При этом оно либо покоится, либо движется равномерно и прямолинейно. Силы могут уравновешивать друг друга, действуя не только вдоль одной прямой, но и в более сложных случаях, когда несколько сил, действующих в различных направлениях, компенсируют действие друг друга. При этом тело находится в состоянии равновесия. Ijl О Какую сипу называют равнодей ствуюв1ей сил? О Чему равна равнодейавующая двух сил, направленных по одной прямой в одну аорону? <> Чему равна равнодействующая двух сил, направленных по одной ттрямой в разные аороны? вы УЗНАЕТЕ: О Чго такое сила упругоаи. О Какие бывают вщты деформации 9 Что такое сила? 9 Каковы единицы силы? 9 Что такое сила тяжеаи? ДЕФОРМ1АЦИИ СИЛА УПРУГОСТИ Под дейс1вием силы 1яжести падает подброшенный мячик, снег, капли дождя и другие тела. Но ттсё же дейсшис силы тяжести не всегда приводит к движению тела. Например, на книту, лежащую на сюле, на человека, сидящею на стуле, на шарик, подвошон1тт>1й на ттити, действует сила тяжеаи. Однако эти тела не движутся и не падают на пол. i |] 11 ‘Л t*Tij 1:1 Почему же покоятся тела, подвешен- ные на нити или лежащие на опоре? На эти тела действует другая сила, которая по значению равна силе тяжести, но направлена в противоположную сторону и уравновешивает ее. Если на деревянную доску, лежатцую на двух опорах, положить тяжёлый кирпич, то сначала под действием силы тяжести кирпич начнет двигаться вниз, прогибая доску. Однако через короткое время движение прекратится. Доска прогнётся или, другими головами, доска деформ и РУ ется. Кирпич не упал на землю, так как деформированная доска действует на него с силой, направленной вертикально вверх. Огу силу называют силой уиругснгги. Сила упругости изображена стрелкой, приложенной к центру кирпича, хотя такое изображение является достаточно условным. В реальности сила упругости, действующая со стороны скамейки на кирпич, распределена по всей площади соприкосновения. Итак, сила упругости — это сила, возникающая при деформации тела, crpeMantaaca вернуть тело в первоначальное состояние. Упругую силу, действуювцую на тело со стороны опоры, называют силой реакции опоры. Взаимодействие тол часто приводит к их деформа1;ии, т. е. является причиной изменения формы и размеров тела. Встречаются различные виды деформаций. Сдвиг sT. Деформация растяжения — дсформац,им, при которой происходит увеличение линейных размеров тел. Данный вид деформации испытывают тросы, канаты, цепи в подъемных устройствах, стяжки между вагонами. Деформация сжатия — де<рормация, при которой происходит уменьшение линейных размеров тол. Данный вид деформации испытывают опоры мостов, фундаменты строений, материалы, подвергающиеся прессованию. Деформация сдвига — деформация, при которой происходит смещение слоёв тела друг относительно друга. Деформации сдвига подвержены все балки в местах опор, .заклёпки и болты, скрепляющие детали. Волыпое смещение может привести к разрушению тела — срезу. Срез происходит при использовании ножниц, долота, пилы. Деформация изгиба — деформация, при которой происходит растяжение внешних слоёв и сжатие внутренних слоев тела, средний слой практически нс деформируется. Деформации изгиба возникают при прогибе опоры. Чем больше прогибается опора, тем больше сила yiipyi'ocTH. Деформация кручения — это деформация, при которой слои тола сдвигаются отпоситолыю друг друга, поворачиваясь при этом вокруг своей оси. Сила упругости всегда направлена противоположно той силе, которая вызвала изменение формы или размеров тела. Сила упругости (сила реакции опоры) распределена по всему телу. Она .зависит от вида деформации, и часто для разных слоёв тела её значение различно. Сила упругости изображена стрелкой, приложенной в точке подвеса гирьки к пружинке. Пржина деформации заключается в том, что при воздействии на тело различные части тела движутся по-разному. Lain бы все части тела двигались од1«ако0о, то тело всегда сохраняло бы свою переоттачаль ную форму и размеры, т. е. оаа-валось бы недеформированным. Если нажап> палытем на мягкий кусочек пластилина, лежащий на аоле, то верхние слои переме СТЯ1СЯ вниз, а нижние останутся неподвижными Разные чааи пла-аилина смещаются по-разному, и возникает деформация. J вы УЗНАЕТЕ: О Как формулируется закон Гука. О Что такое коэффициент упруго сти пружины О Каким прибором измеряется сила. О Что такое сила? 9 Каковы единицы силы? 9 Что такое сила тяжеаи? 9 Как рассчитать силу тяжести? О Что такое сила упругости? ЗАКОН ГУКА. ДИНАМОМЕТР Аттглийский физик Роберт Гук, сопремеиттик И. Ньютона, п 1660 г, эксперитл?нтально уаановил, как зависит сила упругости от деформации. Проведёте следуютций опыт. К штативу подвесим пружину и измерим её длину. Пусть длина нерастянутой пружины равтта /о- Р1сли теперь к ней подвесить грузик, то пружина растянется и её длина станет равтта I. Растяжение пружины равно д/ = ? - ?о-тяжелее грузик, тем сильнее растягивается пружина и тем больше значение д/. Каждый раз при подвешивапии груза пружина растягивается до определённого состояния, после чего движение груза прекращается и система приходит в состояние равновесия. Это означает, что сила тяжести, действую-тт;ая на груз, комттеисируется силой упругости, возникающей в пружине. Сила тяжести определяется по формуле = mg. Следовательно, чем болыпе масса груза, те.м больтпе значение силы тяжести, действующей на него, и соотвстствсппо больше значение силы упрут’ости, урав-новешиваютцей её. Тщательные измерения в данном опыте показывают, что растяжение пружины прямо _к пропорционально значению силы упругости. Опыт подтверждает закон, названный в честь учёного, открывшего его, законом Гука: модуль силы упругости при растя жении (или сжатии) me.ua прямо пропорционален изменению длины тела. Коэффициент пропорционалыюсти в законе Гука называют коэффициентом упругости тела (стержня, пружины и т. п.). Он зависит от (рормы и размеров тела, а также от материала, из которого оно изготовлено. Коэффициент упругости в СИ выражается в ньютонах на метр (Н/м). УПРУГАЯ И ПЛАСТИЧЕСКАЯ Деформации, которые полностью исчезают, как только прекращается действие деформирующей силы, называют упругими. Деформации, которые не исчезают после прекращения действия деформируюпщй силы, называют пластиче сними. Если пружину растянуть, а затем отпустить, то она примет первоначальную форму. Но эту же прумсипу можно растянуть настолько, что после того, как её отпустят, она так и останется растянутой. Закон Гука справедлив только для упругой деформации, для пластических деформаций он не выполняется. Закон Гука лежит в основе действия прибора для измерения силы — динамометра (от греч. dinamis сила и met гоп — мера). Принцип действия пружинного динамометра основан на сравнении любой силы с силой упругости пружины. Па практике используют динамометры самого разного типа. ГРАФИЧЕСКОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ЗАКОНА ГУКА Простейший пружинный динамометр (динамометр Бакушинского) состоит из пружины с двумя крючками, укреплённой на дощечке. Дощечка снабжена шкалой, а к нижнему концу пружины прикреплён указатель. Построим график зависимости силы упругости от деформации пружины динамометра. Для этого будем последовательно подвешивать к динамометру грузики определённой массы и измерять соответствующие значения силы упругости и растяжения пружины. Так как сила тяжести, действующая на тело массой 1 кг, равна 9,8 Н, то сила, равная 1 П, будет действовать на тело, которое в 9,8 ра.за лете. Масса этого тела 102 г. Под влиянием силы тяжести, действующей на груз, прумшна динамометра растягивается на д/, = 2,5 см. 11анесём на график соответствующую точку (.зелёным цветом). Подвесим к крючку ещё один такой же груз и повторим описанный опыт. Суммарная масса груза в этом случае равна 204 г, а деформация — д/г — 5 см. Нанесём соответствующую точку на координатную плоскость. Проделаем аналогичные действия для трёх грузов. Можно увидеть, что все три точки лежат на одной прямой. Как по графику определить значение коэффициента упругости пружины? IIo закону Гука к = Если взять любую точку, лежащую на прямой, и определить ее координаты, то по оси абсцисс мы получим значение д/, а по оси ординат — значение Поделив одно значение на другое, получим искомую величину. Повторив описанный опыт с другой пружиной, получим график другой прямой (синего цвета), которая отличается от предыдущей углом наклона к оси абсцисс. Чем больше коэффициент упругости пружины, тем угол наклона больше. Силомер Эле (стройный динамометр вы УЗНАЕТЕ: О Чго такое вес тела. О Чем отличается вес тела от силы тяжести. О Чем отличается вес тела от массы. 9 Что такое нееесомоаь 9 Что такое сила тяжеаи? 9 Что такое сила упругости? 9 Что такое динамометр? 9 Что такое раиномойс1вующая сила? 9 Каковы единицы силы? ВЕС ТЕЛА. НЕВЕСОМОСТЬ В повседневной жизни мы очень часто истюльзуем слово «пес». Мы говорим; вес продуктов, вес нашего тела. При .зтом зачастую под словом «вес» подразумевается масса тела. В физике исттользуют термины «вес», «масса» и «сила тяжести», и все они обозначают совершентю разтттяе поттятия. ЕПЯЕППЯ Рассмотрим тело, подвешенное к динамометру. На само тело действуют сила тяжести и сила унру1Х)сти пружины. Именно поэтому тело находится в равновесии. Но и растянутая пружина также находится в равновесии, хотя сила упругости, во.эникаютттая в ней, стремится вернуть её в первоначальное состояние. То есть не только пружина действует на тело, но и тело действует на пружину с некоторой силой. Силу, с которой тело, находящееся под действием силы тяжести, действует на опору или подвес, называют весом тела. Таким образом, на крючок динамометра действуют две силы: сила упругости пружины и вес тела. Вес тела, как и любая сила, — векторная величина. Вес тела обозначают буквой Р. Сила упругости и вес тела имеют противоположные направления: сила упругости направлена вверх, а вес тела — вниз. При этом модули этих сил равны: р ш^ F * * vm>* Именно поэтому говорят, что динамометром можно измерять не только силу упругости, но и вес тела. Динамометр также называют пружинными весами. ■ ДJiiу.'Лimi Л Вес возникает в результате притяжения Земли и зависит от состояния движения тела. Если тело и опора находятся в покое ила движутся равномерно а прямолинейно, то вес тела по своему чис.човому значению равен силе тяжести, действую щей на тело: Р = или Р = т^. При этом важно помнить, что сила тяжести и вес тела нс одно и то же, они имеют различную физическую при роду: сила тяжести возникает вследствие взаимодействия тела и Земли, а вес — в результате в.заимодействия тела и опоры. Именно поэтому сила тяжести приложена к телу, а вес при.чожен к опоре или подвесу. ВЕС ТЕЛА И МАССА Единицей веса тела, как и любой силы, является ньютон. Вес имеет числовое значение, направление и точку приложения. Вес тела нс следует путать с массой тола, которая измеряется в килограммах и является скалярной величиной, т. е. величиной, не имеющей направления и точки приложения. Так, ребёнок, имеющий массу 30 кг, имеет вес, равный 300 И, если считать, что if = 10 П/кг. Вес тела равен по своему числовому значению силе тяжести, если тело находится на неподвижной опоре или опора движется равномерно и прямолинейно. Если же опора вместе с телом движется неравномерно но линии действия силы, т. с. вверх или вниз, то тело действует на опору сильнее или слабее, чем при равномерном движении. В этом случае вес тела может быть больше силы тяжести, меньше её или равным нулю. Поднимаясь на скоростном лифте, в самом начале движения мы ощущаем, как нас гяегка прижимает к полу. Л при спуске нас как-будто слегка приподнимает. Дело в том, что при движении лифта вверх вес тела увеличивается, а при движении вниз — уменьшается. Этот факт можно проверить, если подняться или опуститься в лифте стоя на весах. ii:Проведём следующий опыт. Подвесим .за нитку пружину, а к ней прикрепим груз. В ре.зуль-тате пружина растянется. Теперь перережем нить и понаблюдаем за процессом падения пружины вместе с гру-.зом. В течение всего времени падения пружина будет оставаться нерастянутой. Получается, что при падении груз не действует на пружину и, следовательно, его вес в этот момент равен нулю. Таким образом, свободно падающее тело не дей ствует на свободно падающую вместе с ним пружину. В этом случае вес тела равен нулю. Про такое тело шворят, что оно находится в состоянии невесомости. При этом сила тяжести по-прежнему действует на тело и заставляет 01Ч) падать. Подобные явления наблюдаются и на спутнике, обранщющемся вокруг Земли. Сам спутник и все находящиеся в нем тела, включая космонавта, обращаясь вокруг Земли, как бы непрерывно свободно падают на Землю. Вследствие этого, все находящиеся на спутнике тела не действуют на опоры, а под вешенные к пружине не растягивают её. 1^е предметы находятся в состоянии невесомости. Однако при разгоне космического корабля, когда он выходит на орбиту, или при торможении во время посадки вес космонавта оказывается больше силы тяжести и он испытывает сильные перегрузки. МОИ ФИЗИЧЕСКИЕ ^ ИССЛ1ЩОВЛ11ИЯ При помощи обычного школьного динамометра определите вес книги, зная, что этот вес заведомо сильно превышает пределы шкалы используемого прибора. «ПОМОЩНИК» J Используйте в качестве до полни1елы«ого оборудования МИ1КИ и СК01Ч. ^ Книгу рвап> строго .запрента-ется! О Рычажные весы, на коюрых уравновепкчю тело, начинают сво-бод>ю падать. Сохранится ли рав иоеесие весов? О Чем отличается вес тела от массы? О При каком условии вес тела не равен силе тяжести? вы УЗНАЕТЕ: О Чго такое сила трсчтия. О Каковы при^1ины воаникновения силы трения. О Как можно уменмиить силу трения. О Какие виды тре»»1я существуют. О Что такое сила? О Каковы единицы силы? i На книту. край которой чуть чуть притхщият, положим ручку или ка-раттдаш атачала тщоль. а потом понорск КТ1И1И. В первом тюложс НИИ карандаш удерживается тта книге и не движется (тте скользит). Сила треттия покоя препятавует движеттию карандаша так, что дни женио даже но может ттачаться. Во втором положении карандаш, еаественно, покатится. СИЛА ТРЕНИЯ Как движется ит рушенная машинка тюстте тою, как её толкнули? Сначала она катится по полу, а потом остаттавливаотся. Если она будет двигаться по ковру, она остановится гораздо быстрее, чем ттри движении но тпадкому полу. Нооте толчка на маптинку болтятю но действует сила, заставившая её двигаться. При отсутствии действия других сил машинка продолжала бы двигаться равномертю и ттрямолинейтю, а не замедляла 6т>1 своё движение. В чём же причина её остатювки? *t;M В рассмотренном примере на машинку действует сила, обусловленная соприкосновением колёс машинки с НОЛОМ и препятствующая ос движению. Силу, возникающую между поверхностями соприкасающихся тел и препятствующую их отттосительному нсрсмсщснию, называют силой трения. Различают три вида трения: скольжения, тсачения и покоя. Irv Трение покоя Трение стсольжения возникает в случае, когда одно тело скользит по поверхности другою. Примером такого трения служит скольжение по снегу на санках или лыжах, перемещение коробки по поверхности пола. В этих и подобных случаях сала трения скольжения имеет направление, противоположное направлению движения тела. Трение качения возникает в случае, когда одно тело катится по поверхности другого тела. Например, такое трение возникает при движении колёс велосипеда или автомобиля, при перекатывании по земле мяча или другого круглого предмета. Сала трения качения имеет направление, противо^ положное направлению движения тела. 1Согда тело находится в покое на наклонной плоскости, оно удерживается на ней силой трения. Если бы не было этой силы, то тело под действием силы тяжести соскользнуло бы вниз. Dry силу называют силой трения покоя. Сила трения покоя не даёт развязаться банту па ленте, удерживает нитку, ко1'да мы шьем, блаюдаря силе трения покоя не расстёгиваются .застёжки-липучки. Многочисленные опыты нодтвермедают, что при рае пых нагрузках сила трения качения всегда меньше силы трения скольжения. Прикрепим динамометр к бруску и попытаемся сдвинуть его с места. По мере растяжения пружины показания динамометра будут увелиниваться и, следовательно, будет увеличиваться сила трения покоя. 1Согда действующая на брусок сила превысит максимально возможную силу трения покоя, брусок начнет двигаться. Если брусок движется равномерно, то приложенная к нему сила равна по модулю силе трения скольжения. Если на брусок положить груз и повторить опыт, то показания динамометра увеличатся. Таким образом, чем больше сила, прижимающая тело к поверхности, тем больше возникающая при этом сила трения. Положив деревянный брусок на круглые палочки, можно измерить силу трения качения. Она окажется существенно меньше силы трения скольжения. В исюрии чс1ювечес1ва Леонардо да Ви1ми зао1ужи-вает звания универсального гения Среди его 6ес1ис-ленных научных доаижений и первая формулировка зак01юв |рения. 1щё в 1S19r. он угверждал. чю сила |рения. воз>1икаю4иая при контакте тела с поверхнооью другого тела, пропортгионалыы нагрузке (силе прижатия), направлена против направления движения и не зависит от площади контакта. Закон Леонардо был переоткрыт через 180 лет Г. Лмонтоном и получил окончательную формулировку в работах Ш. О. Кулотта (1/81). можно выделить две причины возникновения силы трения: шероховатость поверхностей соприкасающихся тел и взаимное притяжение молекул соприкасаюпщхся тел. Даже гладкие на первый взгляд соприкасающиеся поверхности имеют неровности — бугорки, ттарапины. Когда одно из тел скользит или катится по поверхности другого, эти неровности цепляются друг за друга. Это создаёт силу трения, препятствующую движению. Если же поверхпоспги тел хорошо отполированы, то при их соприкосновении часть молекул первого и второго тела располагается очень близко друг к другу и сила трения возникает из-за притяжения молекул соприкасающихся тел. Для уменьшения силы трения используют смазку (например, какое-либо масло), которую вводят между трущимися поверхностями. При наличии смазки соприкасаются не сами трущиеся поверхности, а слои смазки. Как правило, в качестве смазки используют жидкость, так как трение между слоями жидкости слабее, чем между твёрдыми поверхностями. Именно поэтому мокрый пол более скользкий, чем сухой. Леонардо да Винчи (145? 1519) Ве/мкий итальянасий живописец, скульптор, архитектор и инже мер. О Всегда ли сила трения замедляет движение тела? О Можтю ли кататься на коньках по отполировантюму мраморному полу? О Тело лежит на шероховатой го ризонтальной поверхности. Действует ли на тело сила трения покоя? О В чём заключаются пртины возникновения трения? О Какими способами можтю уменыштть треттие скольжения? 26 О Какова роль тро»4ия л природо. О Какова ролл 1р«{ия в технике. ■J Что такое сила трения? ^ Какие виды тре>о1я существуют? О Как можно умо«1ьши1ь силу тре ния? ТРЕНИЕ В ПРИРОДЕ И ТЕХНИКЕ В природе и технике трение имеет огромное з>та«<еиие. Не будь силы трения, мы не смогли бы ни ходить по земле, ни удерживать в руках предметы. 1акие древнейшие изобретения человечества, как добывание оптя и колесо, связатля с силой трения. Можно сказать, что трение может быть как полезным, так и вредным. Роль значительното чиата технических изоб ретеиий заключается в увеличении «полезното» трения или в уметтьшении «вредного». 1Сак евявап прот;еес ходьбТлТ человека с силой трения? При ходьбе человек отталкивается ногами от поверхности Вемли и движется в результате действия силы трения покоя. Но будь ос, нот'и скользили бы назад и движение вперёд стало бы невозможным. Когда мы пытаемся пройти по гла;гкому льду, нот'и па нём скользят из-за очень малой силы трения покоя. Чтобы увеличить силу трения, зимой дорожки посыпают носком. У животных сцепление с поверхностью Земли дос;тигается либо заострениями оа конечностях, либо мелкими неровностями, например щетинками, чешуйками, бугорками. Из-за наличия силы трения покоя мы удерживаем предметы, и они нс выс1саз1ьзы-вают из рук. У многих растений и животных для хватания имеются различные органы, имеющие шероховатую поверхность, увеличивающую силу трения. Это усики растений, хобот слона, цепкие хвосты лазающих животных. ДОБЫВАНИЕ ОГНЯ Одним из с.амых важных открытий в истории человечества но нраву можно считать открытие способа добывать огонь. Наши древние предки добывали огонь при помощи трения одного куска сухого дерева о другое, что осуществлялось вращением одной палочки по поверхности другой. В наше время сохранились племена, которые по-прежнему добывают огонь этим способом. При участии трения происходит процесс возгорания головки спички. ИЗОБРЕТЕНИЕ КОЛЕСА Первые упоминания о колесе, одном из величайших изобретений человечества. датируются 4*м тысячолотиом до и. э. и относятся к Месопотамии. Предшественником колеса можно считать деревянный каток, который подкладывался под перемещаемый 1*руз. Действие колеса, посаженного на ось, основано на том, что сила трения качения существенно меньше силы трения скольжения. ?