Text
                    

Физика Занимательные материалы к урокам 8 класс Автор - составитель А. И. Сёмке Москва «Издательство НЦ ЭНАС» 2004
УДК 372.8(072):53 ББК 74.262.22 СЗО Физика: Занимательные материалы к урокам. 8 кл. / Авт.-сост. СЗО А. И. Сёмке. - М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2004. 152 с. (Порт- фель учителя). ISBN 5-93196-340-5 В пособии приведены дополнительные материалы к курсу фи- зики для 8 класса - задачи с использованием сведений из смежных школьных дисциплин, качественные вопросы, исторические справ- ки о великих физиках и их открытиях, занимательные цифры и фак- ты, карточки индивидуальных заданий, кроссворды и пр. Пособие поможет учителям сделать уроки физики и внекласс- ные мероприятия более увлекательными и разнообразными. УДК 372.8(072):53 ББК 74.262.22 ISBN 5-93196-340-5 © А. И. Сёмке, 2004 © ЗАО «Издательство НЦ ЭНАС», 2004
Оглавление ПРЕДИСЛОВИЕ................................................ 5 I. ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ....................................... 6 1. Тепловое движение молекул. Температура............... 6 2. Внутренняя энергия. Способы изменения внутренней энергии............................................... 10 3. Виды теплопередачи................................. 13 4. Количество теплоты................................. 19 5. Энергия топлива.................................... 24 6. Состояние вещества. Тепловые процессы ............. 29 7. Плавление и отвердевание........................... 32 8. Испарение. Кипение. Конденсация.................... 40 9. Работа газа при расширении. Двигатель внутреннего сгорания............................................... 47 10. КПД теплового двигателя............................ 51 11. Обобщение материала по теме «Тепловые процессы»... 54 II. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ................................. 57 12. Строение атома. Электризация тел................... 57 13. Электрический ток. Источники тока.................. 64 14. Электрическая цепь. Действие электрического тока.. 67 15. Сила тока. Напряжение............................. 71 16. Сопротивление. Закон Ома........................... 75 17. Работа и мощность электрического тока. Закон Джоуля-Ленца..................................... 81 18. Обобщение материала по теме «Электрические явления» ... 87 III. МАГНИТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ ................................... 90 19. Магнитное поле..................................... 90 20. Магниты и электромагниты........................... 93 21. Электродвигатель и генератор электрического тока.. 98 IV. ОПТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ.................................. 103 22. Свет. Его источники. Законы распространения света. 103 23. Отражение света.................................... НО 24. Зеркала........................................... 114 3
25. Преломление света................................ 120 26. Линзы............................................ 126 27. Оптические приборы............................... 131 28. Глаз и зрение.................................... 135 29. Оптические явления............................... 138 30. Обобщение материала по теме «Оптические явления». 141 КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА ЗА ПЕРВОЕ ПОЛУГОДИЕ.................. 146 КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА ЗА ГОД............................... 148 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ........................ 149
Предисловие Пособие будет полезно тем, кто стремится преподавать физику нескучно. Кто, готовясь к уроку, пытается сам придумать забавные задания и всякий раз огорчается, что нет под рукой хорошего мате- риала, и нс хватает времени, чтобы его поискать. Цель этого посо- бия, разработанного в соответствии с учебной программой, - по- мочь школьному учителю заинтересовать восьмиклассников, сде- лать уроки увлекательными и разнообразными. Собранный в пособии материал можно использовать и во внеклассной работе - при проведении викторин, на занятиях физического кружка. В книгу включены задачи, содержащие занимательные сведения из других дисциплин - биологии, географии, литературы и пр. Эти задачи позволяют учителю показывать ученикам взаимосвязь явле- ний живой и неживой природы, а также привлекать к предмету вни- мание тех учеников, чьи интересы лежат в других областях знаний. Физические эксперименты, рекомендуемые в пособии, не требуют сложного оборудования и легко могут быть проведены на уроке. Используя качественные вопросы и задачи, можно развить у учени- ков любознательность, способность наблюдать физические явления в окружающем мире, умение объяснить их на основе знаний физи- ки. Карточки индивидуальных заданий, кроссворды предназначены для дифференцированного контроля знаний. В каждом разделе пособия имеется физический словарик с объяс- нением происхождения и значения терминов. При разработке уро- ков окажутся необходимыми и сведения из жизни великих физиков. Ко всем вопросам и заданиям в пособии даны (выделены курсивом) ответы, в итоговых таблицах физических экспериментов приведены ориентировочные значения результатов.
I. Тепловые процессы 1. Тепловое движение молекул. Температура Физический словарик Градус (от лат. gradus) - шаг, ступень, степень. Молекула (от лат. moles - масса, с уменьшительным суффиксом - cula) - наименьшая частица вещества. Температура (от лат. temperatura - нормальное состояние, со- размерность, надлежащее смешение) - величина, характеризирую- щая внутреннюю энергию тела; мера средней кинетической энергии поступательного движения молекул тела. Термодиффузия (от 1у>сч. thermo - тепло, жар и лат. diffusio - распространение) - диффузия компонентов газовой смеси или ра- створа, обусловленная разностью температур внутри смеси. Термометр (от греч. thermo - тепло, жар и греч. metreo - изме- ряю) - прибор для измерения температуры. Хаос (от греч. chaos) - в древнегреческой мифологии - зияющая бездна, беспорядочная смесь материальных элементов. Историческая справка Идея о том, что теплота обусловлена движением мельчайших частиц, высказывалась еще античными философами. В XVII в. по- добной точки зрения на природу теплоты придерживались Р. Декарт, Р. Бойль, Р. Гук, И. Ньютон. Однако дальнейшее развитие этого раз- дела физической науки на рубеже XVII-XVIII вв. привело к почти повсеместному признанию существования «теплорода» - особой не- весомой жидкости, ответственной за тепловые явления. Предприня- тая Д. Бернулли попытка математически обосновать молекулярно- кинетические воззрения не получила поддержки со стороны западно- европейских ученых. В 40-х гт. XVIII в. к исследованиям «причин теплоты и холода» приступил Михаил Васильевич Ломоносов. В од- ной из своих работ он писал так: «.. .теплота состоит во внутреннем движении материи...» 6
Температурные шкалы Температурные шкалы Цельсия, °C Кельвина, К Фаренгейта, °F Ранкина, °R 100 373,15 212 671,6 0 273,15 32 491,67 -273,15 0 —459,67 0 Агрегатное состояние Агрегатное состояние вещества Строение вещества Движение молекул Твердое ООООООООООО ООООООООООО ООООООООООО Колебательное Жидкое ф Колебательно- поступательное Газообразное ® ® • э Поступательное Скорости (средние квадратичные) движения молекул газов, м/с (при 20 °C) Азот.......................... 492 Водород........................ 1 838 Водяной пар....................613 Гелий.......................... 1 310 Кислород.......................461 Криптон........................285 Пары ртути..................... 184 Интересный факт (Я. И. Перельман) Человек гораздо выносливее по отношению к жаре, чем обыч- но думают: он способен переносить в южных странах температуру заметно выше той, какую мы в умеренном поясе считаем едва пе- реносимой. Летом в Средней Австралии нередко наблюдается тем- пература 46 °C в тени; там отмечалось даже 55 °C в тени. При пере- ходе через Красное море в Персидский залив температура в судо- 7
вых помещениях достигает 50 °C и выше, несмотря на непрерыв- ную вентиляцию. Наиболее высокие температуры, наблюдавшиеся в природе на земном шаре, не превышали 57 °C, зафиксированных в Долине Смер- ти в Калифорнии. Зной в Средней Азии не превышает 50 °C. Проводились опыты для определения высшей температуры, ка- кую может выдержать человеческий организм. Оказалось, что при весьма постепенном нагревании в сухом воздухе он способен вы- держать температуру не только кипения воды, 100 °C, но и много выше, до 160 °C, что доказали английские физики Благден и Чентри, проводившие целые часы в натопленной печи хлебопекарни. «Мож- но сварить яйца и изжарить бифштекс в воздухе помещения, в кото- ром люди остаются без вреда для себя», - замечает по этому поводу Дж. Тиндаль. Задачи на перевод единиц измерения в СИ 24 кДж = 24 000 Дж 5,5 т = 5 500 кг 650 МВт = 65 000 000 Вт 450 дм5 = 0,45 м3 240 г - 0,24 кг 36 км/ч = 10 м/с 760 кПа = 760 000 Па 3,5 мДж = 0,0035 Дж 4 560 см2 = 0,456 м2 Качественные задачи и вопросы 1. Железный гвоздь нагрели на плите, а потом опустили в холод- ную воду. Как изменились следующие параметры: скорость движения молекул железа при нагревании (увеличи- лась)', скорость движения молекул железа при охлаждении (уменьши- лась)', скорость движения молекул воды (при теплообмене температу- ра воды увеличилась, означит, увеличилась скорость движения мо- лекул)', объем гвоздя при этих опытах (при нагревании увеличился, при охлаждении уменьшился). 2. Воздушный шарик вынесли из комнаты па мороз. Как изме- нятся следующие параметры: объем шарика (уменьшится)', скорость движения молекул воздуха внутри шарика (умень- шится)', скорость молекул внутри шарика, если его вновь вернуть в ком- нату да еще положить к батарее (увеличится). 3. Объясните действие газового термометра. (Действие газового термометра основано на тепловом расширении газа.) 8
4. Объясните действие жидкостного термометра. (Действие жид- костного термометра основано на тепловом расширении жидкости.') 5. Почему нельзя мгновенно измерить температуру с помощью газового и жидкостного термометров? (Изменение температуры ве- щества термометра означает изменение скоростей молекул этого вещества, а для «разгона» молекул нужно время.) 6. Молекулы одного тела движутся в два раза быстрее, чем дру- гого. Что можно сказать о температурах этих тел? (Температура тела выше, если скорость движения молекул выше. Но при одной и той же температуре скорость молекул водорода в три раза больше ско- рости молекул водяного пара, поэтому точно сказать, температу- ра какого тела выше, не зная, из какого вещества состоят эти тела, невозможно.) Физический эксперимент Наблюдение движения взвешенных частиц пыли в воздухе. Задание: в полузатемненной комнате при свете лампы или в луче света, падающего из окна, встряхните пыльную тряпку. Понаб- людайте за движением частиц пыли и опишите его. Поднесите све- тящую лампу накаливания к движущимся пылинкам и понаблюдай- те за движением частиц. Сделайте вывод. Номер опыта Наблюдение за движением частиц пыли Описание движения Рисунок 1 2 В стороне от лампы Около лампы Движутся медленно Движутся быстро Вывод: при нагревании запыленного воздуха возрастает скорость движения молекул воздуха и пылинок. Проверка знаний и умений. Индивидуальные карточки-задания 1 2 1. Железную деталь помещают в печь. Как изменяется скорость движения молекул в детали? (Увеличивается.) 2. Плита массой 20 кг находится на высоте 4 м. Какой потенциальной энергией она обладает? Определите скорость падения плиты при ударе о землю. (800Дж, 9 м/с без учета сопротивления воздуха.) 1. Стальную заготовку для закал- ки после нагревания опускают в воду. Как изменяется скорость движения молекул? (Уменьшается.) 2. Тело массой 200 г бросают вверх со скоростью 36 км/ч. Чему равна кинетическая энергия тела? На какую максимальную высоту оно поднимется? (10 Дж, 5 м.) 9
3 4 1. После торможения покрышки автомобиля оказались горячими. Как изменилась скорость движе- ния молекул в покрышках? (Уве- личилась.) 2. Брусок массой 800 г падает с высоты 10 м. Как изменяется энергия бруска? Определите мак- симальные кинетическую и по- тенциальную энергии бруска. (Первоначальная потенциальная энергия переходит в кинетиче- скую, а затем во внутреннюю энергию тела и опоры. 80 Дж.) 1. В чем различие между жидкими и газообразными состояниями вещест- ва? (Жидкость принимает форму сосуда, а газ занимает весь предо- ставленный объем. В жидкостях молекулы находятся очень близко одна к другой и движутся колеба- телыю-поступательно. В газах моле- кулы движутся поступательно и находятся одна относительно другой на значительных расстояниях и т. д.) 2. Свинцовая пуля массой 10 г летит со скоростью 360 км/ч. Ка- кой энергией обладает пуля? (Ки- нетической энергией 50 Дж.) 2. Внутренняя энергия. Способы изменения внутренней энергии Физический словарик Система (от греч. systema) - целое, составленное из частей, со- единение. Энергия (от греч. energeia - действие, деятельность) - общая мера видов движения и взаимодействия. Внутренняя энергия - характеристика термодинамического со- стояния тела или системы тел. Примеры учета внутренней энергии в технике Известно, что современные самолеты летают со скоростью от 100 до 2 500 км/ч, а опытные образцы самолетов и с еще большей. Искусственные спутники Земли движутся со скоростью около 28 000 км/ч, а космические ракеты - свыше 40 000 км/ч. При таких скоростях обшивка летательного аппарата испытывает сильное тре- ние о воздух. От трения обшивка интенсивно нагревается. Для высокоскоростных самолетов обшивку изготавливают из сплавов титана и стали. Кабину экипажа, топливные баки предохра- няют слоями специального материала - керамики, стеклоткани. Внут- реннюю обшивку самолета охлаждают потоками воды и воздуха. Для искусственных спутников и космических кораблей, перегрев которых происходит в основном за счет излучения, характерна резкая 10
смена температуры обшивки - во время прохождения в тени Земли она опускается до -100 °C, а при выходе из тени возрастает до +120 °C. Чтобы поддерживать в кабине космонавтов постоянную температуру (<уг 10 до 22 °C), двойную оболочку корабля заполняют газом - азотом. Для защиты от солнечного излучения обшивку покрывают белой краской или блестящим материалом. Сейчас работают над создани- ем красок, меняющих цвет с изменением температуры. Задачи на перевод единиц измерения в СИ 125 см = 1,25 .м 34 кДж = 34 000 Дж 345 мм = 0,345 м 25 км/ч ^7м/с 2,1 т = 2 700 кг 15 МПа = 75 000 000 Па 11,2 км/с = 11 200 м/с 432 мВт = 0,432 Вт 45,8 км = 45 800 м Качественные задачи и вопросы 1. Какие превращения энергии происходят в следующих случаях: при падении камня с некоторой высоты {потенциальная энергия превращается в кинетическую, при соприкосновении с Землей кине- тическая энергия превращается во внутреннюю)', при торможении автомобиля {кинетическая энергия автомобиля превращается во внутреннюю)', при распилке дров {кинетическая энергия превращается во внут- реннюю)', при охлаждении воды {изменяется внутренняя энергия воды). 2. Обладают ли внутренней энергией: воздух; гранитный памят- ник; тело с температурой 0 °C; тело с температурой -200 °C? {Все тела обладают внутренней энергией.) Задачи для любителей литературы 1. «В железной печи близ закрытой двери, мерцающей толстым инеем, давно погас огонь, только неподвижным зрачком краснело поддувало. Но здесь, внизу, казалось, было немного теплее...» (Ю. В. Бондарев. Горячий снег). Как изменилась внутренняя энергия воздуха около печи? {Так как огонь погас, уменьшилась температура воздуха, а с ней и внутрен- няя энергия воздуха уменьшилась.) 2. «Ствол орудия, раскаленный стрельбой, пузырился синеватыми ис- корками, искорки перебегали, гасли светляками в темноте, снежная крош- ка позванивала по щиту» (Ю. В. Бондарев. Горячий снег). Почему раскалился ствол орудия? {Внутренняя энергия ствола увеличилась за счет внутренней энергии воспламенившихся порохо- вых газов и трения снарядов о ствол.) 11
По загадкам 3. Искры небо прожигают, А до нас не долетают. (Метеоры.) Почему при движении космического тела в атмосфере Земли оно нагревается? (Внутренняя энергия тела увеличивается, так как над ним совершается работа силами сопротивления воздуха.) От чего зависит время жизни метеора? Какие превращения энер- гии происходят при движении метеора в атмосфере Земли? (Жизнь метеора зависит от массы метеорного тела и его скорости. Кине- тическая энергия превращается во внутреннюю энергию, поэтому метеорное тело сильно разогревается и испаряется.) Задача для любителей биологии Мышки дрожат нс только от холода, но и для того, чтобы со- греться. При дрожании скелетных мышц тепла выделяется не так уж и много, но биохимические реакции выделения тепла резко ускоря- ются. Подрожит мышка, постучит зубками и запустит на полную мощность свою «отопительную систему». А почему изменяется внутренняя энергия мышки? (Механиче- ская энергия превращается во внутреннюю.) Проверка знаний и умений. Физический диктант 1 2 1. Энергией называется... (.. .физическая величина, харак- теризующая способность тела совершать работу). 2. Летящая пуля обладает... энер- гией (.. .кинетической...) 3. Пуля попала в стену, и вся энер- гия. .. (...превратилась во внут- реннюю энергию пули и стены). 4. Способы изменения внутренней энергии... (.. .совершениеработы над телом или теплопередача). 5. Формула расчета потенциаль- ной энергии силы тяжести. (Е = mgh). 6. При нагревании тела внутрен- няя энергия... (...увеличивается). 1. Виды энергии... (.. .потенциальная, кинетическая и внутренняя). 2. Кирпич в кладке обладает... энергией. (...потенциальной...) 3. Кирпич выпал из кладки на землю. Вся энергия... (.. .превратилась во внутреннюю энергию). 4. Внутренней энергией называет- ся... (.. .энергия движения и взаи- модействия молекул и атомов). 5. Формула расчета кинетической энергии. (Е = mv2/2). 6. При охлаждении тела внутрен- няя энергия... (...уменьшается). 12
3. Виды теплопередачи Физический словарик Инфра... (от лат. infra) - приставка, указывающая на более низ- кий уровень чего-либо. Конвекция (от лат. convectio - привоз, принесение, доставка) - перенос теплоты движущейся средой. Интересный факт (Я. И. Перельман) Женщины утверждают, что вуаль греет, что без нее лицо зябнет. При взгляде на легкую ткань вуали, нередко с довольно крупными ячейками, не очень веришь этому утверждению. Но как бы крупны ни были ячейки вуали, воздух через такую ткань проходит все же с некоторым замедлением. Тот слой воздуха, который непосредственно прилегает к лицу и, нагревшись, служит теплой воздушной маской, удерживается вуалью и нс так быстро сду- вается ветром, как при отсутствии ес. Поэтому нет основания не ве- рить женщинам, что при небольшом морозе и слабом ветре лицо во время ходьбы зябнет в вуали меньше, чем без нес. Задачи на перевод единиц измерения в СИ 54,5 кДж = 54 500 Дж 360 км/ч 100 м/с 6,12 г/см3 = 6 720 кг/м3 425,8 см = 4,258 м 220 г= 0,22 кг 4,5 кН = 4 500 Н 7,8 МДж = 7 800 000 Дж 3,2 т =3 200 кг 210 км = 210 000 м Качественные задачи и вопросы 1. Зачем кусты роз на зиму укрывают опилками? {Опилки явля- ются плохим проводником тепла. Розы укрывают опилками, чтобы они не замерзли.) 2. Почему шерстяная одежда лучше предохраняет от холода, чем синтетическая? (Между шерстинками находится воздух, который плохо проводит тепло.) 3. Почему баки для хранения горюче-смазочных материалов кра- сят серебристой или белой краской, а не черной? (Черный цвет по- глощает практически все солнечное излучение, поэтому тела, окра- шенные черной краской, быстро нагреваются. Белый цвет большую часть излучения отражает, поэтому тела, окрашенные в белый цвет, нагреваются меньше, чем черные.) 4. Какая земля прогревается солнечными лучами быстрее: чер- нозем или песчаники? (Чернозем.) 5. Почему сосуд с жидкостью нагревают снизу? (При нагревании снизу конвективные потоки нагретой жидкости устремляются 13
вверх, а холодная жидкость — вниз. Таким образом жидкость нагре- вается практически равномерно.) 6. Зачем ручки паяльников, утюгов, сковородок, кастрюль дела- ют из дерева или пластмассы? (Дерево и пластмасса обладают пло- хой теплопроводностью, поэтому при нагревании металлических предметов мы, держась за деревянную или пластмассовую ручку, не будем обжигать руки.) 7. В какой одежде человек себя чувствует летом комфортнее: в темной или светлой? (В светлой.) 8. В летней душевой комнате бак для воды покрасили в черный цвет. Почему? (Черный цвет практически полностью поглощает сол- нечную энергию, и поэтому бак с водой будет нагреваться лучше.) Задачи для любителей литературы 1. ...Кругом курильницы златые Подъемлют ароматный пар... Л. С. Пушкин. Руслан и Людмила Почему пар поднимается вверх? (Плотность теплого воздуха меньше, чем воздуха обычной температуры, и под действием архи- медовой силы он поднимается вверх.) 2. «Когда, поздно вечером, умирало священное пламя камина, он (Мар- тын) кочергой скучивал мелкие, еще тлеющие остатки, накладывал сверху щепок, наваливал гору угля, раздувал огонь фукающими мехами или, зана- весив пасть очага простым листом «Таймса», устраивал тягу...» (В. В. На- боков. Подвиг). А для чего необходима тяга? (Без притока кислорода процесс го- рения неосуществим, поэтому Мартын использовал естественный приток воздуха, для чего создавал тягу в трубе камина или подавал воздух, используя мехи — вынужденный приток воздуха.) 3. «Затем, когда гул и бушевание огня усиливались, на газетном листе появлялось рыжее, темнеющее пятно и вдруг прорывалось, вспыхивал весь лист, тяга мгновенно его всасывала, он улетал в трубу...» (В. В. Набоков. Подвиг). Почему пепел от газетного листа улетал в трубу, а не падал на дрова, горевшие в камине? (Горячий воздух поднимается вверх, по- этому и пепел, в потоке этого воздуха, устремился вверх.) 4. «Педро посмотрел вниз и увидел, что лодки, оставленные на ночь на воде, отвязаны. Ночной бриз отнес их довольно далеко в открытый океан. 14
Теперь утренним бризом их медленно несло к берегу. Весла шлюпок, раз- бросанные по воде, плавали по заливу...» (А. Р. Беляев. Человек Амфибия). Каковы причины вечернего и утреннего бризов? {Вода нагрева- ется медленнее, чем суша, но и медленнее остывает.) По пословицам и поговоркам 5. Снег - одеяло для пшеницы: чем толще, тем лучше ей спится. Каков физический смысл этой китайской пословицы? Почему, когда на полях много снега, посевы нс вымерзают? (Снег обладает очень плохой теплопроводностью, так как между снежинками на- ходится воздух, который является плохим проводником тепла. По- этому снег можно сравнить с одеялом, которое не дает холоду по- добраться к зерну.) 6. Дым столбом - к морозу. А почему дым столбом? (В безветренную погоду легкий теплый воздух устремляется вверх, не испытывая боковых воздействий ат- мосферного воздуха.) По загадкам 7. Свет пропускает, А тепло не выпускает. (Стекло.) Какое излучение поглощается стеклом, а какое пропускается? (Стекло поглощает ультрафиолетовое излучение, а пропускает тепловое (инфракрасное).) 8. Два арапа - родные братья, Ростом по колено, Везде с нами гуляют, От мороза защищают. (Сапоги.) Какие сапоги защищают от мороза лучше: тесные или простор- ные? (Просторные: так как воздух плохо проводит тепло, он являет- ся еще одной прослойкой в сапоге, которая задерживает тепло.) 9. Зимой нет теплее, Летом нет холоднее. (Погреб.) Почему? (Холодный воздух опускается вниз, поэтому летом в погре- бе прохладно. Зимой погреб утепляют, а, как известно, воздух —плохой проводник тепла, следовательно, тепло в погребе сохраняется.) 10. Под окошком гармонь Горяча, как огонь. (Батарея отопления.) 15
Почему батареи устанавливают именно под окнами? (Нагретый ими воздух создает в помещении тепловую завесу и, перемещаясь вследствие конвекции по комнате, практически равномерно обогре- вает ее.} Задачи для любителей биологии 1. Лохматая шубка позволяет шмелям собирать нектар и пыль- цу даже в Заполярье. Под такой одежкой тело шмеля при усилен- ной работе мышц нагревается до 40 °C. И чем севернее живет шмель, тем он крупнее и лохматее. В тропиках шмелей нет - пе- регреваются. Почему шубка спасает шмелей от замерзания? (Шубка шме- ля плохо проводит тепло, так как между ворсинками находит- ся воздух, у которого теплопроводность мала.) 2. Как только устанавливаются холода, пчелы скучиваются на со- тах и образуют плотный шар. Прижавшись друг к дружке, они всю зиму поддерживают температуру около 12 °C. Таким образом пчелы сами себя греют. А вот вентиляция им необходима, ведь в противном случае вся влага, выдыхаемая пчелами, оседает внутри улья в виде инея. Почему пчелам удается согревать себя зимой? (Между пчелами остается воздух, который плохо проводит тепло и предохраняет от вымерзания.) 3. Теплоизоляция тела летящей птицы обеспечивается про- слойкой неподвижного воздуха над поверхностью кожи (погра- ничный слой), а затем кожным и подкожным жиром. Перья, мех и одежда сохраняют пограничный слой воздуха. Степень дости- гаемой при этом теплоизоляции зависит от толщины воздушной прослойки. Почему воздух служит теплоизоляцией? (Воздух является пло- хим проводником тепла и предохраняет кожу от перегрева и пере- охлаждения.) Физические эксперименты 1. Исследование теплопроводности металлических образцов. Приборы и м ат с р и ал ы: спиртовка; 30-сантиметровыс куски стальной, медной, алюминиевой, нихромовой проволоки; пла- стилин; гвоздики; штатив; часы. Задание: закрепите проволоку горизонтально одним концом в штативе; на расстоянии 5 см от другого конца и через 5 см один от другого подвесьте к ней (на пластилине) четыре гвоздика. На- 16
гревая проволоку со свободного конца, наблюдайте за падением гвоздиков. Сделайте вывод. Проволока Время до падения гвоздиков, с 1 -го - 5 см 2-го - 10 см 3-го - 15 см 4-го - 20 см Медная 20 50 75 ПО Алюминиевая 65 140 200 240 Нихромовая 35 70 100 125 Стальная 40 85 130 180 Вывод: для осуществления теплопередачи нужно время, завися- щее от свойств материала и расстояния между данной точкой и источником тепла. 2. Исследование конвекции в воде. Приборы и м ат ер и ал ы: прозрачный сосуд с водой, спир- товка, раствор марганца, стеклянная трубка. Задание: укрепите сосуд над спиртовкой. Добавляйте поне- многу раствор марганца, используя стеклянную трубку; наблюдайте движение жидкости при нагревании. Сделайте вывод. Номер опыта 1 2 Схематический чертеж Вывод: с ростом температуры скорость конвекции растет. Домашние эксперименты (Я. И. Перельман) 1. Возьмите воздушный шарик и привяжите к нему небольшой груз, чтобы он не упирался в потолок. Поднесите его к печке или батарее и пронаблюдайте за движением шарика по комнате. Объяс- ните это движение. (Шарик движется вверх под действием потока теплого воздуха.) 2. Вырежьте из бумажного круга радиусом 20-30 см змейку и, подвязав ее за конец к веревочке, аккуратно поднесите к нагретому предмету. Объясните вращение змейки. (Змейка вращается в пото- ке восходящего теплого воздуха.) 3. Сделайте из бумаги коробочку. Аккуратно налейте в нес воды и поднесите к горелке, через некоторое время вода в коробочке заки- пит. Объясните, почему не загорелась коробочка. (Бумага коробки отдает полученное тепло и не успевает нагреваться от темпера- туры возгорания.) 17
Проверка знаний и умений. Индивидуальные карточки-задания 1 2 1. На каких способах теплопере- дачи основано отопление? (На теплопроводности и конвекции.) 2. Почему двойные рамы лучше предохраняют от холода, чем одинарные? (Воздух между ра- мами плохо проводит тепло.) 3. Какие из веществ: бумага, со- лома, серебро, чугун - имеют наи- большую теплопроводность? (Серебро, чугун.) 4. Какие из веществ: бумага, вата, железо, медь - имеют наимень- шую теплопроводность? (Бумага, вата.) 5. В какой цвет окрашивают на- ружные поверхности самолетов, искусственных спутников Земли, воздушных шаров, чтобы избе- жать перегрева? (Серебристый, белый.) 1. Какие способы теплопередачи отвечают за нагревание воды в кастрюле? (Теплопроводность и конвекция.) 2. Чтобы деревья зимой не вы- мерзли, приствольные круги по- сыпают соломой,опилками,тор- фом. Для чего? (Опилки, торф, солома являются плохими про- водниками тепла.) 3. Какие из веществ: мех, свинец, алюминий, воздух - обладают хорошей теплопроводностью? (Свинец, алюминий.) 4. Какие вещества обладают пло- хой теплопроводностью: медь, кислород, метан, цинк? (Кисло- род, метан.) 5. В каких телах теплопередача происходит главным образом теп- лопроводностью? (В металлах.) 3 4 1. Благодаря какому способу теп- лопередачи можно греться у кост- ра, иечки? (Благодаря излучению.) 2. При одной и той же температу- ре металлические предметы на ощупь кажутся холоднее других. Почему? (Они являются хороши- ми проводниками тепла.) 3. Какие из веществ: вода, хлопок, латунь, алюминий — обладают хорошей теплопроводностью? (Латунь, алюминий.) 4. Какие из веществ: ватин, древе- сина, платина, алюминий - обла- дают плохой теплопроводностью? (Ватин, древесина?) 5. Можно ли предсказать направ- ление ветра на берегу моря в жар- кий летний день? (Да, ветер бу- дет дуть с моря на сушу.) 1. Благодаря какому способу тепло- передачи надеваются нижние слои атмосферы? (Благодаря кон- векции.) 2. Почему ручку у кочерги делают деревянной? Дерево плохо прово- дит тепло, поэтому при работе с кочергой человек не будет обжи- гать руки.) 3. Какие из веществ: кирпич, оло- во, пробка, сталь - обладают хо- рошей теплопроводностью? (Оло- во, сталь.) 4. Какие из веществ: пробка, кир- пич, олово, сталь — обладают пло- хой теплопроводностью? (Проб- ка, кирпич.) 5. В каких телах теплопередача может происходить излучением? (Во всех телах.) 18