>то открытие нослуясило толчком как для развития техники и рем<к:ел, так и для развития пауки. Если в техническом устройстве есть движущиеся части, то часто необходимо уменьшить силу трения между ними. Устройства, слумсапще опорами движущихся частей машин и других механиз.мов и уменьшаюпще трение, называют нодшинниками. Обычный подшипник состоит из внутреннего и внепшего металлических колец. Внутреннее кольцо насаживается на вал машины или другого механизма, а наружное кольцо закрепляется в корпусе. Различают нодшинники скольжения и подшипники качения. В подшипнике скольжения а вращающийся вал скользит но поверхности вкладыша, который покрыт особыми материалами и специальной смазкой для уменьшения силы трения. Устройство подшипника качения основано на том, что при одинаковых нагрузках сила трения качения существенно меньше силы трения скольжения. Подшипники качения бывают шариковые б и роликовые а . В них внутреннее кольцо катится по внешнему на металлических шариках или роликах. При использовании таких подшипников сила трения уменьшается в десятки раз. Подшипники используют в автомобилях, велосипедах, роликовых коньках, в вентиляторах для персональных компьютеров, в огромном количестве разнообразных станков и т. д. Г © 0 Кроме задачи уме»<ыиения силы тре>мя. в технике чаао возникаег зада*1а её резкого увелг^1ения Например, при необходимости зам(у1-ли1ь движение автомобиля эю до лается за о»ет резкого увеличения силы трения с помощью механизма, который называют тормоз. При движении тел в жидких и газо-образтвох средах возттикает трение, называемое «вязким», которое су-щеавенно меньше сил «сухого» трения. ПРИМЕНЕНИЕ воздушной ПОДУШКИ В современном мире существуют машины и механизмы, использующие воздух с повыптенным давлением в качестве прослойки между движущимися поверхностями. Эта прослойка сильно уменьшает возникающую ттри движении силу трения. Так, в высокоскоростных подшипниках сжатый воздух используется в качестве смазки. Существуют суда и катера на воздушной подушке. Па некоторых из них можно даже выехать на берег. Суда на воздушной подушке движутся ровнее обычных лодок, поскольку движутся они нс сквозь волную-тцуюся воду, а над нею. 1Сатер на воздуптной подушке с равным успехом идёт по течению или против него, очень хоротпо работает на порожистой стремнине и является отличным спасательным средством. О Какие мож1ю приисаи примеры ислоль-зования силы трения? О Как уменьшают силу трения в технических уаройавах? Q Почему при перемен(ении тяже лою шка<^ 1ЮД CI O 1южки подкяа дывают пустые пластиковые бутылки? шш: ^ Когда одно толо дойствуот на другое, то говорят, что на него действует сила. Именно поэтому сила является мерой взаимодействия тел. sJ Сила, действующая на тело, может не только изменить скорость тела, но и деформировать его. Всемирное тяготение — это притяжение всех тел Вселенной друг к ДРУ!^. ^ Земля притягивает к себе все тела с силой, называемой силой тяжести. ^ Сила упругости — это сила, возникающая при деформации тела, стремящаяся вернуть его в первоначальное состояние. ^ Прибор для измерения силы называют динамометром. Силу, с которой тело действует на опору или подвес, называют весом тела. Силу, возникающую между поверхностями соприкасающихся тел и препятствующую их относительному перемещению, называют силой трения. Направление Точка приложения Модуль «ПОДРОБНК..» Енохович А. С. Справочник по физике и технике: Учеб, пособие для учащихся. — М.: Просвещение, 1989. Перельман Я. И. Занимательная физика. Кн. 2. — М.: Римис, 2009. Хилкевич С. С. Физика вокруг нас. Библиотечка «Квант». Вып. 40. — М.: Наука, 1985. Международный научно-образовательный интернет-журнал для школьников https://oscteam.com Музей науки в Бостоне https:// www.mos.org ВОПРОСЫ для 06СУЖДВ1ИЯ: О Как показывают опыты, силы, с которыми тела действуют друг на друга, всегда равны по значению и направлены противопо ложно. Можно ли говорить в этом итутао, что рав1Юдтойавуюи|эя этих сил равна нулю? 9 Для получения тонкой проволоки её несколько раз протяги вают через рцд отверстий с уменьшающимся диаметром. Какие виды деформации испмшвает при этом проволока? Гирю массой 1 кг взвешивают тта пружинных и рычажттых весах снэ'тала на Земле, а затем на Луне. Одинаковы ли будут показания весов? Можно ли гирю взвесить на орбитальной кос-мт^тоской станции? 9 Почему мокрая газета рвётся зтта'тительно летите, чем сухая? ДАВЛЕНИЕ ТВЁРДЫХ ТЕЛ, ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ ДАВЛЕНИЕ СНОСОЬЫ УВЕЛИЧЕНИЯ И УМЕНЬШЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ ПРИРОДА ДАВЛЕНИЯ ГАЗОВ И ЖИДКОСТЕЙ ДАВЛЕНИЕ В жидкоаи и ГАЗЕ. ЗАКОН ПАСКАЛЯ РАСЧЕТ ДАВЛЕНИЯ жидкоаи ПА ДПО И СПИКИ СОСУДА СООБЩАЮЩИЕСЯ СОСУДЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДАВЛЕНИЯ В ТЕХНИЧЕСКИХ УСЕРОЙаВАХ КОРОТКО о ГЛАВНОМ» Сила, нужная для того, чтобы ооа1рспя1сгиооать иоде uuioKaib из отвераия, пропортитональна высоте аояния воды, а не ширине сосуда. Мерой этой силы всегда является вес воды, за1а1ючаю|цейся в колонке её, с высоюй, равной высоте стояния воды, и основанием, равным величине отверс1ия. 1о, что я сказал о воде, относикя и ко всем друтим видам жидко-аей. Блез Паскаль вы УЗНАЕТЕ: О Мго такое л^вление. О Как называют еди>01цы давления О Как можно вычислить давление. 9 Что такое сила? 9 От чего зависит результат дей-авия силы тта тело? 9 Что проиаодит при взаимодей авии тел друг с другом? Результат действия силы на тело в некоторых ситуациях зависит Tie толт>ко от её модуля, ттаправлсмтия и точки приложснтия, но и от того, к какой площади поверхности она приложена. Можно достаточно сильно надавить палытем на поверхность деревянной доски, но никаких видимых деформаций мы не заметим. Если же надавить на кнопку с той же силой, то острый конец кнопки легко войдёт в поверхность дерева. 8кши с одинаковой силой надавить на кусок сыра пальцем и ножом, то в первом случае деформат^ия мала, а во втором случае сыр будет разрезан. Причина происходя тцего в том, что различаются площади поверхности, на которую оказывается давление. Площадь лезвия ножа во МН01Х) раз меньше площади подушечки пальца, и именно поэтому так различаются результаты действия приложенной силы. Приведённые примеры свидетельствуют о том, что результат действия силы может зависеть и от тотч), тсакая сила действует на каждую единицу плoп^aди поверхности тела. При этом во всех рассмотренных примерах речь шла о силе, приложенной к опоре и направленной перпендикулярно её поверхности. Следовательно, результат действия силы .зависит нс только от сё значения, направления и точки приложения, но и от площади той поверхности, нернеи-дикулярно которой она действует. В рассмотренных примерах и кнопка, и нож концентрируют действие силы на малой площади. Существуют и обратные примеры, когда действие силы уменьшается за счёт увеличения плон^ади поверхности, перпендикулярно которой она действует. Так, например, для езды по .заболоченной местности используют вездеходы, а для езды но спсту — снегоходы. Гусеницы вездехода и лыжи снегохода служат для увеличения площади опоры, на которую действует вес тела. Физическую величину, характеризуютцую действие силы, приложенной перпендикулярно к поверхности, на которую она действует, называют давлением. Давление равно отттошению силы, действующей перпенди- сила кулярно поверхности, к пло- Давление ^ птади этой поверхности. площадь ЕДИНИЦЫ За единицу давления принимают такое давление, которое производит сила 1 Н, действующая на поверхность площадью 1 м* перпендикулярно этой поверхности. Единицу давления — ньютон на квадратный метр (1 Н/м*) — называют паскалем (Па) в честь французского ученого Блеза Паскаля. 1Па i4. Па практике исполызуют также и другие единицы давления. Килопаскаль (кПа): 1 кПа = 1000 Па, 1 Па = 0,001 кПа. гПа Гектопаскаль (гПа): ЮОПа, 1 Па = 0,01 гПа. При одной и той же действую- К. < ^>2 F, = F2 Pi >р2 А’.-52 1 р F,>F, Р PI>P2 Оце*1им давление, равное 1 Па. Такое давление оказывает сила 1 Н (1 Н — это примерно вес гирьки массой 100 г) на поверхность плогцадмо 1 м^. Мож1ю 1акжс сказать, чю давление 1 Па создает груз массой 1 г на поверхность площадью 100 см^. Такое давление оказывает листок бумаги на ладонь, т. е. 1 Па — это очень маленькая ве личина. Блоз Паскаль (1623-1662) Фра1щузский рели1иозный фило сс)ф. писатель, математик и физик. щей силе давление тем больше, чем меньше площадь, па которую действует сила. И наоборот, при увеличении площади, на которую действует сила, давление уменьшается. Работы Паскаля охватывают самые разные области Он является одним из создателей математического анализа, ттроективной теометрии. теории вероятноаей. гццроаатики. создателем т^ханического счётного устройства — «паскаттева коттоса». как говорили современники. При одной и той же плотт^ади, па которую действует сила, с увеличением силы давление увеличивается, а с уменьшением силы давление уменьшается. ВСИ1РОСЫ: 9 Как изменится давление чело века на пол кабины лифта, если лифт начнет с ускорением дви таться вверх? 9 Почему человек, идущий на лыжах, не проваливается в снег? о Как можно уволичить и ум(ч<ь-шить давл«<ие. О Как решать проаейшие задачи по расчету дапления. 9 Что такое дашкчтис? 9 Как зависит давление от силы и площади поверхности? 9 Как называют единицу давле ния? Дано: m — 65 кг S, = 0,07 м’ - 0,7 м* СПОСОБЫ УВЕЛИЧЕНИЯ И УМЕНЬШЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ Мы уже знаем, что, чем больше площадь сиюры, тем меньше давлонио, производимое одной и той же силой, действующей перпендикулярно, на эту опору. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ П Человек, идущий по топкому льду, проваливается в воду и просит о помопти. В такой ситуации спасатель подползает до образовавтпейся проруби по-пластуиски и помогает пострадавшему выбраться из воды. После этотю оба добираются до берега также ползком, не вставая на ноги. Почему? Определим, какое давление оказывает на лсд человек массой 65 кг стоя, если площадь его опоры в ботинках равна 0,07 м^, и лёжа, если площадь его опоры равна 0,7 м*. Запишем условие задачи и решим ее. 1^ Решение: Для определения давления воспользуемся формулой F s' Сила F, с которой человек действует па опору, равна eix) весу (F = Р): mg = 0,8— • 65 кг ^ 637 И. кг Определим давление р,, которое оказывает па опору человек стоя а : р =il = .£iLJl=9ioo Пн. S, 0,07 м" Давление pg, которое оказывает человек лёжа б , равно S., 0,7 м‘ Видно, что давление, которое оказывает стоящий на льду человек, в 10 раз больше давления, оказываемого им на лёд лёжа. Q С какой силой оса вонзает своё жало в кожу человека, если площадь острия жала 0,000000000003 см*, а производимое им давление 3*10'® Па? Решение: Сила определяется по формуле F = pS, тогда f*- 3-10'« Па • 3-10 '* м"*- 0,000009 Н. Видно, что в результате уменьшения площади одной из соприкасающихся поверхностей небольшой силой можно создать достаточно большое давление. Жало осы оказывает на поверхноаь кожи давление, солоаавимое с давлением груза массой в десятки тонн на один квадратный сантиметр! Чтобы получать такие же свсрхвыссжис даштения для научно исследоваюльских и промышленных целей (например, для получения искусаве»»ных алмазов), ученым приходится создавать очень сложные и тро моздкие установки. УВЕЛИЧЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ Когда необходимо, чтобы давление было болыпим, площадь опоры уменьшают и тем самым увеличивают давление. Лезвие режущих и остриё колющих инструментов остро оттачивают. Острое лезвие имеет маленькую площа;ть, поэтому, притсладывая даже малую силу, можно создавать большое давление. Так, резать хлеб острым ножом легче, чем тупым; копать легче острой лопатой, чем тупой. УВЕЛИЧЕНИЕ ДАВЛШИЯ Площадь острия кнопки примертю 0,01 мм^. FciM давить на ктюпку с ситюй 30II, давление, производимое кнопкой на доску, будет рэвтю 3 000 000 000 Па. В технике и в повседневной случаи, когда давление жизни часто встречаются должно быть небольшим. Например, сельскохозяйственные машины не должны сильно давить на почву, чтобы не разрушать её структуру. Поэтому комбайны и сеялки делают с большими колесами, а тракторы — па т’усепич-ном ходу. Машины, которые должны работать в сыпучих песках, имеют широкие шины. Чтобы грунт мог выдержать давление возводимого здания, увеличивают площадь нижней части фундамента. 9 Какими способами можно уве личигь давление, а какими — уменьшить? О Какие примеры истюльзоваиия больших площадей опоры для уменьшеттия давлеттия вы можете ттривести? О Для чего у рютезаков делают ши рокие лямки? вы УЗНАЕТЕ: О Как йшникает лавле>ми& в газе. О От чего зависит давящие газа. Как возникает давление в жцд-коаи и от чего оно зависит. <1^ Что такое давттение? О Каковы различия в строеттии газов, жи^u:oaeй и твёрдых тел? ПРИРОДА ДАВЛЕНИЯ ГАЗОВ И ЖИДКОСТЕЙ Творд|,1о тола передают давлеттие в направлеттии действия силы. В жидкостях и газах давление передаётся совершенно ииа'те. 11о‘тему? РАЗЛИЧИЯ В ПРИРОДГЯДВЛЕНИЯ ТВСР Так как физические свойства газов отличаются от физических свойств твёрдых тел, то и природа давления газа иная, нежели природа давления твёрдого тела на оттору. В больптинстве твёрдых тел атомы и молекулы расположены в определенном порядке и образуют ттрочную кристаллическую структуру. Они отраничены в своём движении и колеблтотся около некоторого положения равновесия. Поэтому сила, действующая на твёрдое тело, и передаётся в направлении действия этой силы. В случае с газами дело обстоит по-другому. Для наглядного представления о том, 1«ак ведут себя молекулы газа в сосуде, Р. Фейнман в своих «Лекциях по физике» приводит пример комнаты, в которой множество теннисных мячей беспорядочно и беспрерывно движутся повсюду, ударяя о стены. Градом ударов мячей создаётся давление, под действием которого стенки разойдутся, если их нс придерживать. Выполним ОПЫТ: перевернём вверх дном стакан и попытаемся опустить его в воду. Вода в стакан полностью не войдёт, поскольку он заполнен воздухом, а воздух оказывает давление на воду. Находясь в беспрерывном движении, молекулы газа сталкиваются друг с другом и со ст’ошсами сосуда, в котором находятся. Размеры отдельной молекулы газа очень малы, мала и сила её удара. Но число молекул газа в сосуде при обычных условиях oipoMiio (в 1 СМ’' содержится примерно 10'® молекул). В экспериментах мы изучаем результат суммарного действия этого огромного количества молекул. Давление газа на стенки сосуда (и на помещённое в газ тело) вызывается ударами молекул газа. Под колокол воздушного иасюса поместим завязанный резиновый шарик а . Он содержит небольшое количество воздуха. Вудом откачивать насосом ваздух из-под колокола. Вокруг оболочки шарика воздух становится всё более ра;^режепным, и шарик, раздуваясь б , принимает форму шара е . Как объяснить этот опыт? Движущиеся молекулы rasa непрерывно ударяются о стенки шарика внутри и снаружи. При откачивании воздуха число молекул вокруг оболочки шарика уменьшается, но внутри их число не изменяется. Поэтому число ударов молекул воздуха о внешнюю поверхность шарика становится меньше, чем число ударов о внутреннюю поверхность. Объём шарика растёт до тех пор, пока сила давления воздуха внутри шарика не сравняется с силой упругости оболочки. При этом оболочка шарика принимает форму шара, т. е. газ оказывает давление на её стенки по всем направлениям одинаково. Иначе говоря, число ударов молекул, приходящихся на каждый квадратный сантиметр площади поверхности, по всем направлениям одинаково. ОТ ЧЕГО ЗАВИСИТ Для того чтобы повысить давление га.за, надо либо увеличить количество ударов молекул о стенки сосуда, либо увеличить силу этих ударов, либо сделать то и другое одновременно. Чтобы увеличить количество молекул в сосуде при заданной температуре, можно добавить в него ещё некоторое количество газа, т. е. увеличить массу газа. При этом давление газа в сосуде возрастёт. Если уменьшить объём газа, нс изменяя его массу, то в каждом кубическом сантиметре газа молекул станет больше, т. е. плотноеггь газа увеличится. При этом число ударов молекул о стенки сосуда возрастёт, и, следовательно, давление га.за увелшштся. Скорость движения молекул газа при нагревании увеличивается. Двигаясь быстрее, молекулы ударяются о стенки сосуда чаще. Каждый удар молекулы о стенку сосуда становится сильнее. Вследствие этого стенки сосуда испытывают большее давление. Подвижность частиц газов и жидкостей является причиной того, что давление в них передаётся не только в направлении действия силы, но и но всем направлениям. Кроме того, под действием силы тяжести каждый вышележанщй слой жидкости своим весом оказывает давление на нижележащие слои. Внутри жидкости всегда существует давление, которое называют гидростатическим. ОТ ЧЕГО ЗАВИСИТ ДАВЛЕНИЕ Ж СЛТИЗЕ1 в жидкости каждый слой давит на все нижележащие слои, и давление на нижний L слой обусловливается весом всех верхних слоёв. Возьмём высокий сосуд, в котором на боковой поверхности на разных высотах сделаны два отверстия. Закроем их и наполним сосуд водой. Затем откроем отверстия. Напор вытекающей воды уменьшается с понижением уровня воды в сосуде, что говорит об уменьптении давления в жидкости. Нагреем колбу с luionio вегавлен-ной в её горлышко резиновой пробкой. При нагревании давле ние газа в колбе буде1 1юсгепен1ю вазрааап. до тех пор, пока пробка не вылетит из колбы. В 1 см^ воды содержится примерно 10^* молекул, что в 1000 раз болмне, чем число молекул воздуха в этом же обьёме. ВОПРОСЫ: 9 Чем вызвано даш1ение газа? О Как изменяется давление газа при его нагревании и сжатии? Q Как изменяется давление жидкости с увеличением глубины? о Формулировку закона Паскаля. О Физический смысл закона Паскаля. 0 Как возникает давление в газе и 01 чего оно ЗЭВИСИ1? 9 Как возникает давление в жид коаи и от чего оно зависит? ДАВЛЕНИЕ В ЖИДКОСТИ И ГАЗЕ. ЗАКОН ПАСКАЛЯ Как породаотся давление в жидкости или газе, если на них оказывается внешнее давление? ■ Проведём опыт, исполт^туя шар Пас- каля, который представляет собой полый шар с множеством маленьких отверстий. К шару ттрисоединена трубка с портппем. Наполним шар водой и нажмём _____ на портпень, чтобы увеличить в нём давление. Пода будет выливаться не только через отверстие, которое находится на линии действия прилагаемой нами силы, но и через все остальные отверстия тоже. Такой же результат получится, если шар заполнить дымом. При нажатии на поршень ™ изо всех отверстий шара будут ' Ц выходить одинаковые струйки I дыма. Дым тоже будет передавать I производимое на него давление в 1 любую точку одинаково по всем направлениям. Эти опыты свидетельствуют о том, что давление, которое мы схюдаём, действуя поршнем на поверхность воды в трубке, передаётся водой по всем направлениям. Давление, производимое на жидкость или J газ, передаётся в любую точку одинаково I во всех направлениях. Этот закон был установлен в 16б1> г. фрагщу.зским физиком и математиком Блезом Паскалем и носит его имя. Передача давления жидкостями и га.зами объясняется достаточно высокой подвижностью их молекул. Именно поэтому слои и частицы жидкостей и газов могут легко перемещаться относительно друг друга но всем направлениям. В быгу мы чаао аалкиваемся с примерами, подтвер )цдэю1цими действие закона Паскаля. Так, например, вода, поступающая в лейку душа или в наконечник обычной садовой лейки, выливается через все 01ворс1ия с одинаковым напором. ЗАКОН ПАСКАЛЯ Им«1но из-за того, что закон Паскаля справедлт® газов, мы можем при помощи насоса надуть круги и матрасы для плавания самой разнообразной ()юрмы. Qianaiia воздух, находящийся в надуваемом предмею неносред ственно около насоса, будет сжиматься, часжцы газа расположатся в этом меае более плотно, чем прежде. По через некоюроо время ваюдавие посюянното /щижения молекул газ вновь распределится по всему телу рав»«омерно. но плотнее. При этом одинаково воз-раает число ударов молекул на все внутренние поверх-ноаи надуваемого предмета. Вследствие этого давление, производимое тазом, возрааает, причем в каждой точке оно возрастает на одно и то же зттачение. ШШИШЖШШГл При помои^и опыта исследуем, тсак давление в жидкости меняется с глубиной. Возьмём стеклянную трубку с боковым отверстием, у которой и дно, и боковое отверстие закрыты резиновой плёнкой. Нальем в эту трубку воду. Под действием веса жидкости плёнка прогибается, и чем выше столб воды, тем больше нрот'ибается нлёнка. После того, как плёнка прогнулась, уровень воды в трубке приходит в равновесие, так как, кроме силы тяжести, на воду детгетвует сила упругости растянутой резиновой плёнки. Плёнка, закрываю щая дно трубки, прогибается сильнее, чем плёнка, закрывающая боковое отверстие. Опустим нашу трубку с водой в широкий сосуд, также наполненный водой. По мере опускания трубки резиновая плёнка постепенно выпрямляется. Полное выпрямление плёнки показывает, что силы, действующие на неё сверху и снизу, равны. При этом уровни воды в трубке и сосуде совпадают. Ото означает, что силы, действующие на плёнку, одинаковы с обеих сторон. Если продолжить погружение сосуда, плёнка начнёт выгибаться внутрь, что свидетельствует о том, что сила, действующая на неё сна-румси, превосходит силу, действующую изнутри. ^ Итак, опыт показал, что внутри жидкости существует давление и на одном и том же уровне оно одинаково но всем направлениям. С глубиной давление увеличивается. 