4. Количество теплоты Физический словарик Калориметр (от лат. calor - тепло, жар и греч. metreo - измеряю) - прибор для определения количества теплоты в исследуемом процессе. Историческая справка Важнейшим этапом в развитии учения о тепловых явлениях было установление различия между понятиями «количество теплоты» и «температура». Путаница в использовании этих понятий мешала как правильному описанию тепловых процессов, так и уяснению досто- инств и недостатков выдвигавшихся теорий теплоты. Первым, кто отчетливо сформулировал мысль о необходимости различать две характеристики тепловых явлений - экстенсивную (теплоту) и интен- сивную (температуру), - был английский ученый Дж. Блэк. Джозеф Блэк родился 16 апреля 1728 г. во французском городе Бордо. Научные исследования он начал вести в Глазго, когда выпол- нял обязанности ассистента Каллена. Начало исследований Блэка по теплоте относится к 1760 г. Его первые опыты были поставлены с целью проверки линейности шкал термометров. Эти эксперименты привели ученого к мысли о различии двух характеристик тепловых процессов: теплоты и температуры. Интересно, что сначала Блэк пришел к выводу о существовании скрытых тсплот и лишь затем сформулировал идею об удельной теплоемкости как характеристике вещества. Работы Блэка по теплоте имели практическое значение: его сове- тами пользовался при усовершенствовании паровой машины Дж. Уатт, работавший механиком в университете Глазго. Интересные факты (Я. И. Перельман) 1. Часто спрашивают, что требует больше времени: нагревание воды на примусе от 10 до 20 °C или от 90 до 100 °C? Следя за ходом нагревания с часами в руках, легко убедиться, что нагревание воды на последние десять градусов длится всегда дольше, чем на первые десять градусов; и это несмотря на то, что количество нагреваемой воды постепенно уменьшается вследствие испарения. Объясняется загадка так: тепло, выделяемое пламенем, расходуется не только на усиленное испарение воды, но и на потери тепла водою вследствие излучения. При высоких температурах (90-100 °C) вода излучает больше энергии, чем при низких (10-20 °C). Поэтому, 19
несмотря на равномерное подведение тепла к воде, температура ее повышается тем медленнее, чем сильнее вода нагрелась. 2. Почему нельзя расплавить гвоздь в пламени свечи? «Потому что пламя свечи недостаточно горячо для этого», - отвечают обыкно- венно. Но температура пламени свечи около 1 600 °C, т. е. на сот- ню градусов выше температуры плавления железа. Значит, пламя свечи достаточно горячо, и вес же железо нс удается таким пламе- нем довести до расплавления. Причина в том, что одновременно с получением тепла от пламе- ни гвоздь теряет тепло путем излучения. Чем выше поднимается темпе- ратура нагреваемого предмета, тем сильнее и излучение: потеря тепла растет; наступает наконец момент, когда потеря и приход теп- ла уравновешиваются, - дальнейшее повышение температуры пре- кращается. Если бы гвоздь целиком умещался в пламени свечи, точнее, в самой горячей его части, то наивысшая температура гвоздя при нагревании равнялась бы температуре пламени; тогда гвоздь распла- вился бы. Но так как обычно в пламени помещается только часть гвоздя и выступающие части беспрепятственно излучают тепло, то равенство притока и потери тепла наступает значительно раньше, чем гвоздь нагреется до температуры свечи и даже до температуры плавления железа. Значит, гвоздь не нагревается в пламени свечи до температуры плавления не оттого, что пламя недостаточно горячо, а оттого, что оно недостаточно велико, нс окружает гвоздь со всех сторон. Схема для запоминания расчета количества теплоты, массы, теплоемкости, температуры Задачи на перевод единиц измерения в СИ 34,5 г = 0,0345 кг 245 кДж = 245 000 Дж 8,7 МДж = 8 700 000 Дж 3,5 т = 3 500 кг 840 см = 8,4 м 3,6 км/ч = 1 м/с 8,3 кДж = 8 300 Дж 0,05 МДж = 50 000 Дж 0,89 т = 890 кг 20
Качественные задачи и вопросы 1. Два тела одинаковой массы из серебра и меди опустили в кипяток. Одинаковое ли количество теплоты получили тела? (Если температуры тел в начальный момент были одинаковы, то тело из меди получило большее количество тепла, чем тело из серебра.) 2. Двум телам из меди и свинца, имеющим одинаковую темпера- туру, передали одинаковое количество теплоты. Какое тело горячее, сели массы тел одинаковые? (Тело из свинца горячее.) 3. Стальную и медную детали нагрели до одинаковой температу- ры и для закалки опустили в воду. Одинаковое ли количество тепло- ты отдали заготовки, если массы деталей равны? (Стальная деталь отдала большее количество энергии.) Задачи для любителей литературы 1. «Маленькая дверь по-деревенски скрипнула, и они вошли в очень просторное, в рост, убежище, наполненное душной сыростью, запахом го- рячего железа (печка в углу была накалена до малинового свечения)...» (К). В. Бондарев. Горячий снег). Какое количество теплоты необходимо было передать железной печке массой 8 кг, чтобы она накалилась от температуры О °C до малинового свечения при 600 °C? (&2,2 МДж.) 2. «Каждую минуту громадный пылающий зев печи широко раскры- вался, чтобы поглощать один за другими двадцатипудовые «пакеты» раска- ленной добела стали, только что вышедшие из пламенных печей. Через чет- верть часа они, протянувшись с страшным грохотом через десятки стан- ков, уже складывались на другом конце мастерской длинными, гладкими, блестящими рельсами» (А. И. Куприн. Молох). Для чего стальные детали перед обработкой нагревают? Сколько энергии выделяет сталь при обработке, если температура выхода «пакетов» из печи 1 300 °C, а рельсы складывались, имея температу- ру 50 °C? (При нагревании сталь становится пластичной, что и позволяет ее легко обрабатывать. Охлаждаясь, стальной рельс выделит 18,4 МДж энергии; 1 пуд = 16 кг, удельная теплоемкость стали с = 460 Дж/(кг-К).) По пословицам и поговоркам 3. На каком амбаре снег, из того покупай хлеб. (Потому что он сух, над прелым хлебом снег раньше сходит.) 21
Почему над прелым хлебом снег быстрее сходит? (При гниении хлеба выделяется энергия, которая и идет на нагревание и плавле- ние снега на амбаре!) Физический эксперимент Сравнение теплоемкости веществ. Приборы и м ат е р и а л ы: набор цилиндров одинаковой массы из стали, меди, алюминия; сосуд с горячей водой; пластинка из парафина. Задание: опустите цилиндры в сосуд с горячей водой и подержи- те 3—4 мин. Затем аккуратно поставьте их на парафиновую пластинку и пронаблюдайте за плавлением парафина под каждым цилиндром. Сделайте вывод. Материал Глубина погружения цилиндра в пластинку из парафина, мм Сталь 2 Алюминий 4 Медь 1 Вывод: максимальная теплоемкость у алюминия, минимальная — у меди. Проверка знаний и умений. Индивидуальные карточки-задания 1 2 1. Почему в строительной технике широко используют пористый материал? (Пористый материал легче, и теплопроводность у него очень плохая.) 2. Какая шляпа лучше защищает голову от жары: темная или свет- лая - и почему? (Светлая — она практически отражает всю сол- нечную энергию, темная же шляпа почти всю энергию поглощает.) 3. На сколько градусов нагреется цинковая деталь массой 40 г, если ей сообщить 760 Дж энергии? (На 47,5 °C.) 4. Определите удельную теплоем- кость металла массой 100 г, если при нагревании от 20 до 40 °C внутренняя энергия увеличилась на 280 Дж. (140 Дж/(кг°С)-) 1. Почему грязный снег в солнеч- ную погоду тает быстрее, чем чистый? (Он поглощает больше солнечной энергии.) 2. Почему алюминиевая кружка с чаем обжигает губы, а фарфо- ровая чашка нет? (Алюминий лучше, чем фарфор, проводит тепло.) 3. На сколько градусов остынет вода объемом 100 л, если отдаст в окружающую среду 1 680 кДж энергии? (На 4 °C.) 4. При охлаждении куска свинца массой 20 г внутренняя энергия уменьшилась на 2 кДж. Как изме- нилась при этом температура куска свинца? (Уменьшилась на 833 °C.) 22
1 2 5. Какое количество теплоты потре- буется для нагревания олова объемом 400 см3 на 10 °C? (6 716 Дж.) 5. Какое количество теплоты по- требуется для нагревания воды объемом 2 л на 15 °C? (126 кДж.) 3 4 1. Можно ли предсказать, какое направление будет иметь ветер у моря с наступлением осенней хо- лодной погоды? (Можно.) 2. Чем объяснить сильный нагрев покрышек колес автомобиля во время длительной езды? (Механи- ческая работа превращается во внутреннюю энергию.) 3. Какую массу воды можно на- греть от 15 до 45 °C, затратив для этого энергию 1 260 кДж? (10 кг.) 4. Определите удельную теплоем- кость мегалла, если для изменения температуры от 20 до 24 °C внутрен- няя энергия увеличилась на 152 Дж. Масса бруска 100 г. (380Дж/(кг -°Q.) 5. Какое количество теплоты по- требуется для нагревания бруска серебра объемом 20 см3 на 20 °C? (1 050 Дж.) 1. Зачем ствол винтовки покрыва- ют деревянной ствольной наклад- кой? (Чтобы не обжигать руки.) 2. По каким соображениям холо- дильники изнутри и снаружи кра- сят в белый цвет? (Белый цвет отражает излучение.) 3. Какую массу воды можно на- греть от 10 до 60 °C, затратив для этого энергию 210 кДж? (1 кг.) 4. На сколько градусов изменится температура воды в стакане, если ей сообщить количество теплоты 100 Дж? Вместимость стакана 200 см3. (~0,12 °C.) 5. Какое количество теплоты по- требуется для нагревания стали объемом 0,5 м3 на 100 °C? (195 МДж.) Кроссворд 1. От этого параметра зависит ко- ----------------------------------—— личество тепла, которое надо 1 подвести к телу при его Haipeea- 2 I нии до определенной температу- з ры. 2. Один из способов тепло- -----------------— передачи. 3. Единица измерения 4 _______________i энергии. 4. Единица измерения s ___ ____________________________ температуры, а также единица 6 | измерения углов в геометрии. —----------------1----——— 5. Величина, характеризующая _________________I_ взаимодействие тел. 6. От этой 8 ___ ________________ величины зависит скорость дви- 9 | I жения молекул. 7. Кинетическая, —’———————— потенциальная, внутренняя... 8. Одна из основных единиц измерения в СИ. 9. Ученый, в честь которого названа одна из температурных шкал. Ответы: 1 - масса, 2 - излучение, 3 - Джоуль, 4 - градус, 5 - сила, 6 - температура, 7 - энергия, 8 - метр, 9 - Фаренгейт. Ключевое слово: калориметр. 23
5. Энергия топлива Физический словарик Реакция (от лат. ге - приставка, обозначающая повторное, возобновляемое, обратное действие, противодействие, и лат. actio - дей- ствие) - действие, возникающее в ответ на то или иное воздействие. Экзотермический (от греч. ехо - снаружи, вне и греч. therme - тепло) - тсплоотдающий. Историческая справка Получение и освоение огня - заметная страница в истории циви- лизации. Археологи установили, что остаткам первых костров около 400 тыс. лет. Тогда огонь получали случайно (от молнии), поддержи- вали и берегли. Позднее (около 300 тыс. лет назад) безвестные гении научились добывать огонь трением, а еще позднее изобрели огниво, которым и пользовались до XIX в. Спички появились в 1855 г. Сегодня внутренняя энергия топлива используется так широко и разнообразно, что ощущается острая нехватка угля, нефти, газа. Чрезвычайно важным становится рациональное, экономное исполь- зование топлива. По самым оптимистичным прогнозам разведан- ных запасов хватит лишь на 500 лет. * * * Изобретение пороха и огнестрельного оружия - великие откры- тия в истории техники. Историки утверждают, что дымный порох - смесь 75 % селитры, 10 % серы и 15 % угля - впервые был получен в Китае задолго до того, как стал известен в Европе. Такая смесь спо- собна быстро и устойчиво гореть при очень высоком давлении, об- разуя большое количество газов. Китайцы использовали ее для за- пуска ракет во время праздничных фейерверков. В XII в. порох узнали арабы. Они изобрели легкое огнестрельное оружие - заряжавшиеся порохом железные трубки. В Европе огне- стрельное оружие появилось в XIV в. Это были толстые, гладкие внутри железные трубы, закрепленные на деревянных станках - ла- фетах - и стрелявшие ядрами. После того как в XV-XVI вв. изобрели зернистый порох, а ство- лы орудий начали отливать из бронзы и чугуна, артиллерия превра- тилась в достаточно подвижное, мощное и грозное оружие, пригод- ное для полевых сражений и для осады крепостей. 24
Схема для запоминания расчета количества теплоты, массы вещества, удельной теплоты сгорания топлива Задачи на перевод единиц измерения в СИ 23,1 кДж = 23 100 Дж 4,35 МВт = 4 350 000 Вт 240 г = 0,24 кг 0,34 т = 340 кг 13 МДж/кг =13 000 000 Дж/кг 230 см3 = 0,00023 м3 57 л = 0,057м3 0,78 МДж = 780 000 Дж 3 800 кДж/кг = 3 800 000 Дж/кг Качественные задачи и вопросы 1. Какое вещество при сжигании выделяет больше всего энер- гии? (Водород/) 2. Какое вещество выгоднее использовать в походе в зимний пе- риод для разогрева пищи: порох или спирт? (Спирт.) 3. Что показывает удельная теплота сгорания топлива? (Удель- ная теплота сгорания показывает, сколько энергии выделяется при сжигании 1 кг вещества.) 4. Удельная теплота сгорания водорода 120 МДж/кг. Что означа- ет это число? (При сжигании 1 кг водорода выделяется 120 МДж энергии.) Задачи для любителей литературы 1. «Затем он (Бегемот) плеснул вниз бензином, и этот бензин сам со- бою вспыхнул, выбросив волну пламени до самого потолка. Загорелось как- то необыкновенно, быстро и сильно, как не бывает даже при бензине. Сей- час же задымились обои, загорелась сорванная гардина на полу, и начали тлеть рамы в разбитых окнах» (М. А. Булгаков. Мастер и Маргарита). Расскажите, какие превращения энергии происходят при процессе горения? (При процессе горения химическая энергия топлива пре- 25
вращается во внутреннюю энергию газов (кинетическую энергию движения молекул и атомов и энергию их взаимодействия).) 2. «Пришли к первосвященнику, - продолжал он, - Иисуса стали доп- рашивать, а работники тем временем развели среди двора огонь, потому что было холодно, и грелись» (А. П. Чехов. Студент). Сколько энергии выделится при полном сгорании 2 кг сухих дров? (При горении внутренняя энергия топлива превращается во внут- реннюю энергию молекул и атомов воздуха. При сгорании 2 кг дров выделится 20 МДж энергии.) По пословицам и поговоркам 3. Горели дрова жарко - было в бане парко, дров не стало - и все пропало. Каков физический смысл происшедшего? (Пока горят дрова, вы- деляется энергия и температура повышается, как только переста- ет выделяться энергия от горения дров, температура в бане начи- нает понижаться, так как есть связь с внешней средой, и часть энергии уходит на ее обогрев} По загадкам 4. Дерево даешь - съедает, От воды - умирает. (Огонь} Какие виды топлива, помимо дерева, вы знаете? (Топливо быва- ет твердое, жидкое и газообразное. Дерево относится к твердым видам топлива, так же как и каменный уголь, торф и др. К жидким видам топлива относятся нефть и ее производные: бензин, керо- син, мазут и т. д. К газообразным видам топлива относятся при- родный газ, водород, а также другие горючие газы.) 5. Что за чудо: синий дом, Окна светлые кругом, Носит обувь из резины И питается бензином? (Автобус} Сколько энергии выделяется при сгорании в двигателе автобуса 50 л бензина? Сколько энергии при этом выбрасывается в атмосферу, если полезная часть составляет 25 %? (1 610 МДж, из них 1207,5 МДж выбрасывается впустую.) Задача для любителей географии Японская автомобильная фирма «Мазда» в первой половине 1990-х гг. сконструировала и испытала первый в мире автомобиль с водородным двигателем. Он может преодолевать без дозаправки 26
230 км и развивать скорость до 170 км/ч. Автомобиль снабжен не обычным, а роторным двигателем мощностью в 130 л. с. В 1996 г. германский автомобильный концерн «Даймлер-Бенц» выпустил авто- мобиль на водородных топливных элементах. В чем преимущество водорода как топлива? (Удельная тепло- та сгорания водорода в несколько раз больше, чему других видов топлива. При сгорании водорода не выделяются ядовитые веще- ства.') Задача для любителей биологии Удельная теплота сгорания пищевых продуктов, Дж/кг Хлеб ржаной.................8 880 Говядина....................7 524 Кефир.......................2 700 Молоко......................2 800 Сельдь..................12 900 * * * Среди необычных растений выделяется неопалимая купина. Под- несите к ней горящую спичку, и куст вспыхнет ярким пламенем. Вспыхнет и тут же гаснет. Зеленые листья при этом остаются не трону- тыми огнем. Секрет неопалимой купины давно раскрыт - это эфиро- носное растение. Листья его выделяют летучие вещества, которые вспыхивают словно порох и горят. А если вы прикоснетесь к этим листьям голой рукой, то мелкие эфирные капельки обожгут кожу. Горящее и нссгорающсс растение, конечно же, почиталось как чу- десное, священное. Недаром о неопалимом кустарнике рассказыва- ет Библия. Сколько энергии выделяется при горении 1 г эфира? (47,5 Дж.) Физический эксперимент Наблюдение за процессом горения веществ (в присутствии взрос- лых). Приборы и материалы:пробиркисодинаковымобъемом воды, сухой спирт, бензин в горелке, спирт в горелке, термометр. Задание: отмерьте одинаковые массы бензина, спирта и сухо- го спирта. Аккуратно сжигая одинаковые количества горючего, про- следите, как изменяется температура в нагреваемых пробирках. Оце- ните количество теплоты, полученное пробиркой с водой. Сделайте вывод. 27
Сжигаемое вещество Температура воды, °C Масса во- ды, кг Количество теплоты, полученное пробир- кой, Дж начальная конечная Бензин 20 30 0,1 4 200 Спирт 20 24 0,1 1 680 Сухой спирт 20 26 0,1 2 520 Вывод: самая большая удельная теплота сгорания - у бензина, минимальная —у спирта. Проверка знаний и умений. Индивидуальные карточки-задания 1 2 1. Какое количество теплоты вы- делится при сжигании 2 т нефти? {88 ГДж.) 2. Как будет происходить конвек- ция около сосуда с сжиженным водородом, если поверхность со- суда открыта? 3. На сколько градусов нагреются 2 л воды, если им передать все тепло от горения 20 г сухих дров? {На ~24 °C.) 1. Какую массу природного газа необходимо сжечь, чтобы полу- чить 8,8 МДж энергии? {0,2 кг.) 2. Можно ли термос временно использовать как холодильник? (Да.) 3. Какую массу олова можно на- греть на 100 °C, если передать олову всю энергию, выделившую- ся при горении 200 г спирта? {235 кг.) 3 4 1. При горении 200 г вещества выделилось 2,8 МДж энергии. Что это за вещество? {Торф.) 2. Тела какого цвета плохо по- глощают солнечную энергию? {Тела белого, светлого цвета.) 3. Сколько дров необходимо сжечь, чтобы нагреть воду массой 5 кг на 50 °C? {Примерно 81 г.) 1. Какое количество теплоты вы- делится при горении 100 л нефти? (3,52 ГДж.) 2. Как происходит нагревание воды в кастрюле, поставленной на газовый примус? {Теплые струи воды поднимаются вверх, а хо- лодные опускаются вниз.) 3. Сколько спирта необходимо сжечь, чтобы нагреть стальную деталь массой 500 г от 20 до 120 °C? {~0,9 г.) 28
6. Состояние вещества. Тепловые процессы Физический словарик Сублимация (от лат. sublimare - возносить) - переход вещества при нагревании из твердого в газообразное состояние, минуя жидкое. Фаза (от греч. phasis - появление) - стадия в развитии явления или процесса. Интересный факт Гелий - газ, который сжижается при 4 К, т. е. при температуре, близкой к абсолютному нулю. Жидкий гелий замечателен тем, что, как бы ни понижали температуру при нормальном давлении, он не переходит в твердое состояние. Это единственное вещество с такой особенностью. Другое замечательное свойство жидкого гелия в 1932 г. открыл нидерландский физик Виллем Хендрик Кеезом. При пони- жении температуры жидкого гелия после точки кипения (до ® 2,2 К) кипение жидкости внезапно прекращалось, ее поверхность станови- лась абсолютно гладкой, и дальнейшее испарение шло без призна- ков кипения. Кеезом назвал это явление сверхтеплопроводностью. Советский ученый П. Л. Капица также заинтересовался удиви- тельными свойствами жидкого гелия. Экспериментируя, он обнару- жил сверхтекучие свойства жидкого гелия. Петр Леонидович о своем открытии говорил так: «Мне в жизни в первый раз удалось найти такое фундаментальное свойство вещества. Я много делал экспери- ментов в разных областях, но это уже вопрос везения или невезения. Когда такой случай подвернулся, нельзя было его упускать. Таких интересных явлений в природе еще немало. Чем явление непонят- нее, чем больше оно противоречит современным взглядам, тем оно значительнее. Распутывать эти явления и должна передовая наука». В 1978 г. П. Л. Капице была присуждена Нобелевская премия. Фазы вещества и тепловые процессы 1. Конденсация. 2. Испарение. 3. Кристаллизация, или отвердевание. 4. Плавление. 5. Сублимация. 29
Задачи на перевод единиц в СИ 4,5 г = 0,0045 кг 3,45 кДж = 3 450Дж 30 мин = 1 800 с 2,7 т= 2 700 кг 0,08 МДж = 80 000 Дж 45кВт = 45 000 Вт 450 см3 = 0,00045 м3 13 МДж/кг = 13 000 000 Дж/кг 24 кДж = 24 000 Дж Качественные задачи и вопросы 1. Могут ли быть в жидком состоянии кислород и водород? (Да.) 2. Могут ли быть в газообразном состоянии железо и золото? (Да.) 3. Кусок свинца нагрели, и он перешел в жидкое состояние. Как при этом изменились скорость движения молекул, их расположение, внутренняя энергия вещества? (Скорость движения молекул увели- чилась, внутренняя энергия увеличилась.) 4. Воду испарили. Как при этом изменились скорость движения молекул, расстояние между ними, внутренняя энергия воды? (Ско- рость движения молекул, расстояние между молекулами, внутрен- няя энергия воды увеличились.) Задачи с техническим содержанием 1. Резервуары для хранения нефти и нефтепродуктов имеют кла- паны для выхода газов. Откуда в резервуарах появляются газы? (Ис- паряются с поверхности жидкости.) 2. Поршень отливают из алюминия. Одинакова ли внутренняя энергия алюминия в жидком и твердом состояниях, если в том и дру- гом случае температура вещества 660 °C? (В жидком состоянии внут- ренняя энергия больше.) 3. Углекислотные огнетушители заряжают сжиженным угле- кислым газом. Почему при действии огнетушителя из него выхо- дит нс струя жидкости, а «углекислый снег» - плотное беловатое облако газа? На чем основано тушение пожара таким огнетушите- лем? (При испарении сжиженного углекислого газа энергия по- глощается, пары углекислого газа и водяные пары, содержащие- ся в воздухе, образуют кристаллики «снега». Углекислый газ по- нижает температуру и препятствует доступу кислорода в зону горения.) 4. Что произойдет, если космонавт, выйдя из корабля в открытый космос, откроет сосуд с водой? (При малом давлении вода начнет кипеть и быстро испаряться, при этом вода в сосуде резко охлаж- дается и затвердевает. Процесс испарения с поверхности замерз- шей воды будет продолжаться, но более медленно.) 30
Задачи для любителей литературы 1. «Сейчас он (Дроздовский), голый по пояс, играя крепкими мускула- ми гимнаста, ходил на виду у солдат подле сугроба и, наклоняясь, молча и энергично растирался снегом. Легкий пар шел от его гибкого юношеского торса, от плеч, от чистой, безволосой груди; и в том, как он умывался и растирался пригоршнями снега, было что-то демонстративно упорное» (Ю.В. Бондарев. Горячий снег). О каких состояниях воды идет речь в этом отрывке? (О твердом - снег, жидком - на теле Дроздовского снег тает, и газообразном - влага испаряется, но виден пар —капельки конденсированной воды.) По загадкам 2. Над водою - ушко, Под водою - брюшко. (Айсберг.) О каких состояниях воды идет речь в загадке? (О твердом и жидком.) 3. Через нос проходит в грудь И обратный держит путь. Он невидимый, и все же Без него мы жить не можем. (Воздух.) Может ли воздух быть в твердом и жидком состояниях? (Да.) 4. Добывают на дне морском из водорослей, хорошо лечит ранки, а дети его боятся. (Йод.) В каком состоянии может находиться йод: в твердом, жидком или газообразном? (Во всех трех.) 5. Под острым гребнем из металла Сосна и липа застонали. (Пила.) Почему при распиле древесины пила нагревается? Может ли же- лезо быть в газообразном состоянии? (Механическаяработа превра- тилась во внутреннюю энергию. Железо может быть в твердом, в жидком и газообразном состояниях.) Проверка знаний и умений. Физический диктант 1 2 1. Горением называется... (.. .процесс соединения молекул горючего с кислородом, при кото- ром выделяется энергия). 2. Удельная теплоемкость пока- зывает. .. (.. .какое количество теплоты необходимо для нагре- вания 1 кг вещества на 1 °C). 1. Количеством теплоты называ- ется... (.. .энергия, которую тело получает или отдает при тепло- передаче). 2. Удельная теплота сгорания топлива показывает...(... какое количество теплоты выделяется при сгорании 1 кг топлива). 31
1 2 3. Переход из твердой фазы в жидкую фазу называется... {...плавлением). 4. Переход из твердой фазы в га- зообразную фазу называется... (.. .сублимацией). 3. Переход из жидкой фазы в га- зообразную фазу называется... (.. .испарением). 4. Переход из газообразной фазы в жидкую фазу называется... (.. .конденсацией). Кроссворд ————————————I 1. Процесс превраще- -----------------———————I ния вещества из жидко- 2 го состояния в твердое. 3 ______________________I 2. Мельчайшая частица 4 вещества. 3. Один из ви- 5 дов теплопередачи. 6 4. Величина, харакгери- 7 зующая способность ------------------- тела совершать работу. ———*—————— 5. Прибор для измере- ния температуры. 6. Процесс интенсивного испарения вещества по всему объе- му жидкости. 7. Величина, характеризующая быстроту движения. 8. Процесс, обратный кристаллизации. Ответы: 1 - отвердевание, 2 - атом, 3 - излучение, 4 - энергия, 5 - тер- мометр, б — кипение, 7 - скорость, 8 — плавление. Ключевое слово: возгонка. 7. Плавление и отвердевание Физический словарик Аморфный (от греч. amorphous} - бесформенный. Изотропия (от греч. isos - равный, одинаковый и греч. tropos - свойство) - одинаковость свойств по всем направлениям. Кристалл (от греч. krystallos - лед, горный хрусталь) - твердое тело, атомы, ионы или молекулы которого расположены в периоди- чески повторяющемся порядке, образуя пространственную кристал- лическую решетку. Историческая справка Около 3 тыс. лет до н. э. в Шумере металлические изделия начали отливать в формы. Литые медные изделия пользовались немалым спро- сом. Когда запасы самородного металла были исчерпаны, медь стали до- бывать из недр Земли. Некоторые места ее добычи - с остатками шахт, их 32
оборудования и орудий труда древних шахтеров - найдены археологами на территории Испании, Португалии, Англии и других стран. Руду добы- вали главным образом в горах, пробивая туннели и строя рудники. В сред- ние века отрасль промышленности, возникшую на этой основе, так и на- звали - горнодобывающая, а рабочих и мастеров - горняками. Древние металлурги разбивали добытую породу на небольшие куски, которые растирали на доске ручными орудиями. Образовав- шуюся мелкозернистую массу промывали водой в деревянных ко- рытах. При покачивании корыт легкие примеси всплывали, а тяже- лые частицы медной руды оседали на дне. Вначале медную руду плавили в специальных ямах, а позднее - в небольших каменных печах, обмазанных изнутри глиной. В них разво- дили огонь, а сверху слоями клали древесный уголь и медный концент- рат, полученный после промывки. Выплавленная медь стекала на дно печи. Жидкий шлак сливали через отверстие в стенке. После окончания плавки похожий на лепешку слиток остывшей меди вынимали из печи. Схема для запоминания формулы расчета количества теплоты при плавлении и отвердевании т X Задачи на перевод единиц в СИ 312 г = 0,312 кг 0,45 МДж = 450 000 Дж 340 кДж/кг = 340 000 Дж/кг 250 мг = 0,000025 кг 4,5 т = 4 500 кг 0,68 МДж/кг = 680 000 Дж/кг 5 л = 0,005 м3 467 см3 = 0,000467 м3 235 кДж = 235 000 Дж Качественные задачи и вопросы 1. Температура газовой горелки 500 °C. Посудой из каких мате- риалов можно пользоваться? (Из материалов, температура плавле- ния которых выше 500 °C.) 2. Какой металл расплавится в ладони? (Цезий.) 3. Вы - главный конструктор аппарата для полета к Солнцу. Температура фотосферы Солнца 6 000 °C. Из каких материалов можно сделать аппарат? (Такихматериалов нет.) 33
4. Можно ли в Якутии пользоваться зимой ртутным термомет- ром? (Да, но только в тех районах, где температура воздуха зимой не опускается ниже -39 °C. При этой температуре начинается процесс кристаллизации ртути.) 5. Почему лед нс сразу тает в комнате, если его занесли с мороза? (Лед должен нагреться до температуры плавления, а для этого не- обходимо время.) 6. Почему не рекомендуется зимой использовать для охлаждения двигателей автомобиля воду? (Вода замерзает и при этом расширяется.) 7. Какие материалы можно расплавить в алюминиевой посуде? (Материалы, температура плавления которых меньше 658 °C - температуры плавления алюминия.) 8. Какие металлы плавятся при 30 °C? (При 30 °C и нормальном ат- мосферном давлении плавится цезий (температура плавления 28,4 °C).) 9. Температура газов, выходящих из сопла реактивного двигате- ля, около 700 °C. Из каких материалов можно изготавливать сопла? (Из материалов, температура плавления которых больше 700 °C.) 10. При запуске космических аппаратов их поверхность нагревается до 2 000 °C. Из каких материалов можно изготавливать обшивку ракет? (Из материалов, температура плавления которых больше 2 000 °C.) Проверка знаний и умений (тестовая работа). Индивидуальные карточки-задания 1 2 Но графику Г, °Са 332 \ I ц ?1? 11 По графику t, °С| 960 / II 1, мин 1. Определите, из какого вещества сделана деталь: олова (А); свинца (Б); цинка (В). (А) 2. Какому из процессов: плавле- нию (А), кристаллизации (Б), охлаждению (В), нагреванию (Г) - соответствует участок /? (В) 3. Какому из процессов: плавлению (А), кристаллизации (Б), охлаждению (В), нагреванию (Г) - соответствует участок 1П (Б) 4. Какое количество теплоты: 31,2 кДж (А), 6,7 кДж (Б), 8,2 кДж (В) - выделяется при этих процес- сах., если масса детали 100 г? (В) ои t, мин 1. Определите, из какого вещества сделана деталь: олова (А), свинца (Б), серебра (В). (В) 2. Какому из процессов: плавле- нию (А), кристаллизации (Б), ох- лаждению (В), нагреванию (Г) - соответствует участок /? (Г) 3. Какому из процессов: плавлению (А), кристаллизации (Б), охлаждению (В), нагреванию (Г) - соответствует участок 1П (А) 4. Какое количество теплоты: 31,2 кДж (А), 6,7 кДж (Б), 8,2 кДж (В) - выделяется при этих процес- сах, если масса детали 100 г? (А) 34
3 4 По графику По графику t, °С| г, °C* 527 / 327 \ Т)Л I й 27 I г, мин i, мин 1. Определите, из какого вещества 1. Определите, из какого вещества сделана деталь: олова (А), свинца сделана деталь: олова (А), свинца (Б), серебра (В). (Б) (Б), серебра (В). (Б) 2. Какому из процессов: 2. Какому из процессов: плавлению (А), кристаллизации плавлению (А), кристаллизации (Б), охлаждению (В), нагреванию (Б), охлаждению (В), нагреванию (Г) - соответствует участок 7? (А) (Г) - соответствует участок 7? (Б) 3. Какому из процессов: 3. Какому из процессов: плавлению(А),кристаллизации плавлению (А), кристаллизации (Б), охлаждению (В), нагреванию (Б), охлаждению (В), нагреванию (Г) - соответствует участок /7? (Г) (Г) - соответствует участок 77? (В) 4. Какое количество теплоты: 4. Какое количество теплоты: 31,2 кДж (А), 6,7 кДж (Б), 8,2 кДж 31,2 кДж (А), 6,7 кДж (Б), 8,2 кДж (В) - выделяется при этих процес- (В) - выделяется при этих процес- сах, если масса детали 100 г? (В) сах, если масса детали 100 г? (Б) Задачи для любителей литературы 1. «Опять! - горестно воскликнул Филипп Филиппович, - ну, теперь, стало быть, пошло! Пропал калабуховский дом! Придется уезжать, но куда, спрашивается? Все будет как по маслу. Вначале каждый вечер пение, затем в сортирах замерзнут трубы, потом лопнет котел в паровом отоплении и так далее...» (М. А. Булгаков. Собачье сердце). А при какой температуре замерзнут трубы? Почему котел ото- пления лопнет? (Вода замерзает при О °C. Но при отвердевании вода расширяется, плотность ее уменьшается. Это и приведет к тому, что вода разорвет котел.) 2. ...На месте славного побега Весной растопленного снега Потоки мутные текли И рыли влажну грудь земли... А. С. Пушкин. Руслан и Людмила О каком тепловом процессе идет речь? При какой температуре тает снег? Как она называется? (Процесс превращения льда в мут- ные потоки называется плавлением, при нормальных условиях лед плавится при О °C — температуре плавления льда.) 35
3. «По лужам потянулись ледяные иглы, и стало в лесу неуютно, глухо и нелюдимо. Запахло зимой» (А. П. Чехов. Студент). При каком условии на лужах появляется лед? Как называется этот процесс? (Для процесса кристаллизации необходимо, чтобы выпол- нялись два условия: 1) температура воды была равна температуре плавления льда; 2) чтобы вода в луже постоянно отдавала воздуху энергию, т. е. температура воздуха должна быть ниже О °C.) 4. «В Москве уже лет тридцать и больше я наблюдаю чудесное время, на- званное мною весной света, когда первый воробей запоет по-своему в стенной печурке, желоб высунет из себя ледяной язык, и с него закапает и поперек тротуара побежит первый маленький ручей» (М. М. Пришвин. Весна света). О каком тепловом процессе идет речь в этом отрывке? (О плавле- нии.) 5. Растаял лед, шумят потоки, Луга зеленеют под лаской тепла. Зима, размякнув на припеке, В суровые горы подальше ушла. И. В. Гете. Фауст О каком тепловом процессе идет речь в этом отрывке? Почему для таяния льда необходимо тепло? (Этот процесс называется плав- лением. Для разрыва связей между молекулами требуется энергия.) По пословицам и поговоркам 6. Без мороза на земле не покроется льдом озеро. А при каких условиях образуется на поверхности озера лсд? (Необ- ходимо, чтобы вода на поверхности озера имела температуру О °C, а температура воздуха была ниже О °C.) По загадкам 7. Вырос лес, белый весь. Пешком в него не войти, На коне не въехать. (Морозный узор на окне.) Как образуются морозные узоры на окне? С какой стороны они обра- зуются - с внутренней или внешней? (В результате конденсации паров воды из воздуха помещения и кристаллизации на стекле. С внутренней.) 8. У избы побывал - Все окно разрисовал, У реки погостил - Во всю реку мост мостил. (Мороз.) 36
Как изменяется энергия льда на реке в мороз и при понижении температуры на 10 °C? (Уменьшается, энергия 1 кгльда — на 21 кДж.) 9. На дворе - камень, В доме - вода. (Лед.) При каких условиях лед в доме будет таять? (Если температура в доме выше 0 °C; в этом случае лед будет получать энергию, необ- ходимую для плавления.) 10. Зимнее стекло Весною потекло. (Лед.) Какая энергия необходима, чтобы растопить лед массой 200 г при температуре на улице -10 °C? (72,2 кДж.) 11. На дворе - горой, А в избе - водой. (Снег.) Снег массой 1 кг занесли со двора (температура во дворе -10 °C) в дом (температура в доме +20 °C). На сколько изменилась внутрен- няя энергия снега, если он полностью превратился в воду комнатной температуры? (На 445 кДж.) 12. На дворе переполох: С неба сыплется горох. Съела шесть горошин Нина, У нее теперь ангина. (Град.) Какую энергию истратил организм Нины на плавление и нагре- вание шести градин до нормальной температуры тела, если масса градины 1 г, а температура 0 °C? (2 962,3 Дж.) 13. Мостится мост без досок, без топора, без клина. (Лед на реке.) При замерзании реки на поверхности образуется лед. Как это согласуется с тем, что в жидкостях холодные струи опускаются вниз, а теплые поднимаются вверх? (Плотность льда меньше плотности воды, лед - на поверхности. Вода при замерзании рас- ширяется.) Интересные факты В некоторых реках при быстром течении за счет интенсивности перемешивания воды происходит переохлаждение отдельных участ- ков дна. При этом переохлажденный участок покрывается льдом внутриводного и отчасти поверхностного происхождения. Иногда донный лед занимает значительную часть сечения реки. Тогда река может выйти из берегов и становится возможным наводнение. 37
* * * Арктика и Антарктика - это не только своеобразные фабрики льда, но и кухни погоды, которые влияют на погоду всего земного шара. Когда приходят длительные антициклоны с незначительной облач- ностью или, что еще хуже, с полным се отсутствием, в зимние по- лярные ночи здесь создаются наиболее благоприятные условия для выхолаживания почвы и приземного воздуха. Самая низкая темпе- ратура воздуха у земной поверхности (-88,3 °C) наблюдалась в ав- густе 1960 г. на советской антарктической станции «Восток», кото- рая находится на высоте 3 488 м. * * * Высота места наблюдения над уровнем моря нс является решаю- щим условием сильного выхолаживания приземного воздуха. Поэто- му на ряде высокогорных станций в низких широтах минимальные температуры могут быть значительно выше минимальных темпера- тур для станций равнинных, но высокоширотных. Так, на леднике Северцова в Кашкадарьинской области (высота 2 780 м) температу- ра воздуха не опускается ниже -26 °C, а на станции Казбеги на Кав- казе (высота 3 659 м) абсолютный минимум температуры составля- ет лишь -35 °C. Задачи для любителей географии 1. Для постройки небольших хижин - иглу эскимосы Северной Америки заготавливают около 60 снежных кирпичей размером 60x60x20 см3. При кладке кирпичи скрепляют водой. Вход в хижину ориентируют под углом 90° к направлению господствующих ветров. При горении жировых светильников в хижине поддерживается тем- пература около 2 °C. Если же в хижине развести очаг и стены по- крыть шкурами животных или тентом, температуру в ней на высоте 1,5 м над полом можно поднять до 25 °C. Что происходит с водой и кирпичами из снега при кладке? Поче- му при покрытии стен шкурами температура в хижине повышается? {Вода замерзает и «цементирует» кирпичи. Так как воздух плохой проводник тепла, а между шерстинками находится именно он, то тепло будет сохраняться в иглу.) 2. В Канаде при самых низких температурах от движения чело- века в воздухе образуется и сохраняется в течение 3-4 мин кристал- лический след протяженностью от 100 до 400 м. (Подобное явле- ние, но с большей протяженностью и длительностью существова- 38
ния кристаллического следа можно наблюдать в любой местности за летящим самолетом на больших высотах. Летчики такой след называют инверсионным.) В течение нескольких дней в Канаде при наиболее холодной погоде на уровне верхушек деревьев в воздухе могут сохраняться следы тумана над местами стоянок собачьих упряжек. Испарение снега в этих условиях происходит со скорос- тью около 12-14 мм в день. Как можно объяснить данные явления с точки зрения физики? (Это процесс кристаллизации паров воды.) Физический эксперимент Наблюдение за плавлением льда. Приборы и материалы: сосуд со льдом (температура льда от-10 до-5 °C); термометр; спиртовка или электроплитка; секундомер. Задание: измерьте через каждые 30 с температуру льда и обра- зовавшейся воды. Постройте график. Почему при плавлении льда температура смеси не изменялась? Сделайте вывод. Номер опыта Время, с 30 60 90 120 150 180 210 240 270 1 -5 °C -3 °C -/ °C -1 °C 0 °C 0 °C 0 °C 1 °C 4 °C 2 -4 °C -3 °C -1 °C 0 °C 0 °C 0 °C 2 °C 4 °C 5 °C Вывод: при фазовом переходе лед-вода все подводимое тепло идет на разрушение кристаллической решетки льда. Проверка знаний и умений. Индивидуальные карточки-задания 1 2 1. Изменяется ли температура при плавлении кристаллического ве- щества? (Не изменяется до полно- го расплавления тела.) 2. При какой температуре цинк может быть одновременно в твер- дом и в жидком состояниях при нормальных условиях? (420 °C.) 3. Какая энергия требуется для плавления 20 г олова при темпе- ратуре плавления? (1,18 кДж.) 4. Какое количество теплоты тре- буется для плавления 2 т меди, взятой при 25 °C? (1,268 ГДж.) 1. Олово плавится при 232 °C. Что можно сказать о температуре кристаллизации олова? (Темпе- ратура кристаллизации 232 °C.) 2. При какой температуре ртуть может находиться в твердом со- стоянии при нормальных услови- ях? (При -39 °C и ниже этой т емпературы.) 3. Какая энергия требуется для плавления 10 т железа при темпе- ратуре плавления? (2,7 ГДж.) 4. Какое количество теплоты тре- буется для плавления 100 г свин- ца, взятого при 27 °C? (6,7 кДж.) 39
3 4 1. Изменяется ли температура расплавленного вещества при кристаллизации? (Не изменяется, до полного отвердевания тела.) 2. Можно ли пользоваться ртут- ным термометром для измерения температуры воздуха в вашем городе (поселке)? (Да, если тем- пература воздуха не опускается ниже —39 °C.) 1. Можно ли в цинковой посуде расплавить алюминий? (Пет, так как температура плавления цинка 420 °C, а алюминия 658 °C.) 2. Как изменяется температура вещества при плавлении? (Не из- меняется, если тело кристалли- ческое, и увеличивается, если те- ло аморфное?) 8. Испарение. Кипение. Конденсация Физический словарик Дистиллят (от лат. distillalio) - стекший по каплям, продукт дистилляции. Конденсация (от лат. condensalio) - сгущение, уплотнение. Интересные факты Большинство людей убеждены, что водяной пар белого цвета, и очень удивляются, слыша, что это неверно. В действительности водя- ной пар совершенно прозрачен, невидим и, следовательно, не имеет цвета вовсе. Тот белый туман, который в обыденной жизни называ- ют паром, представляет собой не пар в физическом смысле слова, а воду, распыленную в мелкие капельки. Облака также состоят не из водяного пара, а из мельчайших водяных капелек. * ♦ * В Крыму, вблизи Феодосии, до 1912 г. действовала несложная установка для получения влаги из воздуха. Она состояла из не- скольких куч камней (объем каждой из них составлял около 290 м3), расположенных на водоупорном скальном основании. Возникав- шая в каменных кучах за счет капиллярной конденсации вода отводилась по гончарным трубам в Феодосию, где питала не- большие фонтаны. Установка давала до 350 л питьевой воды в сутки. Остатки устройств и приспособлений для получения вла- ги из воздуха найдены также в Сахаре, в горных районах Ита- лии, в Тувинской Республике, в Каракумах и на Восточном по- бережье Каспия. 40
Задачи на перевод единиц измерения в СИ 430 г = 0,43 кг 0,8 г/см3 = 800 кг/м3 2,1 т= 2 100 кг 2,5 л = 0,0025 м3 32 кДж = 32 000 Дж 0,053 МДж = 53 000 Дж 45 см3 = 0,000045 м3 2,ЗМДж/кг = 2 300 000Дж/кг 2,5 дм3 = 0,0025 м3 Схема для запоминания формулы расчета количества теплоты при парообразовании Качественные задачи и вопросы 1. При выходе из реки мы ощущаем холод. Почему? (С поверхно- сти тела вода испаряется, и при этом температура тела уменьша- ется. Именно поэтому мы ощущаем холод.) 2. Почему скошенная трава быстрее высыхает в ветреную пого- ду, чем в тихую? (В ветреную погоду процесс испарения происходит быстрее.) 3. В тарелку и стакан налили воду одинаковой массы. Из какого сосуда она испарится быстрее? (Из тарелки, так как площадь по- верхности воды в ней больше.) 4. Зачем сосуды с жидкостями закрывают крышками? (Чтобы жидкости не испарялись.) 5. Почему канистру с бензином нельзя оставлять открытой? (Бен- зин из канистры без крышки будет испаряться. Чтобы этого не происходило, необходимо канистру закрывать крышкой.) 6. Когда белье, вывешенное в комнате, высохнет быстрее: при открытой или закрытой форточке? (Однозначно ответить на этот вопрос нельзя. Необходимо знать о влажности воздуха на улице, о разности температур на улице и в квартире. Только зная эти дан- ные, можно ответить на вопрос.) 7. В холодильных камерах для охлаждения используют быстро испаряющиеся жидкости - фреон, аммиак. Почему не используют воду? (Используют жидкости, которые быстро испаряются. Вода испаряется достаточно медленно.) 8. Как вы будете жарить картошку: накрывая сковородку крыш- кой или нет? А если хотите получить хрустящий картофель? (Если 41
хотите получить хрустящий картофель, то крышкой накрывать не стоит.} 9. Какие щи быстрее остынут - постные или жирные? (Пост- ные. Жир на поверхности препятствует испарению жидкости. Так, если вы хотите, чтобы ваша вода быстрее закипела, необходимо на поверхности образовать жирную пленку, положить кусочек жира или масла.} 10. Почему температура остывшей воды в стакане всегда ниже комнатной температуры? (Потому что происходит процесс испаре- ния молекул воды с поверхности, и при этом внутренняя энергия воды понижается.} Задачи для любителей литературы 1. «Когда темный от влаги паркет несколько подсох и все зеркала по- крылись банным налетом и звонки прекратились, Филипп Филиппович в сафьяновых красных туфлях стоял в передней» (М. А. Булгаков. Собачье сердце). Какие процессы описаны автором? (Испарение и конденсация.} 2. «- Что за дурни, прости господи, эти немцы! -- сказал голова. - Я бы батогом их, собачьих детей! Слыханное дело, чтобы паром можно кипя- тить!» (Н. В. Гоголь. Вечера на хуторе близ Диканьки). Можно ли водяным паром вскипятить воду? (Можно. При тепло- обмене водяной пар отдает воде энергию, вода принимает энер- гию и нагревается при этом. Если вода достигнет температуры кипения, то она закипит.} 3. «- Свет надо тушить за собой в уборной, вот что я вам скажу, Пела- гея Петровна, - говорила та женщина, перед которой была кастрюля с ка- кой-то снедыо, от которой валил пар, - а то мы на выселение на вас пода- дим!» (М. А. Булгаков. Мастер и Маргарита). Если из кастрюли валит пар, можно ли сказать, что вода в каст- рюле закипела? От каких физических параметров зависит скорость испарения жидкости? (Испарение воды происходит не только при температуре кипения. Скорость испарения зависит от темпера- туры, от площади поверхности жидкости, от внешних факторов, от вещества.} 4. «Ливень хлынул неожиданно, и тогда гроза перешла в ураган. В том самом месте, где около полудня, близ мраморной скамьи в саду, беседовали прокуратор и первосвященник, с ударом, похожим на пушечный, как трость, переломило кипарис. Вместе с водяной пылью и градом на балкон под ко- 42
лонны несло сорванные розы, листья и песок» (М. А. Булгаков. Мастер и Маргарита). Так Булгаков описывает дождь, ливень, ураган, град. Расскажите об этих природных явлениях с точки зрения физики. Какие тепло- вые процессы показаны в данном фрагменте? Можно ли по погоде определить температуру воздуха? (Дождь и ливень - процессы кон- денсации воды в атмосфере. Град — процесс кристаллизации воды в атмосфере. Вода в жидком и твердом состояниях находится в равновесии при О °C, поэтому можно предположить, что темпе- ратура воздуха близка к О °C.) 5. «Через полчаса явился уездный лекарь, человек небольшого роста, худенький и черноволосый. Он прописал мне обычное потогонное» (И. С. Тургенев. Записки охотника). Для чего необходимо потогонное средство? (Для выделения пота: он испаряется с поверхности кожи, при этом температура орга- низма понижается.) 6. «.. .Слышит-«костер», говорят. А на «костре» на этом черное что-то положено, и в нем вода, точно в озере во время бури, ходуном ходит» (М. Е. Салтыков-Щедрин. Премудрый пескарь). Какое явление наблюдал пескарь в котле? Правильно ли сравни- вать это явление с бурей в озере? (Премудрый пескарь наблюдал за кипением воды в котле. Сравнивать явление кипения жидкости с воздействием ветра на верхние слои жидкости можно только визу- ально. В реальности это совершенно разные процессы.) По пословицам и поговоркам 7. Береги нос в большой мороз. А почему в большой мороз можно отморозить нос? (В морозный день с поверхности кожи интенсивно испаряется влага, при этом температура кожи уменьшается, вследствие уменьшения внутрен- ней энергии организма поверхность кожи переохлаждается.) 8. Дождик вымочит, а красное солнышко высушит. О каких фазовых переходах идет речь в этой пословице? (О кон- денсации и испарении.) По загадкам 9. Книзу летит капельками, А кверху - невидимкою. (Вода.) Какие процессы описаны в загадке? (Конденсация и испарение.) 43
Интересные факты У зайца большие уши, но совсем не для того, чтобы слушать, а для того, чтобы ими... потеть. Сидит в летний зной заяц под кустом, и ему совсем пить не хочется. Лишнее тепло улетучивается через тонкие горячие заячьи уши с большим количеством кровеносных сосудов. Каждый квадратный сантиметр уха излучает до 10 калорий тепла в час. В жару заячьи уши отводят треть тепла, образующегося при обмене веществ. * * * В пустынях температура земной поверхности может повышать- ся до 70-80 °C днем и падать до 4 °C к концу ночи. В этих условиях большинство ящериц ищет убежище, спасаясь от обеих крайностей в норах или под камнями. Это поведение и определенные физиоло- гические реакции ярко выражены у ящериц, обитающих в пустынях юго-востока США и Мексики. Помимо того что эта ящерица может зарываться в землю, она способна менять положение тела и его ок- раску, а когда температура становится высокой, может также умень- шить поверхность тела, втягивая ребра. К числу реакций ящериц на высокую температуру относятся тепло- вая одышка, а также выпучивание глаз. Задачи для любителей биологии 1. У слона в коже нет ни одной потовой железы. А так и перегреть- ся на жаре да в работе можно. Но водоем у слона всегда «под рукой», т. с. под хоботом. Набирает слон слюны изо рта хобот ом и размазы- вает по телу. Сразу облегчение чувствуется ведь слюна хорошо испаряется. Почему испаряющаяся слюна помогает слону в жару от перегре- ва? {При испарении внутренняя энергия тела уменьшается, а следо- вательно, уменьшается и температура тела.) 2. Шерсть у собак очень теплая, а потовых желез в коже практи- чески нет (есть только на пальцах лап). Собаки никогда нс потеют. Летом им становится особенно жарко. Чтобы охладит ь себя, собака широко раскрывает рот и высовывает язык. Слюна на языке, челюс- тях и небе начинает интенсивно испаряться, и температура тела по- нижается до нормальной. Как хороший хозяин может помочь своей собаке в жару? (Иску- пать собаку, ей станет прохладней.) 44
Физические эксперименты 1. Наблюдение за скоростью испарения жидкостей. Приборы и материал ы: 3-4 различные жидкости (спирт, бензин, вода, масло), часы, фильтровальная бумага. Задание: нанесите ровным слоем равные количества жидко- стей на фильтровальную бумагу. Какие вещества испаряются быст- рее? За какое время полностью испарялись жидкости? Сделайте вывод. Жидкость Время испарения, с 1. Спирт 100 2. Вода 300 3. Бензин 145 Вывод: удельная теплота парообразования минимальна у спир- та, максимальна у воды. 2. Наблюдение за процессом кипения воды Приборы и материалы: прозрачный сосуд с водой, термо- метр, часы. Задание: наблюдайте за поведением воды при ее нагревании. Зарисуйте сосуд и происходящие изменения с жидкостью. Построй- те 1рафик зависимости температуры жидкости от времени нагрева- ния. Этап наблюдения Время наблюдения, с Температура жидкости, °C Схематический рисунок 1 30 50 1 1 2 60 85 ш 3 90 95 1 1 4 120 100 45
Проверка знаний и умений. Индивидуальные карточки-задания 1 2 1. Какое количество теплоты вы- деляется при конденсации 200 г водяного пара, имеющего темпе- ратуру 100 °C, и дальнейшем охлаждении воды до 20 °C? (527,2 кДж.) 2. Воду навели с 30 °C и испари- ли. Какое количество теплоты на это пошло, если объем воды 2 л? (5,188 МДж.) 3. Как изменяется внутренняя энергия жидкости при испарении? ( Увеличивается.) 4. Медную деталь объемом 200 см3 нагрели от 10 до 50 °C. Какую энергию на это затратили? (28,5 кДж.) 5. 2 кг воды, взятой при 20 °C, превратили в пар с температурой 100 °C. Какую энергию на это затратили? (5,272 МДж.) 6. Сколько древесного угля нужно сжечь, чтобы нагреть 100 г воды на 50 °C? (0,78 г.) 1. Какое количество теплоты необходимо, чтобы из 5 кг льда, взятого при -10 °C, получить пар при 100 °C? (15,4 МДж.) 2. Сколько энергии выделяется при конденсации пара и последующем образовании 500 г воды с темпера- турой 20 °C? (1,318 МДж.) 3. Как изменяется скорость моле- кул жидкости при испарении? (Увеличивается.) 4. Березовые дрова объемом 400 см3 сгорают в печи. Сколько энергии при этом выделяется? (2,8 МДж.) 5. 4 кг льда взяли при -20 °C и превратили в воду с температурой 0 °C. Какое количество теплоты при этом поглотилось? (1,52 МДж.) 6. Сколько воды при 100 °C мож- но испарить, если считать, что вся энергия, выделяемая при сгора- нии 100 г бензина, идет на этот процесс? (2 кг.) 3 4 1. Сколько энергии затратили на нагревание воды массой 400 г от 20 до 100 °C и образовании пара массой 100 г? (3,644 кДж.) 2. 300 г пара при температуре 100 °C превратили в воду с тем- пературой 50 °C. Какая энергия при этом выделилась? (753 кДж.) 3. Изменяется ли температура жидкости при конденсации? (Не изменяется до полной кон- денсации.) 1. 10 л воды, взятой при 10 °C, превратили в пар. Какая энергия на это потребовалась, если темпера- тура пара 100 °C? (26,78 МДж.) 2. Из 2 т воды, температура кото- рой 20 °C, получили пар с темпера- турой 120 °C. Какая энергия на это потребовалась? Удельная теплоемкость водяного пара 2 000 Дж/(кг-°С). (5,31 ГДж.) 3. От каких параметров зависит скорость испарения жидкости? (От площади поверхности жид- кости, от температуры жидко- сти, от влажности воздуха, от внешних факторов (ветер), от рода жидкости.) 46
3 4 4. Воду массой 50 г нагрели от 10 до 25 °C. Какое количество теплоты на это пошло? (3,15 кДж.) 5.4 л воды, взятой при темпера- туре 40 °C, превратили в пар с температурой 100 °C. Какое коли- чество теплоты при этом погло- щено водой? {10,2 МДж.) 6. Какую массу воды можно на- 1реть на 10 °C, если считать, что вся энергия, выделяющаяся при сжигании 100 г керосина, идет на этот процесс? (110 кг.) 4. Какое количество теплоты необходимо, чтобы расплавить 400 г льда, имеющего температу- ру 0 °C? (136 кДж.) 5. 400 г спирта взяли при 10 °C и испарили. Какую энергию на это затратили? Температура ки- пения спирта 80 °C. (430 кДж.) 6. 100 г льда, взятого при 0 °C, бросили на плиту, и он испарился. Температура пара 100 °C. Какую энергию поглотил лед? (306 кДж.) При решении этих задач считать условия нормальными. 9. Работа газа при расширении. Двигатель внутреннего сгорания Физический словарик Мотор (от лат. motor - приводящий в движение) - двигатель. Мотороллер (от нем. motoroller - буквально: катящийся с помо- щью мотора) - разновидность мотоцикла. Мотоцикл (от лат. motor - двигатель и греч. kyklos - круг, коле- со) - одноколейное двухколесное транспортное средство, снабжен- ное двигателем внутреннего сгорания (ДВС). Историческая справка Одним из первых воспользоваться движущей силой пара попытался французский физик Дени Папен. Он пришел к идее пароатмосферного двигателя, представляющего собой цилиндр с поршнем, который мог подниматься под давлением пара и опускаться при его конденсации. Од- нако ученый так и не смог создать работоспособное устройство. В 1696 г. английский инженер Томас Севери изобрел паровой насос для подъема воды. В 1707 г. насос Севери был установлен в Летнем саду в Петербурге. Английский механик Томас Ньюкомен создал в 1705 г. паровую машину для откачки воды из шахт. В 1765 г. Джеймс Уатт сконструировал принципиально новый паровой двигатель. Его машина могла нс только откачивать воду, но и приводить в движение станки, корабли и экипажи. 47
В 1769-1770 гг. французский изобретатель Никола Жозеф Кю- ньо сконструировал паровую повозку - предшественницу автомоби- ля. Она до сих пор хранится в Музее искусств и ремесел в Париже. Американец Роберт Фултон провел в 1807 г. построенный им колес- ный пароход «Клермонт» по реке Гудзон. 25 июля 1814 г. локомотив английского изобретателя Джорджа Стефенсона протащил по узкоколейке 30 т груза в 8 вагонах со скоро- стью 6,4 км/ч. В 1839 г. Джеймс Несмит создал мощный паровой молот, совершивший настоящий переворот в металлургическом про- изводстве. История ДВС Интенсивное развитие промышленности в Англии и Франции в конце XVIII - начале XIX вв., основанное на широком применении паровых машин, происходило в условиях, когда теория тепловых явлений только начинала создаваться. На рубеже веков вновь обо- стрились дискуссии о природе тепла, что привело к ряду важных экспериментальных исследований. Тем не менее в первой четверти XIX в. наука о тепловых явлениях и теплотехника развивались фак- тически независимо. Первым исследователем, попытавшимся раз- рушить этот барьер, был французский инженер Сади Карно. Никола Леонар Сади Карно родился 1 июня 1796 г. в Париже. Он был старшим сыном выдающегося военачальника, политического деятеля и ученого Л. Карно, бывшего в то время членом Директо- рии. Сади получил прекрасное домашнее воспитание и образование и некоторое время учился в лицее Карла Великого. Во время учебы в Политехнической школе Карно мог слушать лекции Пуассона, Гей- 48
Люссака, Ампера, Араго. Он окончил школу и в числе лучших был направлен в инженерную школу в Метце. Общение с Клеманом, а также посещение заводов и фабрик пробу- дили у Карно интерес к проблеме совершенствования паровых машин. В 1812 г. Сади посетил в Магдебурге отца, высланного из Фран- ции. Обсуждение с ним научно-технических проблем послужило толчком к исследованию эффективности тепловых машин, завершив- шемуся изданием в 1824 г. сочинения «Размышление о движущей силе огня». В своей работе Карно ввел в научный обиход множество понятий, сохранившихся в термодинамике до наших дней, в частно- сти понятия идеальной тепловой машины, идеального цикла, обра- тимости процесса как условия его предельной эффективности. Интересные факты Самым воинственным растением является бешеный огурец. В диком виде этот «артиллерист» часто встречается в Крыму. От обыч- ного этот огурец можно отличить по щетинкам, покрывающим его поверхность. И листья, и плод, и цветки как у обычного огурца. В «бешенство» он приходит, когда полностью созревает. Происхо- дит это внезапно и может серьезно испугать человека или животное. Огурец с треском отрывается от своей ножки, подпрыгивает, вертит- ся волчком. А из отверстия, где только что была ножка плода, бьет на 6-8 м струя липкого сока, смешанного с семенами. Оказывается, пока плод зреет, внутри него накапливаются газы. К моменту созревания их давление в огурце достигает 3 атм! Качественные задачи и вопросы 1. Какие устройства называются тепловыми двигателями? (Ус- тройства, в которых внутренняя энергия топлива преобразуется в механическую энергию, называются тепловыми двигателями.) 2. Из каких основных частей состоит карбюраторный ДВС? Какое отличие от карбюраторного двигателя имеют двигатели Дизеля? (Дви- гатель состоит из цилиндра, в котором перемещается поршень, со- единенный при помощи шатуна с коленчатым валом. На валу укреплен тяжелый маховик. В верхней части цилиндра имеются два клапана, предназначенные для впуска смеси горючего и воздуха и выпуска отра- ботанных газов, и свеча, которая воспламеняет горючую смесь. В ди- зельном двигателе горючая смесь воспламеняется сжатым воздухом.) 3. Каков принцип работы карбюраторного ДВС? (Основными циклами работы карбюраторного двигателя являются четыре про- цесса: впуск горючей смеси; сжатие и воспламенение; рабочий ход; выпуск продуктов сгорания.) 49
4. Можно ли огнестрельное оружие отнести к тепловым двигате- лям? (Да.) 5. Можно ли человеческий организм отнести к тепловому двига- телю? (Да.) 6. Почему ДВС не используют в подводных лодках при подвод- ном плавании? (Под водой для работы двигателя внутреннего сго- рания необходим воздух, а его там нет, либо необходимо брать сжа- тый воздух, но это нерентабельно и усложняет процесс} 7. Почему при сгорании топлива давление в цилиндре двигателя сильно увеличивается? (При увеличении внутренней энергии газов скорость молекул увеличивается, давление газов, следовательно, тоже увеличивается.) 8, Изменяется ли температура пара в турбине? (Да, уменьшается.) Задачи для любителей литературы 1. «Азазелло, который сидел отвернувшись от подушки, вынул из кар- мана фрачных брюк черный автоматический пистолет, положил дуло его на плечо и, не поворачиваясь к кровати, выстрелил, вызвав веселый испуг в Маргарите» (М. А. Булгаков. Мастер и Маргарита). Какие превращения энергии происходят при выстреле из писто- лета, и можно ли пистолет считать тепловым двигателем? (При выс- треле внутренняя энергия газов превращается в кинетическую энер- гию пули или снаряда, поэтому пистолет можно считать тепло- вым двигателем.) По загадкам 2. Огнем дышит, Полымем пышет. (Ружье.) Можно ли ружье назвать тепловым двигателем? (Можно. При выстреле внутренняя энергия пороха превращается в механическую энергию.) 3. С одного конца хитро, с другого мудреней того, а в середине ум за разум заходит. (Паровая машина.) Каков принцип действия паровой машины? (Преобразование потен- циальной энергии сжатого водяного пара в механическую работу.) Задача для любителей географии Исландия - первое и пока единственное государство, в боль- ших масштабах использующее термальные воды для отопления и горячего водоснабжения. Для этой цели в столице страны Рейкья- 50