4^ БОЛ РОСЫ: О Как формулируется закон Паскаля? Q Справедлив ли закон Паскаля для твердых тел? Почему? О Привецитс пример опыта, тюка зывающего. что внутри жидкости сущеавует давление. <> Привецитс пример опыта, тюка-зываю1цего. что на одном и том же уровне давление одинаково. О Приведите пример опыта, показывающего, что с глубиттой давле ние уволичивао1ся. о Что такое гидропаттнеское дав пение. О Как расо<итать давление жидко аи на дно сосуда. О Как рассчитать даштение жидко сти на аенки сосуда. РАСЧЁТ ДАВЛЕНИЯ ЖИДКОСТИ НА ДНО И СТЕНКИ СОСУДА О Как формулируется закотт Паскаля? О Как определить давление твёр дот о тетта на опору? 6 Как зависит масса тела от его плотноаи? О Что такое тзес тетта? О Как вес тела зависит от его массы? Жидкость, находящаяся в сскуде. оказывает давление как на дно сосуда, так и тта его стенки. Поперхтюсть жидкости, которая не соприкасается со стенками сосуда, называют свободной поверхностью жидкости. Давление, оказываемое покоя-тт^ейся жидкосп>ю. назтлвают гидростатическим. Давление жидкости тта дно сосуда рассчитывают по формуле Р - Р^Л- Рт Pi Рз Р Давление жидкоаи О Р, Pi Р) Р Давление жидкоаи I :< ^ !л«ДйП1;г1Вм;:*жм:4-^<^ Вычислит» давление жидкости на дно сосуда плотт^адью если высота столба жидкости в этом сосуде равна Л. Как известно, давление определяется по формуле F В нашем случае сила F, с которой жидкость действует на дно сосуда, равна се весу. lioc ясидкости определяется по формуле Рпщ. (1) Следовательно, для определения веса жидкости необходимо найти её массу. Для этотх> восттользуемся формулой т - рК, где р — плотность жидкости, а V — об'ьём жидкости. Для определения объёма необходимо найти произведение площади дна сосуда и высоты столба ясидтсости: V - 67». Следовательно, масса жидкости в сосуде определяется по формуле т - рб’Л. (2) Подставим это выражение в формулу (1) и получим Р - UpSh. (3) Теперь для нахождения давления необходимо вес жидкости ра.зделить на площадь сосуда: Р = gi^Sh Сократив в полученном выражении S в числителе и знаменателе, получим формулу для расчёта давления жидкости на дно сосуда: p~pgh. (4) как по .закону Паскаля давление внутри жидкости на одном и том ясе уровне одинаково по всем направлениям, то по формуле (4) можно находить давление жидкости на стенки сосуда на любой глубине. от ЧЕГО ЗАВИСИТ Г1тт:т1г^!'1аж.гт1т:т;т^тг1!г:1утг!«¥<11улгш Из формулы (4) видно, что давление жидкости на дно и стенки сосуда прямо пропорционально высоте столба жидкости и зависит по только от высоты столба жидкости, но и от плотности жидкости р. Чем больше плотность жидкости, тем большее давление она оказывает при условии, что высота столба жидкости остаётся постоянной. Даже при иаюльаоеании дыхательных трубок, выступающих над водой, глубина погружеттия человека не может превышать 1 м, так как из-за давления воды у исто не хватт сил увеличить обьём трудной клетки и вдохнуть воздух. В 1943 г. французатии Ж. Куао и Э. Ганьяном был изобретён акваланг — спетзиальттый аппарат со сжатым воздухом, предназначенный для дыхания под водой и позволяющий находиться под водой от нескольких минут (на глубитте около 40 м) до часа и более. В соответствии с формулой (4) давлеттие жидкости также зависит от ускорения свободного падения g. Зттачтт, если представить себе о/в*т и тот же сосуд с жидкостью, ттоме ттзенный на разные планеты, то даалеттие на дтю и аеттки сосуда в ттем будет разлив тно в зависимо сти от значения g на планете. Бензин Вода Ртуть Из формулы (4) видно, что давление жидкости на дно и стенки сосуда зависит только от плотности и высоты столба жидкости и не зависит от формы сосуда. Приведённая схема опыта показывает, что сила, с которой жидкость оказывает давление на дно сосудов различной формы, но с одинаковой площа;тыо дна и одинаковой высотой столба жидкости в них, будет одной и той же. Каждый из сосудов снабжён съёмным дном, и динамометры показывают именно силу во.здействия воды на дно сосудов, но не вес жидкости. Очевидно, что вес жидкости в сосудах будет различттым, так как объёмы жидкости в сосудах неодинаковы. По закону Паскаля давление столба жидкости высотой Л равномерно передаётся в любую точку дна каждого из сосудов. Именно поэтому сила, с которой жидкость оказывает давление на дно, больше веса жидкости в сосуде В, но меньнш веса жидкости в сосуде С. Несмотря на кажущееся противоречие, ничего парадоксального в этих опытах нот. Даже небольшим количеством воды можно создать очень большое давление. В 1648 г. этот факт очень убедительно продемонстрировал В. Паскаль, поразив своих современников. В прочную, наполненную водой и закрытую со всех сторон бочку площадью поверхности 2 м* была вставлена тоненькая трубочка площадью сечения 1 см^ и высотой 5 м. Затем Паскаль поднялся на балкон второго этажа и влил в эту трубочку всего кружку воды. Из-за малого диаметра трубки вода поднялась до большой высоты, и давление на стенки бочки так возросло, что планки (клёпки) бочки разошлись и вода стала вытекать из бочки. ft ftp Давле»«ие жидкоаи j ВОПРОСЫ: О Почему взрыв, произведённый под водой, оказывается губительным для живых организмов? О Oi каких величин зависи! дав лег«ие жидкоаи на д»ю и аенки сосуда? О Почему на одной и той же >лу-бине давление воды болыпе в море, чем в реке? СООБЩАЮЩИЕСЯ СОСУДЫ О Что такое соо6и(аюи(иеся сосуды. О В эаклютается принцип со-о6|11аю(1|ихся сосудов. О [де используется принцип сообщающихся сосудов О Что такое гидроаатическое дав ттение? О Что такое свободная поверхность жидкости/ ф Как определить давление жид-коаи на дтто и аенки сосудов? Что общею тиожет быть у чайника, лейки, водопровода и ШЛЮ.ЗОВ? Все ОМИ имеют разтюе предмазиачоние. Но можно заметить, что отдельные их части соединены между собой. Сосуды, имеющие общую соединяющую их часть, называют сообщающимися. -ТJ 111 W11 Если две стеклянные трубки соединить пластиковым шлангом, то пол>птатся сообптаю-щиеся сосуды. Наливая воду в одну трубку, мы увидим, что вода будет перетекать и в другую. При этом уровни воды в трубках будут веб время одинаковы. Если одну трубку оставить неподвижной, а вторую поднимать, опускать или наклонять в сторону, то все равно, как только движение трубки прекратится, уровни воды в обеих трубках окажутся одинаковыми. в сообщающихся сосудах любой формы и сечения свободные поверхности однородной жидкости устанавливаются на одном уровне (при условии, что давление воздуха над жидкостью одинаково). Докажем это утверждение. Мысленно выделим в со-общаюпхихся сосудах некоторый уровень АВ. Пусть р, -— p,gh, — давление в левой части сосуда на уровне А, а Рг = — давление в правой части на уровне R. Так как жидкость находится в покое, давление на этом уровне в левой и правой частях одинаково: Р| = Рг- Поскольку жидкость в сосудах однородная, то р| = Рг- Следовательно, Р|^Л, - рг^гЛг- (1) Получаем Л, = Л^. Приведенные рассуждения справедливы для любого выделенного уровня жидкости. Уровень жидкости в одном из сосудов можно изменить либо долив в нею еще жидкость, либо подняв его, либо опустив. В этом случае из-за образовавшейся разницы давлений жидкость перемещается из одного сосуда в друюй до тех пор, пока свободные поверхности не окажутся на одном уровне. При этом на любом другом выделенном уровне давления в сосудах вновь станут равными. Рассмотрим ситуацию, когда в разные колена сообщающихся схюудов налиты разнородные жидкости, т. е. жидкости с различными плотностями. В этом случае при установившемся равновесии уровни этих жидкостей будут ра.зличаться. Почему? ^ Раскопки арх(юлогов показали, чго вшрэа аарейших водопроводов достигает месколысих тысяч лет. Уже в Древ»»ем Егмпте были построены водопроводы, в которых вода подавалась в дома по деревянным или керакв^теским трубам из колодцев при помощи водоподьеммиков. Древние римлятте несколько усовершеттствовали уарой ство водопровода и нау^тились передавать воду через реки, оврати и г. д. В Европе первый во долровод появился во Франции в контре XVII в. В России ттервый водопровод был сооружён в Москве в 1804 г. а затем в Петербурге в 1861 О На каком свойстве жидкости основан принцип сообщающихся сосудов? О Как располагаются поверхности однородной жидкости в сообщаю щихся сосудах? О Как располагаются поверхности неоднородных жидкостей в сооб щающихся сосудах? "1Э!Е вы УЗНАЕТЕ: О Как иоюлкзу&тся давление в проасйших механических устройствах, О Какие приборы называют гид-равническими и как они рабо1ают. Р Какие приборы называют пневматическими и как они работают. О Как работают тшюзы. Р Что такое дав/тение? Р Как порецастся давление в жидкости и газе? ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДАВЛЕНИЯ В ТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВАХ Знание физических законов, связанных с понятием давления, помогает обьяснить приттттипы действия огромттого количества технических устройств, от самтах проотах до достаточтю сложных. Когда мы копаем обычной лопатой землю или песок, то действуем всем своим весом (400-700 Н) на довольно маленькую поверхность, на которую оказывает давление режутцая кромка лопаты (площадью не больше 0,0(Ю25 м*). Этотю достаточно, чтобы лопата вошла в землю. В то же время, чтобы уменьшить давление со стороны лопаты на подошву нот'и, на лопате делают специальные «ступеньки», плотцадь которых около 0,(Ю6 м*. Ещё один пример — канцелярская кнопка. Мы оказываем давление на кнопку пальцем силой, приблизительно равной 30 II. Тогда давление, оказываемое на верхнюю поверхность кнонки (площадью около 1 см^), равно 30 Н/см* - 300 0(Ю Па. В то же время давление заострённого конца кнонки (площадью около 0,01 мм^’) на стол оказывается в 10 000 раз больше. Многотонные вездеходы, оснащённые широкими гусеницами, способны ездить в пустынях, но болотистой местности, где проваливаются и буксуют узкие колёса легкового автомобиля. Гусеничный вездеход массой 3000 кг оказывает давпснис на ipyiiT, равное всего 12 0(Ю Па. ,Qi|*ltl!!M Гидравлические машины (от греч. hydravUkos — водяной) — это машины, принцип действия которых основан на законе Паскаля и таком важном свойстве жидкости, как се практическая несжимаемость. Гидравлическая машина состоит из двух сообщающихся сосудов, снабжённых поршнями. Эти сосуды заполнены жидкостью (масло, вода и т. п.). В случае, когда па поршни ничего не действует, уровни жидкости в сосудах будут одиназеовыми в соответствии с принципом сообщающихся сюсудов. Если на один из поршней начать действовать силой F,, то давление под этим поршнем возрастёт. По закону Паскаля оно передаётся во все точки жидкости одина- Kouo, и второй поршень иачпет двигаться вверх. Какую силу Fj надо приложить в этом случае ко второму поршню, чтобы уровни жидкости в обоих сосудах остались одинаковыми? Поскольку в рассматриваемой ситуации жидкость находится в равновесии, то давления под поршнями одинаковы: p^ - Pf. Учитывая, что получаем Следовательно, сила h\ во столько раз больше силы F,, во сколько раз площадь большого поршня больше площади малого поршня Таким обраэом, гидравлические машины позволяют уравновесить силы, различающиеся во много раз. Отношение FjFi называют выигрышем в силе. н.пи S, S, ГИДРАВЛИЧЕСКИ [ДП2КВ1 Гидравлическую машину, предназначенную для сжатия тел, называют гидравлическим прессом. Гидравлический пресс работает следующим образом. Тело, которое необходимо сжать (спрессовать), помещают на платформу, установленную на большом поршне. Воздействуя на малый поршень, увеличивают давление в жидкости. По закону Паскаля это давление передаётся на большой поршень, и он начинает подниматься. Учитывая выигрыш в силе, который даёт гидравлическая машина, сила F^ должна быть меньше силы Fj, во столько раз, во сколько площадь больше площади 5,. На практике это различие может быть очень большим. При подъёме большого поршня тело будет упираться в неподвижную верхнюю платформу и сжиматься. Впервые I идрэвличесхие прессы аали примо|«пь на практике в конце XVIII — начале XIX в. Гидравлические прессы применяют там. где требуется большая сила. Например, для выжимания масла иг семян на маслобойных заводах, для прессования фанеры, картона. На металлургических заводах i идраш1ические прессы иаюльзуют при изю1овлонии аальных валов машин, железнодорожных колёс и других изде ЛИЙ. Современные гидравлические прессы могут развивать силу в десятки и сотни МИТи1И01ЮВ ньююнов. Компроссор>1ая юхника — эю на бор методов и аппаратуры для получения, поддержания и контроля давления выше атмосферного. История раавития фитики и химии, а 1акжс ряда отраслей промышленности нераэрывтю связана с разви-1ием комгтрессорной техники. В различных областях техники и промышленности можно встретить пневматические устройства, т. е. устройства, приводимые в действие сжатым воздухом. Рассмотрим сначала простейший насос а . Его мы используем для накачивания мячей, велосипедных или автомобильных камер. Работает насос следующим образом. При подъёме поршня вверх через отверстие в корпус насоса входит воздух. При опускании поршня ВО.ЗДУХ под ним сжимается и через ниппель б проходит в камеру. Ниппель нужен для того, чтобы пропускать воздух внутрь какого-то объёма, но не выпускать его наружу. Устроен он следуюгцим образом. В топкой металлической трубке сделано отверстие в боковой поверхности. Па неё плотно надета узкая резиновая трубочка. Когда воздух под дашюнием идёт из насоса, трубочка раздувается и пропускает его в камеру. Обратно же воздух через трубочку пройти не может. шаашшпш Устройства, которые используют для разрежения газа, также называют насосами. В качестве примера рассмотрим поршневой воздушный насос с клапанами в . Воздух откачивается из сосуда. При движении поршня вверх в камере между клапанами понижается давление. Из-за разности давлений в камере и сосуде, из которого выкачивают воздух, открывается клапан /. При опускании поршня он закрывается, и открывается клапан 2, воздух выходит из насоса. В технике также используют насосы для работы с жидкостью. Примером такого насоса может служить поршневой жидкостный насос. НАГНЕТАТЕЛШЫЙ НАСОС-КОМПРЕССОР Ещё один вид насос.а — нагнетательный насос компрессор г . При вращении маховика поршень движется в цилиндре вправо и влево. При движении поршня вправо сжатый воздух открывает клапан на заслонке и нашетается в баллон. При движении поршня влево новая порция воздуха засасывается в цилиндр из атмосферы, причём клапан на заслонке закрывается, а клапан на поршне открывается. Розорвуар ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ ТОРМОЗА Сжатый воздух также используют в пневматических тормозах для железнодорожного транспорта. Рассмотрим схему их работы. Магистраль, тормозной цилиндр и ре.зервуар .заполняют сжатым воздухом, который под давлением на1’нетается компрессором. При открывании стоп-крана сжатый во.з-дух выходит из магистральной трубы, и давление в правой части тормозного цилиндра становится меньше, чем в левой (из которой сжатый воздух благодаря клапану выйти не может). В результате этого поршень тормозного цилиндра перемещается вправо и прижимает тормозную колодку к ободу колеса, которое при этом затормаживается. При наполнении магистральной трубы сжатым ВО.ЗДУХОМ тормозные колодки отжимаются пружинами от колёс. Клапан MarHcipaiib ^ С Ещё одним примером технического устройства, в котором используются и.зученные нами .законы, являются шлюзы. Они широко используются во всём мире для того, чтобы суда могли пройти сквозь водоёмы, уровень воды в которых отличается друг от друга. При помощи ворот уровень воды между ними выравнивается, и судно .за небольшой промежуток времени попадает из водоёма с одним уровнем воды в водоём с другим уровнем воды. Первые шлюзы были изобретены в XIV или XV в. В 1481 г. /ща MOTjaxa-доминиканца из Витербо (Италия) предложили схему шлюзовой камеры с затворами, а Леонардо да Винчи (1457—1519) спроектировал б шлюзов, создав систему каналов Милана. До эгого (и долгое время после этого) на многих каналах суда поднимались или опускались по наклонной плоскости на канатах, однако таким аюсоОом МОЖ1Ю бьию псре1аскивать лишь 1«е0ольшие суда. Ис-тор^^теская роль шлюзов обусловлена иментю тем, что с их помощью можно проводить крупные суда по каналам с перепадом уровня воды. К началу XVIII в. водные пути в их еаественном состоянт»1 уже не отвечали требованиям развивающейся экономики России. Первым искусавентлтм водным гтутсчл, созданным в России, была Выщневолоцкая система. По указу Петра I от 12 января 1703 г. начались работы по строительству каттатта между роками Цтта и Тверт^а. Указом повелевалось начальаву ближайтпих провинций к 1 апреля того же года выслал» тта «ттерекопные работы» 5000 пеших работников, 1000 конных и 400 плотников. К 1709 г. были созданы Тверетткий канал, один деревяттный полушлюз на Колёса Российская Федерация располагает самой болылюй в мире сетью вттутренних водттых путей, исполь зуемых для траткттортткхо судо ходства. В нааоящее время эксплуатируются пути общей протяжённоаью около 101.6 тыс. км. На них раотоло жено окотю /00 судоходных тид-ротехнических сооружений, в том wene 110 судоходттых твлюзов. О Какой закон исттользуют в упрой стве гщлравличеасих мащитт? О Чем определяется выигрыш в силе, который даёт гидравлический ттресс? <> Какие уаройава называют пнев-матумескими? ^ Результат действия силы зависит не только от ее значения, направления и точки приложения, но и от площади той поверхности, перпендикулярно которой она действует. Давление тем больше, чем меньше площадь, на которую действует сила. И наоборот, при увеличении площади, на которую действует сила, давление уменьшается. Давление газа обусловлено иными причинами, чем давление твёрдого тела на опору. Давление газа на стенки сосуда вызывается ударами молекул га.за. ^ По закону Паскаля давление, производимое на жидкость или газ, передаётся в любую точку одинаково во всех направлениях. ^ Давление жидкости на дно и стенки сосуда зависит только от плотности и высоты столба жидкости и не зависит от формы сосуда. «ПОДРОВНЕЕ.„» Линсон Г. Великие эксперименты в физике. — М.: Мир, 1978. Перельман Я. И. Знаете ли вы физику? Библиотечка ♦ Квант». Вып. 82. — М.: Наука, 1992. ВОПРОСЫ ОБСУЖДВ1ИЯ: О Фу10о/н>1ий мвч падает с 1ижоюрой высоты. Отличается ли давление воздуха внутри мя*1а при падении от его давления в случае, когда м$м покоится? О Давлетме на больших шубинах в Мировом океане достиг ает колоссальных .значений. Почему же глу^ководные обитатели не ощущают при этом дискомфорта? О Как изменится давление жидкости на дно сосуда, если он начнёт падать, сохраняя вертикальное положение? В Ц цилиндрических сообщающихся сосудах находится вода. Сохранится ли одинаковый уровень воды в сосудах, если один из них начнут нагревап>? АТМОСФЕРА И АТМОСФЕРНОЕ ДАВЛЕНИЕ ВЕС ВОЗДУХА. АТМОСФЕРНОЕ ДАВЛЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЕ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ. ОПЬГТ ТОРРИЧЕЛЛИ ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ вы УЗНАЕТЕ: О Как опр(>доли1ь плотноаь и вое воздуха. О Что такое атмосферное давле ние. О Что такое а1мосфсрэ Земли. 9 Каков соаав и ароение атмосферы. 9 Как происходит переда'» давле ния в гааах? 9 В чём сущмос1ь заксх» Паскаля? Проходящего при /дыхании чере.а лёгкие человека неСюльиюй комнате К в вагонах пассажирского поезда Молекулы газов, соаавляющих атмосферу, находятся в нелрерьт пом и 6еспорядоч1юм движении. При этом на них действует сипа тяжести. Именно эти две причины не позволяют молекуттам воздуха ни упасть на поверхность .Земли, ни улететь в межпланетттое пространство. Г ВЕС ВОЗДУХА. АТМОСФЕРНОЕ ДАВЛЕНИЕ Во.