вике в 1930-х гг. создана система трубопроводов и специальных резервуаров, откуда горячая вода подается потребителям. Благода- ря теплицам с геотермальным отоплением Исландия полностью обеспечивает себя яблоками, помидорами, дынями и даже банана- ми. В России первая геотермальная электростанция (ГеоТЭС) со- оружена на юге Камчатского полуострова. На станции насыщенный пар из пробуренных скважин направляется в сепаратор, а затем не- посредственно в паровые турбины. Мощность одной из двух тур- бин Паужетской ГеоТЭС - 2,5 МВт. Какую работу можно совершить за час, используя энергию, по- лученную от одной турбины Паужетской ГеоТЭС? (9 ГДж.) Проверка знаний и умений. Физический диктант 1 2 1. Плавлением называется... (.. .процесс превращения твердого вещества в жидкость'). 2. Парообразованием называет- ся... (.. .процесс превращения жидкости в газ). 3. Тепловым двигателем называ- ется. .. (.. .устройство, в котором внутренняя энергия вещества преобразуется в механическую энергию). 4. Свеча в ДВС выполняет функ- цию. .. (.. .воспламенителя топлива). 5. ДВС состоит из... . .цилиндра, который включает в себя пор- шень, клапаны, шатун, свечу, ко- ленчатый вал, маховик). 6. Смесь, поступающая в цилиндр ДВС, состоит из... (...топлива и воздуха). 1. Кристаллизацией называется... (.. .процесс превращения жидкос- ти в твердое вещество). 2. Конденсацией называется... (.. .процесс превращения газа в жидкость). 3. Виды тепловых двигателей... (.. .ДВС, паровая и газовая турби- ны, реактивный двигатель и т. д.). 4. Маховое колесо в ДВС служит для... (.. .уменьшения неравно- мерного вращения вала). 5. Цикл двигателя состоит из... (.. .впуска, сжатия, рабочего хо- да, выпуска). 6. Карбюраторный ДВС работает на... (.. .бензине или природном газе). 10. КПД теплового двигателя Физический словарик Коэффициент (от лат. coefficientis) - обычно постоянная или из- вестная величина - множитель при переменной или известной вели- чине. 51
Локомотив (от лат. loco moveo - сдвигаю с места) - паросиловая установка. Перпетуум-мобиле (от лат. perpetuum mobile - вечно движущий- ся) - вечный двигатель. Историческая справка Родоначальник современной железной дороги - выдающийся английский изобретатель Джордж Стефенсон. В сентябре 1825 г. лучший из серии сконструированных им паровозов, «Локомоушн», совершил первую поездку по линии Стоктон - Дарлингтон протя- женностью 21 км со скоростью около 12 км/ч. Спустя несколько лет был создан знаменитый локомотив «Ракета». В России первую железную дорогу с паровой тягой построил талантливый уральский мастер Мирон Ефимович Черепанов, кото- рому помогал его отец Ефим Алексеевич. Паровоз Черепановых на- чал ходить в августе 1834 г. в Нижнем Тагиле на Выйском заводе Демидовых. По железной дороге длиной 854 м перевозили грузы массой до 3,3 т со скоростью 13-16 км/ч. В 1836-1838 гг. была построена Царскосельская железная доро- га общего пользования (27 км), соединившая Петербург с Царским Селом и Павловском. Важнейшая стройка того времени - двухко- лейная железная дорога Петербург - Москва (649,7 км). Первые поез- да пошли по ней в 1851 г. Большой вклад в сооружение дороги вне- сли выдающиеся русские инженеры и ученые П. П. Мельников, Н. О. Крафт, Н. И. Липин, Д. И. Журавский. Самым первым типом тяговой машины для передвижения поез- дов -локомотива был паровоз. Паровозы отличались простотой кон- струкции, способностью работать на любом топливе и легкостью управления. Самым серьезным недостатком паровозов являлся низ- кий КПД, 7-9 %. Так, в 1912 г. по проекту инженеров В. И. Лопушинского и М. Е. Правосудовича в России начали выпускать мощные грузовые локомотивы серии Э. Машинисты любили их за надежность, просто- ту управления и обслуживания. Масса паровоза в рабочем состоянии составляла 79 т. Локомотив развивал скорость до 65 км/ч, имел КПД 8 %. Характеристики тепловых двигателей Двигатели Мощность, кВт КПД, % ДВС: карбюраторный 1-200 ~25 дизельный 15-2 200 ~35 52
Окончание Двигатели Мощность, кВт КПД, % Турбины: паровая ЗЮ5 ~30 газовая 1210s ~27 Реактивный ЗЮ7 ~80 Применение тепловых машин и проблемы охраны окружающей среды При сжигании топлива в тепловых машинах требуется большое количество кислорода. На сгорание разнообразного топлива расхо- дуется от 10 до 25 % кислорода, производимого зелеными растени- ями. Тепловые машины не только сжигают кислород, но и выбрасы- вают в атмосферу эквивалентные количества диоксида углерода (угле- кислого газа). Сгорание топлива в топках промышленных пред- приятий и тепловых электростанций почти никогда не бывает пол- ным, поэтому происходит загрязнение воздуха золой, хлопьями сажи. Сейчас во всем мире обычные энергетические установки выбрасы- вают в атмосферу ежегодно 200-250 млн т золы и около 60 млн т диоксида серы. Кроме промышленности воздух загрязняет и транспорт, прежде всего автомобильный (жители больших городов задыхаются от выхлопных газов автомобильных двигателей). Схемы для запоминания формул расчета КПД тепловых двигателей Задачи на перевод единиц измерения в СИ 25 кВт = 25 000 Вт 0,045 МДж = 45 000Дж 80 км/ч = 22,2 м/с 3,5 км/с = 3 500м/с 9,0 кВт = 9 000 Вт 14 кДж/кг= 14 000Дж/кг 120 мин = 7200 с 2,5ч = 9000с 780 кДж = 780 000Дж 53
Качественные задачи и вопросы 1. Один из учеников при решении получил ответ, что КПД тепло- вого двигателя равен 200 %. Правильно ли решил ученик задачу? (Нет. КПД теплового двигателя не может быть больше 100 % или равен 100%.) 2. КПД теплового двигателя 45 %. Что означает это число? (45 % энергии идет на полезную работу, а 55 % энергии тратится впус- тую на обогрев атмосферы, двигателя и т. д.) 3. Может ли КПД теплового двигателя быть равен: 1,8; 50; 4; 90; 100 %? (КПД теплового двигателя всегда меньше 100%.) Задачи для любителей биологии В организме человека насчитывается около 600 мышц. Если бы все мышцы человека напряглись, они вызвали бы усилие, равное приблизительно 25 т. Считается, что при нормальных условиях ра- боты человек может развивать мощность 70-80 Вт, однако возможна моментальная отдача энергии в таких видах спорта, как толкание ядра или прыжки в высоту. Наблюдения показали, что при прыжках в высоту с одновременным отталкиванием обеими ногами некоторые мужчины развивают в течение 0,1 с среднюю мощность около 3 700 Вт, а женщины - 2 600 Вт. КПД мышц человека равен 20 %. Что это означает? Какую часть энергии мышцы тратят впустую? (20 % энергии тратится на полез- ную работу; 80 % энергии мышцы тратят впустую.) 11. Обобщение материала по теме «Тепловые процессы» Теоретическая часть Базовые вопросы 1. Внутренняя энергия и способы ее изменения. 2. Виды теплопередачи и их использование в быту и технике. 3. Количество теплоты и ее измерение. 4. Агрегатные состояния вещества. 5. Тепловые процессы: плавление и отвердевание; испарение и конденсация; кипение. 54
6. Тепловая машина. Виды тепловых двигателей и их использо- вание. 7. Двигатель внутреннего сгорания. КПД. Вопросы на «отлично» 1. Объяснение тепловых процессов: испарения, конденсации, ки- пения, плавления, кристаллизации - с молекулярной точки зрения. 2. Принцип действия двигателя внутреннего сгорания. Практическая часть 1 2 1. Какое количество теплоты потребуется, чтобы расплавить 500 г льда, взятого при -10 °C, полученную воду довести до кипения и испарить 100 г воды? (620,5 кДж.) 2. Чему равен КПД плавильной печи, в которой на плавление 1 кг меди, взятой при 85 °C, расходуется 400 г каменного угля? (~ 5,7 %.) 1. Сколько водяного пара при 100 °C надо ввести в латунный калориметр массой 100 г, в котором находится 300 г снега при -10 °C, чтобы весь лед растаял? (-50 г.) 2. Свинцовая дробинка с температу- рой 127 °C врезается в препятствие и расплавляется. С какой скоростью летела дробинка, если 50 % кинети- ческой энергии превратилось во внутреннюю энергию? (-460 м/с.) 3 4 1. На нагревание и плавление меди израсходовано 1 276 кДж теплоты. Определить массу ме- ди, если ее начальная темпера- тура 15 °C. (2 кг.) 2. Какую массу антрацита надо сжечь в котле с КПД 40 %, что- бы 1 т воды, поступающей в него при 20 °C, нагреть до 100 °C и половину превратить в пар при 100 °C? (-124 кг.) 1. В латунный калориметр массой 100 г опустили лед. Температура льда и калориметра -15 °C. Затем в калориметр впустили пар при 100 °C. Температура воды после этого оказалась 25 °C, а масса 500 г. Какое количество пара сконденси- ровалось? (~ 120 г.) 2. С высоты 100 м падает камень и вследствие удара о землю нагре- вается на 1 °C. Определите удель- ную теплоемкость камня, если лишь 20 % энергии пошло на нагревание. (200 Дж/(кг-°С).) 55
Кроссворд 1. Мельчайшая частица вещества, сохраняющая его свойства. 2. Теп- ловой процесс, переход из жидко- го состояния в газообразное. 3. Тепловой процесс, переход из твердого состояния в газообраз- ное. 4. Физическая величина, ха- рактеризующая быстроту движе- ния. 5. Эту величину измеряют в градусах Фаренгейта. 6. Ею обла- дают все тела, она характеризует способность совершать работу. 7. Единица измерения количества теплоты. 8. Тепловой процесс, пе- реход из твердого состояния в жидкое. 9. Процесс окисления. 10. Тепловой процесс, переход из газообразного состояния в жид- кое. 11. Один из видов теплопе- редачи. 12. Это слово означает не- делимый. 13. Мера инерции и гравитации тела. 14. Один из примеров кон- векции воздуха в огромных масштабах. 15. Создатель температурной шкалы. Ответы: 1 — молекула, 2 — испарение, 3 - сублимация, 4 - скорость, 5 - температура, 6 - энергия, 7 - джоуль, 8 - плавление, 9 - горение, 10 - конденсация, 11 - конвекция, 12 - атом, 13 - масса, 14 - ветер, 15 -Цельсий. Ключевое слово: теплопроводность.
II. Электрические явления 12. Строение атома. Электризация тел Физический словарик Ион (от греч. ion - идущий) - электрически заряженная частица, Образующаяся при потере или приобретении электронов атомом или Группой атомов. Нейтрон (от лат. neutrewn - ни то ни се) - электрически нейт- ральная элементарная частица с массой, почти равной массе про- тона. Нуклон (от лат. nucleus - ядро) - общее название нейтронов и Протонов. Протон (от греч. protos - первый) - устойчивая положительно заряженная элементарная частица, входит в состав атомного ядра. Электрон (от греч. electron - янтарь, смола) - устойчивая отри- цательно заряженная элементарная частица. Электроскоп (от греч. electro + skopeo - смотрю) - прибор для обнаружения и измерения электрических зарядов. Историческая справка Природу известного еще древним грекам «рукотворного» элект- рического явления - электризации трением - удалось установить только во второй половине прошлого века. Ленинградский физик М. И. Корнфельд выяснил, что трение здесь играет второстепен- ную роль - оно необходимо только для более тесного сближения поверхностей диэлектриков. Окружающие нас тела, как правило, электрически нейтральны, Т. е. отрицательные и положительные заряды компенсируются с вы- сокой точностью. Вследствие теплового движения и распределения электронов по скоростям внутри тела часть из них обладает кинети- ческой энергией, достаточной для выхода за его пределы. Такая энер- гия называется термоэлектронной работой выхода и имеет разные значения для разных тел. В итоге у поверхности тела образуется элект- ронный газ. В обычных условиях наступает динамическое равно- весие: количества электронов, покидающих тело и входящих в него, 57
примерно равны. При сближении поверхностей тел, настолько тес- ном, что слои электронного газа перекрываются, начинается обмен электронами: они перемещаются от тела с меньшей работой выхода к телу, у которого она большая. Таким образом, более правильно говорить: электризация посред- ством контакта тел. Интересные факты 1. Впервые электризация жидкости при дроблении была замечена у водопадов Швейцарии в 1786 г. С 1913 г. явление получило название баллоэлектрического эффекта. Эффект электризации наблюдается нс только у водопадов на открытой местности, но и в пещерах. Заряд воздуху у водопадов сообщают микроскопические капельки воды и молекулярные комплексы, которые при дроблении отрываются от вод- ной поверхности и уносятся в окружающую среду. Наиболее значи- тельный эффект электризации воздуха наблюдается у самых больших водопадов мира - Игуассу на границе Бразилии и Аргентины (высота падения воды - 190 м, ширина потока - 1 500 м) и Виктория на реке Замбези в Африке (высота падения воды - 133 м, ширина потока - 1 600 м). У водопада Виктория за счет дробления воды возникает элект- рическое поле напряженностью 25 кВ/м. При дроблении пресной воды в воздух переходит отрицательный заряд. Поэтому в воздухе у водо- падов количество отрицательных ионов превышает количество поло- жительных. У небольшого водопада Учан-Су в Крыму отношение от- рицательных ионов к количеству положительных равно 6,2. 2. У берегов морей воздух приобретает положительный заряд, вследствие разбрызгивания соленой воды. На поверхности морей и океанов разбрызгивание воды начинается при скорости ветра бо- лее 10 м/с, когда на волнах появляются гребешки пены. Отношение положительных зарядов к отрицательным зарядам в воздухе над Черным и Азовским морями достигает при бурном море 2,04, при зыби - 1,48. 3. Покоритель Джомолунгмы Н. Тенсинг в 1953 г. в районе юж- ного седла этой горной вершины на высоте 7,9 км над уровнем моря при -30 °C и сухом ветре до 25 м/с наблюдал сильную электризацию обледеневших брезентовых палаток, вставленных одна в другую. Пространство между палатками было наполнено многочисленными электрическими искрами. 4. Движение лавин в горах в безлунные ночи иногда сопровож- дается зеленовато-желтым свечением, благодаря чему лавины ста- новятся видимыми. Обычно световые явления наблюдаются у лавин, движущихся по снежной поверхности, и не наблюдаются у лавин, 58
проносящихся по скалам. На озерах Антарктики во время полярной ночи иногда возникает свечение при разламывании крупных масс озерного льда. 5. Молния выбирает самый короткий путь к земле, поэтому по- падает в здания или в деревья. Высокие здания оборудуют металли- ческими полосами (прутьями), по которым электрический разряд уходит в землю. Это громоотвод. Грозовой разряд идет на землю и обратно по одному и тому же пути. Это происходит с такой скорос- тью, что наш глаз видит только одну вспышку. На своем пути мол- ния раскаляет воздух, который, быстро расширяясь, создает звуко- вую волну. Это вызывает громовые раскаты. Мы слышим их после того, как увидим молнию, так как звук распространяется значитель- но медленнее, чем свет. Электризация тел на производстве На производстве многочисленные проявления электризации тел усложняют некоторые технологические процессы. Так, в текстиль- Ной промышленности электризация нитей приводит к их взаимному отталкиванию, расщеплению, притягиванию к поверхности роликов и веретен. Кроме того, заряженная ткань или пряжа притягивает лег- кие мелкие предметы и тем самым загрязняется. Много проблем доставляет электризация тел в авиации. При по- лете вследствие трения о воздух или же при полете вблизи грозовых туч и заряженных облаков электризация обшивки самолета ведет к Нарушению радиосвязи и искажению показаний электроизмеритель- ных приборов. После посадки к самолету нельзя сразу же пристав- лять металлический трап, так как может произойти электрический разряд. Очень часто явление электризации используют в технике. Так, притяжение легких мелких предметов наэлектризованными телами Применяют в устройстве электрических фильтров для очистки дыма От мелких частиц пепла. Такие электрофильтры устанавливают в цехах размола цемента и фосфоритов, на химических заводах. Широко распространен метод окраски деталей в электрическом Поле: при распылении мелкие капельки краски приобретают элект- рический заряд, движутся под действием электрического поля к де- тали и равномерно покрывают ее поверхность тонким слоем. На этом же принципе основано изготовление с помощью элект- рического поля ковров, искусственного меха, замши, декоративных материалов для обивки мебели. Движение заряженных частиц краски в электрическом поле ис- пользуют в типографском производстве. 59
О строении атома Быть может, эти электроны - Миры, где пять материков, Искусства, знанья, войны, троны И память сорока веков. Еще, быть может, каждый атом - Вселенная, где сто планет, Там все, что здесь, в объеме сжатом, Но также то, чего здесь нет. В. Я. Брюсов. 1922 г. Качественные задачи и вопросы 1. Какие виды зарядов существуют в природе? (В природе суще- ствуют только положительные и отрицательные заряды.) 2. Какие заряды несут протон, нейтрон, электрон, ядро атома? (Протон несет положительный заряд, электрон - отрицательный, нейтрон не имеет заряда, ядро заряжено положительно.) 3. Какими свойствами обладают заряды? (Все заряды облада- ют свойством дискретности, т. е. заряд тела равен целому чис- лу заряда электрона: q — N е, zdeN - целое число, е - заряд элек- трона. Заряды в пространстве порождают электрическое поле, одно- именные заряды отталкиваются, разноименные - притягиваются.) 4. В каких единицах измеряется электрический заряд? (Кл-Кулон.) 5. Каким зарядом обладают шарики? (а - положительным, б - отрицательным, в — отрицательным, г - положительным, д, е —не имеют заряда.) 6. Объясните действия электрического поля на тела в случаях а, б. (На поверхности тела: а - соберутся отрицательные частицы; б—останутся положительные, на противоположной стороне ватки на поверхности возникнет отрицательный заряд.) б 60
Задачи для любителей литературы По пословицам и поговоркам 1. Гроза застала в поле - садись на землю. Почему? {Обычно гроза ударяет в одиноко стоящие предметы.) 2. Сколь кошку ни гладь, все искры летят. Почему, поглаживая кошку, мы можем наблюдать искры? (Это объясняется явлением электризации.) 3. Пряжа с искорками, все вон повыскакали. Отчего бы искрам выскакивать? (Пряжа при работе электризу- ется, и из нее выскакивают электрические искры.) По загадкам 4. К дальним селам, городам Кто идет по проводам? Светлое величество! Это... (Электричество.) От какого слова произошло слово «электричество»? (От греческо- го «электрон» — янтарь.) Физические эксперименты 1. Электризация диэлектриков и проводников. Приборы и материалы: палочки - эбонитовая, из орга- нического стекла и металлическая; кусочки меха, шелка, полиэтиле- на, резины; различные тела, подвешенные на нити или на вращаю- щихся насадках. Задание: электризуя трением палочки, наблюдайте за притя- жением предметов. 2. Взаимодействие наэлектризованных тел. Приборы и материалы: палочки - эбонитовая, из орга- нического стекла, металлическая; кусочки меха, шелка, полиэтиле- на, резины; различные тела, подвешенные на нити или на вращаю- щихся насадках. Задание: поместите на насадку наэлектризованную палоч- ку, например из органического стекла, и с помощью других на- электризованных тел определите, притягивается тело или оттал- кивается. 61
Вещество 1 Вещество 2 Действие (притяжение или отталкивание) 1. Оргстекло 1. Кусочки меха 2. Шелк 3. Полиэтилен Притягиваются, после контакта отталкиваются 2. Эбонитовая палочка 1. Кусочки меха 2. Шелк 3. Полиэтилен Притягиваются, после контакта отталкиваются 3. Полиэтилен 1. Кусочки меха 2. Шелк 3. Полиэтилен Притягиваются, после контакта отталкиваются 3. Устройство и действие электрометра. Приборы и материалы: электрометры демонстрацион- ные, палочки для электризации, кусочки резины и меха. Задание: изучите строение электрометра. Наэлектризуйте па- лочки и поднесите к электрометрам. Определите, какая палочка об- ладает большим зарядом. Проверка знаний и умений. Индивидуальные карточки-задания 1 2 1. Что можно сказать о заряде шариков? (Заряды шариков одно- именные.) /\ 2. Что произойдет, если к телу поднести положительно заряжен- ную палочку? (На поверхности тела вблизи палочки возникнет отрицательный заряд) 3. В нейтральном атоме четыре электрона. Сколько протонов в ядре этого атома? (Четыре) 1. Что произойдет, если к ватке поднести отрицательно заряжен- ную палочку? (На ее поверхности вблизи палочки возникнет поло- жительный заряд) 2. Атом потерял при электриза- ции электрон. Чему равен заряд этого атома? Как можно назвать такой атом? (Заряд атома равен 1,6-НГ19 Кл. Такой атом называ- ют положительным ионом) 3. Что можно сказать о зарядах шариков? (Заряды шариков разноименные) \/ 62
3 4 1. Какой заряд имеет второй ша- рик? Почему? {Шарик имеет отрицательный заряд, так как разноименные заряды притяги- ваются!) О’* —<+) 2. К нейтральному атому присое- динился при электризации элек- трон. Как изменился заряд атома? Как можно назвать такой атом? {Заряд атома стал отрицатель- ным, такой атом называют от- рицательным ионом.) 3. К ватке поднесли наэлектризо- , ванное тело. Каков его заряд? {Заряд на поверхности этого те- ла отрицательный, так как на ватке вблизи тела появились по- ложительные заряды.) 1 1. Может ли какая-либо частица иметь заряд, равный 1,5 заряда электрона, 20 зарядам электрона? Почему? {Заряженное тело мо- жет иметь только заряд, равный целому числу заряда электрона. Значит, заряд 1,5е частица иметь не может, а 20е может, е — заряд электрона.) 2. Какой заряд имеет второй ша- рик? Почему? {Второй шарик имеет отрицательный заряд, одноименно заряженные тела отталкиваются.) --Q ©“* 3. Какой химический элемент изображен на рисунке? Чему ра- вен заряд этого атома? {Гелий, заряд этого атома равен нулю.) (D Кроссворд 1. Маленькая масса. 2. Кинетичес- кая, потенциальная, внутренняя... 3. Величина, которую на Руси изме- ряли в верстах в час. 4. Элемент пе- риодической таблицы Д. И. Менде- леева под номером три. 5. Прибор для измерения температуры. 6. Теп- ловой процесс, интенсивное испа- рение жидкости по всему объему. 7. Единица измерения времени. 8. Создатель температурной шкалы. 9. Мера инертности и гравитации. 10. Составляющий молекулы. 11. Он бывает и тепловой, и внут- реннего сгорания. 12. Первый хими- ческий элемент. Ответы: 1 - молекула, 2 - энергия, 3-скорость, 4-литий, 5—термометр, б-кипение, 7-час, 8-Цельсий, 9-масса, 10-атам, 11-двигатель, 12-водород. Ключевое слово: электричество. 63
13. Электрический ток. Источники тока Физический словарик Аккумулятор (от лат. accumulator - собиратель) - устройство для накопления энергии с целью ее последующего использования. Генератор (от лат. generator - производитель) - устройство, ап- парат или машина, производящая какой-либо продукт. Историческая справка Основное внимание исследователей XVIII в., занимавшихся про- блемами электричества, было сосредоточено на электростатических явлениях. Хотя Б. Франклин еще в конце 1740-х гг. доказал электри- ческую природу молнии, это атмосферное явление не было осознано как принципиально новое проявление электричества - электрический ток. Поэтому столь большой эффект произвело открытие итальянско- го анатома и физиолога Л. Гальвани, обнаружившего в 1780 г. сокра- щение мышц препарированной лягушки при прикосновении к ним двух разнородных металлов, между которыми имеется контакт. Гальвани не сумел найти правильного объяснения открытому им эффекту и выдвинул идею о существовании так называемого животного электри- чества. С критикой взглядов Гальвани выступил другой итальянский ученый - Алессандро Вольта. Дискуссия с Гальвани привела Вольту в конечном счете к созданию первого источника постоянного тока, открывшего новую эпоху в исследовании электричества. Алессандро Вольта родился 18 февраля 1745 г. в небольшом го- родке Комо близ Милана. С ранних лет он проявлял интерес к есте- ственным наукам, особенно к молодой тогда области электричества. Всемирную известность принесло Вольте изобретение электро- фора в 1777 г. Кроме изобретения электрофора, Вольте принадле- жит создание чувствительного электроскопа с соломинками, плос- кого конденсатора. Поначалу Вольта, настороженный идеей о «животном электриче- стве», с недоверием отнесся ко всей работе Гальвани. Тщательно повто- рив его опыты, Вольта убедился в точности сделанных Гальвани наблюдений. Однако сомнения в справедливости их объяснения остались. В результате многочисленных опытов и тонких рассуждений в 1793 г. Вольта пришел к выводу, что эффекты, обнаруженные Галь- вани, не являются порождением самого организма, а возникают как следствие соприкосновения разнородных металлов. Эти исследова- ния и привели ученого к изобретению вольтова столба - первого ис- точника постоянного тока. 64
Источники тока Качественные задачи и вопросы 1. Можно ли искру, возникшую в электрофорной машине, назвать электрическим током? (Да, так как имеет место кратковременное упорядоченное движение заряженных частиц.) 2. Можно ли назвать молнию, возникшую между облаком и зем- лей, электрическим током? А между двумя облаками? (Молния - это электрический разряд. При возникновении молнии имеет место упорядоченное движение электронов и ионов, а следовательно, мол- ния — это электрический ток между облаком и землей или между двумя облаками.) Задачи для любителей литературы 1. «Другие трепетные мерцания вызывали из бездны противостоящий храму на западном холме дворец Ирода Великого, и страшные безглазые эолотые статуи взлетали к черному небу, простирая к нему руки. Но опять прятался небесный огонь, и тяжелые удары грома загоняли золотых идолов Во тьму» (М. А. Булгаков. Мастер и Маргарита). Автор описывает молнии как золотые статуи, взлетающие к небу. А что такое с точки зрения физики молния? Можно ли молнию считать элек- трическим током? К какому виду разрядов следует отнести молнию? (Мол- ния - это электрический ток в воздухе. Молния - это искровой разряд) 2. «В космическом корабле был аккумуляторный отсек, в котором были установлены аккумуляторы, питавшие электроэнергией электромоторы, вентиляторы, холодильники, а также нагревательные элементы и освети- тельные приборы...» (Н. Н. Носов. Незнайка на Луне). А какие источники питания вы еще знаете? (Термо-, фото-, пьезо- элементы, генераторы, гальванические элементы и т. д.) 65
3. «Ипполит Матвеевич снял с головы пятнистую касторовую шляпу, рас- чесал усы, из которых при прикосновении гребешка вылетела дружная стайка электрических искр, и, решительно откашлявшись, рассказал Остапу Бендеру, первому встреченному им проходимцу, все, что ему было известно о брильян- тах со слов умирающей тещи» (И. Ильф и Е. Петров. Двенадцать стульев). О каком электрическом явлении упоминают авторы? Можно ли искры, которые возникали при прикосновении гребешка, считать элек- трическим током? (Это явление электризации, а искры - кратковре- менный электрический ток между двумя заряженными телами} По загадкам 4. По тропинкам я бегу, Без тропинок не могу. Где меня, ребята, нет, Не зажжется в доме свет. (Электрический ток.) Что называется электрическим током? (Электрический ток - упорядоченное направленное движение заряженных частиц.) Что необходимо, чтобы в цепи существовал электрический ток? (Источ- ник тока, проводник, потребитель тока, и все эти элементы долж- ны быть замкнуты.) Домашний эксперимент Возьмите картофелину или яблоко и воткните в них медную и цинковую пластинки. Подсоедините к этим пластинкам 1,5-В лам- почку. Что у вас получилось? (Источник тока.) Проверка знаний и умений. Физический диктант 1 2 1. Проводниками называются... (.. .вещества, в которых имеются свободные носители заряда). 2. Электризацией тел называет- ся... (.. .разделение зарядов, в ре- зультате чего у тела появляется избыточный заряд одного знака). 3. Одноименные заряды... (.. .отталкиваются). 4. Положительной частицей атома является... (.. .протон). 5. Атом состоит... (...изядра, вокруг которого движутся элек- троны). 1. Диэлектриками называются... (.. .вещества, в которых мало или нет свободных носителей заряда). 2. Электрическим током называ- ется... (...упорядоченное, направ- ленное движение заряженных частиц). 3. Разноименные заряды... (.. .притягиваются). 4. Отрицательной частицей атома является... (...электрон). 5. Ядро атома состоит из... (.. .нуклонов — протонов и ней- тронов). 66
1 2 6. Отрицательным ионом называ- ется. .. (.. .атом, заряд которого отрицательный, то есть число электронов в атоме преобладает над числом протонов). 6. Положительным ионом называ- ется.. . (.. .атом, заряд которого положительный, то есть в ато- ме число протонов преобладает над числом электронов). 14. Электрическая цепь. Действие электрического тока Физический словарик Диэлектрик (от греч. dia - через и англ, electric - электри- ческий) - электроизолятор. Клемма (от нем. klemme) - зажим для присоединения или зак- репления проводов на приборах, электрических машинах. Схема (от греч. schema - образ, вид, форма) - чертеж, упрощен- ное изображение. Эбонит (от греч. слова ebenos - черное дерево) - твердый чер- ный блестящий электроизолятор. Электролиз (от греч. electro и lysis - расторжение, растворение) - разложение жидких веществ при прохождении через них постоян- ного электрического тока. Историческая справка Майкл Фарадей родился 22 сентября 1791 г. в Лондоне в семье кузнеца. Мальчик смог получить лишь начальное образование. С 12 лет он работал разносчиком газет, а затем подмастерьем в пере- плетной мастерской. Благодаря счастливой случайности любозна- тельный юноша попал в поле зрения известного химика X. Дэви. Первая научная работа Фарадея (1816) посвящена химическому анализу едкой тосканской извести. В 1821 г. Фарадей сделал свое первое открытие в области электромагнетизма. Все основные работы по электричеству и магнетизму Фарадей представлял в Лондонское Королевское общество. О фундаменталь- ности труда Фарадея дает представление простое перечисление по- лученных им результатов: открытие явления электромагнитной ин- дукции (1831), открытие законов электролиза (1834), обнаружение поляризации диэлектриков и введение понятия диэлектрической про- ницаемости (1837), экспериментальное доказательство закона сохра- нения заряда (1843) и т. д. 67
На основе огромного собранного экспериментального материа- ла Фарадей доказал тождественность разных видов электричества. Обнаруженные Фарадеем законы электролиза были свидетельством дискретности электрического заряда. Качественные задачи и вопросы 1. Что происходит с электронами в металле при возникновении в нем электрического тока? Что происходит с ионами в жидкостях и газах при возникновении в них электрического тока? (Электро- ны в металлах начинают упорядоченно, направленно двигаться. Аналогично ведут себя ионы в жидкостях и газах, отрицательные ионы движутся к положительному электроду источника тока, а положительные ионы - к отрицательному электроду источника тока.) 2. Где используются тепловое, химическое, магнитное действия тока? Химическое действие Тепловое действие Магнитное действие 1. Электролиз 2. Получение чис- тых металлов 3. Гальваностегия 4. Гальванопласти- ка 1. Обогревательные приборы 2. Электроплиты, эле- ктрочайники, элект- ротены 3. Электроплавильные печи 4. Плавкие предохра- нители 1. Электрогенерато- ры 2. Электродвигатели 3. Трансформаторы 4. Дроссели и солено- иды 5. Микрофоны, гром- коговорители 3. Какое направление имеет электрический ток в металлах? В газах? В электролитах? (Направление электрического тока выб- рано совпадающим с направлением электрического поля, поэтому электрический ток в металлах, газах, электролитах направлен от положительного электрода источника тока к отрицательному че- рез внешнюю по отношению к источнику цепь.) 4. С какой целью на стыках рельсов электрифицированных же- лезных дорог делают толстые медные перемычки или сваривают рель- сы? (Рельсы проводят электрический ток и, следовательно, чтобы цепь не была разомкнутой, делают медные перемычки или сварива- ют рельсы.) 5. Из каких элементов состоят данные цепи? (а — источник тока, ключ, звонок, лампочка, резистор; б—источник тока, ключ, две лам- почки, резистор.) 68
Задачи с техническим содержанием 1. В лампах дневного света, в рекламных газосветных трубках газ светится под действием движущихся зарядов - электронов и по- ложительно заряженных ионов. Можно ли движение этих частиц в трубке назвать электрическим током? (Да.) 2. Какие преобразования энергии происходят при зарядке и раз- рядке аккумуляторов? (При зарядке аккумулятора электрическая энергия преобразуется в химическую энергию, при разрядке аккуму- лятора происходит обратный процесс.) 3. На спутниках и космических кораблях имеются «солнечные» батареи, которые питают радиоаппаратуру и исследовательские при- боры. Как называются элементы солнечной батареи? (Такие источ- ники тока называются фотоэлементами.) Физические эксперименты 1. Сборка электрических цепей. Приборы и материалы: источник тока 4 В; кнопка; зво- нок; лампочка; сопротивление (резистор); соединительные провода. Задание: 1) Соберите электрические цепи, состоящие: а) из ис- точника тока, звонка, кнопки; б) из источника тока, лампочки, ключа. Зарисуйте цепи в тетрадь и укажите на схемах направление электри- ческого тока. 2) Соберите электрическую цепь, состоящую из источника тока, звонка, лампочки, ключа. Преобразуйте цепь так, чтобы звонок и лампочку можно было включать по отдельности. Зарисуйте элект- рическую цепь и укажите на схеме направление электрического тока. 2. Наблюдение химического действия электрического тока Приборы и материалы: сосуд с водой, растворы поварен- ной соли и медного купороса, источник тока, ключ, лампочка, со- единительные провода, два медных электрода. Задание: соберите электрическую незамкнутую цепь из лампоч- ки, источника тока, ключа и двух электродов. Опустите электроды в 69
сосуд с водой. Вливая в сосуд раствор поваренной соли, наблюдайте за лампочкой. Что происходит с электролитом вблизи электродов? Проделайте опыт с раствором медного купороса. Номер опыта Наличие тока Наблюдение за электродами за лампочками 1. Вода Нет Ничего не происходит Не горит 2. Раствор поваренной соли Да Около одного электрода выделяется газ Горит 3.Раствор медного купороса Да Около одного электрода выделяется газ Горит Домашние эксперименты 1. Найдите дома приборы, в которых можно наблюдать тепловое, химическое, магнитное действия электрического тока. Опишите их. Прибор Действие электрического тока 1. Утюг 2. Электродвигатель 3. Электропечь Тепловое Тепловое, магнитное Тепловое 2. Намотайте на гвоздь немного проволоки и подключите эту проволоку к батарейке. Что происходит с мелкими железными пред- метами вблизи вашего гвоздика и почему? (Вы получили электро- магнит, который притягивает железные предметы.) Проверка знаний и умений. Индивидуальные карточки-задания 1 2 1. Из каких элементов состоит электрическая цепь? (Источник тока, ключ, лампочка, звонок.) 1. Из каких элементов состоит электрическая цепь? (Источник тока, две лампочки, три ключа.) 70
1 2 2. Придумайте схему соединения 2. Придумайте схему соединения двух лампочек и ключа так, чтобы лампочки, звонка и ключа, чтобы можно было их включать одно- можно было при включении ви- временно. деть горящую лампочку и слы- Примерная схема: шать звонок. Примерная схема: 3 4 1. Из каких элементов состоит 1. Из каких элементов состоит электрическая цепь? (Источник электрическая цепь? (Источник тока, ключ, лампочка, звонок, тока, два ключа, две лампочки, резистор.) звонок.) + Пк к Т (х) 1 Y W 2. Придумайте схему соединения 2. Придумайте схему соединения лампочки и двух ключей, распо- двух ключей и двух лампочек, ложенных так, чтобы можно было каждую из которых можно вклю- включить и выключить свет из чать отдельно. двух разных мест. Примерная схема: Примерная схема: г — 15. Сила тока. Напряжение Физический словарик Потенциал (от лат. potentia - мощь, сила) - величина, характери- зующая силовое поле в данной точке. Историческая справка Незамысловатые опыты X. К. Эрстеда, обнаружившие влияние электрического тока на магнитную стрелку, произвели на ученых всего мира неизгладимое впечатление. Это объяснялось теми воз- можностями, которые открывались перед физикой на пути объеди- 71
нения учений об электричестве и магнетизме. Первая попытка пост- роения единой теории электрических и магнитных явлений была предпринята А.-М. Ампером, который дал имя новой области физи- ческой науки - электродинамике. Андре-Мари Ампер родился 22 января 1775 г. в Лионе в семье коммерсанта. В 14 лет он уже проштудировал все 20 томов «Энцикло- педии» Дидро и Даламбера. В 1793 г. в жизни Ампера произошло трагическое событие - по обвинению в контрреволюционной дея- тельности был казнен его отец, а имущество семьи конфисковано. Юноше пришлось давать частные уроки, чтобы обеспечить средства к существованию. Научные интересы Ампера отличались большим разнообразием. Основными его достижениями являются работы по электродинами- ке. Ампер ввел современное правило направления тока, а также совре- менную терминологию, связанную с током (электродвижущая сила, напряжение, гальванометр и др.). Теория Ампера была создана по образу и духу «Начал» Ньютона, что позволило Дж. Максвеллу назвать французского ученого «Нью- тоном электричества». Интересные факты 1. Одиночная клетка обладает потенциалом покоя 60 мВ, а при возбуждении имеет амплитуду всего порядка 120 мВ. Между тем электрический угорь умеет создавать напряжение 800-900 В, а ниль- ские щука и сом - 200-350 В, что обеспечивается последовательным соединением многих клеток. 2. С 1971 г. в некоторых клиниках стали успешно применять элек- трическое поле для лечения костных переломов у людей. Так как этот метод связан с вживлением под кожу специальных электродов, его применяют, только когда обычное лечение (с фиксацией) не дает положительного эффекта в течение нескольких лет. Результаты электролечения превзошли все ожидания. У 84 % больных пропус- кание постоянного тока (10-20 мкА) через 3 месяца приводило к ин- тенсивному срастанию кости в месте перелома. 3. У мраморного ската, достигающего 1,5 метра длины, «аккуму- ляторные батареи» способны выдавать электрический разряд напря- жением 70-80 В с частотой 250-300 раз в секунду. Состоят батареи из ряда вертикальных мышечных призм, разделенных перегородка- ми из соединительной ткани, и подходящих к ним головных нервов. С каждого бока «крепится» по батарее. А электрический заряд у угря способен зажечь более 200 неоновых ламп. 72
Характер воздействия тока на человека Сила тока, мА Воздействие тока переменного, частотой 50 Гц ПОСТОЯННОГО <0,5 0,6-1,5 2-3 5-10 12-15 20-25 50-80 90-100 Не ощущается. Легкое дрожание пальцев. Сильное дрожание пальцев. Судороги в руках. Руки трудно оторвать от электродов. Сильная боль. Мгновенная судорога мышц. Затрудняется дыхание. Паралич дыхания - мнимая смерть. Паралич дыхания. При дей- ствии более 3 с - паралич сердца. Нс ощущается. То же. Зуд, ощущение нагрева. Усиление нагрева. То же. Сокращение мышц рук. Судорога в руках, за- труднение дыхания. Паралич дыхания. Схема для запоминания формул расчета силы тока и напряжения Задача на перевод единиц измерения в СИ 200 мА = 0,2 А 0,02 мА = 0,00002 А 10 мин = 600 с 4кВ = 4 000В 2,7 кВ = 2 700 В 3,4 МДж = 3 400 000 Дж 345 мкКл = 0,000345 Кд 345 мКл = 0,345 Кд 0,3 ч = 1 080 с Задачи для любителей литературы 1. «На Большой Пушкинской Ипполита Матвеевича удивили никогда не виданные им в Старгороде рельсы и трамвайные столбы с проводами. Ипполит Матвеевич не читал газет и не знал, что к Первому мая в Старго- роде собираются открыть две трамвайные линии» (И. Ильф и Е. Петров. Двенадцать стульев). Какую работу совершают двигатели трамвая за 10 мин, если сила тока двигателя 70 А, а напряжение в контактной сети 600 В? (25,2 МДж.) 73
По загадкам 2. Летит птица орел, Несет в зубах огонь, Огневые стрелы пускает, Никто ее не поймает. (Молния.) Известно, что средняя длительность разряда молнии 0,2 мс. Типич- ная сила тока 20 кА. Определите заряд, протекающий при разряде. (4 Кл.) 3. Мимо рощи, мимо яра Мчит без дыма и без пара, Лишь колесный перестук Слышен далеко вокруг. (Электропоезд.) Какой заряд проходит в цепи за полчаса работы электровоза, если напряжение контактной сети 3 кВ, а мощность двигателя 4,2 МВт? (2 520 кКл.) Задача для любителей географии Грозы возникают, когда теплый и влажный воздух очень быстро поднимается вверх и формирует огромные кучево-дождевые облака. Внутри этих облаков кристаллики и капельки воды находятся в вихре- вом движении. Взаимодействуя, они получают слабый электрический заряд. Постепенно эти заряды увеличиваются, пока не произойдет ги- гантский искровой разряд между соседними облаками или между об- лаком и землей, и обратно. Этот яркий разряд называется молнией. Длительность отдельных импульсов разрядов молнии 50-100 мкс. Количество электричества, протекающего по каналу молнии (типич- ное значение), около 20 Кл. Какова при этом сила тока? (200-400 кА.) Кроссворд 1. Ядра атомов содержат протоны и... 2. Состав- ные части молекулы. 3. Вещества, которые про- водят электрический ток. 4. Частица, имеющая по- ложительный заряд. 5. Ве- личина, которая измеряет- ся в кулонах. 6. Одно из состояний вещества. 7. Возникновение зарядов на поверхности веществ. 74
8. Величина, которую измеряют в кило- и мегаджоулях. 9. Изолятор или... 10. В переводе с греческого - янтарь. Ответы: I - нейтроны, 2 - атомы, 3 - проводники, 4 - протон, 5 - заряд, 6 - жидкость, 7 - электризация, 8 - энергия, 9 - диэлектрик, 10 — электрон. Ключевое слово: напряжение. 16. Сопротивление. Закон Ома Физический словарик Манганин (от лат. manganum - марганец) - сплав меди, марган- ца и никеля, отличающийся высоким электрическим сопротивлени- ем, мало зависящим от температуры. Резистор (от англ, resistor} - электрическое сопротивление. Реостат (от греч. rheos - поток и states - стоящий) - аппарат для регулирования тока или напряжения в электрической цепи. Историческая справка Создание Алессандро Вольтой первого гальванического элемен- та открыло перед физиками новую область исследований. В течение четверти века интенсивно изучались разнообразные эффекты, свя- занные с протеканием электрического тока (тепловые, химические и др.). Важнейший шаг на пути создания теории электрических цепей был сделан немецким физиком Г. Омом в середине 1820-х гг. Георг Ом родился 16 марта 1789 г. в Эрлангене в семье слесаря. Учился сначала в гимназии, а затем в местном университете. Пос- ле переезда в Кёльн Ом активно занимается физикой, начав с ре- монта приборов и изучения научной литературы. В 1820 г. под впечат- лением открытия Эрстеда он приступил к самостоятельному изу- чению электромагнетизма. В 1825 г. Ом решился представить научному миру плоды своего труда в виде статьи «Предваритель- ное сообщение о законе, по которому металлы проводят контакт- ное электричество». Ученый не ограничился установлением эмпирического закона по- стоянного тока. Он попытался построить теорию электрических цепей. Открытие Ома было скептически воспринято в немецких на- учных кругах, и лишь в 1852 г. ему была предоставлена кафедра в университете. В 1841 г. Ому была присуждена высшая награда Лондонского Королевского общества - медаль Копли. 75
Закон Ома Кто закон не знает Ома? С ним, конечно, все знакомы. Быстро с нами повтори: U равняется RI. Схема для запоминания формул расчета силы тока, напряжения и сопротивления Схема для запоминания формулы расчета сопротивления Задачи на перевод единиц измерения в СИ 20 кОм = 20 000 Ом 12 кДж =12 000 Дж 0,22 кВ = 220 В 400 мА = 0,4 А 468 мкКл = 0,000468 Кл 0,5 мА = 0,0005 А 27 кВ = 27 000 В 5,5 МВт = 5 500 000 Вт 0,08 МДж = 80 000Дж Качественные задачи и вопросы 1. Что называется сопротивлением? В чем причины сопротивле- ния? (Сопротивлением называется физическая величина, характе- ризующая электрические свойства вещества. Причины сопротив- ления — это взаимодействие при движении заряженных частиц друг с другом (электронов с ионами в металлах, положительных ионов с 76
отрицательными ионами в электролитах и т. д.) и дефекты кристаллической решетки.) 2. От каких параметров зависит сопротивление проводника? (Со- противление металлов зависит от длины проводника, от площади сечения, от рода металла, от температуры.) 3. Силу тока в цепи увеличили в два раза. Как при этом измени- лось сопротивление металла? (Не изменилось, сопротивление метал- лов не зависит от силы тока.) 4. Напряжение на проводнике уменьшили в четыре раза. Как из- менилось сопротивление проводника? (Не изменилось, сопротивле- ние проводника не зависит от напряжения.) 5. Длину проводника уменьшили в три раза. Как изменилось со- противление проводника? (Сопротивление уменьшилось в три раза.) 6. Проволоку согнули пополам и включили в сеть. Как измени- лось сопротивление проволоки? (Сопротивление уменьшилось в че- тыре раза, так как длина уменьшилась в два раза, а площадь сече- ния увеличилась в два раза.) 7. По рисункам а - в определите, сопротивление какого из про- водников больше (а, б - проводники из одного материала), (а - ниж- него, так как площадь его сечения самая маленькая; б - верхнего, так как его длина больше других указанных проводников при равных площадях сечения; в - проводника с максимальным удельным сопро- тивлением.) 8. По графикам а, б сравните электрическое сопротивление тел 1-3.(Ri>R2>R3.) Задачи для любителей литературы 1. «Перед ними, воздев руки к звездам, бежал толстячок, заведующий хозяйством. Общими усилиями транспарант был привязан к поручням. Он высился над пассажирской палубой, как экран. В полчаса электротехник подвесил к спине транспаранта провода и приладил внутри его три лам- 77
почки. Оставалось повернуть выключатель» (И. Ильф и Е. Петров. Двенад- цать стульев). Определите силу тока в этих лампочках, если они соединены последовательно, напряжение в цепи 200 В, а сопротивление каждой лампочки 200 Ом. (0,33 А.) По загадкам 2. Разноцветные цепи эти Из лампочек делают дети. (Электрогирлянда.) Сколько лампочек, рассчитанных на напряжение 6 В, необходи- мо взять, чтобы гирлянду подключить к сети с напряжением 240 В? Как необходимо соединить эти лампочки? (40 лампочек, и соединить их нужно последовательно.) Интересные факты Ткани живых организмов весьма разнородны но составу. Орга- нические вещества, из которых состоят плотные части тканей, пред- ставляют собой диэлектрики. Однако жидкости содержат, кроме органических коллоидов, растворы электролитов и поэтому явля- ются относительно хорошими проводниками. 1(аибольшую электро- проводность имеют спинномозговая жидкость, сыворотка крови. Плохими проводниками, которые следует отнести к диэлектрикам, являются роговой слой кожи, сухожилия и особенно костная ткань без надкостницы. Электрическое сопротивление тела человека Цепь Электрическое сопротивление, кОм, при напряжении в сети, В 127 220 >220 От ладони к тыльной части кисти руки 2,5 0,8 0,65 От ладони к ногам 3,4 1,6 1 От ладони одной руки к ладони другой 3,4 1.6 1 руки От плеча к ноге 2,8 1,2 0,8 Задачи для любителей биологии 1. Электрическое сопротивление человеческого тела определяет- ся, в основном, сопротивлением поверхностного рогового слоя кожи (эпидермиса). Тонкая, нежная и особенно покрыт» потом или ув- 78
лажненная кожа, а также кожа с поврежденным эпидермисом хоро- шо проводит ток. Сухая, огрубевшая кожа - весьма плохой провод- ник. Электрическое сопротивление тела человека от ладони одной руки к ладони другой при напряжении 220 В равно 1,6 кОм. Какова, с учетом приведенных данных, сила тока между ладоня- ми через тело человека? (0,1375 А.) 2. Требования техники безопасности при работе с переменным и постоянным токами одинаковы. При силе переменного частотой 50 Гц тока 20-25 мА затрудняется дыхание, возникает мгновенная судорога мышц. При силе тока 90-100 мА возникает паралич дыха- ния, при длительном действии (3 с и более) - паралич сердца. Если электрическое сопротивление тела человека 1 кОм, при ка- ких напряжениях возникнут паралич дыхания, мгновенная судорога мышц? (90-100 В; 20-25 В.) Физические эксперименты 1. Исследование последовательного соединения проводников. Соедините последовательно источник тока, амперметр, два ре- зистора. Измеряя напряжение и силу тока на каждом резисторе, про- верьте правильность формул для последовательного соединения. Сделайте вывод. Номер опыта /ЬА 12, А t/i, В и2,в 1 1 1 2 1 2 0,75 0,75 1,5 0,75 3 1,5 1,5 3 1,5 Вывод: при последовательном соединении общее сопротивление равно сумме сопротивлений. 2. Исследование параллельного соединения проводников. Соедините последовательно источник тока, амперметр и парал- лельно два резистора. Измеряя напряжение и силу тока на каждом резисторе, проверьте правильность формул для параллельного со- единения. Сделайте вывод. Номер опыта Л, А 12, А 1/ьВ t/2,B 1 0,5 1 2 2 2 0,25 0,5 1 1 Вывод: при параллельном соединении величина, обратная обще- му сопротивлению, равна сумме обратных величин сопротивлений. 79
Проверка знаний и умений. Индивидуальные карточки-задания 1 2 1. Какое сопротивление имеет тело человека от ладони одной руки до ладони другой руки, если при напряжении 12 В сила тока равна 3 мА? (4 кОм.) 2. Определите сопротивление стального телеграфного провода между Ейском и Краснодаром, если расстояние между городами 250 км, а площадь сечения прово- дов 15 мм2. (2 500 Ом.) 3. Определите силу тока в алю- миниевом проводе длиной 10 см и площадью поперечного сечения 1 мм2, если напряжение на нем 2,8 В. (10 А.) 1. Какое нужно приложить на- пряжение к проводнику сопро- тивлением 2,5 кОм, чтобы в проводнике была сила тока 10 А? (25 кВ.) 2. Вычислите сопротивление ни- келинового проводника длиной 50 м и площадью поперечного сечения 4 мм2. (5 Ом.) 3. Определите напряжение на концах стального проводника длиной 200 см и площадью попе- речного сечения 2 мм2, сила тока в котором 2 А. (0,3 В.) 3 4 1. При напряжении 2 кВ сопро- тивление проводника равно 200 Ом. Какова сила тока в про- воднике? (10 А.) 2. Чему равно сопротивление ни- хромовой проволоки длиной 10 м площадью сечения 2,2 мм2? (5 Ом.) 3. Рассчитайте силу тока, прохо- дящего по константановому проводнику длиной 5 м площадью сечения 1 мм2 при напряжении на нем 10 В. (~4А.) 1. Определите напряжение на концах константанового провод- ника длиной 1 км и площадью поперечного сечения 2 мм2, если сила тока в нем 200 мА. (50 В.) 2. В спирали электронагревателя из никелиновой проволоки сече- нием 4 мм2 при напряжении 220 В сила тока составляет 10 А. Какова длина проволоки? (220 м.) 3. Какова масса стальной прово- локи длиной 1 км и сопротивле- нием 10 Ом? (117 кг.) 80
Кроссворд 1. Частица, которая несет в себе химические свойства вещества. 2. Величина, кото- рую можно измерить вольт- метром. 3. Положительно за- ряженная частица. 4. Едини- ца измерения напряжения. 5. В переводе с греческого это слово означает недели- мый. 6. Американский уче- ный, который впервые опре- делил заряд электрона. 7. Ве- щество, в котором много свободных носителей заряда. 8. Единица измерения заря- да. 9. Английский ученый, предложивший планетарную модель строения атома. 10. «Электрон» в переводе с греческого. 11. Веще- ство, которое не проводит электрический ток. 12. Отрицательно заряжен- ная частица. Ответы: 1 — молекула, 2 — напряжение, 3 — протон, 4 - вольт, 5 - атом, 6 - Милликен, 7 - проводник, 8 - Кулон, 9 - Резерфорд, 10 - ян- тарь, 11 - диэлектрик, 12 — электрон. Ключевое слово: сопротивление. 17. Работа и мощность электрического тока. Закон Джоуля—Ленца Историческая справка Эмилий Христианович Ленц родился 24 февраля 1804 г. в семье чиновника в Дерите (ныне Тарту) в Эстонии. Благодаря усилиям матери он успешно окончил гимназию и поступил в университет. Научная деятельность Ленца началась рано: после второго курса университета он по рекомендации ректора в качестве физика науч- ной экспедиции отправляется в кругосветное плавание. Э. X. Ленц заложил основы первой в России научной школы физиков-электротехников, из которой вышли впоследствии такие уче- ные, как А. С. Попов, Ф. Ф. Петрушевский, В. Ф. Миткевич и др. 81
В 1843 г. Ленц после проведения тонких экспериментов незави- симо от Дж. Джоуля приходит к установлению закона теплового дей- ствия тока. На основании 16 серий измерений Ленц в статье «О зако- нах выделения тепла гальваническим током» сдела я следующий вы- вод: нагревание проволоки гальваническим током пропорционально ее сопротивлению и квадрату силы тока. * * * Будущий великий американский изобретатель Томас Алва Эди- сон посещал школу в родном поселке Милан в штате Огайо всего несколько месяцев. Учителей раздражало его упрямство, и мать ста- ла заниматься с сыном дома. Он освоил престижную в то время про- фессию телеграфиста. Способный юноша научился посылать и при- нимать телеграммы с рекордной скоростью, но работать, ничего не изобретая, ему было не интересно. И он сделал приспособление к телеграфному аппарату, благодаря которому тот продолжал работать, даже когда Эдисон сладко спал в соседней комнате. В возрасте 21 года Томас переехал в Бостон, где стал искать при- менение своим изобретениям. Очень скоро он приобрел известность как электрик, в совершенстве знающий телеграфные аппараты. Создание системы электрического освещения стало одним из главных достижений Эдисона. Трудиться над ней он начал в 1878 г., будучи еще молодым. Эта работа длилась немногим более года. Пред- ложения, связанные с изготовлением электрической лампы накали- вания, делались и ранее, в том числе выдающимся русским электро- техником Александром Николаевичем Лодыгиным. Эдисон внес в конструкцию лампы много важных усовершенствований. Он до- бился значительно лучшего удаления воздуха из лампы, благодаря чему накаленная нить светилась, не перегорая, в течение многих не- дель. 1 января 1880 г. на демонстрацию новой системы освещения в Менло-Парк были приглашены три тысячи человек: государствен- ные деятели, ученые, журналисты, бизнесмены. Показ электриче- ского освещения домов и улиц прошел очень удачно. Схема для запоминания закона Джоуля—Ленца 82
Задачи на перевод единиц измерения в СИ 0,5 кДж = 500 Дж 20 мин =7 200 с 45 мкКл = 0,000045 Кл 450 мА = 0,45 А 0,4 кВ = 400 В 0,9 МВт = 900 000 Вт 1,5 ч = 5 400 с 700 кОм = 700 000 Ом 2 МОм = 2 000 000 Ом Качественные задачи и вопросы 1. Нихромовый проводник заменили константановым таких же размеров. Как при этом изменилась мощность плитки? (Мощность плитки увеличилась.) 2. Как изменяется мощность лампочки при се длительной рабо- те? (Мощность лампочки уменьшается, так как при работе лам- почки вольфрамовая нить испаряется, площадь сечения уменьша- ется, сопротивление увеличивается.) 3. Как изменяется количество теплоты, выделяющееся в проводни- ке, включенном в сеть с неизменным напряжением, при уменьшении длины проводника в два раза, увеличении в четыре раза? (Количество теплоты увеличивается в два раза. При увеличении длины проводника в четыре раза количество теплоты уменьшается в четыре раза.) 4. Как изменится работа электрического тока в проводнике при замене проводника на провод, сечение которого в два раза больше? (Работа электрического тока увеличится в два раза.) 5. Две лампочки сначала соединили последовательно, а затем параллельно. В каком случае выделяется мощность больше, если лампочки включали в сеть напряжением 200 В? (При последователь- ном соединении общее сопротивление лампочек равно 2 R, при парал- лельном соединении лампочек общее сопротивление равно R/2. Следовательно, мощность при параллельном соединении в четыре раза больше, чем при последовательном соединении лампочек.) 6. Две лампочки сначала соединили последовательно, а затем параллельно. В каком случае мощность соединения больше, если лам- почки включали в сеть, сила тока в которой 200 мА? (При последова- тельном соединении общее сопротивление лампочек равно 2 R, при параллельном соединении лампочек общее сопротивление равно R/2. Следовательно, мощность при параллельном соединении в четыре раза меньше, чем при последовательном соединении лампочек.) Задачи с техническим содержанием 1. Плавкий предохранитель рассчитан на силу тока 10 А. Можно ли включать в сеть напряжением 220 В потребитель мощностью 10 кВт? (Нет, сила тока в приборе превышает допустимую в 4,5раза.) 83
2. Электродвигатель троллейбуса питается током силой 200 А под напряжением 600 В. Определите мощность электродвигателя трол- лейбуса. Какую работу он совершает за 2 ч? (720 кВт, 864 МДж.) 3. В двухлитровом электрическом чайнике мощностью 1 кВт вода закипает за 20 мин, тогда как в чайнике мощностью 3 кВт это заняло бы 5 мин. Почему невыгодны маломощные приборы? (Вследствие увеличения времени нагревания увеличиваются потери путем кон- векции, теплопроводности, излучения.) 4. В электрической печи, сопротивление спирали которой 10 Ом, нагревают 10 кг стальных деталей. До какой температуры нагреются за 20 мин детали, взятые при температуре плавления льда в нормаль- ных условиях, если печь подключить в сеть напряжением 220 В, а ее КПД 30 %? (350 °C.) Задачи для любителей литературы 1. «Помещение было без окон и освещалось одной-единственной электрической лампочкой, висевшей высоко под потолком. Лампочка была тусклая и светила, как говорится, только себе под нос...» (Носов Н. Н. Не- знайка на Луне). А какая лампочка светит ярче: мощностью 40 или 100 Вт при одинаковом напряжении? (Лампочка мощностью 100 Вт светит ярче. Но если эти лампочки рассчитаны на напряжение 200 В, а вы подключаетесь к источнику питания 4 В, то эти лампочки вообще светить не будут.) По загадкам 2. Провели под потолок Удивительный шнурок, Привинтили пузырек - Загорелся огонек. (Провод с лампочкой.) Что происходит внутри лампочки при включении ее в электрическую цепь? Почему вольфрамовая ниточка нагревается сильно, а подводящие провода нет? (При прохождении тока через спираль лампочки она нагрева- ется и при этом накаляется до температуры около 3 000 °C. Так как пло- щадь сечения нити очень маленькая и удельное сопротивление вольфрама почти в два раза больше, чем алюминия, и в три раза больше, чем меди, то сопротивление у нее очень большое по сравнению с подводящими провода- ми. Закон Джоуля—Ленца и объясняет ее большее нагревание) 3. Гладит все, чего касается, А дотронешься - кусается. (Утюг.) Какое количество теплоты выделяет утюг за 10 мин, если его мощность 1 кВт? (600 кДж.) 84
4. В полотняной стране По реке-простыне Плывет пароход То назад, то вперед. То назад, то вперед Проплывает пароход. Остановишь - горе: Продырявишь море! (Утюг.) Какие проводники используют в утюгах в качестве нагреватель- ного элемента? (С большим удельным сопротивлением и, кроме того, выдерживающие нагревание до высокой температуры.) 5. Дом - стеклянный пузырек. И живет в нем огонек! Днем он спит, а как проснется, Ярким пламенем зажжется. (Лампочка.) Каковы мощность и сопротивление лампочки, если при напря- жении 200 В сила тока в ней 2 А? (400 Вт, 100 Ом.) 6. Мигнет, моргнет, В пузырек нырнет, В пузырьке - под козырек. Ночью в комнате денек. (Спираль накаливания электролампочки.) Сопротивление лампочки 0,2 кОм. Ее включили в сеть напряже- нием 200 В. Какое количество теплоты выделится в лампочке за 10 мин? Какова мощность этой лампочки? (120 кДж, 200 Вт.) 7. Золотая птичка Вечером в дом влетает - Весь дом освещает. (Электрическая лампочка.) Кто изобрел электрическую лампочку? (Изобретателями элек- трической лампочки считаются русский инженер А. Н. Лодыгин и американский изобретатель Т. А. Эдисон.) 8. Висит груша - нельзя скушать. Не бойся - тронь, Хоть внутри и огонь. (Лампочка.) Определите сопротивление электрической лампочки, если на ее баллоне написано 60 Вт, 220 В. (~807 Ом.) Сколько энергии тратится на освещение комнаты этой лампоч- кой за 1 час? (216 кДж.) 9. Очень строгий контролер Со стены глядит в упор, Смотрит, не моргает: 85