здунжая оболочка, окружакхцая .Землю, иазтяваотся атмо-С(|>ер^ (от греч. atmos — пар и spharia — шар). Атмосфера — это смесь различных тазов, т. е. она состоит из молекул, котортяе обладают массой. На каждую из ттих действует сипа тяжести, следовательно, атмосфера имеет вес. поэтому она оказьтвает давление тта поверхттость Земли и на все тела на .Земле. ."Зто давлеттие ттазтявают атмосферным даплениом. оттределения веса воздуха ттеобходимо зпать етч) массу. Рассмотрим опыт, который, во-первых, нат'лттдпо продемонстрирует, что воздух обладает массой, во-вторых, поможет её определить. Для проведения далнот'о опыта необходимы чувствительные весы и колба, из которой при помощи насоса выкачан воздух. Проведем два взвешивания. При первом определяется вес колбы без воздуха. Второе взвешивание проводится после того, как в колбу впускается воздух. Оказывается, что колба с воздухом весит больше. Приведённое в таблицах физических величин значение массы воздуха объёмом 1 м^ при температуре О С равно 1,29 кг. Этю значение получено путем тщательных измерений. Вычислим вес этого воздуха: Р mg. И /> = 9.8-^1.29кг^13Н. кг Зная масх;у .заданного объёма во.здуха, можно вычислить и плотность воздуха. АТМОСФЕРНОЕ PiM'-PH! Как пока.зали наблюдения из космоса, атмосфера простирается на высоту более чем 1500 км от поверхности Земли. Масса всей атмосферы составляет около 5* 10'" кг, а это одна миллионная часть массы Земли. Постепенно атмосфера переходит в безвоздушное пространство, но чёткой грани1;ы атмосферы не существует. Под действием силы тяжести верхние слои воздуха атмосферы оказывают давление на её нижние слои. Воздушный слой, прилегающий непосредственно к Земле, согласно закону Паскаля передаст производимое на него давление выптележатцих слоёв по всем направлениям. В результате этого земная поверхность и тела, находящиеся на ней, испытывают давление всей толщи воздуха. Значит, чем ближе к поверхности Земли, тем больше атмосферное давление. Из-за быстрого убывания плотности атмосферы почти вся её масса содержится в нижних слоях — тропосфере и стратосфере. с увсличопиом высоты измсияотсл 110 только атмосферное давление, но и плотность воздуха. По результатам измерений на высоте около 5,5 км плотность воздуха умсе в 2 раза меньше, чем у новерхности Земли. ПОЧЕМУ МЫ НЕ ОЩУЩАЕМ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ? Для ответа на этот вопрос рассмотрим опыт. Возьмем стеклянную банку и затянем её горлышко тонкой резиновой плёнкой. На плёнку снаружи действует сила, обусловленная атмосферным давлением воздуха, однако плёнка совершенно не прогибается. Дело в том, что давление воздуха внутри банки равно атмосферному, поэтому на внутреннюю поверхность плёнки действует такая же сила, что и на наружную. Силы уравновешены, и плёнка остаётся неизогнутой, как если бы на неё не действовали никакие силы. Если откачать часть во.здуха из банки, уменьшив этим его давление, то пленка прогибается внутрь банки. Если, наоборот, накачать в банку воздух, то плёнка выгибается наружу. Плёнка прогибается настолько, что возникшие в ней упругие силы вместе с силой давления воздуха в банке уравновешивают силу давления внешнего воздуха. ВЛИЯНИЕ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ НА ФИЗИЧЕСКИЕ Существование атмосферного давления является причиной многих явлений, которые мы встречаем в жизни. Рассмотрим такой нри.мер. В сосуд с водой опустим стеклянную трубку с поршнем. Е^сли поднимать поршень, то за ним будет подниматься и вода. Почему это происходит? При подъёме поршня между ним и водой образуется безвоздушное пространство. В это пространство под давлением наружного во.здуха и поднимается вслед за поршнем вода. I В результате действия атмосферного давления вода поднимается по соломинке, когда мы с её помощью пьём воду. ---- — Если стеклянную трубку опустить в воду, а потом её верхний конец .закрыть пальцем, то при вытаскивании трубки из воды в пой остается столбик воды. Почему это происходит? При опускании конца трубки в воду часть её заполняется водой по принципу сообщающихся сосудов. Когда мы закрываем открытый конец трубки пальцем и вытаскиваем её из воды, часть воды выливается из трубки. При этом давление воздуха в трубке становится чуть меньше атмосферного (на значение гидростатического давления оставшегося столбика воды). Снизу же на столбик воды действует давление воздуха, равное атмосферному. Именно поэтому вода из трубки не вытекает. Ткани. крове«1оа1ыс сосуды и а««ки других полоаей тела подвергаются («ружному давлению а1мосферы, но кровь и другие жидкости и газы, заполняю! г(ие зги полости, сжаш до такого же дав ления. Поэтому большинство тканей в нашем организме, испытывая одинаковое давление изну1ри и снаружи, не деформируются и атмосферное давление не ощущается. вы УЗНАЕТЕ: О Как можно юмррить атмосферное давление. 9 В каких единицах измеряется атмосфер>юе давление. О Чему равно нормальное aiMo-сферное давление. О В чём заключается опыт Торри челли. 9 Что такое атмосфера? 9 Что такое атмосф(?рное давле' ние? Евангелиста Торричелли (1608-1647) Итальшкжий математик и фюик, живший во Флоренции. ИЗМЕРЕНИЕ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ. ОПЫТ ТОРРИЧЕЛЛИ Давление в жидкости и газе определяют по формуле р — р/^Л. следовательно, для определения атмосферного давления необходимо знать плотность воздуха и высоту воздушного столба над поверхноаыо Земли. Но атмосфера не имеет чёткой верхней границы, а плотность воздуха существенно меняется с в1>1Сотой. Опыт, помогающий измерил> атмосфорноо давление, был предложен в 1643 t. итальянским у*|ёным Е. 1орричелли. ОПЫТ ТОРРИЧЕЛЛИ Торричелли исполт^чо-ввл стеклянную трубку длиной около 1 м, запаянную с одного кошта и наполненную ртутью. .'Закрыв открытый конец трубки, он перевернул ее и опустил в чашку с ртутью. После того как он открыл конец трубки, часть ртути вылилась в чашку, а часть её осталась в трубке. Высота столба ртути, оставшейся в трубке, оказалась равной приблизительно 760 мм. Над ртутью в трубке образовалось безвоздушное пространство, так как воздух там отсутствовал. Впослед-ствие пустота, образующаяся в трубке при опыте Торричелли, получила название ♦торричеллиева пустота». Почему же вся ртуть из трубки не вылилась в чашку? Сам Торричелли предложил следующее объяснение происходящего. Сила тяжести заставляет ртуть двигаться вниз. При этом на поверхность ртути в чашке оказывает давление ат.мо-сфера .'^емли. .'Уго давление по .закону Паскаля передаётся без изменения в каждую точку жидкости и оказывает воздействие на ртуть в трубке снизу. Следовательно, столбик ртути перестаёт перемещаться, когда силы уравновешиваются, т. о. когда давление столба ртути па уровне, совпадающем с уровнем свободной поверхности ртути в чашке, становится равным атмосферному давлению. Паскаль считал, что для окончательного доказатель ciua факта сущос1вования атмосферного давления нс обходимо проделать опыт Торричелли один раз у подножия какой нибудь торы, другой раз на её вершине и в обоих и1учаях измерить высоту ртупкмо столба в ipytke. В 1648 г. по поручению Паскаля такой эксперимент проделал Ф. Перье. Он полткхгтью подтвердил предположение Паскаля о том, ‘ПО атткюсфергтое давление зависит от высоты. При высоте горы около 1,5 км разттитда уровней ртути соаавила более 8 см. НОРМАЛЫЮС АТМОСФЕРНОЕ Зиачспио атмосферного давления, равное давлению столба ртути высотой 760 мм при температуре 0 С называют нормальным итмо<‘фср11ым давлением. Измерив высоту столба ртути, можно расх;читать давление, которое производит ртуть. Если внимательно отмечать иололссние уровня ртути, можно заметить, что с течением времени оно меняется. Это указывает на то, что атмосферное давление может изменяться по ряду причин (изменение температуры, смена направлений ветра и т. д.). Если атмос(рерное давление уменьшается, то столб ртути в опыте Торричелли понижается. Чем больше атмосферное давление, тем выше столб ртути в опыте Торричелли. ЕДИНИЦЫ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ Па практике атмосферное давление часто удобно измерять высотой ртутного столба. В этом случае единицей атмосферного давления является I миллиметр ртутного столба (1 мм рт. ст.). Например, если говорят, что ат.мосферное давление равно 770 мм рт. ст., то это значит, что воздух производит такое же давление, 1сакое производит вертикальный столб ртути высотой 770 .мм. Найдём соотношение между этой единицей и паскалем (На). Для этого рассчитаем давление столбика ртути высотой 1 мм: Р - РАГЛ, р =* 13 600 9,8 Н 0,001 м 133,3 Па. Итак, I мм рт. ст. = 133,3 Па. На практике также используют специальную единицу давления — атмосферу. Одна атмосфера равна 10^ Па. ОПЫТ ГЕРИКЕ В 1654 г., спустя 11 лот после открытия Торричелли, действие атмосферного давления было наглядно показано бургомистром г. Магдебурга Отто фон Герике. Два медных полушария были соединены кольцевой прокладкой. Через кран, приделанный к одному из полушариев, из составленного шара был выкачан воздух. Давление наружного воздуха прижало полушария друг к дру1*у настолько сильно, что их не могли ра.з-нять восемь пар лошадей. ^ Единицей атмосфер»юго давпения I является миллиметр ртутного столба (1 мм рт. ст.) и атмосфора 1 мм рт. а. = 133,3 Па 1 атмосфера = 10^ Па Отто фон Герике (1602-1686) Немет всий физик, инженер и философ. Изобрёл вакуумную откачку и провёл извеаный зштеримент с «магдебургскими 1юлушариями», который доказал наличие давления воздуха. Опытами уаэноелено, что при подьёме в среднем на каж/^ые 12 м давление уменьшается на 1 мм рт. а. О Почему нельзя рассчитывать давление воздуха так же, как рас-ститывают давление жцдкоои на дно и аенки сосуда? О Что означает запись! «Апаосфер ное давление равно 760 мм рт. а.»? О Можтю ли опыт Торричелли осуществить на Оорту орбитальной космической аанции? Ответ обо снуйте. ■т вы УЗНАЕТЕ: О Чго такое барометр анероид О Как работает машметр. О Как измеряют кровяное давле ние. 9 Что такое атмосферное давле ние? 9 Как можно измерить атмосферное давление? ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ Для решения миотих нрактитеских задач необходимо измерять давление. Для этого используют разли«тные приборы и устройства. РТУТНЫЙ БАРОМЕТР Если к трубке с ртутью, использовавшейся в опыте Торричелли, прикрепить вертикальную шкалу, то получится простейший прибор — ртутный барометр о . ГИю жидкостной барометр, в котором атмосферное давление измеряется но высоте столба ртути в запаянной сверху трубке, опущенной открытым концом в сосуд с ртутью. 1>тут11ыс барометры наиболее точные приборы, ими оборудованы метеорологические станции, по ним проверяется работа других видов барометров. Также для измерения атмосферного давления используют металлический барометр, называемый анероидом б (в переводе с |рсческо1Х) — без-жидкостный). Он не содержит ртуть. Главная часть барометра-анероида — лёгкая, полая внутри металлическая коробоч1са 1 . Крыш1са коробки сделана с волнистой (гофрированной) поверхностью для повышения её гибкости. В^дух из коробочки откачан. Её стенки растягивает пружинящая металлическая пластина 2 . При изменении атмосферного давления крышка прогибается и натягивает или сжимает пружинку. При этом поворачивается стрелка-указатель Я , насаженная на ось 4 , под которой укреплена шкала 5 , деления которой нанесены по показаниям ртутного барометра. Все детали барометра помещены внутрь корпуса 6 , закрытого стеклом 7 . Барометры-анероиды менее надёжны, чем ртутные. Однако они гораздо более удобны в обращении, поэтому получили очень широкое распространение в тех случаях, когда не требуется очень большой точности. Для измерения давления жидкости или газов используют приборы, которые называют манометры (от греч. manos — неплотный и metreo — измеряю). Манометры бывают жидкостные и металлические. Жидкостный манометр может измерять давления много меньшие, чем атмосферное. Он состоит из двухколенной стеклянной трубки, в которую налита 1сакая-нибудь жидкость. Работа манометра основана на сравнении давления в закрытом колене с внешним давлением в открытом колене. По разности высот жидкости в коленах судят об измеряемом давлении. в обычном состоянии жидкость устанавливается в обоих коленах на одном уровне, так 1сак на её поверхность действует только атмосферное давление. Для демонстрации принципа работы манометра обычно используют следующее оборудование: сосуд с водой, плоская коробочка, затянутая резиновой мембраной, и пластиковая трубочка, соединяющая эту коробочку с коленом манометра. Если поместить коробочку в сосуд с водой, то столб жидкости будет оказывать давление на мембрану, что приведёт к сжатию воздуха, находящегося в коробочке и соединительной трубке. В соответствии с законом Паскаля это избыточное давление будет передаваться на поверхность жидкости в колене манометра. В результате уровень жидкости в колене, соединённом с коробочкой, понизится, а в друюм колене повысится. По разности высот столбов жидкости в манометре можно судить о том, насколько давление на мембрану отличается от атмосферного. С помощью металлического манометра измеряют давления сжатого воздуха и других газов. Его основной частью является полая металлическая труб1са 1 , изогнутая в виде кольца, один конец которой запаян, а другой соединён с сосудом, в котором нужно измерить давление. При увеличении давления трубка разгибается и приводит в движение стрелку манометра 2 . При уменьшении давления трубка благодаря своей унру1Ч)сти возвращается в прежнее положение, а стрелка — к нулевому делению шкалы. Манометры, называемые тонометрами, истюльзуют врачи при измере»»1и давления крови Вот как это делается. На руку патвтенту надевают полую резиновую манжоту. и с помощью насоса врач накачивао! в нес воздух. Когда давление сжатого воздуха в манжете ааноеигся равным давлению крови, манжета пережимает артерию и пульс у пациента пронадает. В это время врач и1имэот ткжазания манометра. МОИ ФИЗИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ Изготовление «баночного барометра». «ПОМОЩНИК» J Возьмите тонкую резиновую пленку (например, от воздуш ного шарика) и натяните её на горлышко литровой аекття1Т1Той банки, .^крепите пленку с помо щью скот'та. Натянутая плёнка будет играть роль упругой мем-б|ы»ты. J Из тшопюто картента вырс жите узкую полоску и закрепите её с помощью скотча на поверхности ттлёттки. ^ Наклеите миллиметровку на картон и ттарисуйте икалу. После этого закрепите шкалу у конца арелки. Для проведеттия реаль ттых измереттий шкалу можтю проградуировать при помощи школьного барометра-анероида. О Для чего иатользуют барометр аттероил? О Как называют приборы для измерения давлетий, ббльших или меньтттих атмосферного? О Почему в открытом маттотиотре уровни однородтюй жидкости в обоих Колеттах одинаковы? ПОДВЕДЕМ ИТОГИ Российский общеобразовательный портал https://exper1ment.odu.ru/ catak)q.asp ^ Под дсйстцисм силы тяжести верхние слои вовдуха атмосферы ока.вывают давление на её нижние слои. В результате этого земная поверхность и тела, находящиеся на ней, испытывают давление всей толщи воздуха, называемое атмосферным давлением. ^ С увеличением высоты над уровнем моря атмосгрер-нос давление уменьшается. Значение атмосферного давления, равное давлению столба ртути высотой 760 мм при температуре О "С, называют нормальным атмосферным давлением. ■J Па практике исполызуют специальные единицы давления — миллиметры ртутного столба и атмосгреру. ^ Приборы для измерения атмосферного давления называют барометрами. ^ Для измерения давления жидкости или газов используют приборы, которые называют манометрами. «ПОДРОБНЕЕ..» Перельман Я. И. Знаете ли вы физику? Библиотечка «Квант». Вып. 82. — М.: Наука, 1992. Тит Т. Научные забавы: интересные опыты, самоделки, развлечения. — М.: ИД Мещерякова, 2010. Энциклопедия для детей. Т. 16. Физика. Ч. 1. Био-П)афия физики. Путешествие в глубь материи. Механическая картина мира. — М.: Лвапта!, 2000. ВОПРОСЫ для ОБСУЖДЕНИЯ: О Ртунмй барометр, сохраняя вертикальное гюложение, паллет с большой высош. Что он показывает при этом? Q Для осущеавления своего знаменитого опыта Опо фон Герике потребовалось 16 лошадей. Как вы думаете, сколько лошадей ему 1ютрсбовалось бы для проводония этою опыта на высоте пример»ю 5—6 км? ЗАКОН АРХИМЕДА. ПЛАВАНИЕ ТЕЛ ДЕйавиЕ жидкоаи и газа НА ПОГРУЖЕННОЕ В НИХ ТЕЛО ЗАКОН АРХИМЕДА ПЛАВАНИЕ ТЕЛ. ВОЗДУХОПЛАВАНИЕ вы УЗНАЕТЕ: р Что такое вмгалкиваю|цая сила. О Как определить выталкивающую силу, Р Какое давление называют ги/т-роста1ическим? Р Как определить давление жид-коаи на дно сосуда? Р Чему равна равнодействующая двух сил. направленных в противо положные стороны? ДЕЙСТВИЕ ЖИДКОСТИ И ГАЗА НА ПОГРУЖЁННОЕ В НИХ ТЕЛО Если потрузить в сосуд с водой кусочек ттробки, то стоит толысо отпять руку, как вода вытолкнет пробку тта понерхтюсть. Но так происходит не со всеми телами. Не зря существуют вы-ражеттия; «плавает как пробка» и «камнем на дно». Из натлего ЖИЗТ1СННОГО опша мы зт|аом, что в воде тяжёлый камень поднять гораздо летне, чем в воздухе. Это может означать, что жидкость выталкивает не только лёгкие, но и тяжёлые пред-мет|.1. Е!1 УIМiI' I:11 tJ;IJПроверим при помощи опыта гипотезу о том, что вода выталкивает предметы. Привяжем к камню топкую резинку и измерим ее длину. Затем опустим камень, подветпенный на резинке, в сосуд с водой и измерим длину резинки в этом положении. Она стала короче. Такой же эффетст мы мот'ли бы получить, если бы действовали на камень снизу вверх с некоторой силой, например приподняли рукой. Наша 1'ипотеза подтвердилась на опыте. Силу, выталкиваюн^ую тело из жидкости или газа, называют выталкивающей или архимедовой силой по имени древнет'речестсот'о учёнот'о Архимеда, который впервые открыл и обосновал её суп^ествование. Легко догадаться, что эта сила направлена вертикально вверх. Привяжем короткой ниткой к пробке такой груз, чтобы она погрузилась в воду. Отвесно натянутая нить показывает, что выталкиваютцая сила, которая действует на пробку, направлена вертикально вверх. РТ7'73-.Щ^ТТ1Т:ШШ:< Рассчитаем вы- талкивающую силу, дейс“гвующую па погружённое в жидкость тело высотой Л и площадью поперечного сечения S. Плотность жидкости, в которой находится тело, равна ря(. Силы, действующие на боковые грани тела, попарно равны па одном и том же уровне жидкости. Они уравновешивают друг друга и только сжи-4 мают тело. Л, На верхнюю поверхность цилиндра оказывает V давление с^олб воды высотой Л,, следовательно, .это давление равно Л Р, - Рж^гЛ,. ’ Тогда силу, с которой вода оказывает давление на верхнюю поверхность цилиндра, определяют по формуле = MftiS. Даолсиис, 01сазывасмос ua нижнюю поверхность цилиндра, равно давлению столба жидкости высотой Л^: Р2 - Mhi. Силу, с которой жидкость оказывает давление на нижнюю поверхность цилиндра, определяют по формуле Fj = p*£T/l2^S. Тело выталкивается из жидкости силой равной разности сил - F,: P^uv-Рг-Рх, Рщх = - Рж^Л,5, Рххш “ Рж/?6>(Л2 - Л1) “ Рщш = РжёУ. (1) Обозначим массу жидкости, которая занимает объём, равный объёму тела, через т*. Так как т* — р*К, получим РMUT “ где FjK — вес ясидкости, занимающей объём, равный г-Ч объему тела. Итак, на тело, полностью погружённое в жидкость, действует вертикально вверх выталкивающая сила, равная по модулю весу жидкости, вытесненной телом. K«i ^ ■! ^«i '■ 10} j' I. М Формула (1) пока- зывает, что выталкиваю1цая сила прямо пропорциональна объёму тела и плотности жидкости. Если погрузить в жидкость тела из одного и того же ве1цества, но разного объёма, то по изменениям показаний динамометра можно сделать вывод, что выталкиваю щая сила тем больше, чем больше объём тела, погру жённого в жидкость. Если же погрузить одинаковые тела в разные жидкости, отличающиеся по плотности (например, воду и керосин), то по изменениям пока.заний динамометра можно сделать вывод, что выталкивающая сила зависит от плотности жидкости: че.ч больше плотность, тем больше выталкивающая сила. ОТ ЧЕГО НЕ ЗАВИСИТ APXI Из формулы (1) следует, что архимедова сила не зависит пи от вещества, из которого сделано тело, пи от глубины погружения. Так, при погружении в жидкость тел, сделанных из разных материалов (например, медь и железо), но одинакового объёма, показания динамометров изменяются на одно и то же значение, хотя в воздухе эти тела имеют разный вес, т. е. выталкивающая сила не зависит от вещества, аз которого сделано тело. Если изменять глубину погружения тела, подвешенного к диггамометру, в жидкости, то показания динамометра не изменятся, т. е. выталкивающая сила не зависит от глубины погружения тела. У Силу, выталсивающую тело из жидкости, называют выталкивающей или архимедовой силой и определлют 1ю формуле - MV. где рж — плотность жидкости, V — обьём жидкости, вытесненной телом. Выталкивающая сила направлена противоположно сипе тяжести, при ложеттной к этому телу. Еоти тютрузить в воду тело, то значение выталкивающей силы не будет зависелэ от того, в каком по тюжонии отю находится под во/юй. РжёУ Р,ш - РжёУ 9жёУ О Какие ттриморы явлеттий вы мо жете привести, которые указывали бы тта суп(еавование выталкиваю щей силы? О В воду погрузили тело, плот-носп. которого равтта плотности жидкости. Ьудет тти тта тетто дей ствовать выталкиваютттая сила? Ответ обоснуйте. о Как формулируется закон Лрхи меда. О Как решаются зада^ти на растёт архимедовой силы. 9 Какую силу называют вы1элки< вакидей или архимедовой? 