Стоит только свет зажечь Иль включить в розетку печь - Все на ус мотает. (Электросчетчик.) А что «мотает на ус» электросчетчик? (Расход электрической энергии.) Физические эксперименты 1. Определение мощности прибора. Приборы и материалы: источник тока; амперметр; вольт- метр; соединительные провода; две-три лампочки разной мощнос- ти; звонок; ключ. Задание: соберите цепь, соединив последовательно источник тока, амперметр, лампочку, ключ и соединив параллельно лампочке вольтметр. Измерьте силу тока и напряжение и рассчитайте мощ- ность. Заменив лампочку на другую, а потом на звонок, повторите измерения и вычисления. Номер опыта ДА и, В ТУ, Вт 1 0,2 1 0,2 2 0,25 1,5 0,375 3 0,15 2 0,3 2. Наблюдение за нагреванием воды. Приборы и материалы: источник тока; амперметр; вольтметр; соединительные провода; ключ; резистор сопротив- лением 4 Ом на подвеске; термометр; калориметр с водой; мен- зурка; часы. Задание: соберите цепь, соединив последовательно источ- ник тока, амперметр, резистор, ключ и параллельно резистору вольтметр. Измерьте силу тока и напряжение и рассчитайте мощ- ность. Опустите резистор в сосуд с водой и, подключив в сеть, измерьте температуру воды через 5, 10, 15 мин. Рассчитайте ко- личество теплоты, которое получила вода и какое выделил рези- стор. Объясните, почему они различаются. (Различие в количе- стве теплоты объясняется выделением теплоты в окружаю- щую среду.) Номер опыта ДА и, В Т,с At, °C 1 0,25 1 300 28 2 0,25 1 600 32 3 0,25 1 900 37 86
Проверка знаний и умений. Индивидуальные карточки-задания 1 2 1. Определите мощность электри- ческого тока, если сила тока в цепи 200 мА. (0,6 Вт.) 5 Ом 15 Ом 60 Ом 2. Никелиновая проволока длиной 100 м и сечением 2 мм2 включена в цепь напряжением 200 В. Опре- делите энергию электрического тока за 5 мин. (600 кДж.) 1. Определите количество тепло- ты, которое выделится в двух лампочках сопротивлением по 100 Ом, включенных в цепь параллельно. Сила тока 40 мА, время работы 10 мин. (48 Дж.) 2. Определите работу электриче- ского тока за 5 мин в цепи, если напряжение в цепи 30 В. (4 500 Дж.) 20 Ом 40 Ом 3 4 1. Определите работу электриче- ского тока за 10 мин, если напря- жение в цепи 60 В. (144 кДж.) 20 0м 40 Ом 1. Определите мощность тока, если напряжение в цепи 10 В. (~ 6,7 Вт!) 20 Ом 8Ом 12Ом 2. Сила тока в цепи проводника 300 мА, напряжение 6 В. Опреде- лите длину проводника, сделан- ного из константана, если его се- чение 3 мм2. (120 м.) 60 Ом 2. Мощность электролампы, рас- считанной на напряжение 200 В, 100 Вт. Определите силу тока в лампе и ее сопротивление. (0,5 А; 4 000 м.) 18. Обобщение материала по теме «Электрические явления» Теоретическая часть Базовые вопросы 1. Виды зарядов. Строение атома. Электризация. Электрическое поле. 2. Электрический ток. Действия электрического тока. 3. Сила тока. Напряжение. Сопротивление. 4. Закон Ома. 5. Последовательное соединение проводников. 6. Параллельное соединение проводников. 87
7. Работа и мощность электрического тока. 8. Закон Джоуля - Ленца. Вопросы на «отлично» 1. Источники тока. 2. Проводники и диэлектрики и их применение. 3. Причины сопротивления. Зависимость сопротивления от тем- пературы. 4. Строение лампы накаливания и объяснение ее работы. Практическая часть 1 2 1. В проводнике сопротивлением 100 Ом течет ток 100 мА. Какое количество теплоты выделяется в проводнике за 1 мин? (60 Дж.) 2. Нихромовая спираль включена в сеть напряжением 110 В. Длина спирали 5 м, площадь сечения 0,5 мм2. Определите работу электрического тока за 5 мин в этой спирали. (330 кДж.) 3. Определите количество тепло- ты, которое выделится в провод- никах за 1 мин, если они подклю- чены к источнику тока напряже- нием 20 В. (120Дж.) 50 Ом 150Ом 4. Два резистора включены параллельно в цепь, сила тока в которой 2 А. Определите силу тока в каждом резисторе и напря- жение на нем, если сопротивле- ния резисторов 6 и 2 Ом соответ- ственно. (ЗВ; 0,5А; 1,5А.) 1. Проволока сопротивлением 10 Ом подключена в сеть напря- жением 200 В. Определите силу тока в проводнике и мощность тока. (20 А; 4 000 Вт.) 2. Определите мощность тока в цепи, если сила тока в ней 500 мА. (1,25 Вт.) 10 Ом 10 Ом 3. Определите работу электриче- ского тока в проводнике длиной 1 км и площадью сечения 2 мм2 за 2 мин, если сила тока в цепи 500 мА, а проводник изготовлен из константана. (7,5 кДж.) 4. Сила тока в цепи 2 А. Найдите распределение токов и напряже- ний на резисторах. (2 А; 20 В; 40 В.) 10 Ом 20 Ом 3 4 1. В реостате сопротивлением 200 Ом течет ток 200 мА. Опре- делите работу электрического тока за 1 мин. (480 Дж.) 1. Определите сопротивление проводника и мощность тока, ес- ли при напряжении 10 В сила тока в цепи 2 А. (5 Ом; 20 Вт.) 88
3 4 2. Определите мощность тока в никелиновой спирали сечением 4 мм2, имеющей длину 2 км, если сила тока в ней 1 А. (200 Вт.) 3. Какое количество теплоты вы- делится в проводниках за 10 мин, если их включить под напряжение 10 В? (20 кДж.) 2 Ом 4 0м 6 Ом 4. Два резистора включены по- следовательно. Напряжение в се- ти 10 В. Определите напряжение на каждом резисторе, если сопро- тивления равны соответственно 5 и 2 Ом. (« 7,15 В; 2,85 В.) Како- ва сила тока в этой цепи? (143 А.) 2. Определите количество тепло- ты, выделяющееся в цепи за 5 мин при токе 100 мА. (48 Дж.) 20 Ом 80 Ом 3. Определите работу электриче- ского тока в железном проводни- ке длиной 5 км площадью сечения 2 мм2 за время 2 мин, если сила тока в цепи 500 мА. (7,5 кДж.) 4. Определите распределение на- пряжений в проводниках, если сила тока в цепи 2 А. (8 В, 10В.) 4Ом 5 Ом Экспериментальная часть 1. Измерить силу тока в цепи, используя амперметр. 2. Измерить напряжение на проводнике, используя вольтметр. 3. Определить сопротивления проводников, используя амперметр и вольтметр. 4. Определить сопротивления проводников, используя штанген- циркуль, линейку, таблицу удельных сопротивлений. 5. Определить мощность тока в цепи, используя амперметр и вольт- метр.
III. Магнитные явления 19. Магнитное поле Физический словарик Магнит (от греч. Magnetis lithos - камень из Магнесин - древнего города в Малой Азии) - естественный магнит - кусок железной руды, обладающий свойством притягивать железо, сталь, кобальт и др. Историческая справка В течение веков развитие учений об электричестве и магнетизме шло практически независимо, хотя издавна было отмечено сходство электрических и магнитных явлений: для обоих типов взаимодействий наблюдались как притяжение, так и отталкивание. Процесс форми- рования единого учения об электромагнетизме, завершившийся со- зданием теории электромагнитного поля Максвелла, начался с от- крытия датского ученого Эрстеда. Ганс Христиан Эрстед родился 14 августа 1777 г. в городе Рудке- бинге в семье аптекаря. Он учился в Копенгагенском университете, который окончил в 1797 г., получив диплом фармацевта. Вся творческая жизнь Эрстеда прошла в стенах родного университе- та. Эрстед проникся идеей о единстве сил природы и уже в 1812-1813 гг. высказал идею о возможной связи электрического тока и магнетизма. Однако обнаружить такую связь ему удалось лишь в 1820 г., когда во вре- мя лекции было отмечено действие тока на магнитную стрелку. Его неожиданные и удивительно простые опыты с отклонением магнитной стрелки вблизи проводника с током были сразу же проверены рядом уче- ных. Эта проверка принесла и новые результаты, которые в совокупности составили экспериментальную основу первой теории магнетизма. Интересные факты 1. В Германии высокоскоростная магистраль связала Гамбург и Мюнхен, а в 2000 г. вошла в строй линия на магнитной подвеске «Трансрапид» между Берлином и Гамбургом. При скорости 320 км/ч расстояние в 283 км поезд преодолевает за 53 мин. 90
2. Внешние, расплавленные, слои ядра Земли находятся в постоян- ном движении. В результате этого в нем возникают магнитные поля, формирующие в конечном итоге магнитное поле Земли. Магнитное поле Земли существенно влияет на климат. Чехосло- вацкие и американские геофизики сравнили, как менялись климати- ческие условия и магнитное поле с 1925 по 1970 г. Выяснилась чет- кая закономерность: за все эти годы в Северном полушарии росла напряженность магнитного поля и соответственно росла среднего- довая температура. В Южном полушарии Земли происходило обрат- ное - одновременно снижались магнитная напряженность и темпера- тура. 3. Исследования показали, что во время магнитных бурь навига- ционные способности почтовых голубей значительно ухудшаются. Точно такие же затруднения испытывают птицы, когда на обратном пути им встречаются магнитные аномалии. Если амплитуда такой аномалии, встретившейся на пути голубя, велика, то птица полнос- тью теряет способность ориентироваться. 4. С помощью магниторазведки изучают геомагнитное - есте- ственное магнитное поле Земли. Его величина зависит от размеров и глубины залегания намагниченных объектов, например залежей же- лезных руд. Магнитометрами (полевыми, авиационными или кора- бельными) измеряют абсолютную величину магнитного поля либо его относительные значения, которые сравнивают с измеренными в опорных пунктах. Задачи на перевод единиц измерения в СИ 200 кОм = 20 000 Ом 400 мм = 0,4 м 45 мА = 0,045 А 2,67 км = 2 670 м 24 кВ = 24 000 В 4 см2 = 0,0004 м2 1,8 км/ч = 0,5 м/с 450 г = 0,45 кг 78 МДж = 78 000 000 Дж Качественные задачи и вопросы 1. Что называется магнитным полем? (Магнитным полем назы- вается поле, порождаемое движущимися заряженными частицами и постоянными магнитами и действующее на движущиеся заря- женные частицы, постоянные магниты и вещества железо, никель, кобальт и некоторые сплавы.') 2. В проводнике увеличили силу тока. Как при этом изменилось магнитное поле? (Магнитное поле увеличилось.) 3. Проводник скрутили в катушку. Как при этом изменилось маг- нитное поле? (Магнитное поле увеличилось.) 91
4. Покажите магнитное поле проводника с током. Ответ: 5. Определите направление силы тока в проводниках. Ответ: Задача для любителей истории Три каравеллы X. Колумба отправились в неведомые дали на рас- свете 3 августа 1492 г. Уже через месяц многие матросы желали только одного - возвращения домой: океан грозил гибелью. Между тем ко- рабли покинули последний из Канарских островов; что впереди, уже никто не знал. В корабельной книге каравеллы «Санта-Мария», ко- торой командовал Колумб, 9 сентября была сделана запись: «Адми- рал принял решение отсчитывать доли пути меньшие, чем проходи- ли в действительности, в том случае, если бы плавание оказалось длительным, чтобы людьми не овладели страх и растерянность». А через четыре дня после этого вдруг начал шалить компас. Вместо того чтобы показывать на север с небольшим смещением к востоку, магнитная стрелка отклонилась к северо-западу. Весть о необычном поведении компаса, которому моряки уже привыкли доверять, рас- пространилась среди матросов. И без того возбужденные суеверные люди готовы были поднять бунт, потребовать немедленного возвра- щения домой. Оценив опасность, адмирал, таясь от команды, пере- двинул катушку компаса с угловыми делениями так, что отклонение стрелки снова стало обычным. 92
Объясните поведение компаса. (Магнитные полюса Земли удале- ны от географических полюсов. Так, Южный магнитный полюс Земли удален от Северного географического полюса примерно на 2 100 км.) Физический эксперимент Изучение магнитного поля катушки с током. Приборы и материалы: источник питания; ключ; дуго- вой и полосовый постоянные магниты; компас; железные опилки; провода соединительные; наборы катушек. Задание: соберите цепь и получите спектры кругового тока, соле- ноида, одиночного витка. Зарисуйте спектры и катушки, определите полюса катушек и направление силовых линий магнитного поля. Объект исследования Рисунок магнитного поля 1. Полосовый магнит 2. Дуговой магнит 3. Катушка с током 20. Магниты и электромагниты Физический словарик Дроссель (от нем. drossel - катушка, клапан) - катушка индук- тивности, которую включают в электрическую цепь для устранения (подавления) переменной составляющей тока в цепи. Магнит-«магнитный камень, железняк, руда, со свойством при- тягивать железо и, обращаясь на перевесе, указывать на север и на юг, а также передавать это свойство железу» (В. Даль.). Соленоид (от греч. solen - трубка и eidos - вид) - проволочная спираль, по которой пропускают электрический ток для создания магнитного поля. Историческая справка Андре Мари Ампер, проводя опыты с катушкой (он назвал ее соленоидом), показал эквивалентность его магнитного поля полю постоянного магнита. Исследования магнитного поля кругового тока привели Ампера к мысли, что постоянный магнетизм объясняется существованием элементарных круговых токов, обтекающих части- цы, из которых состоят магниты. В итоге он отказался от господ- ствовавшей ранее идеи о магнитных жидкостях и сделал вывод, что магнетизм - одно из проявлений электричества. 93
Компас появился в Европе не раньше XII в., и мореплаватели ориентировались в море главным образом по Солнцу и звездам. В полном смысле слова путеводной была Полярная звезда, всегда показывающая направление на север. Помогали и местные призна- ки: течения, преобладающие ветры, цвет воды. В многовековой истории мореплавания магнитный компас был и остается самым значительным изобретением. Большинство истори- ков считают, что компас в виде плавающей в воде магнитной стрел- ки придумали в Китае, а в конце XII - начале XIII вв. арабские море- плаватели завезли его в Европу. Соединив магнитную стрелку с дис- ком, итальянец Флавий Джой в 1302 г. сконструировал компактную катушку - впоследствии обязательный элемент всех компасов. Интересный факт Английский физик XIV в. Уильям Герберт изготовил шарообраз- ный магнит, исследовал его с помощью маленькой магнитной стрелки и пришел к выводу, что земной шар - огромный космический магнит. Геофизики узнали, каким было магнитное поле Земли тысячи и даже миллионы лет назад: у горных пород, что содержат железо, ока- залась отличная магнитная память! Допустим, вылилась когда-то во время извержения вулкана лава и, пока остывала, намагнитилась в магнитном поле Земли. Потом поле изменилось, но у затвердевшей лавы осталась остаточная намагниченность. Измеряя ее, геофизики обнаружили, что магнитные полюсы Земли много раз менялись мес- тами! Скажем, за последний миллион лет это случалось 7 раз. Электромагниты в технике В 1934 г. немецкий инженер Кемпер создал магнитную подвеску. Работа подвески Кемпера основана на том, что одноименные полю- са магнитов отталкиваются. Самый простой вариант - выложить как путь, так и днище поезда постоянными магнитами с соответствующей ориентацией полюсов; тягу будет создавать линейный электродвигатель. Такой двигатель имеет ротор и статор, растянутые в полосы. Обмотки статора включа- ются поочередно, создавая бегущее магнитное поле. Статор, укреп- ленный на локомотиве, втягивается в это поле и движет весь состав. Однако магистраль с постоянными магнитами - дорогое удоволь- ствие, да и подъемная сила их невелика. Другой вариант - использо- вать на составе и на рельсах электромагниты. Работы по созданию магнитопланов ведутся уже не одно десяти- летие в Германии, США, Японии, России. 94
Задачи на перевод единиц измерения в СИ 2ООмА = 0,2Л 200 кН = 200 000 Н Зч = 10800с 340 мкА = 0,00034 А 350 МДж = 350 000 000 Дж 245 кВт = 245 000 Вт 45 кКл = 45 000 Кл 35 мин = 2100 с 54 км/ч = 15 м/с Качественные задачи и вопросы 1. Можно ли сделать магнит, у которого был бы только северный полюс? А только южный полюс? (Невозможно сделать магнит, у которого отсутствовал бы один из полюсов.) 2. Если разломить магнит на две части, будут ли эти части магни- тами? (Если разломить магнит на части, то все его части будут магнитами.) 3. Какие вещества могут намагничиваться? (Железо, кобальт, никель, сплавы из этих элементов.) 4. Какие вещества обладают магнитными свойствами? (Все ве- щества обладают магнитными свойствами, так как во всех веще- ствах имеются атомы, состоящие из ядер, вокруг которых движут- ся электроны. А раз электроны движутся, значит, они уже облада- ют магнитными свойствами.) 5. Можно ли намагнитить железный гвоздь, стальную отвертку, алю- миниевую проволоку, медную катушку, стальной болт? (Железный гвоздь, стальной болт и отвертку из стали можно намагнитить, а вот алюми- ниевую проволоку и медную катушку намагнитить нельзя, но если по ним пустить электрический ток то они будут создавать магнитное поле.) 6. Можно ли намотанную на гвоздь проволоку назвать электро- магнитом? (Да.) 7. От чего зависят магнитные свойства электромагнита? (От силы тока, от количества витков, от магнитных свойств сердечника, от формы и размеров катушки.) 8. По электромагниту пустили ток, а затем уменьшили его в два раза. Как изменились магнитные свойства электромагнита? (Умень- шились в 2 раза/) Задачи для любителей литературы 1. «.. .Так вот: я думаю поймать подводную лодку Таямы, как игрушеч- ную рыбку, при помощи магнита. Но так как «рыбка» велика, то и магнит должен быть особенный. Я опояшу металлическим кольцом наш подвод- ный дом и при помощи тока большой мощности превращу это кольцо в электромагнит гигантской силы...»(А.Р. Беляев. Подводные земледельцы). А как можно увеличить силу действия этого магнита? (Увели- чить силу тока в кольце.) 95
По загадкам 2. Когда с тобою этот друг, Ты можешь без дорог Шагать на север и на юг, На запад и восток. (Компас.) А будет ли компас действовать на Венере? (Нет, так каку Вене- ры нет магнитного поля.) 3. И в тайге, и в океане Он отыщет путь любой. Умещается в кармане И ведет нас за собой. (Компас.) А в каких точках на Земле компас бесполезен? (На Южном и Северном магнитных полюсах.) Задачи для любителей истории 1. Много веков назад это было. В поисках овцы пастух зашел в незнакомые места, в горы. Кругом лежали черные камни. Он с изум- лением заметил, что его палку с железным наконечником камни при- тягивают к себе, словно ее хватает и держит какая-то невидимая рука. Пораженный чудесной силой камней пастух принес их в ближай- ший город -Магнесу. Здесь каждый мог убедиться в том, что рассказ пастуха не выдумка - удивительные камни притягивали к себе же- лезные вещи! Более того, стоило потереть таким камнем лезвие ножа, и тот сам начинал притягивать железные предметы: гвозди, наконеч- ники стрел. Будто из камня, принесенного с гор, в них перетекала какая-то сила, разумеется, таинственная. О каком камне идет речь в предании? (О магните.) Объясните описанное явление. 2. В XIX в. прославился иллюзионист Антон Гамулецкий. В 1827 г. он создал «храм очарований, или механический, физический и опти- ческий кабинет», в котором демонстрировались разные трюки. Га- мулецкий был талантливым конструктором автоматов. Посетители с восторгом и изумлением наблюдали петуха, который «совсем как живой» хлопал крыльями и кричал кукареку, механическую лающую собаку, голову человека, говорящую на нескольких языках. Но са- мым удивительным созданием была фигура ангела, который парил в воздухе на верхней площадке лестницы при входе в «храм». Хозяин предлагал каждому посетителю убедиться в отсутствии обмана. Ан- гел действительно висел между полом и потолком без всякой види- мой поддержки. 96
Дайте краткое объяснение трюка. (Магнитное взаимодействие. Конструктор этого устройства в нескольких словах рассказал о секрете трюка: «Десять лет я трудился, чтобы найти точку и вес магнита и железа, дабы удержать ангела в воздухе».} 3. По необозримым просторам пустыни идет караван. В желтой мгле утонул горизонт. Кругом, куда ни глянь, - безжизненные пески. Путь каравана далек и труден. Но люди уверенно продвигаются к своей цели. Их ведет небольшая полоска намагниченного железа, плавающая на пробке в воде, в глиняном сосуде, который надежно установлен в деревянной клетке между горбами белого верблюда, шагающего впереди. Стороны сосуда-путеводителя раскрашены в разные цвета. Время от времени человек, сидящий впереди, бросает взор на полоску железа: она чуть вздрагивает в такт шагам животно- го, но неизменно показывает одним концом на красный край кувши- на, другим - на черный. Как называется этот прибор? (Компас.} 4. Когда лава остывает, то соединения железа приобретают свой- ство намагничиваться, и тогда магнитное поле Земли накладывает на изверженные породы свою четкую печать: намагниченные части- цы вещества располагаются уже не хаотично, а вдоль силовых ли- ний поля. Определяя направление намагниченности у образцов, взя- тых на месте древнего извержения, нетрудно вычислить, где находи- лись тогда магнитные полюсы Земли и, одновременно, когда произошло извержение. Расскажите о строении магнитов. Объясните свойства магнитов: наличие полюсов, намагничивание и размагничивание. Почему лю- бой обломок магнита имеет два полюса? (Магниты состоят из до- менов - элементарных магнитов, которые имеют свойства магни- та.} 5. Даже небольшой обломок древней амфоры, найденный при раскопках, может рассказать многое. При этом, однако, нужно знать, в каком положении по отношению к сторонам света находилась ам- фора при обжиге. Вот, например, какая удача ожидала палеомагнито- логов на развалинах древнего Карфагена. Римские легионы завое- вали и разрушили этот город в 146 г. до н. э. При раскопках ученые обнаружили гончарные мастерские, а в печах - еще не вынутые глиняные горшки, они обжигались в тот самый день, который стал для Карфагена последним. Объясните, как археологи определили дату разрушения Кар- фагена по магнитным свойствам амфор? (Магнитное поле Земли с течением времени изменяется, а амфоры сохраняют магнит- ное поле. По его расположению и определяют возраст амфор.} 97
Физический эксперимент Сборка и испытание электромагнита. Приборы и материалы: источник тока, соединительные провода, катушка и сердечники к ней (железный, никелевый, фер- рит), компас, металлические опилки или мелкие гвозди. Задание: исследуйте, на каком расстоянии электромагнит с раз- ными сердечниками и без них влияет на компас и притягивает металлические опилки или мелкие гвозди. Свои наблюдения за- фиксируйте в таблице. Сердечник Расстояние, м влияние на компас притяжение опилок 1. Без сердечника 0,4 0,01 2. Железный 1 0,1 3. Никелевый 1,2 0,14 Домашний эксперимент Изучение свойств постоянных магнитов. Приборы и материалы: магнит; компас; разные тела (ре- зина, проволока, гвозди, деревянные брусочки и т. д.). Задание: исследуйте свойства магнита и ответьте на вопросы: 1) Какие тела притягивает магнит, а какие нет? 2) Какие места магнита сильнее притягивают гвоздики? 3) Как располагается магнитная стрелка компаса, если его поме- щать в разные места вблизи магнита? 21. Электродвигатель и генератор электрического тока Физический словарик Генератор (от лат. generator — производитель) - устройство, ап- парат, машина, вырабатывающая электроэнергию. Ротор (от лат. rotare - вращать) - вращающаяся часть электри- ческой машины. Статор (лат. stator - стоящий неподвижно) - неподвижная часть электрической машины (генератора или двигателя), внутри которой вращается ротор. 98
Историческая справка В 1831 г. выдающийся физик Майкл Фарадей открыл явление электромагнитной индукции. Он провел множество опытов, в резуль- тате сконструировал первый электромашинный генератор тока, из- вестный как диск Фарадея. После столь удачных экспериментов английского ученого за раз- работку пригодного для практики электрического двигателя приня- лись изобретатели многих стран. В 1834 г. российский физик и ин- женер Б. С. Якоби построил электродвигатель, действие которого было основано на притяжении и отталкивании электромагнитов. Сходные по принципу действия двигатели сделали также Т. Девен- порт, П. Форман, Ч. Пейдж. Все эти устройства имели большие раз- меры, малую мощность, значительное магнитное рассеивание и низ- кий КПД. Для устранения столь серьезных недостатков потребова- лось больше 50 лет. В 1885 г. итальянский физик Г. Феррарис и американский изобре- татель Н. Тесла создали независимо друг от друга двухфазную си- стему. Тесла и Феррарис разработали первые конструкции подоб- ных двухфазных электродвигателей (один из них - диск Феррариса - стал основой электрического счетчика, установленного в каждой квартире). Однако дальнейшее развитие техники связано с более совершенной электрической системой трехфазного тока. Русский инженер М. О. До- ливо-Добровольский первым предложил сделать ротор двигателя в виде так называемого беличьего колеса. В 1890 г. Доливо-Добровольский построил трехфазный двигатель мощностью 3,7 кВт и трехфазный транс- форматор, необходимый для передачи электроэнергии на большие рас- стояния. Продемонстрировать их действие удалось в 1891 г. на Между- народной электротехнической выставке во Франкфурте. Задачи на перевод единиц измерения в СИ 0,36 км/ч = 0,1 м/с 0,78 кОм = 780 Ом 60 мин = 3 600 с 30 мА = 0,03 А 0,2 МВ = 200 000 В 0,2 ч = 780 с 450 кДж = 450 000 Дж 450 г =0,45 кг 34 мКл = 0,034 Кл Качественные задачи и вопросы 1. Какие преобразования энергии происходят в электродвигате- ле? В генераторе? (В электродвигателе электрическая энергия пре- образуется в механическую, в генераторе тока происходит преоб- разование механической энергии в электрическую/) 99
2. Где используются электродвигатели? {Электродвигатели исполь- зуют в производстве, например точильные и сверлильные станки, то- карные и фрезерные станки, транспортеры и электрокары и т. д. В быту электродвигатели также нашли широкое применение. Они ис- пользуются в холодильниках и стиральных машинах, в электрофенах и пылесосах, в швейных машинках с электроприводом и магнитофонах, в видеокамерах и электропроигрывателях. Без электродвигателей не поедут троллейбусы и трамваи, не будут работать метро и эскала- тор, не уйдет с перрона электричка и не вылечит зуб стоматолог.') Интересные факты Генераторы электрического тока применяются во всех транспорт- ных средствах для выработки электроэнергии при движении транс- порта. На электростанциях генераторы используются для выработки электроэнергии. На гидроэлектростанциях энергия падающей воды преобразуется в электроэнергию, одной из самых мощных ГЭС счи- тается Саяно-Шушенская ГЭС, ее мощность 6 400 МВт. Самой мощ- ной тепловой электростанцией в бывшем СССР считалась Экибастуз- ская ГРЭС, ее мощность 4 000 МВт. Крупнейшей атомной электро- станцией в мире считается АЭС в Фукусима (Япония), ее мощность 9,1 ГВт. Экспериментальная солнечная электростанция была постро- ена на Южном берегу Крыма в поселке Щелкино. Эта электростанция имеет мощность 5 МВт. На побережье Кольского полуострова дей- ствует Кислогубская приливная электростанция, использующая энер- гию приливов, ее мощность 0,4 МВт. Мощность Паужетской геотер- мальной электростанции 5 МВт. На этой станции насыщенный пар из пробуренной скважины направляется в паровые турбины. Проверка знаний и умений. Физический диктант 1 2 1. Магнитное поле зависти от... (.. .силы тока в проводнике, маг- нитных свойств среды, расстоя- ния до проводника {магнитное поле проводника с током), коли- чества витков, размеров катуш- ки и магнитных свойств среды {магнитное поле соленоида), на- магниченности тела {магнитное поле магнита)). 1. Магнитным полем называет- ся... (.. .поле, порождаемое дви- жущимися зарядами и магнита- ми и действующее на движущие- ся заряды и магниты или мате- риалы, которые могут намагни- чиваться). 100
1 2 2. Магнитными аномалиями на- зываются... {...места на Земле, где магнитное поле отличается от магнитного поля Земли). 3. Чем больше сила тока в катуш- ке, тем магнитное поле... {...больше). 4. Электромагнитом называется... (.. .соленоид с железным сердеч- ником). 5. Магнитными бурями называ- ются. .. (...кратковременные из- менения магнитного поля Земли вследствие активности Солнца). 6. Генератором электрического тока называется... (.. .устройство, которое преобразует механиче- скую энергию в электрическую). 7. Ротором называется... {.. .вращающаяся часть генера- тора или двигателя). 2. Магнитом называется... {...тело, длительное время сохра- няющее намагниченность). 3. Чем меньше витков в катушке, тем магнитное поле... (.. .меньше). 4. Соленоидом называется... {...катушка с током). 5. Электрическим двигателем на- зывается... {...устройство, пре- образующее электрическую энер- гию в механическую). 6. Магниты обладают следующи- ми свойствами:... {...имеют два полюса {южный и северный); притягивают к себе железо, ни- кель, кобальт, некоторые сплавы; каждая часть магнита является магнитом; одноименные полюса отталкиваются, разноименные - притягиваются). 7. Статором называется... {...покоящаяся часть двигателя или ротора). 101
Кроссворд 1. Составляющий элемент атома. 2. Катушка с сердечником. 3. Одно из состо- яний вещества. 4. Датский ученый. 5. Эта частица входит в состав ядра. 6. Характеристика электрических свойств вещества. 7. Входит в состав ато- ма. 8. Единица измерения напряжения. 9. Один из создателей электричес- кой лампочки. 10. Тело, способное притягивать к себе железные тела. 11. Величина, которую можно измерить в милливольтах. 12. Нейтральная частица. 13. «Производитель». 14. Электрическое, магнитное, гравитаци- онное... Ответы: 1 — электрон, 2 - соленоид, 3 - жидкость, 4 - Эрстед, 5 — протон, 6 — сопротивление, 7 - ядро, 8 - вольт, 9 - Эдисон, 10 - маг- нит, 11 - напряжение, 12 - нейтрон, 13 - генератор, 14 - поле. Ключевое слово: электродвигатель.
IV. Оптические явления 22. Свет. Его источники. Законы распространения света Физический словарик Дуализм (от лат. daulis - двойственный) - двойственность. Иллюзия (от франц, illusion - обман, обманчивое представле- ние) - нечто кажущееся. Квант (от нем. quant) ~ минимальное количество, на которое может изменяться дискретная физическая величина. Корпускула (от лат. corpusculum - тельце) - очень малая частица вещества. Люминесценция (от лат. lumen - свет и лат. escent - суффикс, означающий слабое действие) - свечение веществ (полимеров), воз- буждаемое каким-либо источником энергии. Прожектор (от лат. projectio - бросание вперед) - осветитель- ный прибор с оптическим устройством, концентрирующим свето- вые лучи от источника в пучок. Фотон (от греч. photos - свет) - частица света, квант электромаг- нитного поля. Экран (от франц, есгап - ширма) - щит, предохраняющий от вред- ного влияния электромагнитного поля, тепла, света, излучений. Историческая справка Известен как физик Ньютон стал после 1668 г., когда им была изготовлена первая модель телескопа-рефлектора. Это изобретение послужило поводом для его избрания членом Лондонского Королев- ского общества (ЛКО). В 1673 г. на заседании ЛКО был зачитан док- лад Ньютона «Новая теория света и цветов». Ньютон показал, что существуют монохроматические лучи разной цветности и что белый свет есть смесь этих лучей. В дальнейшем Ньютон развил свою тео- рию и поставил ряд новых оптических опытов. Взгляды ученого на природу света были довольно сложными. Ньютон пытался соеди- нить представление о свете как о потоке корпускул с элементами волновой теории, принять которую в целом не мог, поскольку она не 103
объясняла прямолинейность распространения света. Впоследствии, в XVIII в., теория Ньютона была упрощена, и его имя оказалось не- разрывно связано с корпускулярной теорией. Крупнейшим вкладом Гюйгенса в развитие физики была его тео- рия света. О результатах своих работ по оптике Гюйгенс докладывал неоднократно на заседании Парижской академии еще в 1678 г., но лишь в 1690 г., достигнув в своих исследованиях необходимой ясности и законченности, он создал «Трактат о свете», в котором изложил зако- ны отражения и преломления света. Несмотря на большие достиже- ния теории Гюйгенса, невозможность объяснения в ее рамках прямо- линейности распространения света и других оптических эффектов привела к тому, что представления Гюйгенса о свете не получили все- общего признания и были возрождены лишь в начале XIX в. Интересные факты 1. Особенно красиво ночное море в тропиках. Полное впечатле- ние, что море горит, полыхает, переливается красками. Бывает, что за кормой идущего судна на воде вспыхнет яркий зеленовато-белый свет. Пылающее пятно растет и постепенно окружает теплоход коль- цом. Затем оно отделяется от судна, и тогда кажется, что это зарево большого города. Источником такого свечения являются живые микро- организмы. 2. Очень интересно спасает свою жизнь морской червь. Когда краб перекусывает его, задняя часть червя ярко вспыхивает. Краб устремляется к ней, пострадавший червь прячется, и через некото- рое время на месте отсутствующей части отрастает новая. Свечение некоторых глубоководных существ настолько сильно, что создается впечатление, будто они излучают молнии. 3. В Бразилии и Уругвае водятся красновато-коричневые свет- лячки с рядами ярко-зеленых огоньков вдоль туловища и ярко-крас- ной «лампочкой» на голове. Известны случаи, когда эти природные светильники - обитатели джунглей - спасали жизнь людей: во время испано-американской войны врачи оперировали раненых при свете светлячков, насыпанных в бутылку. 4. Если в Сахаре стоит тихая погода и небо не затянуто поднятой ветром пылью, трудно найти более красивое зрелище, чем закат солн- ца в пустыне. Небо в лучах заходящего солнца каждый раз пора- жает новыми сочетаниями оттенков - и кроваво-красным, и розово- перламутровым, незаметно сливающимся с нежно-голубым. Все это громоздится на горизонте в несколько этажей, горит и сверкает, разрастаясь какими-то причудливыми, сказочными формами, а за- тем постепенно угасает. Тогда почти мгновенно наступает абсолют- 104
но черная ночь, темноту которой не в силах рассеять даже яркие южные звезды. 5. Остров Врангеля является заповедником, расположенным в при- родной зоне, именуемой географами арктической пустыней. На чело- века, никогда не бывавшего в Арктике, природа этого края производит неизгладимое впечатление. Десять месяцев - с сентября по июнь - на острове царствует зима. В самый разгар ее, с середины ноября по ян- варь, солнце здесь не показывается над горизонтом - наступает поляр- ная ночь. Бескрайние снежные равнины острова и ледяные просторы окружающих морей сливаются в сплошную однообразную белую пу- стыню, освещаемую лишь светом луны или полярного сияния. 6. Где бы ни оказался человек в результате аварийной ситуации (на суше или в океане, в джунглях или в пустыне), решил ли остать- ся на месте или отправиться в путь, он в первую очередь должен сориентироваться, определить место своего расположения. Направ- ление на север в Северном полушарии определяют, став в полдень спиной к солнцу. Тень, отброшенная человеком, словно стрелка, ука- жет на север. В Южном полушарии наоборот: тень ляжет на юг. 7. В XVIII в. на побережье Кубы высадились англичане, а ночью увидели в лесу мириады огней. «Островитян слишком много, - ре- шили захватчики, - нужно отступать, пока не поздно!» Куба в тот раз была спасена от колонизаторов. На самом деле испугали англи- чан светлячки. 8. Гамбургский алхимик Бранд всю жизнь искал секрет получе- ния «философского камня», чтобы превращать медь в золото. Од- нажды для получения этого камня он налил в сосуд мочу и стал по- догревать. Когда жидкость полностью испарилась, на дне реторты остался черный осадок. Бранд решил прокалить его на огне. На внутрен- них стенках сосуда стало накапливаться белое вещество, похожее на воск. Оно светилось! Потрясенный алхимик решил, что он осу- ществил наконец мечту своей жизни. Однако все попытки обладате- лей светящегося вещества получить с его помощью золото или се- ребро из неблагородных металлов оказались пустой затеей. Это был ранее неизвестный химический элемент фосфор (слово фосфор оз- начает несущий свет). Качественные задачи и вопросы 1. С какой скоростью распространяется свет? От чего зависит скорость распространения света? (Свет в воздухе и вакууме распро- страняется со скоростью 300 000 км/с. Скорость света зависит от среды, в которой свет распространяется. Так, в сахаре скорость света равна 192 300 км/с, в алмазе - 124 100 км/с, каменной соли - 105
194 300 км/с, в молоке - 222 200 км/с, в бензине - 214 300 км/с (ско- рости света даны при температуре тел 20 °Q.) 2. Приведите примеры химического, теплового действия света. (Химическое действие: фотосинтез, фотография, загар, образова- ние витамина Dum.d. Тепловое действие: нагревание поверхности земли, воды, атмосферы ит.д.) 3. Сделайте чертеж и покажите образование тени и полутени на рис. а-г. 4. Приведите примеры естественных и искусственных источни- ков света. (Естественные источники света: костер, Солнце, звез- ды, светлячок, Луна и т. д. Искусственные источники света: лампа накаливания, свеча, камин, экран телевизора, спираль электроплит и т. д.) Задачи для любителей литературы 1. «Длинные тени домов, деревьев, заборов ложились красиво по свет- лой пыльной дороге...» (Л. Н. Толстой. Набег). Где должен находиться источник света, чтобы тени были длин- ные? (Низко над горизонтом.) Сделайте чертеж и покажите, как об- разуется тень от дерева или дома. 106
7277 7777'77'7 7/////////////// Область тени 2. «.. .Знайка положил на стол перед рассевшимися вокруг коротышками лунный камень и принялся рассказывать о том, что в природе встречаются вещества, которые приобретают способность светиться в темноте, после того как подвергнутся действию лучей света» (Носов Н. Н. Незнайка на Луне). О каком явлении рассказывал Знайка? (О люминесценции.) По пословицам и поговоркам 3. Солнце сияет, а месяц светит. Чем отличаются данные источники света? (Солнце генерирует электромагнитные волны, а Луна лишь отражает свет.) 4. Лучи веером во все стороны. Объясните поговорку. (Так говорят о лучах света от точечного источника.) 5. Солнца в мешок не поймаешь. Объясните пословицу. (Потому что от него «лучи веером во все стороны».) По загадкам 6. Поутру - в сажень, В полдень - с ладонь, К вечеру - через поле хватает. (Тень.) Объясните изменение размеров тени. (Длина тени изменяется, так как изменяется высота солнца над горизонтом.) 7. Ты за ней - она от тебя, Ты от нее - она за тобой. (Тень.) Определите длину тени от человека, рост которого 1,8 м, в солнеч- ный день, если длина тени от метровой линейки равна 1,5 м. (2,7м.) 8. Ты упала мне под ноги, Растянулась по дороге. И нельзя тебя поднять, И нельзя тебя прогнать. На меня ты так похожа, Будто я шагаю лежа. (Тень.) 107
Измерения показали, что длина тени от человека в 1,7 раза мень- ше его натуральной высоты. Какова высота Солнца над горизонтом? (60°.) 9. Светит да не греет, только напрасно у Бога хлеб ест. (Луна.) К какому виду источников света относится Луна? (Луна отра- жает солнечный свет, т. е. не является тепловым источником.') Физический эксперимент Обнаружение тени и полутени. Приборы и материалы: источники света - лампочка на- каливания, свеча, люминесцентная лампа, экран и разные предметы. Задание: настройте источники света и поместите между экра- ном и источником света какой-нибудь предмет. Получите на экране четкую тень и полутень. Зарисуйте увиденное и объясните образо- вание тени и полутени. Сделайте вывод. Номер опыта Рисунок 1 Тень 2 S Полутень I Тень Полутень 3 S Полутень Тень S Полутень 2 У Вывод: полутень возникает при наличии нескольких источников света. Домашний эксперимент Возьмите метровую палку и на улице измерьте размер ее тени. Затем определите реальную высоту деревьев, домов, столбов, изме- ряя их тени. 108
Палка Объект длина, м длина тени,м высота, м длина тени,м 1 0,5 4 2 1 0,5 2 1 1 0,5 8 4 Проверка знаний и умений. Индивидуальные карточки-задания 1 2 1. Высота столба, дающего тень длиной 50 см, равна 2 м. Длина тени от дома 4 м. Определите высоту дома. (16 м.) 2. Определите положение тени и полутени: 1. Длина тени от ели высотой 2 м равна 40 см. Какова высота бере- зы, стоящей рядом, если длина тени от нее 2 м? (10 м.) 2. Определите положение тени и полутени: S S О Ответ: э 1. Длина тени дерева высотой 2 м равна 3 м. Какова высота столба, если длина тени от него 4,5 м? (Зм.) 2. Определите положение тени и полутени: Э 1. Длина тени от метровой линей- ки 50 см. Определите высоту до- ма, если длина тени от него 1 м 50 см. (2 м.) 2. Определите положение тени и полутени: S о Ответ: Ответ: 109
23. Отражение света Интересные факты 1. Серебрянка - это единственный паук, обитающий в воде на- ших пресных водоемов (на воде есть и другие). А серебрится он от пузырьков воздуха на волосках его тела. Вытащишь паучка из воды - и нет никакого серебра, обычный черный паучок. 2. Многие из вас наверняка испытывали чувство страха, увидев внезапно в темноте два светящихся глаза кошки. Каждый, кто когда- нибудь ловил рыбу или наблюдал за этим со стороны, помнит чув- ство восхищения, которое охватывает при взгляде на блестящую че- шую, переливающуюся цветными радугами. Оба явления - светя- щиеся глаза кошки и блеск рыбьей чешуи - возникают из-за способности некоторых биологических тканей отражать свет не хуже полированного металла. Качественные задачи и вопросы 1. Почему, не видя источника света, мы можем видеть предметы, окружающие нас? (Все предметы, которые мы видим, отражают свет.) 2. Почему Луна меняет свою форму на небосводе? (Луна отра- жает свет, идущий от Солнца. Поэтому с Земли мы видим только ту часть Луны, которая отражает свет. Во время новолуния Луна отражает свет в противоположную от Земли сторону, во время полнолуния мы видим весь свет.) 3. Почему Венера в телескоп видна в форме серпа? (Венера отражает свет от Солнца, мы видим только ту часть Венеры, которая отражает этот свет.) 4. Почему мы днем не можем видеть звезды? (Молекулы воздуха отражают свет. Поэтому в солнечный день мы не можем видеть звезд, мы видим отраженный свет от молекул воздуха, который намного ярче света звезд.) 5. Будем ли мы видеть звезды в течение суток с поверхности Луны? (С поверхности Луны мы сможем наблюдать звезды, на Луне нет атмосферы.) ПО
6. Постройте дальнейший ход лучей при зеркальном отраже- нии. '7ТТТПТТ Ответ: 7. Являетесь ли вы источником света? А ваша книжка? Как назы- ваются такие источники света? {Все мы являемся источниками отраженного света. Учебники по физике также являются ис- точниками отраженного от них света.) Оптические иллюзии т a Что шире: правая или левая фигуры? {Ширина одинакова.) Какое расстояние больше: ab или тп? (аЬ = тп.) 111
Задачи для любителей литературы 1. .. .И благовонных миртов ряд, И кедров гордые вершины, И золотые апельсины Зерцалом вод отражены... А. С. Пушкин. Руслан и Людмила Сделайте чертеж и покажите, как отражаются предметы в воде. Сформулируйте закон отражения света. (Закон отражения света: луч падения, перпендикуляр к поверхности в точке падения луча, луч отражения лежат в одной плоскости. Угол падения равен углу отра- жения.) 2. «Опять наступило молчание, и оба (Бегемот и Коровьев), находящие- ся на террасе, глядели, как в окнах, повернутых на запад, в верхних этажах громад зажигалось изломанное ослепительное солнце. Глаз Воланда горел так же, как одно из таких окон, хотя Воланд был спиною к закату» (М. А. Булгаков. Мастер и Маргарита). Какое физическое явление наблюдали Бегемот и Коровьев в этот момент? (Отражение света.) 3. Последний солнца луч златой На льдах сребристых догорает... М. Ю. Лермонтов. Кавказский пленник О каком явлении идет речь в этом отрывке? (Об отражении света.) 4. «Погода стояла прекрасная: белые круглые облака высоко и тихо не- слись над нами, ясно отражаясь в воде; тростник шушукал кругом; пруд ме- стами, как сталь, сверкал на солнце...» (И. С. Тургенев. Записки охотника). Вследствие чего так ярко сверкал пруд? (Вследствие отражения света.) 5. ...Пронеслась буря - И дождем, и градом Пролилась туча Над зеленым садом. 112
Боже! На листочках Облетевшей розы, Как алмазы, блещут Не мои ли слезы? Я. П. Полонский Почему капли воды, «как алмазы, блещут»? (Капли воды отра- жают солнечный свет и поэтому сверкают на солнце, как алмазы.) По загадкам 6. Я всегда со светом дружен. Если солнышко в окне, Я от зеркала, от лужи Пробегаю по стене. (Солнечный зайчик.) Объясните образование солнечного зайчика. (Отражение света от зеркала.) Задачи для любителей географии 1. Самым красивым водопадом в Исландии считают Гулдфаллс (Золотой водопад) на реке Хвитау, недалеко от Большого Гейзера. Двумя ступенями высотой 20 и 36 м падает тут река в узкое ущелье глубиной 70 м и мчится по нему пять километров до выхода на равнину. Живопис- ность водяных струй особенно выигрывает из-за контраста цветов молочно-белого потока (Хвитау по-исландски - белая) и иссиня-чер- ных базальтовых скал, на которые шумно обрушивается Гулдфаллс. Объясните причину контраста цветов. (От воды свет полностью отражается, и мы видим молочно-белый поток, базальтовые ска- лы свет полностью поглощают, поэтому мы видим черные скалы.) 2. Особой красотой отличаются бабочки Мадагаскара. Голиафа- самую крупную из них - нетрудно принять за птицу. Это коричневая бабочка с розовым брюшком. Удивительно живописна урания, спра- ведливо считающаяся самой красивой бабочкой в мире. Ее крылья переливаются, кажется, всеми возможными красками. Можно ли считать, что переливы на крыльях бабочки - следствие отражения света? (Да.) 3. На северо-западе США, в сердце Великих Равнин, недалеко от поросшего соснами невысокого хребта Блек Хиллс, находится уди- вительная гора. Услышанная от индейцев легенда побудила бледно- лицых переселенцев, пришедших в эти места, дать горе выразитель- ное название Девиле Тауэр, т. е. Башня Дьявола. Молнии ударяют в ее плоскую вершину, поскольку на обширной равнине Башня Дьяво- ла - единственный такого рода объект. 113
К какому виду источников света относится молния? (Молния - естественный источник света.) 4. Технология производства сусального золота в Мьянме сохра- няется со средневековья. Из золота сначала тянут тонкую проволоку, потом ее расплющивают молотками до толщины оберточной фоль- ги. Эту ленту режут на куски. Каждый квадратик золота переклады- вают плотной бумагой из бамбука, стягивают ремнями из оленьей кожи, в течение шести часов колотят деревянным молотком. Конеч- ный результат - тончайшие золотые кружочки, разлетающиеся даже от дыхания человека, находящегося на расстоянии метра. Перело- женными бумагой их продают верующим как жертвенное золото. Ослепительный золотой блеск храмов и пагод, буддийских божеств выделяет их даже среди ярких красок Мьянмы. Как объяснить ослепительный блеск сусального золота? Будет ли это золото блестеть в абсолютно черной комнате? (Блеск сусаль- ного золота - это следствие отражения света. В абсолютно чер- ной комнате золото блестеть не будет.) Физический эксперимент Изучение отражения света. Приборы и материалы: зеркало на подставке; лазерная указка; транспортир; штатив с лапкой; картон; экран. Задание: закрепите указку в лапке штатива. Получите отра- женный луч на экране. Мысленно проведите перпендикуляр к зерка- лу и измерьте угол падения и угол отражения. Измените угол паде- ния луча и повторите измерения. Сделайте вывод. Номер опыта Угол падения Угол отражения 1 30° 30° 2 45° 45° 3 60° 60° Вывод: угол падения светового луча равен углу отражения. 24. Зеркала Физический словарик Перископ (от греч. peri - возле, около и греч. skopeo - смотрю, наблюдаю) - оптический прибор с системой зеркал или призм, по- зволяющий вести наблюдение из укрытия. Фокус (от лат. focus - очаг, огонь) - основная точка оптической системы. 114
Историческая справка В IV в. до н. э. зародилась катоприка (от греч. катоприкос, что означает зеркальный) - раздел оптики, в котором изучают зеркала и принципы отражения света. Первые трактаты по оптике и катоприке принадлежат знаменитому геометру Евклиду, жившему в III в. до н. э. Его продолжатели - Архимед, Герои и Птолемей, изучая зеркала плоские, вогнутые, выпуклые, сферические, параболические, суме- ли достичь важных результатов. В частности, в сочинении Герона Александрийского описывается, как изготовить зеркало, в котором правая сторона будет видна слева, а левая - справа; как можно уви- деть то, что происходит сзади нас; наблюдать за тем, что делают люди на улице, не выходя из дому; видеть себя стоящим на голове, с тремя глазами и двумя носами и т. д. Похоже, греки знали толк не только в серьезной, но и в занимательной науке! Качественные задачи и вопросы 1. Угол падения луча на зеркало равен 30°. Чему равен угол отра- жения луча? (30°.) 2. Улитка движется к зеркалу со скоростью 1 см/мин. С какой скоростью приближается к зеркалу изображение улитки? (7 см/мин.) 3. Человек находится на расстоянии 2 м от плоского зеркала. На каком расстоянии находится от зеркала изображение? (2 м.) 4. При каком угле падения луча на зеркало падающий и отражен- ный лучи совпадают? (Приугле 0°.~) 5. Какими будут изображения в зеркалах? Ответ: 115
Оптические иллюзии Одинаковы ли эти отрезки? Да.) Параллельны ли эти линии? Да.) Одинаковы ли черные элипсы? Да.) Задачи для любителей литературы 1. ...Напрасно зеркало рисует Ее красы, ее наряд: Потупя неподвижный взгляд, Она молчит, она тоскует... А. С. Пушкин. Руслан и Людмила А как строится изображение в плоском зеркале? Расскажите об особенностях изображения в плоском зеркале. (Изображение в плос- ком зеркале строится на основе закона отражения света и облада- ет следующими особенностями: оно мнимое, прямое, симметрич- ное источнику относительно плоскости зеркала) 2. Смотри вдаль - увидишь даль, смотри в небо - увидишь небо, взглянув в маленькое зеркальце, увидишь только себя. Козьма Прутков Какие минимальные размеры должно иметь вертикальное зерка- ло (плоское), чтобы человек видел свое изображение в три четверти, в полный рост? (Если высота человека h, то, чтобы он видел себя в полный рост, необходимо плоское зеркало размерами 0,5h, а в три четверти - 0,375h) 3. «Ихтиандр оттолкнулся от люстры и поплыл к пальмам. Вдруг он в изумлении остановился. Навстречу ему плыл какой-то человек, повторяя его движения. «Зеркало», - догадался Ихтиандр. Это огромное зеркало за- 116
нимало всю стену, тускло отражая в воде внутреннее убранство салона...» (А. Р. Беляев. Человек-амфибия). Если Ихтиандр плыл со скоростью 5 м/с относительно зеркала, то с какой скоростью перемещалось его изображение относительно зеркала? (5 м/с.) По пословицам и поговоркам 4. Нечего на зеркало пенять, коли рожа крива. Какие особенности имеет изображение предмета в плоском зеркале? (Изображение в зеркале мнимое. Расстояние от зерка- ла до изображения равно расстоянию от предмета до зеркала. Линейные размеры предмета равны линейным размерам изоб- ражения.) 5. В кривом зеркале и рот на боку. А какие виды зеркал вы знаете? (Зеркала делятся на плоские; сферические: вогнутые и выпуклые; цилиндрические: вогнутые и выпуклые.) По загадкам 6. Языка нет, а правду скажет. (Зеркало.) Всегда ли зеркало «говорит» правду? (Нет. Существуют сфери- ческие зеркала, в которых изображения получаются уменьшенными или увеличенными.) 7. Я увидел свой портрет, Отошел - портрета нет. (Зеркало.) Мы видим свое изображение, стоя в двух метрах от зеркала. На каком расстоянии мы видим свое изображение? (4 м.) 8. И сияет, и блестит, Никому оно не льстит, А любому правду скажет - Все, как есть, ему покажет. (Зеркало.) Вы, стоя у плоского зеркала, держите свечу в правой руке. В ка- кой руке будет свеча у вашего изображения? (В левой.) Интересные факты 1. Обнаружить местонахождение людей в лесной чаще или в спасательной шлюпке среди океанских просторов не всегда легко. Весьма эффективным сигнальным средством служит зеркало. Сол- 117
нечный зайчик сигнального зеркала, изготовленного Чечони (ме- ханик дирижабля «Италия», потерпевшего катастрофу в Централь- ной Арктике весной 1928 г.) из деревянной дощечки, оклеенной ста- ниолем из-под плитки шоколада, оказался «единственным сигна- лом, который летчик своевременно заметил» (командир итальянского спасательного самолета). Действительно, вспышку от такого зеркала обнаруживают на расстоянии 24 км, т. е. раньше, чем любой другой визуальный сигнал. 2. Самым сложным и непреодолимым препятствием в Арктике считается открытая вода - разводье и полыньи. Узнать о них можно заранее по цвету неба, в котором, словно в гигантском зеркале, отра- жается поверхность океана. Цвет неба над этим местом более свет- лый. 3. Внутренние оболочки глаза у кошки подобны вогнутому зерка- лу. Они собирают все лучи света в одну точку и сконцентрирован- ным направленным пучком отражают их. Отраженный и более яр- кий пучок света выходит через зрачок и особенно хорошо заметен в темноте. Вот почему глаза кошки горят, как два маленьких прожек- тора. Физический эксперимент Изучение свойств плоского зеркала. Приборы и материалы: зеркало, свеча, линейка, спички. Задание: установите зеркало напротив горящей свечи так, что- бы получить в нем изображение свечи. Измерьте расстояние от све- чи до зеркала, а также размеры свечи и изображения. Измените рас- стояние от зеркала до свечи и проделайте вновь измерения изобра- жения. Сделайте рисунок и вывод. Номер опыта Расстояние от свечи до зеркала, м Размеры, м предмета изображения 1 0,2 0,4 0,4 2 0,3 0,4 0,4 3 0,4 0,4 0,4 Вывод: плоское зеркало дает мнимое прямое изображение, равно- великое источнику. 118
Проверка знаний и умений. Индивидуальные карточки-задания 2 1. Построить отраженные лучи: 1. Построить отраженные лучи: 2. Построить изображение в плоском зеркале: 2. Построить изображение в плоском зеркале: А В 777/7777/7 7777777777 Ответ: 7777777777 Ответ: 1. Построить отраженные лучи: Ответ: 119
Физический словарик Рефракция (от лат. refractio - преломление) - искривление на- правления распространения световых волн из-за неоднородности среды. Историческая справка Закон, которому подчиняется преломление, пытались найти сна- чала греческие, а позже арабские ученые. Вителлин, поляк по проис- хождению, живший в Италии в XIII в., обнаружил свойство обрати- мости световых лучей: углы между лучами и перпендикуляром к поверхности не зависят от того, с какой стороны свет пересекает преломляющую поверхность. Но автором закона преломления счи- тается голландец Виллеброрд Спелль (Снеллиус), эксперименталь- но открывший его в 1621 г. Спелль утверждал, что отношение синуса угла падения к си- нусу угла преломления постоянно. Впоследствии было обнару- жено, что чем оптически плотнее вещество, тем больше это отно- шение. Постоянную величину назвали показателем преломления. 120
Интересные факты 1. Немало помех в Арктике создает рефракция, вызванная разно- стью температур нижних слоев воздуха и воды. Луч зрения, проходя через среды разной плотности, преломляется в горизонтальном и вертикальном направлениях, искажая наблюдаемые на горизонте предметы. Вследствие рефракции видимый горизонт понижается или, что бывает чаще, повышается. Признаком появления миража обыч- но служит волнообразное дрожание горизонта, возникновение в ат- мосфере легкой мглы. Ход лучей при наблюдении верхнего (а) и нижнего (6) миражей: Ход лучей при наблюдении нижнего миража Ход лучей при наблюдении верхнего миража а 2. Многие слышали легенду о «Летучем голландце», в существо- вание которого в прошлые века верили моряки всего земного шара, - призрачном парусном судне необычайно больших размеров без ви- димой команды на борту. Оно внезапно появлялось, безмолвно плы- ло, не отвечая на сигналы, и также внезапно исчезало. Встреча с «Ле- тучим голландцем» считалась роковой, надо было ждать шторма или другой беды. Что же в действительности представлял собой «Летучий голлан- дец»? Это был, без сомнения, верхний мираж, т. е. изображение како- го-либо обыкновенного парусного судна, находящегося где-то далеко за горизонтом, а его увеличенное и искаженное изображение появля- лось в воздухе. Теперь «Летучий голландец» в виде парусного судна уже не появляется, поскольку парусные суда стали редкостью. Уви- деть же миражи судов, плывущих за видимым горизонтом, можно до- вольно часто. (По книге С. В. Зверевой «В мире солнечного света».) 3. Оазисы в Сахаре редки. Когда перед измученным долгой доро- гой путешественником возникают на горизонте желанные очертания оазиса, проводник-араб лишь отрицательно качает головой. Он зна- ет, что до оазиса еще десятки километров пути под палящим солн- цем, а то, что путник «видит» собственными глазами, всего лишь мираж. Этот оптический обман порой вводит в заблуждение даже опытных людей. Бывалые путешественники, прошедшие по пескам 121