9 Как определить архимедову силу? 9 От каких факторов зависит архимедова сила? 9 От каких факторов не зависит архт«4одова сила? м/ Архимед (287-212 гг. до н. э.) Древнегреческий ученый, фило соф и математик. l: Если на дно аеклянного сосуда, покрьпого тонким слоем парафина, положить кусочек парафитта с гладким основанием и аккуратно налить воды, то парафитт не воияавёт. Это яшкчтие обьяабтется тем. что вследствие несмачивания парафитта водой она не троникает между куском парафитта и дном сосуда. Поэтому на нижнюю по-верхтюсть ттарафитта вода даште ние не оказывает. Давление воды на верхнюю ттоверхноаь куска парафитта ттрижимает его ко дтту. Fcnn наклонить кусок парат^тта так, чтобы вода проттикла под его нижнтою поверхность, то он сразу всплывет. т ЗАКОН АРХИМЕДА Изу'темием ситты, вытатткиваютдей тетю из жи/дкости или таза, заттимался вс?ликий дрсвттогрочсчгкий у'тстттлй Архимед. Отт впервьте не только указал на её сувдествование, но и первьтм ттау»титтся оттредеттять её значение. Проделаем опыт: пустое ■if^! ведёрко А (ведёрко Архимеда) и сплошной тдилиндр Д, имеюпдий объём, равный вместимости ведёрка, подвесим к пруисине динамометра. Показания динамометра зафиксируем. Затем опустим цилиндр в отливной сосуд. наполненный водой до уровня отливной трубки. Кот'да цилиндр полностью погрузится в воду, растяжение пружины умепьптится, а часть воды, объём которой равен объему цилиндра Б, выльется из отливнотю сосуда в стакан. Если теперь перелить воду из стакана в ведёрко Л, то пружина динамометра снова растянется до прежней длины. ^>то означает, что потеря в весе цилиндра в точности равна весу воды в объёме цилиндра. Ж с^1 А И1 Итак, опыт подтвердил, что архимедова (или выталкивающая) сила равна весу жидкости в объёме этого тела, т. е. m^g. Масса жидкости т«, вытесненной телом, равна её плотности, умноженной на объём тола, по1ружённо1Х) в жидкость (так как объём вытесненной толом жидкости равен объёму тела): = Р*^г- Таким образом, получим ЗАКОН АРХИМ шж Из описанного опыта видно, что вес тела, погружённого в жидкость, уменьшается на значение, равное архимедовой силе: Pi “ Р - Fa “ gm где т — масса тела, am, — масса жидкости в объёме, равном объёму погружённого тела. Поэтому закон Архимеда формулируется следующим образом: тело, находящееся в жидкости (или газе), теряет в своём весе столько, сколько весит жидкость (или газ) в объёме, вытесненном телом. Гиерон. став царём Сиракуз, решил в благодарноаь за свои успехи принести в дар бессмертным богам золотую ко ролу. Он заказал её мастеру и приказал вцдать ому нужное количеово золота. К назттачегтному сроку корона была готова. Но царю донесли, что втиеао чааи золота мэаер примешал такое же количество серебра. Гиерон разгневался, но не смог ттайти атособа у/т»етить мастера в нечестности. Он обратился за помощью к Архимеду. Архимед знал, что плотность серебра меньше плотности золота, тюэтому еати ттри изютоштении ко роны использовали сплав, а не чистое золото, то плотноаь вещеава коротты должна быть меньше плотноаи золота, Взвесить корону было легко, но найти её обьем трудно, так как корона была очень сложной формы. Однажды, когда Архимед был в бане и ттотрузиттся в нанолне1Н1ую водой ванну, ото внезаптю осенила мысль, давшая решение задачи. Архимед сделал два слитка; один из золота, другой из серебра, каждый такого же веса, какого была корона. Затем наполнил водой сосуд до самых краёв, опустил в тгето серебряный атиюк и отметил, сколько веды он вытеснил. При зтом ему удалось уаановить, что вес серебряного сштка соответствует В1ЮЛНС определённому обьёму воды. Повторив опыт со слитком золота, Архимед уви дел, насколько меньший обьём он занюаает по сравнению с обьемом равного ему по весу слитка серебра. Затем, опустив в сосуд корону, нашёл, что воды вытекло больше, чем при погружении золо того слитка. А ведь вес каждого слитка был равен весу короны! Таким образом, была обнаружена примесь серебра и недобросовестность мастера. Решим эадачу, которую царь Гиерон ирсдлоясил решить Архимеду. Ему нужно было определить, из чистотч) ли золота изтчзтов-лена корона. Архимед определил, что вес короны Гие-рона в воздухе равен 9,8 Н, а в воде — 9,2 Н. Запитттем условие задачи и ретпим её. Дано: Р, = 9,8 И Р, - 9,2 Н р„ = 1()00 кг/м“ Р.-? Решение: Найдём плотность короны и её массу т^: Определим архимедову силу F^, действующую на корону, и объем короны V^: Отсюда плотность короны Рц равна: р - ; Р-Я. 9,8 Н - 9,2 Н Ответ: так как плотность золота равна 19 300 кг/м^, корона сделана не из чистотч) .золота. 9 1де легче титавать; в ттреоюм озере или в море? О Будет ли выполнятся закогт Ар химеда в состоянии невесомости? Обоснуйте свой ответ. о Какоям условия плавания тел. О Каковы особенноаи плавания животных и человека. О Как плавают суда. О 11а<сму возможно воздухо1и1а-вание. О Какие силы дейавуют на погруженное в воду тело? Средняя плотность человека, равная 1036 К1/м^. HOMHOIO превышает плотность воды. Из-аа того, что плотность пресной воды, при мерно рэвттая 1001 кг/м^, ме»«.ше плотноаи морской воды, при мерно равной 1025 кт/м^, в пресной воде плавать труднее, чем в солёной. На Земле есть и такое морс, в котором невозможно ую нуть. Это солёное озеро, называемое Мёртвым морем. Из-за большого содержания соли плотность воды .тдесь оказывается больше luioiHocTH человсчесхото тела, и потому человек в Мертвом море может спокойно лежать на его повсрхттости и даже читать книту. Тело всплывает Fa>F^ ПЛАВАНИЕ ТЕЛ. ВОЗДУХОПЛАВАНИЕ Вт.тсним, почему одни тола в воде тонут, другие всплывают, а третьи (например, рыбы, подводные лодки) способны плавать внутри жидкости. [*]■ IliМ!I iF:В Ответ: Решение: Рд • 20 Н 1000-5Ц- м = 2 дм=*. ■о» кг 0,002 м’- 2 дм’. 63ЮПЦ Прямоугольный паром длиной 40 м и шириной 15 м находится под погрузкой. Определите максимальный вес ipyaa, который молено погрузить на паром, если расстояние от поверхности воды до ватерлинии незагруженного парома равно 0,7 м. Запишем условие задачи и решим её. 1^ Дано: / - 40 м d= 15 м Л - 0,7 м Рж — 1000 кг/м* Решение: Дополнительный объём воды, вытесненный загруженным паромом, равен Дополнительная выталкивающая сила, действующая на .загруженный паром, равна Ра = P:.eV. Тогда максимальный вес груза можно определить: P = F^ = F Ответ: Р 1000-5^. 10— • 40 • 15.0.7 м* - 4200 кН. м кг 4200 кП. КТЛУГЛ'Т.Ш1 Шар -3011Д объемом 90 м“ наполнен водородом и привязан верёвкой к земле. С какой силой натянута верёвка, если масса оболочки зонда равна 50 кг? Плотность водорода составляет 0,09 кг/м“, а плотность воздуха — 1,29 кг/м'Ч Запишем условие задачи и решим её. ^ Дано: Решение: К “ 90 м^ Определим силу тяжести, дей- т = 50 кг ствующую на оболочку: Рвад = 0.00 кг/м* - mg. Рвсоя “ 1.20 кг/м* Определим силу тяжести, дей- ----------------- ствуюп1ую на водород, содержа- F — ? щийся в оболочке: = Рьу^^ё- Архимедова сила, действующая на шар-зонд: Ps = Оио^ёУ. Сила, действующая на верёвку, в этом случае равна разности архимедовой силы и суммарному весу оболочки и водорода, наполняющего её: F - Fj, - {F^ \ F^; Р = P•^mёV - (mg + p^«VV) = (Рв<ад - Рым)ёУ - mg; Н КГ Н = (1,29-0,09)-5^ . 10-^^ м кг Ответ: F - 580 Н. 90 м' — 50 кг • 10- 580II. Определите, какой объём должен иметь воздушный шарик, заполненный гелием, чтобы поднять от поверхности земли брусок массой 0,1 кг. Массой оболочки шарика можно пренебречь. Плотность гелия равна 0,18 кг/м*, плотность воздуха — 1,29 кг/м*. Запишем условие задачи и решим её. Дано: /Пв = о, 1 кг р,^ = 0,18 кг/м* Р»шд " 1.29 кг/м* Решение: Для того чтобы шарик с бруском поднялся в воздух, сила тяжести Р„ж, действующая на шарик, должна уравновеситься архимедовой силой F,^: ^А ™ -^тяж* Сила тяжести, действующая на шарик вместе с грузом, равна весу бруска Ро и весу гелия Р,^, содержаще-1Ч)ся в объёме шарика: р Тогда Рл “ До + Д.^; р!! Отсюда V=____ = До + Дгад-ygV^ mg + (>г*яёУ. - Р..Л 0,1 кг 1.29 Ответ: V = 0.09 м*. 0,18 м 0,09 м“*. К К"* / / г Й^гщо ^ На тело, погруженное в жидкость или газ, действует вертикально вверх выталкивающая, или архимедова, сила. ^ Архимедова сила зависит от объема тела, погружённого в жидкость, и от плотности жидкости. Она не зависит ни от вещества, из которого сделано тело, ни от глубины погружения. Тело, находящееся в жидкости (или газе), теряет в своём весе столько, сколько весит жидкость (или газ) в объёме, вытесненном телом. Если тело погрузить в жидкость, то, чем меньше плотность тела по сравнению с плотностью жидкости, тем меньшая часть тела будет находиться в жидкости. Способность тела плавать в жидкости зависит от соотношения силы тяясести и архимедовой силы, действующей на него. Fa - F„ АРХИМЕДОВА СИЛА «ПОДРОБНЕЕ,^» Перельман Я. И. Занимательна! физика. Кн. 1. — М.: Римис, 2009. Перельман Я. И. Занимательная физика. Кп. 2. — М.: Римис, 2010. Тит Т. Научные забавы: интересные опыты, самоделки, развлечения. — М.: ИД Мещерякова, 2010. Энциклопедия для детей. Т. 14. Техника. — М.: Лванта+, 2001. ВОПРОСЫ для ОБСУЖДЕНИЯ: ^ В замкнутом сосуде с водой плавает деревянный брусок, Изменится ли глубина погружения бруска в воду, если в сосуд на-кача1ь воздух? ^ Что произойдёт с уровнем воды в бассейне, если из лодки, плавающей в нём, бросить в воду бревно? РАБОТА, МОЩНОСТЬ, ЭНЕРГИЯ МЕХАНИЧЕСКАЯ РАБОТА М0Щ1ЮС1Ь ЭНЕРГИЯ ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ И КИНЕТИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ИСЮЧНИКИ ЭНЕРГИИ нЕвозможноаь создания ВЕЧНОГО ДВИГ АТЕЛЯ р Чго такое мехаиинеская работа. О Как рассчитать механическую раСюту. р Когда механическая работа по-ложиюльна, когда 01рица1слыга и когда равна нулю. Р Что такое сила? р Каковы единицы силы? Во всех технических устройавах, or самых нросгых до крайне аюж-ных. всегда дейавуют силы, которые совершают работу движе НИИ мехаггиама или отдельных его чааей. Так, например, в аарин-ных паровых машинах сила дашю-ния пара на поршень совершает работу при движении поршня. Л в современных электрических двига телях силы аааимодействия электрических токов совершают работу при вращеттии мотора. МЕХАНИЧЕСКАЯ РАБОТА В обьщенной жизни аювом «работа» мы называем различные действия человека или технического уаройства. Например, мт>1 говорим; работает учитель, работает врач, работает грузчик, работает холодиттьник, работает комттьютер. Хотя мы ттре-краото понимаем, что речь идёт о разтттях ветттах, и тте стремимся сравнить результаты работы грузчика с результатами работы комгтьютера. В физике термин ♦работа* или ♦т^еханическая работа* — это определённая физическая величитта, которую можно измерить. Автомобиль движется но автомагистрали блатюдаря силе тяги работающего двигателя. Мяч под действием силы тяжести ттадает па поверхность Земли. В этих примерах на тола действуют силы, изменяется их скорость и положение в пространстве — совертпается механическая работа. Я Считается, что механическая работа совершается, когда тело движется под действием силы. Таким образом, в физике понятие работы напрямую свя.зано с силой (нет силы — нет работы). Поэтому принято говорить о работе некоторой силы. Если обозттэчить величины: работа — А, сила, действующая на тело, — F и пройденттый путь — s. то работу рассчитывают тю трормутто A-‘Fs. если нагтравление силы совпадает с ттаттраштоттисм движоттия тстта. R аарнтих классах вы узнаете, как вычислять работу силы, направленной под углом к ттаправлению движе ния тела. Механической работой называют физическую величину, зависящую от численного значения и направления силы и от перемещения точтеи ее приложения. Механическая работа соверптается только тогда, когда на тело действует сила и тело перемещается под действием этой силы. Следовательно, механическая работа прямо пропор-ттионалыта приложенной силе и прямо пропорциональна пути. Таким образом, в самом простом случае работа равна произведению силы, действующей на тело, на путь, пройденный телом под действием этой силы: работа = сала х путь. Екхли направление силы совпадает с направлением движения тела, то данная сила совершает положатель ную работу. Например, мы везем по снегу санки, и направление приложенной нами силы совпадает с направлением движения. В этом случае сила совер-гпает положительную работу, которую определяют по т1юр-муле А = Fs. Если движение тела происходит в наирав лении, противоположном направлению приложенной силы, то данная сила совершает отрицательную работу. Отрицательная работа, например, совершается силой трения скольжения в случае, когда сапки, скатившись с горы, движутся по снегу вплоть до полной остановки. В данном случае работа будет определяться по формуле -Fs. Если направление силы, действующей на тело, перпендикулярно направлению движения, то эта сила работы по совершает, работа равна нулю. СИТУАЦИИ. В КОТОРЫХ МЕХАНИЧЕСКАЯ РАБОТА НЕ СОВЕР |ИГЛИ:И Мы уже знаем, что если сила действует пер- Г^ГГ.1!1!1Н.Ч-ЛТ?й ||!^Ё За единицу работы принимают работу, совершаемую силой в 1 Н, на пути, равном 1 м. Единица работы — джоуль (Дж) названа в честь англий-CKOIX) ученого Джеймса Джоуля. 1 Дж — 1 Н'М. Также часто используют килоджоули и миллиджоули: 1 кДж — 1000 Дж, 1 мДж = 0,001 Дж. пендикулярно направлению движения тела, то работа этой силы равна нулю. Л в каких ещё случаях работа может быть равна нулю? Очевидно, что в случае, когда равны нулю либо силы, действующие на тело, либо под действием сил тело не перемещается. Например, после выключения двигателя ракета, летящая в открытом космосе, продолжает движение по инерции. В этом случае нет действующей на тело силы и механическая работа не совершается. Если мы стараемся сдвинуть с места тяжёлый предмет, но сила, с которой мы на него действуем, меньше максимально возможной в этом случае силы трения покоя, то предмет останется на месте. Поэтому, несмотря на нашу усталость, механической работы не совершалось, так как не было перемещения тела. Как бы пи было тяжело мифологическому герою Атланту, держащему па плечах небесный свод, механической работы при этом оо не совершал, так как небесный свод в этом cjiy^iae не двигалс.я. Джеймс Прескотт Джоуль (1818-1889) Английский фк^ик, член Лондонского королевского общества. 'т Ж о Какие два условия необходимы для совершвшя механической ра-6onj? О Может ли тиеханичсскую работу совершить сила треттия покоя? При ведите соответствующие ттримеры. О Пробковый тютитавок равтто мерно всплывает в воде. Совершает ли работу архимедова сила? Г о Чго такое ма1(ноаь. 9 Как рассчитать мощность. О Единицы мощноаи О Что такое механическая работа? О Как рассчитать механическую работу? Если обозначить вели^иы: мощность — N. работа — Л и время, затраченное на работу — t, то мощность рассчитывают но формуле Слово «мощность» всем нам хорошо зттакомо и употребляется достаточно часто. Мы говорим, что одитт автомо6илт> мощттсо другого, и, как нам кажется, хорошо понимаем, что означают эти слова. в физике существует физическая величина «мощность*, которая напрямую связана с понятием работы. Нам всем хорошо известно, что одна и та же работа может быть совершена за разное время. Например, лошадь, везуп^ая гружёные сани, может в одном случае двигаться медленно и перевезти их на определённое расстояние за полчаса. В другом случае та же лошадь, двигаясь быстрее, перевезёт эти же сани на то же самое расстояние за меньшее время. В этом примере одна и та же механическая работа совершается за разное время. Физическую величину, характери.зующую быстроту выполнения работы, называют моицюстью. Мощность показывает, какая работа совершается за единицу времени. Таким образом, чтобы найти мощность, надо механическую работу разделить на время, за которое она совершена. Мощность равна отношению работы ко времени, за которое она была совершена. Мощность - работа время N- т Джеймс Уатт (1736-1819) Английский изобретатель, создатель универсальной паровой машины, член Лондонского коро ловското общссша. ЕДИНИЦЫ МОЩНОСТИ За единицу мощности принимают такую мощность, при которой за 1 с совершается работа в 1 Дж. .Эту единицу называют ваттом (Вт) в честь английскотх) учёного Джеймса Уатта. С В технике широко используют более крупные единицы мощности — киловатт (кВт) и мегаватт (МВт), а также более мелкую единицу — милливатт (мВт): 1 МВт = НЮО 000 Вт, 1 кВт - 1000 Вт, 1 мВт - 0,001 Вт. Также применяется внесистемная единица мощности — лошадиная сила (I л.с.): 1 л.с. - 735,5 Вт. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ Рассчитаем мощность двигателя подъёмной машины, если она может поднять кирпичи массой 500 кг на выеюту 10 м .за 10 с. Сравним полученную Джеймс Уап — английский изобретатель, первым построивший паровую машину, в качестве единицы мощности использовал лошадиную силу. С ее помо щью он сравнивал работоспособность лошади и своей паровой машитш. Эту единицу чаао используют и в тташи дни для характеристики мощности доит ателой автокюбиля. Однако мощтюсть. равная одной «лошадиной силе» (73Б.5 Вт) на самом деле значительно больше той, которую средняя лошадь способна развивать сколько нибудь долгое время. мощность с мощностью, которую развил бы рабочий, поднимая эти же кирпичи на ту же высоту, если ему потребуется для этого 1 ч. Запишем условие задачи и решим сё. Депо: т — 500 кг Л = 10 м - 10 с - 1 ч ЛГ, — ? лг,-? СИ 3600 с Решение: Сила тяжести, действующая на кирпичи: = 500 кг • 10-^^- * 5000 П. кг Работа, соверптаемая впетпней силой по подъему кирпичей: Л - А = 5000 II-10 м = 50 000 Дж. Мощность подъёмной машины: 50 000 Дж Юс Мощность рабочет’о: и' 5000 Вт = 5 кВт. N,: 50 000Дж^1^^Вт. * 3600 с Ответ: ЛГ, = 5 кВт, N2= 14 Вт. Моищоаь является важной характериаикой любого двигателя. Различные двитатоли имеют мощности от сопах и десяшх долей киловала (двигатель злектри ческой бритвы, швейной машины) до миллионов киловатт (двигатели ракет-носителей космических кораблей). Например, мощность двигателя автомобиля «Жигули» равна 75 кВт, моцщость злектричоской плиты — 8000 Вт, а тмощтюсть двигатсття костре ского корабля соаавляет 20 000 000 кВт. Можно также оценить мовщосп> человетса при ходьбе, отта в среднем равтта 60 Вт. А мовутость бегущего гепарда достигает 1 кВт. О Что характеризует мовитость? О По какой формуле рассчитывают мощноаь? О Что принимают за единицу моттщоаи? О В какой момент врекгетти бегутт на короткие дистанции развивает бОгвавую мовщоаь: в кюмент парта итти в момент фиттивта? О Патегау на гоночные автомобили упанавливают более мовдтые дви гатели, 'тем на обычные автомо били? о Чго такое энергия. О В каком случае тело обладает энергией. О Что такое потенциальная энер 1ИЯ. О Что такое кинетическая энергия О Что такое механическая работа? О В каком случае совершается ме ханическая работа? Из курса физики вы узнаете о разпи>1ных видах эиер1ии: механической, тепловой, электрической, ядорной. Во всех случаях под энергией понимают запас работы, которую может соверши 1ь 1ело, изменяя своё сосюяние. При определённых условиях действующие на тело силы могут совергпить механическую работу. Так, сила упругости сювер-шаот работу при распрямлении пружины а , поднимая гру.ч. Сила тяисости совершит работу, если шарик отпустить и дать ему упасть на вемлю б . Про тело, посредством которого может совершиться работа действующими на него силами, гчэворят, что оно обладает энергией. Энергия — это физическая величина, характеризующая способность тела совершить работу. Чем большую работу может совершить тело, тем больпгей энергией оно обладает. В рассмотренных выше примерах посредством тел совершили механическую работу. Однако если мяч лежит на поверхности Земли, а пружина совсем не деформирована, то эти тела механической энергией не обладают. «Эгтергию выражают в СИ в тех же единицах, что и работу, т. е. в джоулях. ||[0|з!|| 7.^. От чего может зависеть энер- К механическим видам энергии относятся; энергия, ашанная с положением тела над поверхноаыо Земли, энергия, связанная с дефор мацией тела, и энергия, связанная с движеггием тела. ГИЯ поднятогч) мячика? Очевидно, что от высоты, па которой находится мячик, т. е. энергия зависит от взаимного расположения тел — мяча и .'Земли. От чегч) зависит энергия сжатой пружины? От дофор-маг(ии пружины, т. е. от взаимного расположения её витков, а витки пружины — это части одного тела. Часто мы 1'оворим о работе тела. При этом всегда имеется в виду, что работу совершает сила, возникающая при взаимодействии этого тела с другим. Энергию, которая определяется взаимным положением в,заимодействуютцих тел или частей одного и того же тела, называют потенциальной (от лат. potentia — возможность) энергией. Камень, поднятый над поверхностью Земли, деформированная (сжатая или растяну- тая) иружииа, сжатый газ, вода в реках, удерживаемая плотинами — всё это примеры тел, обладающих потенциальной энергией. Огроммэя потенциальная энергия речной воды, поднятой пло1инаь»1. используется для получения электро энергии. Падая с большой высоты, вода приводит в движение тур^ны гидроэлектроаанций. 1к)те1ягиалы1ая энер1ия 1юднято(о над повсрхноаыо Земли копра рааодуется на совершение работы по забиванию свай при строительстве домов. 13!,11'ч|[Движущийся автомобиль может совершить работу, а это значит, что он обладает энергией даже при выключенном моторе. Энергией обладают двиясущийся ват'он, плывущее судно, летящий самолет. Тот факт, что движущееся тело способно совершить механгмескую работу, было известно в глубокой древ-НОС1И. Например, для разрушения стен древние римляне использовали таран. Он предаавлял собой крепкое бревно, на один конец которого была насажена железная «голова*. Несколько человек раскачивали lapan взад и вперед, а ко<да он набирал скорость, ударяли им о аену. движение) энер Энергию, которой обладает тело вследствие своего движения, называют кинетической (от греч. kinema гией. Кинетическую энергию движущейся воды используют в работе гидроэлектростанций. Кинетическая энергия ветра приводит в движение лопасти ветряных двигателей, используемых для получения электрической энергии. о Как рассчитать потен1(иальную эитфгию поднятого над Землёй тела. О Как рассчитать кинетическую Э1К?р1ИЮ. 9 Что такое энергия? 9 Каковы единицы энергии? обозна^тить величины: Ещ — потенциальная энергия. ^Г — ускорение свободною падения. т — масса тела. Л — высота, на которую поднято тело, то потенциаль ную энергию расститывают по фор муле Е„ - mgh. 1сли обозначить величины; Е^ — китгетичеосая энергия, т — масса тела, и — скороаь движения тела, то кинетическую энергию рассчитывают по формуле Из за болыпой кинеттеской энер 1ИИ любые авюмобили (и тяжёлые, и лёгкие), движущиеся с превышением скороаи, тфедаавляют собой особую onaaiocib на дороге. ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ И КИНЕТИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ В разделе физики «Механика» различают два вида энертии, которой может облддатт» тело. .Энергию, которая определяется взаимным положением взаимодействующих тел или взаимным расположением чааей одного и того же тела, называют по тен1В1алы10й энергией. А этгергию, которой обладает тело вследствие своего движения, называют кинетической. ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ ПОДНЯТОГО НАД ЗЕМЛЕЙ ТЕЛА Вычислим иотсициальную эисрт'ию Е„ тела массой т, поднятотх) над поверхностью Земли на высоту Л. Будем считать потенциальную энергию тела, лежаптего на поверхности Земли, равной нулю (так как без приложения какой-либо силы к этому телу оно не может совершить механическую работу). Тогда потенциальная энергия тола, ПОДНЯТОТХ) на некоторую высоту, будет определяться работой, которую совершит сила тяжести при падении тела на поверхность Земли: .Л, а сила тяже- Е,=А. Работа, как известно, равна Л — Fn сти — mg. Тот’да Ещ - mgh, где g — ускорение свободного падения, т — масса тела, Л — высота, на которую поднято тело. ОТ ЧЕГО ЗАВИСИТ КИНЕТИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ Обратимся ещё раз к примеру использования тарана. Очевидно, что, чем толще и крепче стена, которую необходимо разрушить, тем большую механическую работу нужно совершить. При одной и той же скорости движения чем больше масса тарана, тем большей разрушительной силой он обладает. Следовательно, кинетическая энер гия тела зависит от его .чассы. С другой стороны, чем быстрее таран движется, тем сильнее разрушения, которые он производит. Однако при появлении тяжёлых орудий на замену тарану пришли пушки. Почему? Все дело в скорости, с которой движется пушечное ядро или снаряд. Невзирая на то, что их масса уступает массе тарана, ра.зрушения, производимые ими, намного сильнее. Значит, чем. больше скорость движущегося тела, тем больше его кинети ческая энергия. Интуитивно нонятно, что в данном случае зависимость кипотичоскои энергии от скорости сильнее, чем эависи-мость от массы. Таким образом, чем больше масса тела и скоро<1Ть, с которой оно движется, тем больше его кинетическая энергия. а t»] (•): i i [«J ^ 11 ^*41 fW.\ :> ft j Л W 'J j {; Д Умение определять кинетическую энергию тела помогает в решении огромного количества практических задач. Пусть машина массой /п, движущаяся со скоростью о, начинает тормозить, чтобы остановиться. Путь *, который пройдёт машина с момента начала торможения до полной остановки, называют тормозным путём. На этом пути сила трения совершает отрицательную работу: Л = -F^s, так как гшправление действия силы трения и движения противоположны. Кинетическая энергия машины изменяется от максимального значения - mv^/2 до 0. Изменение кинетической энергии также отрицательно и равно, как показывает опыт, совершённой работе, т. е. Тормозной путь автомобиля про порционалеи массе автомобиля и квадрату скороаи, с которой автомобиль двигался до начала юрмо жония. 1аким образом, чем тяже лее автомобиль, тем длиттттее будет его тормозной путь, если предпо ложить, ‘ПО до на>1ала торможения движеттио т^хзисхрдило с одинако вой скоростью. С другой аороны, ‘тем выше ско росп, движения автотаобиля, тем длиннее будет его юрмозттой ттуть. Лрт«ем, если скорость автомобиля выраает в 2 раза, тормозной путь в случае экстренного торможения увеличится в 4 раза. 50 км/ч то Fs. KnTTeTVfiecKaB эттергия тел с древноои использовалась людьми не только для технических нужд, но и в военном дело. Стрела, вынущеттиая из лука, обладает до аатотной кинети‘теской эттергией. Именно поэтому она способна пробить даже металлические латы воина. Иаюльзование ювтети-ческой энертии обьясняет принцмт действия древних ударных машин, баллиа и катапульт. Катапульты ттредаавляли собой лук очень 6ота.ших размеров и использовались для разрушеттия укреплений и кораблей Вмпут1(енное машиной окованное бре^о пробивало четыре ряда частокола тто отттотой траектории. Иатяжение тетивы производилось ттесколькими воинами и занимало от 15 МИТТ до 1 ч. Баллисты посылали отартщ, который летел тта расстояние до 400 м. Начальная скорость попета снаряда была около 45 м/с. В качестве снарядов применялись камни, горшки и бочеи с горкутей смесью. При запуске снаряд летел круто вверх и. попав в корабль, пробивал пал^ и днин(е. ПОЛНАЯ МЕХАНИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ ТЕЛА ____________________________________ Часто тело обладает одноврсменпо как кинетштеской, так и потенциальной энергией. Сумму кинетической и потенциальной энергий тела обычно называют полной механической энергией тела. Так, например, летящий самолёт обладает как потенциальной, так и кинетической энергией: Е = Е„ + Е^. О Как рассчитать лотен1тиальную энергию поднятого над поверх-ттостыо Земли тела? Q Как рассчитать кинетическую эттортию движущегося тетта? О Что такое полная механкутеекзя энергия тела? Q Чго так(№ npcHipaiuPHHt' а14фгии. О Что такое закон сохране1мя энергии О Что такое энергия? О Какие тепа обладаю! ноюнци-альной энергией? 9 Какие тела обладают кинетиче ской энергией? О Чему равна полная механи^<е ская энергия? ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ Тела, полият1>ю над попсрхност1>ю Зогили, обладают пото|щи-альной энергией, а движущиеся тела — кинетической. В повседневной жизни часто можно наблюда1Ь, как потенциальная энергия превращается в кинетическую, а кинетическая — в потенциальную. ПРЕВРАЩЕНИЕ ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ В КИНЕТИЧЕСХУЮ Например, мячик массой т, поднятый на высоту Л над поверхностью Земли, обладает потенциальной энергией. Его кинетическая энергия равна нулю. Но стоит отпустить мячик, как он начнёт падать на Землю. Во время падения высота, на которой находится мячик, уменьшается. Следовательно, потенциальная энергия мячика татеже уменьшается. При этом скорость тела начинает увеличиваться, следовательно, его кинетическая энергия также увеличивается. В тот момент, когда тело коснётся поверхности Земли, С1ю потенциальная энергия станет равной нулю, а кинетическая будет максимальной. В этом случае потенциальная энергия тела переходит в eix> кинетическую энергию: Е„ — Е^. ПРЕ6РАЩШИЕ КИНЕТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В ПОТЕНЦИАЛЬНУЮ Также можно наблюдать превращение кинетической энергии в потенциальную. Если мячик бросить вертикально вверх, то расстояние от поверхности Земли до него будет увеличиваться, следовательно, будет увеличиваться его потенциальная энергия. Скорость мячика при этом будет уменьшаться, и его кинетическая энергия тоже будет уменьшаться. В этом случае кинетическая энергия тела переходит в его потенциальную энергию: Е, Е„. Вовсех описанных примерах при уменьшении потенциальной энергии тела его кинетическая энергия возрастала. И наоборот, при увеличении потенциальной энергии тела его кинетичсшсая энергия уменьшалась. Превращения одного вида механической энергии в другой можно наблюдать на примере движения маятш1ка. Если шарик маятника оттянуть вправо, он приподнимется на высоту Л над своим нижним положением. В этом положении потенциальная энергия шарика будет максимальной. Если теперь шарик отпустить, то он начнёт двигаться влево вниз, постепенно увеличивая скорость. Следовательно, кинетическая энергия шари1са увеличивается и в среднем положении она будет максимальной. Его потенциальная энергия в этом положении будет минимальной. За счёт запаса кинетической энергии шарик продолжает двигаться влево, поднимаясь всё выше. Это приводит к возрастанию его потенциальной энергии. Одновременно скорость шарика уменьшается, что приводит к уменьшению кинетигческой энергии. Можно выдвинуть гипотезу о том, что при переходе механической энергии из одного вида в другой полная энергия сохраняется. Рассмотрим следующий идеализированный опыт (считая сопротивление воздуха несущественным). Железный шар радиусом 10 см и массой 32,7 кг находится на вершине Пизанской башпи, высота которой составляет приблизительно 56 м. Кинетическая энергия этого шара равна нулю, а его потенциальная энергия = rngh = 17 946 Дж. При падении этого шара с башни на него действует сила тяжести, и его скорость камедую секунду увеличи-ваетсл на 9,8 м/с. Шар достигает поверхности Земли .за время, примерно равное 3,38 с. Используя формулу а = {о - и учитывая, что Оо “ о и а “ /Г, получаем, что о - Значит, в момент, когда шар дос-тигоет поверхности Земли, его скорость и = 33,13 м/с. Здесь - mv^/2 - 17 946 Дж, а Е„ - 0. Получается, что вся потенциальная энергия шара перешла в его кинетическую энергию. Из многочисленных наблюдений за превращениями энергии учёные сделали вывод: энерг'ия никогда не ис-че.зает и не возникает из ничего, она только переходит из одного вида в другой и от одного тела к другому. Это утверждение называют законом сохранения энергии. Потенциальная энергия Кинетическая энергия В научной сиаеме Ломоносова важное меао занимаю! формулировки законов сохранения. Впервые он формулирует его в письме к Леонарду Эйлеру от 5 июля 1748 г. Здесь он пишет: «Но все впречающиеся в природе изменения происходя! !эк, что если к чему-либо 1!счю !1ри-бавилось. то это отнимается у чего-то другого. Так, сколько материи прибавляется к какому-либо телу, аолько же теряется у другого, сколько часов я затра‘<иваю на со»!, аолько же отнимаю от бодрствования и т. д. Так как это всеобщий закон природы, то о»! рэс!1рос1ра!!яе!ся и !!а !!рави!!а движе!!ия: тетю. ко!орое своим толчком возбуждает другое к движе»!ию, аолько же теряет от своего движения, сколько сообирет другому, им дви!гутому». Кроме перехода энергии из одно! о вида в дру!ой, э»!сргия может переходить от одного тела к другому. Это очень хорошо демон-арируО!СЯ !1рИ аОТ!К!КХК?11ИИ бИ1!Ь ярднмх !!!арОВ. о Как формулируо!ся зако»! сохра !!ения э!«ергии? О Какие можно привести примеры перехода одного вида механиче осой энергии в другой? Q Какие мож!Ю !!ривос!и !!римеры перехода энергии от одного тела к другому? о Какими иаочниками энергии издревле пользуется человечеаво. О Мто такое возо()иовляемые и не-возобновляемме иаочники энер О Что такое превращение энергии? 9 Что такое закон сохранения энергии? ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ По закону сохранения и превращения энергии она ггикогда не исчезает и не возникает из ггичего, она только переходит из одного вида в другой и от одного тела к другому. Но если энергия не можег возиикну1ь из ничего, го всякий вид энергии должен имеп, какой-то источник. Люди издавгга исполг.-зуют возобгговляемые источники эггергии эггергии текущей воды и ветра. Возобиовляе- гмыми рюсурсами принято называть природные ресурсы, запасы которых на напгей планете не зависят от тотх), каким образом их использует человечество, или восстанавливаются быстрее, чем используются. Невозобновляемые ресурсы — это ресурсы, .запасы которых могут быть исчерпаны уже в обозримом будущем при существующих темггах их использования. Возобновляемые источники энергии — .это ветер, солнечный свет, течение рек, морские волны и течения, тепло Земли. К невозобнавляемым источникам энергии относят негрть, газ и уголь. Солнце является г'лавным источником тепла и света на нашей ггланете. Жизнь на Земле существует лигпь благодаря тому, что мы получаем от Солнца именно то количество энерг’ии, которое необходимо для поддержания жизни всех её обитателей. На планетах, находящихся ближе к Солнцу, слишком жарко, а на планетах, находящихся дальше, слишгеом холодно для существования известных нам форм жизни. энергию, сосредоточенную в водных потоках, называют гилро.знергией. Чагг;е всегч) иеггользуют энерг'ию ггадающей воды. Вода объёмом 1 м^ на высоте 50 м обладает потен г;и-альной энергией: Е„ = 9,8— - 1000-?^ -1м*- 50 м 500 000 Дж. кг м Поэтому при падении воды с этой высоты совершается работа А - 500 кДж. В природе сравнительно редко встречаются большие водопады, вот почему уровень воды в ре гее ггоднимают искусственно при помогци плотин. За счёт энергии поднятой воды гидравлические двигатели (машины, преобра зующие энергию потока жидкости в механическую энергию) могут совер тать механическую работу. Одним из иростсйших и древнейших гидравлических устройств является водяное колесо. При подъёме воды на некоторый уровень в ней запасается соответствующая этому уровню потенциальная энергия, поэтому надаю* пщя вода может совершать работу. До середины XIX в. применялись водяные колёса, преобразующие энергию двимсущейся воды в механическую энергию вранщющегося вала. В наше время из-за малой мощности водяного колеса используют водя пые турбины (гидротурбины). В таких турбинах вода передаёт энергию колесу, приводя в движение лопасти турбины. Рабочее колесо соединено с электрическим генератором, который вырабатывает электрический ток. Человечество пытается использовать мехам^мескую энерп«о воды, например энергию волн на поеерхно аи Океана. В эюм направлении сс<одня веду1ся интенсивные научные исследования. >^мотря на схожую природу, энергию волн принято отличать от энергии приливов и океанских течений. Приливная электростанция (ПХ) — особый вид гидроэлектропанций, используюгних этгергию приткяюв. Прилив ные эттоктросташтии строят на берегах морей, тде травитацион-ттые силы Луны и Солнца дважды в сутки изменяют уровень воды. Колебания уровня воды у берега могут достигать 13 м. В России с 19681. действует эксперимент алы тая IDC в Киаюй губе на побережье Варенцева моря. Сутт1еавуют ПЭС и за рубе жом — во Франции, США и других аранах. ВЕТЕР КАК иаочник ЭНЕРГИИ Ветер, как и вода, является наиболее древним источником энергии. Ветря ные двигатели используют энергию движущетхтся воздуха — ветра. Движутциеся массы во.здуха оказывают давление на плоскости крыльев ветряных двит'ателсй и приводят их в движение. Вращательное движение крыльев передаётся механизмам, выполняюпщм какую-либо работу. Ветряные двигатели ттрименяют для подъёма воды из колодтщв, для получения электрической энергии и т. д. При скорости ветра 5 м/с ветряной двит'атель с диаметром колеса 12 м может развить мотцность 3300 Вт. Если же скорость ветра равна 10 м/с, а диаметр колеса 30 м, то развиваемая двигателем мощность составит 110 000 Вт. Технически потенциал ветровой энергии России до-ааточно велик. Одна из самых больших ветроэлектро аанций России рэаюгюжсна в районе посегжа Кули ково .Зеленоградского района Калининградской облааи. Правительавом Канады уаановле>га цель — к 2015 г. произво дить 10 % электроэнергии из энергии ветра. Германия планирует к 2020 г. производить 20 % электроэнергии из энергии ветра. «Существует факт, если угодно, закон, управляю<|(ий всеми явле ПИЯМИ природы, всем, что было известно до сих пор. Исклкутений из этого закона не существует, насколько мы знаем, он абсолютно точен. Название его сохранение энергии. Он утверждает, что суще ствует определённая величина, называемая энергией, которая не меняется ни при каких нревраще ниях, проиаодящих в природе». Р. Феинмагт S Какие можно привести примеры использования воды в качестве источника энергии? О Какие МОЖ1Ю привести примеры использования ветра в ка‘»еаве источника энергии? вы УЗМАГПЕ; Q Чго такое вечный днигатель. О Почему невозможно создание вечного двигателя. О Что такое превращение эне(]гии? О Что laKOO закон сохранения анергии? НЕВОЗМОЖНОСТЬ СОЗДАНИЯ ВЕЧНОГО ДВИГАТЕЛЯ С давних пор люди хотели созда1ь неисчерпаемый, само-позобнопляюн(ийся исто‘Л1ик .анергии — вечный двигатель (от лат. perpetuum mobile). Механизм, беоостаповочно двигающий себя, и, кроме того, совершающий какую-либо полезную работу, например поднимающий груз, является вечным двигателем. Много времени и труда было потра-чепо на создание подобпотх) двигателя. Первые проекты вечттого двигателя относят к XIII в. Обладание им было даже более .заманчивым, чем владение искусством делать золота из других, более дешевых металлов, которым занимались древние алхимики. В эпоху перехода к машинному производству, в XVI—XVII вв., количество проектов неуклонно возрастало. Выли придуманы сотни вечных двигателей, но ни один из них не действовал так, как планировалось изначально. Неправильное понимание физических за-I . конов, действующих в каждой конкретной конструкции, а также общности .закона сохранения энергии и приводило в конечном счёте к краху самой идеи вечного двигателя. МЕЧТА О ВЕЧНОМ ДВИГАТЕЛЕ К концу XVIII в. укрепилось убеждение в невозможности со.здания вечного двигателя, и с 1775 г. Французская Академия Наук отказалась рассматривать подобные проекты. В середине XIX в., с установлением закона сохранения энергии, была доказана нринциниальная нсосунтсствимость этой идеи. Таким образом, вечный двигатель остаётся лишь красивой мечтой, маняпщй, но абсолютно недостижимой. Эта мечта используется фокусниками и разного рода ловкачами при показах «самодвижущихся» агрегатов. В действительности в каждом из них спрятаны часовой механизм с пружиной или незаметно подключенный электродвигатель, нозволяютций им двигаться довольно долго, однако же не вечно. Можно ввести в заблуждение зрителей, но нарушить законы природы нс получится. От perpetuum mobile следует отличать мнимые вечные двигатели — механизмы, работающие за счёт природных запасов энергии (солнечной, ядерной и т. д.). ЗАКОН АРХИМЕДА И ВЕЧНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Один из проектов вечных двигателей основан на применении закона Архимеда. В этой конструкции используется .замкнутая в кольцо верёвка или цепочка из тел ле1’че воды, часть которой находится в жидкости, а часть — вне её. Автор полагал, что вода будет выталкивать тела па поверхность, а цепь с колёсами — бесконечно вращаться. Главный фактор, который не у^1тён в этой конструкции, состоит в следующем. Чтобы цепочка шариков вращалась, шары долмсны входить в сосуд с жидкостью снизу и покидать его сверху. Но, поступая в сосуд с жидкостью, шар должен преодолевать давление столба жидкости высотой Л, которая существенно превышает его радиус. При этом давление столба жидкости на поверхность шара сверху будет много больше, чем выталкивающая сила, действующая на шарик, полностью погружённый в жидкость. ЗЖЯТПШШ! Ещё один проект вечного двигателя использует такое устройство, как архимедов винт (сейчас он применяется, в частности, в мясорубках). Архимедов винт вращается водяным колесом и поднимает воду, которая попадает в небольшой резервуар, падает и зас"гавляет колесо крутиться, вращать винт и поднимать следующую порцию воды. Для пуска этого вечного двигателя надо сначала совершить работу — наполнить резервуар. При падении воды на лопатки колеса она в лучшем случае (при полном отсутствии трения и других потерь) могла бы совершить такую же работу. Но в действительности часть энергии постоянно расходуетол на трение. Поэтому винт подаёт всё меньше и меньше воды, и наконец наступает тот момент, когда резервуар пуст и вечный двигатель останавливается. идея использования неуравновешенных грузов для конструкции вечного двигателя оказалась настолько заманчивой, что развенчать её удалось только к началу XVII в. нидерландскому математику и механику Симону Стевину. В самом простом случае замкнутую цепочку шаров располагают так, чтобы они оказались неуравновешенными и способными скользить друг .за другом. Предполагалось, что при скольжении одни шары будут тянуть за собой другие и движение будет бесконечным. Основная ошибка в рассуждениях заключается в следующем. Если шары находятся в иеуравновеншнном состоянии, то они должны двигаться с ускорением и разогнаться до бесконечности, что па практике совершенно невозможно. Следовательно, малое количество шаров может уравновесить большее количество шаров, вс.ё дело здесь в направлении действующих сил и умении правильно их определять. Симон Стевин (1548-1620) Нидерландский маюма1ик и фи зик. Изучал движение по наклонной плоскости, гцдроаагику, ввел в у1Ю1р0бЛ01»4С ДОСЯ1ИЧНЫО дроби. О Почему невозмож»ю создание вечною дви1ателя? ^ Механическая работа совершается только тогда, когда на тело действует сила и тело перемещается под действием этой силы. ^ Мощность показывает, какая работа совершается за единиг^у времени. Энергия — это (ризическая величина, характеризующая способность тела совершать работу. Различают потенциальную и кинетическую энергию. Закон сохранения энергии гласит, что энергия никогда не исчезает и не возникает из ничего, она только переходит из одного вида в другой и от одного тела к другому. Источники энергии делятся на возобновляемые и невозобновляемыо. Fa А МЕХАНИЧЕСКАЯ РАБОТА М.: «ПОДРОБНЕЕ^» Липсон Г. Великие эксперименты в физике. «Мир», 1978. Энциклопедия для детей. Т. 16. Физика. Ч. 1. Биография физики. Путешествие в глубь материи. Механическая картина мира. — М.; Лвапта!, 2000. Энциклопедия для детей. Т. 14. Техника. — М.: Аванта-ь, 2001. ВОПРОСЫ для ОБСУЖДВ1ИЯ: 9 Может ли механи^юскую работу совершить сипа тре^я покоя? <9 Оцсиию MOluiKKib, развиваемую aiopiCMOiioM при прыжке в высоту. Необходимые физические величины и их значения задайте сами. За счет какой механитеской энергии совершэс1ся работа по подьему обычного воздушного шарика? 9 При подьёме на высокую гору алытиттисты взяли с собой бал лон с газом. Можно ли утверждать, ‘но энергия топлива при этом увеличилась? ПРОСТЫЕ МЕХАНИ31У1Ы «сЗОЛОТОЕ ПРАВИЛО» РЫЧАГ И НАКЛОННАЯ ПЛОСКСОЬ ЫКЖ И СИСПМА ьлоков «ЗОЛОТОЕ ПРАВИЛО» МЕХАНИКИ КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ЛЕИавия вы УЗНАЕТЕ: О Чго такое проаые меха>мтмы. О Что такое рычаг. О Что называют плечом силы. О Что такое момент силы. О В чём С0С10И1 правило равново сия рытага. 9 Что такое сила? РЫЧАГ И НАКЛОННАЯ ПЛОСКОСТЬ С лрс^вних промой для облогчоиия своого труда чоловок использует разли'жые механизмы (от греч. mec/wne—машина, орудие). Эти приспскобления использовались людьми п строитол».стпо. прокладке дорог, поомном доле. Приспособления, необходимые для того, чтобы получить выигрытп в силе, павывают простыми механизмами. К ним относятся рычаг и наклонная плоскость. Также к простым механизмам относят такие разновидности рычага, как блок и ворот, и разновидности наклонной нлоскости клин и винт. Даже очень тяжёлый предмет можно поднять при номощи достаточно длинной и прочной налки — рычага. Рычаг представляет собой твёрдое тело, которое может вращаться вокруг неподвижной опоры, называемой осью вращения. 1^ычаги используют нс только для поднятия тяжестей. Пригщип действия рычага лежит в основе работы ножниц, щипцов для раскалывания орехов, пинцета и т. д. Различают несколько видов рычагов в зависимости от взаимного расположения точки опоры и точки приложения силы. Например, для того чтобы приподнять тяжёлый предмет при помогци рычага одного вида, надо приложить силу, направленную вниз, а при помощи рычага ДРУ1ХМХ) вида — вверх. В обоих случаях сила, с которой человек действует на рычаг, меньше веса тела, именно поэтому и говорят о выигрыше в сале. Рассмотрим простой пример действия силы. Легко открыть дверь, приложив небольшую силу к дверной ручке. По потребуется значительная сила, если мы .захотим открыть дверь, приложив эту силу вблизи от оси вращения двери. Значит, результат действия силы на тело, имеющего неподвижную ось вращения, .зависит не только от модуля силы и её направления, но и от Т01Ч), на каком расстоянии от оси вращения эта сила приложена. Это расстояние называют плечом силы. Для рычага плечом силы является кратчайшее расстояние между точкой опоры и прямой, вдоль которой действует на рычаг сила. Чтобы найти плечо силы, надо из точки опоры опустить нернендикуляр на линию действия силы. Например, для рычага, изображённого на рисунке, плечо силы F't — это отрезок ОА длиной а плечо силы — отре.зок ОВ длиной /*. Силы, действующие на рычаг, могут повернуть его вокруг оси в двух направлениях: по ходу или против хода часовой стрелки. РАВНОВЕСИЕ РЫЧАГА Если движение, вызываемое простым механизмом, происходит медленно и если силы трения малы, то можно считать, что роль этих приспособлений сводится к тому, чтобы уравновесить большие силы, препятствующие движению, меньшими силами. Это можно установить на опыте. Нам понадобится рычаг с отверстиями, проделанными на равных расс*тояниях друг от друга, и набор одинаковых гирек. Подвесим слева на определённом расстоянии /, от точки опоры рычага шесть гирек. Если вес каждой из гирек равен I И, то слева на рычаг действует сила F,, равная 6 И. Можно привести рычаг в равновесие различными способами. В частности, силу, равную 6 Н, мы можем уравновесить силой ^2, равной 3 И. При .этом плечо этой силы окажется в 2 раза больше. Проведённый опыт позволяет установить правило равновесия рычага — рычаг находится в равновесии тогда, когда равны произведения Ffli = f Произведение модуля силы, действующей на тело, на её плечо называют моментом силы: М - FL За едипи11у момента силы принимают момент силы в 1 Н, плечо которой равно 1 м. Эту единицу называют пьютоп-метром'. 1 Н-м. НАКЛОННАЯ ПЛОСКОСТЬ ______________________ Наклонная плоскость — это плоская поверхность, установленная под углом, отличным от прямого, к горизонтальной поверхности. 11аклон-ная плоскость погшоляет перемещать тяжёлые грузы на некоторую высоту без их поднятия. Это связано с тем, что при подъёме тела по наклонной плоскости требуется меньшая сила, чем сила, необходимая для подъёма этого тела строго по вертикали. Пыигрыш в силе, обеспечиваемый наклонной плос-1Состью, равен отношению длины на1СЛонной нлос1Сости, к высоте, на которую ноднимается груз. Симон Сювии уааиовил закон равновесия сил на накло1люй плоскости, рассуждая следуюлтим образом. Цепочка из одинаковых шаров находится в равновесии на наклонной плоскости (три шара уравновешивают пять шаров), хотя вес частей цепи различен. Причем вес левой части цепи во столько раз меньше веса правой части, во сколько раз наклонная сторона треугольника тутиннее вертикальной сторотты, т. е. чтобы удер жать тело тта ттакттоттттой ттттоскости, надо действовать в направлении этой плоскоаи с силой, которая во столько раз меньше веса тела, во сколько раз длина наклонной плоскоаи болытте ее высоты. ^ ^ V i ви|| I ей - - f t t Т ’ ' t * t t t I i {} II 3H ■1 3 Рычат ттаходится в равттовссии, если силы, действующие на ттего, обратно ттропорциемтальньт ттлечам этих out; F, L или момент силы, вратттакмт^тй его по часовой стреттке, раветт моменту силы, вращающей его против часо вой стрелки. Это правило называют правилом моментов. М, - М». й части, тика f 9 Что называют простьжти механизмами и для какой цели они применяются? О Что ттредсташтяет собой рьмат и в чем заклютается правило равно весия рьмага? О Почему дверттые ручки устаттав-ливают тщали от петель, на которые вешают дверь? вы УЗНАЕТЕ: О Чго такое блок. Э Какой блок >тазьюают неподвижным, а какой - подвижным, si Что предаавляют собой сиаемы бткжоо. ВСЛОММИТЕ: О Что такое проаые механктмм? О Что такое выигрыш в силе? БЛОК И СИСТЕМА БЛОКОВ Если перекинуть верёвку через прочную ветку дерева, за один конец привязать груз, а за другой конец верёвки потянуть, ю можно подня1ь груз на нужную высо1у и закрепить его там. Такая система лежит в основе ещё одного простого механизма — блока НЕПОДВИЖНЫЙ БЛОК Блок представляет собой колесо с жёлобом, через который пропущена верёвка, трос или цепь. Блоки бывают двух видов — неподвижные и подвижные. Неподвижным называют такой блок, ось которош закреплена и при подъёме грузов не поднимается и не опускается. Неподвижный блок можно рассматривать как равноплечий рычат', у которот'о плечи сил равны радиусу колеса: ОА = ОВ. Согласно правилу моментов где Fi — сила, с которой действует па точку подвеса т'руз, — сила, которую прикладывают для того, чтобы груз поднять, а /, — радиус блока. Получается, что F, = Fg. Такой блок не даёт выигрыша в сале, но позволяет менять направление действия силы. Подвижный блок — это блок, ось которого поднимается и опускается вместе с грузом. Для Т01Х) чтобы поднять труз, необходимо приложить силу F,, которая стремится повернуть блок вокруг етх) оси вращения, проходяпщй через точку О, расположенную не в центре. Плечо силы F, — отрезок ОВ — является диаметром блока. Момент этой силы таким образом равен М, Груз, прикреплённый к центру блока, своим весом создаёт мо-~ мент где сила F* равна весу груза, а плечо силы li — /,/2, так кате — это радиус блока ОА. Согласно правилу моментов М, = Afj, т. е. F,/, = Fgf,/2. Получается, что Fj/F, - 2. Это значит, что подвижный блок дает выигрыш в сале в 2 раза. '1,4* КОМБИНАЦИЯ НЕПОДВИЖНОГО БЛОКА С ПО тпши Па практике удобно применять комбинацию неподвижного блока с подвижным. Неподвижный блок применяют только для удобства. Он не даст выигрыша в сило, по ивмепяет направление действия силы, например, позволяет поднимать груз, стоя на земле. Если же выигрыша в силе в 2 раза а недостаточно, можно сконструировать систему из подвижных и неподвижных блоков таким образом, чтобы она давала выигрыш в силе, например, в 4 ра.за б и более. На практике широко используют уарой ство, называемое полиспастом (от др,-греч. pdyspa^os — натяттшаемый мтю ■ ими воровками или канатами). Это уаройаво. соаоящее из собранных в подвиж-ттую и нетюдвижную обсашы блоков, последова тсттыю отибаомых канатом, и 1трсдназначонт1оо дття выигрыша в силе. Полиатаа часто применяют для тюдьёма ттебольших Прузое (шлюпок на судтте). Также он является ‘тастъю ме ханизма подьемного кратта. В альпинизме полиспаст ииюльзуют /тля организации нороправ через ттропасти. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРОСТЫХ МЕХАНИЗМОВ весы — простейший рычаг, где силы — это веса грузов. Рычаги имеются у многих машин. Педали и ручной тормоз велосипеда, педали автомобиля, клавиттти пианино — всё это примеры рычагов, используемых в машинах и инструментах. Для под'ьёма воды из колодттев чаще используют устройство, называемое воротом. Ворот состоит из барабана в форме цилиндра и прикреплённой к нему рукоятки. Выигрыш в силе, даваемый воротом, тем больше, чем больше отношение радиуса окружности, описываемой рукояткой ворота к радиусу барабана, на который намотана верёвка. Издревле при строительстве хозяйственных построек сооружалась бревенчатая наклонная плоскость, которая потом использовалась для поднятия тяжёлых грузов. Рычажные ВОПРОСЫ: О Какой блок называют негюдвиж-ным? О Какой блок называют подвижным? О Какой выигрыш в силе даёт по-ДВИЖ1ГЫЙ блок? вы УЗНАЕТЕ: О Что такое «золотое правило» механики. О Какие виды простых механизмов вы знаете? О Что такое выитрыш в силе? 9 Что такое механическая работа? О Как определить механическую работу? Существует лстотща, что Архит^тед. который установил условие равно весия рычага, воослигнул: «Дайте мне точку опоры, и я переверну ->млю!». Однако расчеты показывают, что для тюдьёма Земли всего на 1 см длинттое пле‘ю рытэга должно ттроделать отрмный путь, на который потребовались бы миллионы лет. «ЗОЛОТОЕ ПРАВИЛО» МЕХАНИКИ Проспис механизмы применяют при совершении работтя в тех случаях, когда надо действием одной силы уравновесить дру-тую силу. Используя их, мы нолу>|аем выитрыш в си/те или пути, но можно ли полу'тить при .атом выигрыш в работе? ^>1 ^ 11/^1 ЧоОпыты показывают, что, поднимая тяжёлый груз с помощью рычать, .за одно и то же время точка приложения меньшей силы Fz проходит больший путь $2, чем точка приложения болыпей силы F, (путь s,). Многократные опыты и тщательные измерения потсазывают, что всст'да пути, пройденные точками приложения сил на рычаге, обратно пропорттионалыты силам: Предположим, что силы, приложенные к рычагу, равны соответственно F, - 100 Н, F^ - 20 Н. Пусть при этом путь, ттройденный точкой приложения силы Fi, равен в, - 20 см. Тогда, учитывая формулу (1), путь, пройденный точкой нриломсения силы F^, будет равен «2=1 м. Определим работу, совершённую каждой силой: Л, = f,s, = 100 П • 0,2 м = 20 Дж, Л^- F2S2 ~20Н- I м - 20 Дж. Таким образом, работы, совершаемые сила.ми, приложенными к рычагу, равны друг другу, т. е. рычаг не даст выигрыша в рабсггс: Fi«i = F^Sf Пользуясь рычагюм, мы можем выиграть или в силе, или в пути. Если мы силу приложим к длинному плечу, то выиграем в силе, но во столько же раз проиграем в пути. Действуя же силой на короткое нлечо рычага, мы выиграем в пути, но во столько же раз проиграем в силе. Ш! :тду11(их уроках М1>« познакомилио> с простыми механизмами. Изучая их принцип действия, мы не учитывали вес рычатов, бттоков и других частей механизмов, а также суще-ствуютцую силу трения и т. п. Условия ра6отт>1 механизмов, при которых не у'титывают все эти факторы, называют идеальными. В этих условиях вся работа, соверитёттная приложенной силой (.эту работу называют полной или совершённой), равна полезной работе по подъёму грузов или преодолению какого-либо сопротивления. ИI[ОJI! I' 11 [Q] I : I На практике совершён- ная с помощью механиз.ма полная работа всегда несколько больше полезной работы. При использовании наклонной плоскости часть от полной работы тратится на работу против сил трения. При работе рычага часть нолной работы затрачивается на совершение работы против сил трения, а также на совершение работы 110 перемещению самого рычага, на который действует сила тяжести. При подъеме грузов с номо-тцью блоков часть полной работы также затрачивается на работу нропш сил трения. Другая часть полной работы тратится на пере-мещегае перекинутой через блок веревки. Если же мы используем подвижный блок, то ещё совершаем дополнительную работу по его подъёму, так как на него действует сила тяжести. Какой бы механизм мы не взяли, полезная работа Л,„ совершённая с его помощью, всегда составляет лишь часть нолной (затраченной) работы А^: Д, < Л,, НЛП А<1. Л Работа - Работа Полезная по преодолению сил Ш по перемещению работа сопротивления К среды " частей механиэтиа КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО |ГТ2И51П211 Характеристику механизма, oпpoдeляюп^yю какую долю полезная работа составляет от полной, называют ко:и|)фициентом . полезного действия механизма — КПД. Для определения КПД нужно полезную работу разделить па полную. КПД обозначают греческой буквой г\ (читается «эта»). КПД можно выражать либо в процентах, либо числом, которое меньше единицы. = А. 100 %. Л кпд любого .механизма всегда меньше 1(Ю%. Конструируя механизмы, люди стремятся увеличить их КПД. Для ЭТ01Х), например, уменьшают массу движущихся частей и трение между деталями. Созданы машины и механизмы, у которых КПД достигает 98-99 %. Но построить машину с КПД, равным 100 %, невозможно. ЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПОЛЕЗНОГО шшпиш Пусть на коротком плече рычага закреплён груз массой 100 кг. Для его подъёма к длинному плечу приложили силу, равную 250 Н. l^ys подняли на высоту Л, - 0,08 м, при этом точка приложения движунщй силы опустилась на высоту Лг “ 0,4 м. Найдите КПД рычага. Запишем условие задачи и решим её. Дано: т = 100 кг F = 250 П Л, - 0,08 м Лг = 0,4 м Решение: КПД находят по формуле П“ — • 100%. Полная (затраченная) работа Л = Fh^. Полезная работа А. - РЛ„ где Р — вес гру.за. Р = mg = 100 кг • 9,8 Н Получаем А„ - 980 Н • 0,08 м А, = 250 Н • 0,4 м 980 Н. г 78,4 Дж, 100 Дж. Тогда 78,4 Дж 100 Дж 100% = 78,4 %. Ответ: КПД рычага П = 78,4 %. В настоящее время наиболее рас-просфаненным июсобом тюлуче ния але<строа>тергии является способ её производава на тепловых элеюроаанциях. В котлах сжигается топливо и образуется пар, который вращает паровую |ур0ииу, соединённую с электрогенератором, вы-рабатьюающим электрический ток. При этом К1Щ лучших котлов со ставляет 50 -55 %, КПД паровых турбитт — 30-40 %. КПД современ ных генераторов доаигает 95 %. а КПД передаю11(их электрических линий — 60-/0 %. При тюлу^тении электричества таким способом общий КПД будет 11-16%. Дття двигателя легкового автомо биля КПД соаавляет 25-30%. Это значит, что 25-30 % сгорев шего топлива используется на пе редвижение автомобиля с грузом. Полезный труз — ттассажиры — со ставляет максимум 30% от веса гружёного автомобиля. Тогда ттолсзтгое иотользование тогтлива в автомобилях получается равттым от 4.5 до /,5 %. В1М1РОСЫ: О Какую работу ттазывают полез ной. а какую — полной? О Как изменится КПД механизма, еати уменьшить третяю в сто узлах? О Почему невозможно поароить маттляту с КПД, равным 100 %? о Как решать aatAa^in на расчет равновесия рычагов. О Как решать задачи на использование блоков. О Как решать задачи >та расчёт КПД. О А ♦ « ♦ ♦ :i 1^1 4Н РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ Испольауя рисунок, определите, какую силу необходимо приложить к рычагу в точке В, чтобы он остался в равновесии. . Решение: По правилу моментов fгде Ц и I2— плечи соответствующих сил. На рисунке сила F, равна 4 единицам, а её плечо составляет 2 единицы. Расстояние от точки О до точки В равно 8 единицам, а это и есть плечо силы Fj,. Так как F, • /, = 2 • 4 = 8, то F, • = 8. Поэтому сила Fj, уравновешивающая силу F,, должна быть равна 1 единице и направлена в противоположную сторону. Рабочий приподнимает при помощи рычага плиту массой 100 кг. Короткое плечо рычага равно 0,8 м, а длинное — 1,2 м. Какова сила, которую должен приложить рабочий к большему плечу рычах’а? Запишем условие задачи и решим её. ц Дано: m = 100 кг и “ 9,8 Н/кг Л - 0,8 м 1,2 м Решение: По правилу равновесия рычага Ру/Рт = В данном случае плита действует на рычаг с силой, равной её весу: Pi = Р = mg. Тогда „ , pL I. mg^. Подставим числовые значения и найдём ответ: F, - 100 кг • 9.8— • * 653.3 Н. ^ кг 1,2м Ответ: Fg = 65.3,3 П. ШШШШШ Какую силу надо приложить, чтобы при помощи изображённой системы блоков поднять груз массой 70 кг? На сколько поднимется груз, если вытянуть верёвку на 40 см? ^Запишем условие задачи и решим её. w Дано: m “ 70 кг - 10 Н/кг /, = 40 см 10— - 700 Н. кг Решение: Сила тяжести, действующая на груз, равна F^ — mg. ^т«с “ 70 кг Подвижный блок дает выигрыш в силе в 2 раза, следовательно, для поднятия этого груза надо приложить силу F=f^ = — Н = 350 Н. 2 2 ? и Если ири этом веревка вытянется на 40 см, то груз поднимется на 20 см. Ответ: F - 350 Н, - 20 см. Для подъёма груза по наклонной плоскости приложили силу, направленную вдоль наклонной плоскости и равную 300 И. Найдите массу груза, если известно, что длина наклонной плоскости равна 1,5 м, а её высота равна 1 м. Запишем условие задачи и решим её. Дано: Решение: F = 300 II Сила тяжести, действующая на груз, /“1,5м равна f— mg. Л = 1 м Следовательно, для поднятия груза --------------- без использован11Я каких-либо меха- т — ? низмов надо приложить силу, рав- ную силе тяжести. Наклонная плоскость даёт выигрыш в силе, и, если не учитывать силу трения, действующую на тело, этот выигрыш равен //Л: Л 1 Следовательно, сила, приложенная для поднятия груза но наклонной плоскости, в 1,5 раза меньше силы тяжести, действующей на груз. Тогда 1,5-300 -450 Н; _ 450 Н “ 10 Н_ кг 45 кг. Ответ: m = 45 кг. ШШМКЧт Ведро с песком массой 40 кг подняли на высоту 8 м при ПОМ01ЦИ неподвижного блока. При этом на веревку воздействовали с силой 450 Н. Определите КПД этого механизма. Запишем условие задачи и решим её. Дано: m “ 40 кг /I “ 8 м F = 450 И П-? = 400 Н • 8 м Тогда П’ Решение: п_А..100%; А_, А„ = РЛ, где Р — вес груза. mg~ 40 кг • 10 Н/кг - 400 Н. А, - Fh. = 3200 Дж; А, = 450 Н • 8 м = 3600 Дж 3200 Д ж .3600 Дж Ответ: п = 88,9%. ■ 100% ^ 88,9%. ^ Простые мсхализмы применяют для Т01Х>, чтобы полу* чить выигрыш в силе, т. е. увеличить силу, действующую на тело. К простым механизмам относят наклонную плоскость, рычаг, неподвижный и подвижный блоки. ^ Ни один из механизмов не даёт выигрыша в работе. «Золотое правило» механики гласит, что во сколько раз выигрываем в силе, во столько раз проигрываем в пути. ^ Характеристику механизма, определяющую, какую долю полезная работа составляет от полной, называют коэффициентом полезного действия механизма — КПД. ПРАВИЛО РАВНОВЕСИЯ РЫЧАГА «ПОДРОБНЕЕ...» Перельман Я. И. Занимательная механика. — М.: Римис, 2010. Энциклопедия для детей. Т. 16. Физика. Ч. 1. Биография физики. Путешествие в глубь материи. Механическая картина мира. — М.: Аванта-н, 2000. ВОПРОСЫ для ОБСУЖДВ1ИЯ: О Забитый в доску гвоздь практически невозможно вытащить без приспособлений. Однако с помощью клещей это сделать совсем несложно. Почему? О На невесомом рычаге, имеющем разные пле1и, урав»юве шены два аальных шарика, обьёмы которых отличаются в 2 раза. Сохрани1ся ли рав1ювесие, ео1и шарики опусти1ь в воду? ^ Примет<яя наклонную плоскосп., тяжёлый (М1(ик волоком втаскивают на некоторую высоту. Затем делают то же, но иаюльзуя наклонную плоскость, изготовленную из роликов. В каком случае КПД устройава выше? Лргуметттируйте свой ответ. ИМЕНА В ИСТОРИИ ФИЗИКИ Демокрит. Согласно учению Демокрита, всё происходящее представляет собой движение атомов, которые различаются по ({юрме и размерам, месту и расположению, находятся в про странстве в вечттом движеттии, и благодаря их соедиттеттию и разъединегтию вещи и миры возникают и приходят к гибели. В основе мира, согласно Демокриту, лежат два начала — атомт.1 и пустота. Окружающие нас вен(и. считал Демокрит, мы воспринимаем с помощью чувств, тогда как атомы постигаются разумом. Аристотель. Великий древнегреческий М1>тслител1>, обобщивший и систет^тизировавший все знания, накопленные чело вечеством к тому времетти. Установил законы логики, которая до сих пор является основнтям иттструментом науки. Изучал широ^тайший крут вопросов; элементы и их превращения, дви жеттие, структура космоса, биология и психология, этика, по литика и искусство. Утверждал, что оСтладакнцим зттанием еле дует считать лишь того, кто таожет ттрименять ею. Являткя учеттиком Платона и учителем великого полководца Александра Македонского. Основал первый Лицей. Аристотель учил всегда атецовать нринцину: «Пусть мне дороги друзья и тас-тина, однако долг повелевает отдать прелпочтение иаитте!». Эта его фраза более известна как: «Платон мне д|)уг, но истина дороже*». Архимед. Великий древнегреческий математик, физик и инжеттер. В наше время имя Архимеда связывают главным образом с его замечательными математическими работами, одттако в Древней Греции он прославился также как изобре татель различного рода механических устройств и инструментов, о чём сообщают авторы, жившие в более позднюю эпоху. Архимед заложил фундамент современной гидрехтатики, в его ‘тесть был назван открытый им закон Архимеда. Леонардо да Винчи. Великий итальянский художник и учё ный, яркий представитель титта «универсальною ‘теловека» (от лат. — homo universale) — идеала эпохи Возрождения. Круг научных интересов Леонардо воистину впечатляет. До натлих дней дошли отрывки трудов этого учёного по оптике, статике, теории воздухоплавания, трению и падению тел. Леонардо писал: «Если запастись терпением и проявить старание, то посеянные семена знания непрементто дадут добрые ВСХОДТ.1. Ученья коретть горек, да плод сладок». V в. до н. э. 384 3?? гг. до н. э. 287—712 гг. до н. э. 14Ь2-1519 1561-1676 1564-1642 160? 1686 1608 1647 Френсис Бэкон. Ан1лийский философ, историк, полиги>1еский деятель, основотюложиик эмпиризма. Бэкон считал великое достоинство науки очевидным и выразил это в своём знаменитом афоризме «Знание — ситта». Он вооружил естествознание методами обобтцеттия, применяющимися по сей день. С помощью своих методов он. наприм Галилея в истории ттауки замечателт>тто втяразил великий физик XX в. А. Эйнштейн: «Открытие, сделанное 1а/титтеем, и применение им методов научного рассуждения бьтло одним из самых важных достижений в истории человеческой мысли, и оно отме*тает действительное начало физики. Это открьттие учит ттас тому, что итттуитивтттям втяводам, базирутотт(имся тта непосредственном наблюдении, не всегда можно доверять, так как они инотда ведут сто ттожтюму атеду». Отто фон Герике. Немецкий физик, инженер и философ. Изобрёл вакуумную откачку и провёл извесшый экспериметтт с Магдобургскими полутлариями, котортяй дока.зал тталичио давления воздуха. Герике создал одну из первьтх электростатических маититт, построил первтяй водяттой барометр и исполт>зовал ого для метеоролотических набттюдений, из^рёл титрометр (ттрибор для измерения влажности воздуха), сконструировал воздушный термометр, манометр. Евангелиста Торричелли. Итальянский математик и физик. В своём сочинении «Opera geometrical 1орричелли излагает свои открытия и изобретения, среди которых самое важное место занимает изобретение ртутного барометра. Торричелли показал, что воздух имеет вес и что водяной насос не может вытянуть воду на в1ясоту более 10 м, сформулировал закон вытекания жидкости из отверстий в стенке открытого сосуда и вывел формулу для определения скорости вытекания (формула Торричелли). Блез Паасаль. Французский магематик, физик. ли1ераюр и философ. 8 историю физики Паскаль вошёл, установив основной закон 1идростагики. Он нод1вердил предгюложение ?орричелли о существовании атмосферного давления. 8 честь Паскаля называется единица давления Международной системы единиц (СИ). Также Паскаль был нервокттассным математиком. Он участвовал в аановлении проективной гео метрии и теории вероятностей. Паскаль изобрёл гидравлический пресс и построил первую механическую отётную машину. Роберт Бойль. Английский химик, физик и философ, один из основателей Лондонского королевского общества. При его жизни Королевское общество было признанным научным центром, вокруг которого обьединились крупнейшие учёные того времени — Дж. Локк, И. Ньютотт, Д. Уоллес и др. Открыл весьма важный физический закон сжатия тазов, кото рт>тй носит его имя (закон Бойля—Мариопа). Бойль П{юизводил оптические исследования и заклю*тил из них, что цвета не явттяются неттосредственным свойством вещества. Роберт Гук. Атттлийский естествоисттытатель, учёный-энциктю педист. К числу открьттий Гука п^тинадлежат; открытие п^юпорциональ-ности между упругими растяжениями, сжатиями и изгибами и производятт1ими их ттапряжоттиями (.закотт Гука). Отт впсрвт>тс увидел живую клетку с помощью усовершетктвованного им микроскопа. Гуку ттринадзтежит и сам термин «клетка». Исаак Ньютон. Великий аттглийский физик, математик, астро ттом, фиттософ. Вклад Ньютона в достижения нашей ттивилизации отражён в эпитафии, высеченной на его могиле: «Здесь покоится Сэр Исаак Ньютон, который тючти божественной ситтой своего ума о6т>яотил с помо1ти>ю своего математического метода движе ния и формы планет, пути комет, приливы и отливы океатта. Он ттервый исатедовал разнсюбразие световых лу«тей и ттро истекаютт(ие отсюда особетттюсти тщетов, каких до того вре мени никто даже не подозревал. Прилежный, проницательный и верный истоттковатетть ттрироды, древностей и священното писаттия ОТТ прославил в своём учеттии Всет^югутцего Творт^а. Требуемую Евангелием простоту он доказал своей жизнью. Пусть стаертные радуются, что в их среде жило такое украше ттие человеческого рода.,,» 1673 166? 1627-)691 1635-1703 1647-1777 1Л1-1/6Ь 1743-1794 1766-1844 1773-1858 Михайло (Михаил) Васильевич Ломоносов. Замечательный русский учёный естествоиспытатель, выдающийся просветитель, поэт, художник, историк, академик Петербургской академии чтаук. Открытия Ломоносова обогатили многие отрасли знания. Он развивал атомно-молекулярные представления о строении вещества. Проводил исследования в области атмос<|№рно1о злектри»тоства и метеорологии. Ломоттосов впервтяе .экспериментально доказал закон постоянства массы веществ, уча-ствуютцих в химических превращениях. Создал ряд опти'теских приборов, откртял атмос(|№ру тта Веттере. Обт>ясттил происхождение многих полезных ископаемых и минералов. Ломоносову приттадлежит вькказываттие; «Один опыт я ставлю втяттте, чем пясячу мттеттий, рождётттттях толт.ко воображеттием». По инитдиативе Ломоносова в 1/Ь5т. основан Московский университет. Антуан-Лоран Лавуазье. Франтдузский учёный, основатель современттой химии. Экспериментально сформулировал современную кислородную теорию торения, совместно с Ьертолле и друтими французскими учёттыми разработал проект классификации химических соединений, первым синтезировал воду из кислорода и водорода. Лавуазье правилтато предсказал состав оргаттических ветцеств, заложив первый камень в фундаметтт органической химии. Джон Дальтон. Аттглийский физик и химик, оягравтттий большую роль в развитии атомистических представлений в химии. Джон Дальтон сформулировал два важных газовых закона, ТТОСЯТТ1ИХ в ттастоятт1ее время его имя, откртал и продемоттстри-ровал научной общественности явттение тюттимерии в химии, ввёл понятие «атомный вес», ттервым определил атомные веса ряда элеметттов. Роберт Броун. Выдающийся бритатккий (шотлатщский) ботаник. По иронии судьбы Ьроун более известен не как ботаник, а как человек, обттаруживтттий хаотичттое движеттие микрочаститг, взвешенных в жидкткти, получившее впоследствии название броуновскот о. Над о6т>ясттеттием броуттовского движеттия работали Алт.берт Эйнштейн и Марианн Смолуховский. Случайное открытие Роберта Броутта в итоге привело к окончательному опытному подтверждеттию атомттой теории ветт1ества. Джеймс Прескотт Джоуль. Извесжый английский физик. Основные научные труды Джоуля посвящены электромагне тизму. механической теории тепла и теории газов, молекуляр ной физике и акустике. Джоуль откртйл названн1>1й его именем закон, определяющий зависимость между силой тока и выделенным этим током в проводнике теплом (закон Джоуля—Ленца), нашёл чиатенное отттошение между работой и количестом произведённого ею тепла. В его честь названа единица работы — джоуль. Дмитрий Иванович Менделеев. Вьщаюи^йся русский химик. Наиболее известттос его откртятие—периодический закон химических элементов, в соответствии с которым он составитт ттериодическую систему элементов. На основе своей периодической таблицы исправил значения атомных масс 9 эттетаентов (бериллия, иттдия, урана и др.). Предсказал существование, вычислил атомньте массы и описал свойава 11 ещё не открытых тогда элементов. Менделеев — автор фундаментаттьных иситедований тто химии, химической технологии, физике, метрологии, воздухоплаванию, метео|:>ологии, сельскому хозяйству, экономике. Джон Уильям Стретт, лорд Рэлей. Британский физик. Основными нау'тиыми интересами Рэлея были теория колеба-ттий и сё приложоттия в самтях разтттях облааях физики — акустике, оптике, электричестве и др. Вывел один из законов излучения абсолютно чёрного тела (закотт Рэлея—Джиттса). .Ота работа имела болтилоо зттачоттие для возникновения теории квантов. В 1904 г. (с Уильямом Рамзаем) открьтл газ аргон и получил за это Нобелевскую п^темию по физике. 1*эттей вьтветт важное физи‘*еское соотношение и с его тюмощью обьяснил голубой цвет неба и красный цвет заката, с ттомо щью виртуозного эксперимента с плёнкой масла на воде с достаточной то'ттюстью оттредеттитт размер моттекутт. Марианн Смолуховский. Польский физик-теоретик. Впершие дал строгое объяснение броуновскому движению частиц. Работы Марианна Смолуховского внесли большой вклад в ааттовлеттие атомтто молекулярттой теории пстт*ества. 1818-1889 18.54 1907 1842-1919 1872-1917 1879 1955 1918 1988 1934-1996 род. 194? Альберт Эйнштейн. Великий физик, один из оаюваюлей современной физики. Создатель теории относительности, в которой ему удалось объединить прооранство и время, понять природу |рави1ации и взаимосвязь массы и энергии. Трудно перооцо»1ить сто вклад в создание квантовой теории. Получил Нобелевскую п^>емию за теорию фотоэффекта. Фактически его 01кры1ия позволили челове‘«ес1ву овладе1ь ядерной энергией. Считал, что «наука но является и никогда гю будет являться законченной книгой». Эйнштейн был очень муд|>ым человеком и обладал тонким чувством юмора. Так, например, он сказал; «Чтобы покарать меня за отврал^ение к авторитетам, судьба сделала авторитетом меня самого». Ричард Филлипс Фейнман. Выдающийся физик XX века. Он писал: «Решающие и наиболее поразительные периоды развития физики — это периоды великих обо6л4епий, когда явления, казавшиеся разобщёнными, неожиданно становятся всею лишь разными асттектами одттого и того же процесса. История физики — это история таких обобщений...». Квантовая электродинамика и её новый нау>1ный язык — диаг раммы Фейнмана можно назвать одним из ттримеров таких о6оби4ений. За эти работы Фейнман стал лауреатом Нобелевской премии. Его знаменитую лекцию, известную под ттазванием «1ам, внизу, ещё много места», можтю считать началом .эры нанотехнологий. В облааи физического оСтразования труд под ттазванием «Фейн-мановские лектгии по физике» до сих пор является одним из ттаиболее ярких и интерестлях учсбттиков для студентов. Карл Эдуард Саган. Американский астроном, публитгист и известный популяризатор науки. Работы Сагана посвящены фи зике планет, гтроблемам происхожд^ения жизни и возможности её суп^ествования втте .Земли. Является создателем «парниковой модели» атмосферы Веттеры, обьясняютцей наличие высокой температуры на поверхности планеты. Известны его ис-следоваттия поверхтюсти Марса, он обттаружил оргаттические молекулы в атмосфере Юттитера. Сатан является автором интересной хроттологии «космического года». В своей замечатель-ттой кттиге «Космос», ю/^аттной в 7008 г. в России, он рассказывает об эволюции Вселенттой, формировании галактик и зарождении жизни и разума. Стивен Уильям Хокинг. Од;ин из наиболее видных и авторитетных (риэикое-теореткжов нашего В{>емени. Несмотря на тяжё ттое заболевание, ведёт активттую ттаучную и претюдаватеттьскую деятолт>ттость. Осттопттая область исследований — космология и квантовая гравитация; испа^теттие чёрных дыр и примегтение термодинамики к их оттисанию. В 19/4 г. Хокиттг стал чттеном Лоттдоттского королевского общества. Широкую извсстноаь приобрёл как автор многочисленных книг о Вселенной. Своё знакома во с его книгами можно начать с книг «Джордрк и тайтты Вселеттттой» и «Джордрк и сокровитт^а Вселеттттой». Ш21 A Boi и ирсЯ^ена последняя (лава у*1е6ника. За этот юд вы получили представлсиио о том, что изучает наука физика, научились проводить свои первые физические исследования, детта1ь из них выводы и заключения, гюзнакомились с осно вами учения о строении вещеова и стали понимап», почему свойства физических тел (тазличаются в зависимости от их агрегатного сосгояния. В этом году вы начали изучать механику — один из основных разделов физики, который описывает сущность механических явлений. Вам стало понятно, как работают простые ме ханизмы, окружаю|цие нас в повседневной жизни. При помощи инструментов, которые работают по принципу про стых механизмов, производятся многие виды работ. Может быть, у вас получится предложить свои способ«>| усоверитен-ствования таких простых механизмов? Впереди вас ждут летние каникулы. Попробуйте применить свои знания по физике на практике; рассчитап> и сделать плот, способный удержать вас на воде, определить КПД инструментов, с которыми вам приходится работать. За время изучеттия физики ваш взгляд на окружающий ми[> изменился. Вы можете посмотреть на него глазами исатедо вателя. Используйте свои новые зттания для понимания и объяснения явлений, которые вы наблюдаете вокруг себя. До встречи в новом учебном году! г ПРЕДМЕТНО-ТЕМАТИЧЕСКИИ УКАЗАТЕЛЬ Аг(№гатнмо соаояния 3?. А7 Атом 7 7. 24 Барометр анероцд 92 Блок 124 — неподвижный 124 — подвижный 124, 127 Броуновское движение 26 Вес 62 — вотдуха 88 Вечный двигатель 718 Вещество 10 Взаимодействие 44, 52 Воддухотитавание 101 Всемирное тяготение 55 Выигрыш в работе 726 — в силе 83, 122, 124 Газ 32 Гтщравлическая машмта 82 Гтщравлический пресс 83 Гиироаатический парадокс 79 Гипотеза 72 Давлеттие 70. 82 — атмосферное 88 — газа 74 — гидропатическое 78 — едиттицы /7 — жищкопи 76. 77. 80 — ттормальиое 97 Движение по иттерции 42 Деления изтаерительного прибора 18 Деформатдия S8 — И31 ибэ 59 — кручения 59 — пласти>теская 67 — растяжения 58 — сдвига 59 — сжатия 59 — упругая 61 Динатаометр 61 Диффузия 27 ’4 ПРЕДМЕТНО-ТЕМАТИЧЕСКИИ УКАЗАТЕЛЬ Единицм ф№т(Ч^КОЙ величины — дольнь»е /5 — кранио 15 Жидкосп, 32 Закон 13 — Архимеда 98. 118 — всомир«Ю1о ниотоиия 55 — Гука 60 — Пасхаля 76. 83 — сохрано«1ия мохани^<оской энергии 115. 118 «Золотое правило» механики 127 Измерение 14 Измерительный приСюр 13, 18 Инертность 45 Иттерт1ия 47 Иао'жики зттергии 116 Капиллярноаь 31 Коэффициеттт упругости 60 — полезного действия 129 Манометр 92 — жидкоептый 92 — т^таллический 93 Масса 45, 46. 54. 63 — единицы 45 Материя 11 Международная система единиц (СИ) 14 Механическая работа 106. 108. 110 — е;;иттицы 107 — полезная 128 — полттая 128 Механическое движение 36 — нераеномергтое 37. 40 — прямоттиттейное 37 — равномерное 37. 38 — равнопеременное 41 Молекула 47 Момент силы 123 Мощноаь 108 — едиттицы 108 Нзблюдскио 12 Нагяетательшй насос-компрессор 84 Наклонная плоскость 122. 126 Насос 84 Невесомоаь 63 Ниппель 84 Опыт 12 Опалкивание молекул 29 Плавание судов 101 — тел 100 Плазма 33 Плечо силы 122 Плотнооь 46, 47 — единицы 4/ Пневмацмеские тормоза 85 — устройава 84 lloipcujHocib изморопий 18 Подшипник 67 Понятие 10 Поршневой воздушный насос с клапанами 84 — ЖИДК001ЫЙ насос 84 Правило моментов 123 — рьптата 123 Преврашеттие анергии 115 Принцип сообщающихся сосудов 80 Притяжение молекул 28. 29 Простые мехаиизтла 122 Путь 37. 107 Ртутттый барометр 92 Рычаг 122, 126 Свободная поверхттость жидкоаи 78. 80 Свободное падение 54 Сила 52. 70. 106. 122 — архкяаедова 97 — выталкивающая 96 — единицы 53 — подкупая 101 — равнодействующая 56 — реакции опоры 58 — трения 64 — качения 65 — покоя 65 — скольжения 65 — тяжели 54. 62, 77 — упругости 58 Ocopocib 38. 44. Ь2 — о;;имицы 38 Смачивание 30. 31 Сообщающиеся сосуды 80. 82 Состояние равновесия 57 Среднее значение 19 Средняя скорость 40 Степень чисда 10. 16. 17 Твфдое тело 33 Тело ото1ёта 36 Термин 10 Техническое устройство 82 Тормозной путь 112 Точка 36 Траектория 37 Ускорение 41. 55 — единицы 41 — свободного падения 55 Физика 8 Физиюская вели>1ина 14 — векюрная 39 — скалярная 39 Физитеское тело / О Цена деления 18 Шкала измери1ельнао прибора 18 Шлюзы 81. 85 Эксперимент 12 Энергия 110 — кит1етическая 111. 112. 114 — полная 113 — потенциальная 111. 112. 114 Эталон 14 Яш1ения 8 — механические 8 — световые 9 — тепловые 9 — электромагнитные 9 Учебное издание Серая «Сферы» Вслага Виктория Владимировна Ломачснков Иван Алексеевич Панебратцев Юрий Анатольевич Физика 7 класс Учебник для общеобразовательных организаций Руководитель Центра «Сферы» А. В. Силмноаа Выпускающий редактор В. В. Жумаеа Художественный редактор С. Г. Куркина Компьютерная вёрстка О. В. Лепчеаской Художественное оформление О. В. Поповича^ С. В. Ермолина, О. В. Ленчевской, С. Г. Куркинои, И. В. Шорникоаой, С. И. Аминеаои, Л. Г. Куркина, К. С. Бихтемирова, А. Г. Ширшова Дизайн обложки О. В. Поповича, В. А. Прокудина Технический редактор С. Н. Терехова Корректор О.Н. Леонова Налоговая льгота — Общероссийский классификатор продукции ОК 006^93-953000. Изд. лиц. Серия ИД Jf 05824 от 12.09.01. Подписано в печать 11.11.13. Форнат 84x108'/м- Бумага офсетная. Гарнитура SchoolBookCSanPin. Печать офсетная. Уч.-изд. л. 19,21. Доп. тираж 7 000 зкз. Заказ № ВЗК-02569 И. Открытое акционерное общество «Издательство «Просвещение». 127521, Москва. 3-й проезд Марьиной рощи, 41. Российская академия наук Российская академия образования Издательство «Просвещение» мический ШКОЛЬНЫЙ учебник