не один экспедиционный маршрут и не один год изучавшие пусты- ню, случалось, тоже становились жертвами миражей. Во власть ми- ража попадали иной раз и опытные проводники караванов. Однаж- ды 60 человек и 90 верблюдов погибли в пустыне, следуя за мира- жом, который увлек их на 60 км в сторону от колодца. 4. В 1118 г., в царствование короля английского Генриха I, на небе появились одновременно две полные луны, одна - на западе, а дру- гая - на востоке. В том же году король победил в битве. 5. В 1157 г. в Италии появились три солнца, а посередине луны был виден белый крест; понятное дело, летописец это тотчас связал с раздорами, сопровождавшими избрание нового Папы римского. 6. В 1532 г. около Инсбрука видели в воздухе чудесные изобра- жения верблюдов, волков, изрыгающих пламя, и, наконец, льва в ог- ненном круге... 7. У берегов Сицилии над морем на восходе солнца часто появ- ляются сказочные дворцы, воздушные башни и замки, люди-велика- ны, гигантские деревья и животные; они сходятся и расходятся, до- гоняют один другого, изменяют свои формы, одна картина сменяет- ся другой. Наконец, бывает и так: находясь у горизонта, солнце вдруг начинает изменять свой вид. Круглый его диск превращается в тре- угольник, через секунду мы видим его уже в виде гриба, затем солнце принимает форму яйца. Изменяется цвет солнца, особенно заметны переливы красного и оранжевого цветов. Мало того, солнце еще танцует - то поднимается, то исчезает из глаз, то появляется вновь... Качественные задачи и вопросы 1. Может ли скорость в какой-либо среде быть больше 300 000 км/с? (Нет.) 2. Мы наблюдаем свет через стеклянную банку. Сколько раз прело- мился световой луч на пути до нашего глаза? (Свет преломился 4 раза) 3. Свет идет от Солнца. Сколько раз он преломляется? (Отве- тить на этот вопрос невозможно, так как плотность атмосферы постоянно изменяется. Сколько раз меняется плотность атмосфе- ры, столько раз преломляется световой луч.) Оптические иллюзии Э—< > < > < > На равные ли отрезки разделена эта прямая? (Да.) Круг ли это? (Да.) 122
Задачи для любителей истории 1. Из свидетельства русского летописца: «В 7293 г. (т. е. в 1785 г. по нашему летосчислению) явилось знамение в имени- том граде Ярославле, с утренних часов стоял... круг до полудня с тремя солнцами, и при них к полудню явился второй круг, в нем крест с короною, и солнце мрачное, и под большим кругом явилось подобное радуге». Как объяснить описанное летописцем явление? {Атмосфера Зем- ли находится в постоянном движении. Ледяные кристаллики, опус- каясь и поднимаясь в потоках воздуха, то подобно зеркалу отража- ют, то подобно призме преломляют падающие на них солнечные лучи. В результате появляются на небе ложные солнца и другие обманчи- вые картины.) 2. В 1815 г. произошло знаменитое в истории наполеоновских войн сражение при Ватерлоо. В книге «Атмосфера» К. Фламмари- он приводит свидетельство жителей бельгийского города Вервье о том, что они видели в этот день на небе вооруженных людей - ар- тиллеристов. Между Ватерлоо и Вервье 105 км. И вот что удиви- тельно: мираж передал очертания далеких предметов так, будто до них рукой подать. В Вервье заметили даже, что у одной пушки сло- мано колесо! Где чаще всего можно наблюдать миражи? Объясните происхож- дение миража. {Чаще всего миражи наблюдаются в пустынях. Они возникают при необычном распределении плотности воздуха по вы- соте, когда на некоторой высоте имеется сравнительно тонкий слой очень теплого воздуха. Этот слой играет роль воздушного зеркала, отражающего попадающие в него световые лучи.) 3. 1242 год. На льду Чудского озера с тевтонскими рыцарями, закованными в железо, яростно сражались воины Александра Не- вского. В разгар сражения темная северная часть небосвода стала светлеть. Свет был необычный. Как будто где-то за горизонтом за- жглась гигантская свеча, пламя которой, колеблемое ветром, вот-вот готово погаснуть. Затем небо прорезал длинный зеленый луч и тут же пропал. Через мгновение над горизонтом появилась светящаяся зеленоватая дуга. Она становилась все ярче и ярче, поднималась все выше и выше. Вдруг из нее вылетел сноп ярких подвижных лучей - красноватых, бледно-зеленых, фиолетовых. Необычный свет озарил снег, воинов... «Небесное знамение!» - заговорили рус- ские, крестясь. Какое физическое явление наблюдали воины на Чудском озере? {Полярное сияние.) 123
Физические эксперименты 1. Наблюдение преломления света на границе воздух - вода, воз- дух - бензин, воздух - масло. Приборы и матер и ал ы: три прозрачных стакана; сосу- ды с водой, бензином, маслом; тела разной формы; стеклянная палочка. Задание: опустите стеклянную палочку в сосуды с водой, бензином, маслом и посмотрите на стакан сбоку и сверху. Что про- исходит при этом со стеклянной палочкой? Зарисуйте увиденное. Опустите на дно сосудов какое-нибудь тело и посмотрите на него сверху. Что вы наблюдаете? Сделайте вывод. Номер опыта Наблюдение сбоку Наблюдение сверху 1 Стеклянная палочка Палочка делится 2 кажется сломанной на на две части 3 границе жидкость - воздух Вывод: лучи на границе двух оптически прозрачных сред прелом- ляются. 2. Наблюдение преломления света в стекле. Приборы и материалы: две-три стеклянные призмы; ла- зерная указка; экран; лист белой бумаги; транспортир. Задание: положите призму на бумагу и направьте на одну из граней луч указки, карандашом прочертите ход лучей в стек- ле. Дополнив рисунок изображением призмы, измерьте углы па- дения (а,) и преломления (а2) и рассчитайте показатель прелом- ления п стекла. (При необходимости используйте таблицы сину- сов.) Повторите эксперимент со следующей призмой. Сделайте вывод. Номер опыта При входе в призму При выходе из призмы угол падения, град. угол преломления, град. угол падения, град. угол преломления, град. 1 60 45 30 37 2 60 35 40 74 Вывод: имеет место равенство прта. = прта.2 124
Проверка знаний и умений. Индивидуальные карточки-задания' 125
26. Линзы Физический словарик Диоптрия (от греч. diopter- видящий насквозь) - единица опти- ческой силы линз, равная оптической силе линзы с главным фокус- ным расстоянием 1 м. Линза (от нем. linse - чечевица) - прозрачное оптическое стекло, ограниченное правильными, большей частью сферическими, повер- хностями. Историческая справка Человек всегда мечтал увидеть мелкие предметы лучше и побли- же. Но невооруженным глазом сделать это крайне тяжело. Историки предполагают, что первые увеличительные стекла появились около 700 г. до н. э. на Среднем Востоке. Известно множество приспособ- лений, основной деталью которых являются линзы. Интересный факт Насекомые существуют на Земле более 300 млн лет. Большин- ство из них не претерпело каких-либо важных изменений за послед- ние десятки миллионов лет. Поэтому их вполне можно считать «жи- выми динозаврами». Спасаясь от врагов, они полагаются, в основ- ном, на свое зрение. Несмотря на различный образ жизни, устрой- ство глаз почти у всех насекомых одинаковое: фасеточное. Фасеточ- ный глаз состоит из омматидиев - отдельных глазков, которые смотрят в разных направлениях. В каждом омматидии есть своя линза; она фокусирует свет на несколько фоторецепторных клеток, объединен- ных в зрительную палочку. Свет, воздействуя на эти клетки, вызыва- ет последовательность нервных импульсов, передаваемых в мозг на- секомого по зрительному нерву. Качественные задачи и вопросы 1. Какие линзы вы знаете? (Собирающие и рассеивающие свет.') 2. Почему фокус у рассеивающей линзы называют мнимым? (Фо- кус называется мнимым потому, что через него проходят не лучи света, а прямые, продолжающие их.) 3. Почему капельки воды на теле человека могут в летнюю жару причинить вред? (Капельки дождя, подобно линзам, собирают свет в фокусе, что увеличивает световое воздействие на кожу.) 126
4. Где используются линзы? (В оптических приборах: микроско- пах, биноклях, телескопах, очках, лупах и др.) 5. Оптическая сила линз 5 дптр, -3 дптр. Что можно сказать об этих линзах? (Первая - собирающая линза с фокусным рас- стоянием 20 см, вторая - рассеивающая с фокусным расстояни- ем 33 см.) 6. Может ли оптическая сила линзы быть равна 0 дптр? (В этом случае фокусное расстояние должно быть бесконечным. Таких линз нет, это обычная плоскопараллельная пластинка.) 7. Постройте изображение предметов в тонких линзах. 127
8. Зная расположение предмета и изображения, определить мес- то расположения и вид линзы. 9. Сколько фокусов имеют линзы? (Два фокуса - по одному с каж- дой стороны.') 10. Какую величину называют оптической силой линзы? (Физи- ческую величину, обратную фокусному расстоянию.) 11. От чего зависит вид изображения и его место? (От располо- жения предмета и линзы.) 12. Какие линзы характеризуются оптической силой 1 дптр, -1 дптр? (Линзы с фокусными расстояниями 1 м, -1 м.) 13. Для чего человеку нужны очки? (Глаза человека - очень слож- ный оптический механизм. У некоторых глаз есть недостатки: чет- кое изображение получается либо до сетчатки, либо после нее, эти недостатки называются близорукостью и дальнозоркостью. Для устранения близорукости используют рассеивающие линзы, дально- зоркости — собирающие.) Оптические иллюзии «--Прямая ли это линия? Да.) 128
Параллельны ли эти прямые? (Да.) Прямая ли это линия? (Да.) Задача для любителей географии Как раздобыть огонь, если под рукой нет ни спичек, ни огнива? Туристы и путешественники знают, что огонь добывают с помощью зажигательного стекла, сфокусировав солнечные лучи на листке бу- маги или мхе. Зажигательным стеклом может служить линза фото- аппарата, стекло очков или бинокля. Изготовить линзу легко из двух стекол от часов: нужно сложить их вместе и заполнить пространство между ними водой, а края зама- зать глиной или смолой от хвойных деревьев. Каковы фокусное расстояние и оптическая сила линзы (в диопт- риях), собранной из двух стекол от часов, если свет от солнца фоку- сируется в точке, удаленной на расстояние 20 см от нее? (Фокусное расстояние 20 см, оптическая сила 5 дптр.) Физические эксперименты 1. Определение фокусного расстояния и оптической силы линзы. Приборы и матер налы: две-три собирающие линзы; экран. Задание: используя удаленный источник света (Солнце, свечу, лампочку в классе), с помощью линзы получите на экране четкое изображение. Измерьте фокусное расстояние и вычислите опти- ческую силу линзы. Номер опыта Фокусное расстояние, м Оптическая сила линзы, дптр 1 0,2 5 2 0,4 2,5 3 0,05 20 129
2. Получение изображения при помощи линзы. Приборы и материалы: две-три собирающие линзы; эк- ран; свеча; спички (или источник тока и лампочка). 3 а д а н и е: с помощью линзы получите изображения, когда пред- мет находится за двойным фокусом линзы, на двойном фокусном расстоянии, между фокусом и линзой. Опишите получившиеся изоб- ражения. Повторите опыты с другой линзой. Номер опыта Фокусное расстояние, м Расстояние от предмета до линзы, м Вид изображения 1 0,2 0,4 Перевернутое Действительное Равное предмету 2 0,2 0,6 Перевернутое Действительное Уменьшенное 3 0,2 0,1 Прямое Мнимое Увеличенное Проверка знаний и умений. Индивидуальные карточки-задания 1 2 1. Фокусное р 25 см. Чему р: сила? (4 дптр 2. Постройте i предмета в toi В . F | асстояние линз шна их оптическая ) пображение «кой линзе 1. Оптическая ci хороших микро< Определите фок объектива. (0,00 2. Постройте из< тонкой линзе. В «ла объектива жопов 400 дптр. усное расстояние 25 м.) збражснис в А , Ответ: S - ЧчВ' " - ч в F От F вет: 3 F А’ F К .-'Д 4 F' П Г со U- 130
3 4 1. Оптическая сила линзы 1. Фокусное расстояние -2,5 дптр. Определите ее рассеивающей линзы 400 мм. фокусное расстояние. (-0,4 м.) Определите ее оптическую силу. (-2,5 дптр.) 2. Постройте изображение 2. Постройте изображение в тонкой линзе. в тонкой линзе. Е Y АВ F F F F 1 Ответ: Ответ: Е 5 . А' АВ 'f 1 F В' А' 27. Оптические приборы Физический словарик Бинокль (от франц, binocle, лат. bini - два и oculus - глаз) - опти- ческий прибор, предназначенный для наблюдения за удаленными объектами земной среды двумя глазами. Диапозитив (от греч. dia - через и лат. positivus - положитель- ный) - цветное или черно-белое фотографическое (позитивное) изоб- ражение на прозрачной подложке (стеле, пленке), рассматриваемое на просвет или проецируемое на экран. Камера-обскура (от лат. camera obscura - темная комната) - при- бор в виде ящика с небольшим отверстием в передней стенке; прохо- дящие через него лучи света от какого-либо предмета дают на зад- ней стенке ящика обратное изображение предмета. Лупа (от франц, loupe} - собирающая линза в оправе, увеличива- ющая размеры рассматриваемых мелких предметов в 2-50 раз. Микроскоп (от греч. micros - маленький и scopeo - смотрю) - опти- ческий прибор, содержащий сложную систему линз, для получения уве- личения изображения неразличимых невооруженным глазом предметов. Монокуляр (от греч. mono - один и лат. ocularis - глазной) - оптический прибор с одним окуляром, например подзорная труба. 131
Негатив (от лат. negativus - отрицательный) - обратное изобра- жение объекта на обработанной пластинке с пленки. Объектив (от лат. objectivus - предметный) - часть оптического прибора - линза или система линз. Через объектив лучи от источни- ка попадают в прибор. Позитив (от лат. positivus - положительный) - фотографическое изображение, получаемое с негатива и соответствующее действитель- ному. Телескоп (от греч. tele - вдаль, далеко и skopeo - смотрю) - астрономический инструмент для наблюдения небесных светил. Фотография (от греч. photos - свет и grapho - пишу) - изобра- жение предметов на фоточувствительных материалах. Историческая справка Одним из создателей телескопа считают голландского инженера Ханса Липперсгея. Именно он впервые вставил в длинную трубку с двух сторон увеличительные стекла и посмотрел на мир другими глазами. Галилео Галилей построил телескоп, который увеличивал пред- меты в 30 раз, и наблюдал в него Луну и движение планет. Этот теле- скоп получил название рефрактор. В 1668 г. Исаак Ньютон создал телескоп, в котором использовал наряду с линзами сферические зеркала. Такой телескоп получил на- звание рефлектор. Уильям Гершель усовершенствовал телескоп Нью- тона, используя зеркала диаметром 1,2 м. С помощью этого телеско- па он открыл планету Уран и множество звезд и комет. В конце XVI в. появились первые микроскопы. Создателем микро- скопа считают голландского оптика Ханса Янсена. Его микроскоп состоял из двух линз: одна увеличивала изображение, вторая служи- ла для дополнительного увеличения. Роберт Гук создал микроскоп, дающий более четкое изображение, чем микроскоп Янсена. В 1280 г. итальянский физик Сальвино Армати изготовил первые очки - линзы, улучшающие зрение людей. Томас Юнг и Джон Гер- шель реализовали идею Леонардо да Винчи о контактных линзах. На глаз Гершеля был нанесен слой прозрачного геля, который позво- лил устранить дефект зрения. * * * Самый большой телескоп-рефлектор установлен на вершине Мауна-Кеа - самой высокой горы на Гавайях. Телескоп уникален тем, что его рефлектор имеет десятиметровый диаметр. 132
Оптические приборы в медицине (Ц. Б. Кац) Для осмотра носоглотки, трахеи, бронхов, желудка и др. приме- няют эндоскопы, которые состоят из источника света и смотровой трубки - сложного .оптического прибора с разным числом линз и призм. В современных эндоскопах применяют волоконную оптику, используют до нескольких тысяч стекловолокон толщиной до 10 мкм, скрепленных на концах, благодаря чему создается большая гибкость аппарата. Передача света по стекловолокну основана на явлении внут- реннего отражения света от стенок, благодаря чему изгиб светопро- водящего жгута нс нарушает условий светопередачи, а изображение не искажается даже при значительном сгибании фиброскопа. С по- мощью этого прибора получают разнообразную информацию о со- стоянии органов, фотографируют их, осуществляют и оперативные вмешательства. Прибор помогает останавливать кровотечения и вво- дить лекарственные вещества непосредственно в орган, а также уда- лять инородные тела. Качественные задачи и вопросы 1. Что является главной частью оптических приборов: микроско- па, фотоаппарата, лупы, увеличителя, диапроектора, кинопроекто- ра? (Линзы и зеркала.) 2. Какие изображения дают фотоаппараты, диапроектор, увели- читель, микроскоп? (Фотоаппарат - действительное, переверну- тое, уменьшенное; увеличитель - действительное, перевернутое, увеличенное; диапроектор — действительное, перевернутое, увели- ченное; микроскоп —увеличенное, действительное, перевернутое.) 3. Приведите примеры использования фотоаппарата. (В быту, астрономии, медицине, геологии и т. д.) 4. Какое изображение называют негативным, позитивным? (Не- гативное изображение — обратное, позитивное - соответствую- щее действительному.) 5. Какие виды телескопов вы знаете? (Рефлектор и рефрактор.) 6. Кто создал первый телескоп? (Одним из создателей телескопа считается голландский оптик Ханс Липперсгей.) 7. Кто изготовил первые очки? (Предполагают, что первые очки изготовил итальянский физик Сальвио дельи Армати в 1820 г., Леонардо да Винчи выдвинул идею о контактных линзах, а на прак- тике эту идею воплотили сыновья Уильяма Гершеля Томас Юнг и Джон Гершель в XVIII в.) 8. Кто создал первый микроскоп? (Считается, что первый микроскоп создал голландец Ханс Янсен в XVI в.) 133
Оптические иллюзии Какой квадрат больше: черный ле- вого рисунка или внешний право- го? (Квадраты равны.) Какие отрезки длиннее: левые или правые? (Отрезки равны.) Что это за четырехугольник? (Квадрат.) Задачи для любителей литературы 1. «...В его время снимали со вкусом, с расстановкой, это была опера- ция не шуточная, пациент должен был замереть надолго, - еще не пришло время, вместе с моментальной фотографией, разрешение на улыбку. Слож- ностью светописи объяснялись увесистость и крепость бравых дедушки- ных поз на бледноватых, но очень добротных фотографиях...»(В. В. Набо- ков. Подвиг). Когда появилась первая фотография и кто ее создатель? (В 1826 г. Ее выполнил французский физик Жозеф Ньепс.) 2. «Прекрасны свет и тишина лабораторий: как ныряльщик скользит сквозь воду с открытыми глазами, так, не напрягая век, глядит физиолог на дно микроскопа». (В. В. Набоков. Подвиг.) Когда и кем был создан первый микроскоп? (В конце XVI в. гол- ландцем Хансом Янсеном.) По загадкам 3. Своих глаз нет, А видит далеко. (Бинокль.) Какие оптические приборы вы знаете? (Телескоп, микроскоп, очки, фотоаппарат и т. д.) 134
Кроссворд 1. Точка, лежащая на оптичес- кой оси, в которой пересекают- ся световые лучи. 2. Видимое излучение. 3. Явление, проис- ходящее со светом на границе двух сред. 4. Особо твердое вещество. 5. Раздел физики, изучающий световые явления. 6. Неполная тень. 7. Бывает со- бирающая, бывает рассеиваю- щая. 8. То, что мы видим в зер- кале. 9. Плоское, сферичес- кое... 10. Явление, благодаря которому мы видим окружаю- щие нас предметы. Ответы: 1 - фокус, 2 - свет, 3 - преломление, 4 - алмаз, 5 - оптика, 6 - полутень, 7 - линза, 8 - изображение, 9 - зеркало, 10- отражение. Ключевое слово: фотоаппарат. 28. Глаз и зрение Физический словарик Аккомодация (от лат. accomodatio - приспособление, приноров- ление) - в частности, приспособление глаза к ясному видению изме- нением преломляющей силы его хрусталика. Окуляр (от лат. ocularis - глазной) - обращенная к глазу часть оптического прибора, состоящая из двух или более линз. Оптика (от греч. optike - наука о зрении) - 1) раздел физики, изучающий процессы излучения света, его распространение в раз- ных средах и взаимодействие света с веществом; 2) собирательное название оптических приборов и систем. Интересные факты Поле зрения неподвижного глаза около 160° по горизонтали и около 130° по вертикали. Сетчатка, на которой формируется изображение объекта, содер- жит около 130 млн светочувствительных клеток (125 млн палочек и 135
5-7 млн колбочек), преобразующих падающее световое излучение в электромагнитные импульсы. Колбочки работают при дневном освещении и обеспечивают цен- тральное цветное зрение. Палочковый аппарат обладает меньшей остротой зрения, но зато большей чувствительностью. Средние оптические константы глаз здорового человека Диаметр глазного яблока у взрослого, мм.......................23-24 Диаметр глазного яблока у новорожденного, мм..................«16 Объем глазного яблока, см3....................................6,5 Масса глазного яблока, г...................................... 15 Число палочек в сетчатке глаза................................« 7-106 Число колбочек в сетчатке глаза...............................® 10-108 Показатель преломления роговицы............................... 1,38 Показатель преломления водянистой влаги и стекловидного тела.. 1,34 Показатель преломления вещества хрусталика.................... 1,44 Оптическая сила роговицы, дптр................................40 Фокусное расстояние хрусталика, мм............................69,9 Фокусное расстояние (переднее) полной системы глаза, мм....... 17,06 Фокусное расстояние (заднее) полной системы глаза, мм.........22,78 Оптическая сила полной системы глаза, дптр....................58,64 Диаметр зрачка при очень больших яркостях, мм.................<2 Диаметр зрачка при очень малых яркостях, мм...................6-8 Качественные задачи и вопросы 1. Как называется способность глаза видеть как на близком, так и на далеком расстояниях? (Аккомодация.) 2. Каков предел этой способности глаза? (Предел аккомодации наступает на расстоянии 12 см от глаза.) 3. Каково расстояние наилучшего видения, при котором детали предмета можно рассматривать без напряжения? (Для нормального глаза примерно 25 см.) 4. Какие недостатки зрения вы знаете? (Близорукость и дально- зоркость.) 5. Какие линзы используют, изготовляя очки для близоруких? (Рассеивающие линзы.) 6. Какие линзы используют, изготовляя очки для дальнозорких? (Собирающие линзы.) 7. В «Оптике» над очками таблички: +2 дптр, —4 дптр, -0,5 дптр, +1 дптр, +5 дптр, -2,5 дптр. Для каких людей предназначены эти очки? Вычислите их фокусные расстояния. (Очки с положительны- ми
ми диоптриями - с собирающими линзами - для дальнозорких лю- дей; с отрицательными — рассеивающими линзами — для близоруких. Фокусные расстояния линз этих очков равны соответственно 0,5; —0,25; -2; 1; 0,2; -0,4 м.) Задачи для любителей литературы 1. «Наконец вылетели на площадку, где, как поняла Маргарита, ее во тьме встречал Коровьев с лампадкой. Теперь на этой площадке глаза слеп- ли от света, льющегося из хрустальных виноградных гроздьев» (М. А. Бул- гаков. Мастер и Маргарита). Как менялся диаметр зрачка у Маргариты в этом случае? (Уменьшался. В темной комнате зрачок большой, а на освещенной площадке - маленький.) По загадкам 2. Сидит Пахом на коне верхом, Книги читает, а грамоты не знает. (Очки.) А для чего человек носит разнообразные очки? (В солнечный день человек надевает темные очки (светозащитные), чтобы уменьшить световой поток, падающий на сетчатку глаза. Рыбаки надевают поляризационные очки, чтобы при рыбалке на глаза не действовали отблески от воды. А вот для чтения книг многие люди, у которых имеются недостатки зрения — близорукость и дальнозоркость, — надевают очки с линзами: рассеивающими — при близорукости, соби- рающими - при дальнозоркости.) 3. Два соседа - непоседы. День - на работе, Ночь - на отдыхе. (Глаза.) Расскажите об устройстве глаза. Как изменилась бы картина мира, если бы у нас был только один глаз? (Глаз человека имеет почти шарообразную форму, он защищен плотной оболочкой — склерой. Пе- редняя часть склеры -роговая оболочка (роговица), за ней —радуж- ная оболочка. Между роговицей и радужной оболочкой - водянис- тая жидкость. В радужной оболочке есть отверстие - зрачок, за ним находится прозрачное тело, по форме похожее на двояковыпук- лую линзу — хрусталик, который окружен мышцами. За хрустали- ком расположено стекловидное тело. Задняя часть склеры покры- та сетчаткой, которая состоит из нервных окончаний. Благодаря зрению двумя глазами мы видим предмет объемным, не плоским.) 137
Интересные факты 1. Кошка перед телевизором совсем не редкость. Особенно хок- кей любит смотреть и ловить... то шайбу, то игрока. Кошка хорошо различает цвет только при одном условии. Размер созерцаемого дол- жен быть как можно больше - когда угол зрения превысит 45°, а для этого надо сесть поближе к телевизору. 2. Цветовое зрение у быков, как и у большинства млекопитаю- щих, развито слабо. Бык практически не различает цветов, и ему все равно, красная, зеленая или синяя тряпка будет в руках у тореадора. В возбуждение быка приводит не цвет, а вид полощущейся на ветру материи и движения самого тореадора. 3. Наш глаз весит всего 7-8 г, его диаметр 2,5 см. Он четко разли- чает предметы на расстоянии 60 м, может ночью разглядеть источник света, удаленный на 27 км. Чтобы видеть четкие очертания предмета, он должен находиться на расстоянии 7-40 см (ближе они расплывают- ся); это минимальное расстояние зависит от возраста: в 10 лет - 7 см, в 20 лет-15 см, в 50 лет - 40 см. Такое увеличение обусловлено разви- вающейся с возрастом дальнозоркостью. При хороших условиях ви- дения и освещения глаза могут различать до 10 млн оттенков цвета. 29. Оптические явления Интересные факты 1. Заря - одно из наиболее красочных световых явлений природы, воспетое поэтами всех времен и народов. С зарей связано много ле- генд, сказаний, мифов. Зарю обожествляли. Древние греки считали, что заря наступает, когда богиня Эос мчится на колеснице, запряжен- ной белыми лошадьми, возвещая появление своего брата Гелиоса - бога Солнца. Римляне называли богиню утренней зари Авророй. Образ зари всегда был популярен в искусстве, он нашел отраже- ние в скульптуре, живописи, музыке. Опускаясь к горизонту, Солнце быстро теряет яркость и начина- ет менять свой цвет: золотисто-желтый переходит в желтый, оран- жевый и, у самого горизонта, в темно-красный. Одновременно окра- шивается и западная часть небосвода у горизонта. Когда Солнце уже близко к горизонту, небо вокруг него становится золотисто-желтым, ниже оранжевым и у самого горизонта красным или темно-красным. Это заря, или сияние зари, в узком смысле этого слова. Заря наибо- лее красива сразу после захода Солнца. При большой прозрачности воздуха краски зари наиболее чисты в ее верхней части, где золотис- то-желтый цвет переходит в зеленоватый и зеленый. 138
2. В Древней Греции и Древнем Риме видимый небесный купол считали твердым сводом, закрывающим Землю сверху. По Клавдию Птолемею (II в. н. э.), небосвод представляет набор кристалличе- ских сфер, по которым вращаются светила: Луна, Меркурий, Солнце, Венера, Марс, Юпитер, Сатурн. Позднее, в средние века, ученые- схоласты спорили, из чего сделан небесный свод: из стекла, хруста- ля или драгоценных синих камней, например сапфиров? Правильное объяснение, что же представляет собою небесный свод, дал в XV в. Леонардо да Винчи. В книге «О живописи» он пи- сал: «Синева неба происходит благодаря толще освещенных частиц воздуха, которая расположена между Землей и находящейся наверху чернотой». Однако и во времена Леонардо да Винчи, и даже столе- тия спустя ученым, таким как Джордано Бруно, Джулио Ванини, все еще приходилось бороться с догмами церкви и религиозными пред- ставлениями о Вселенной, разбивая представление о небе, как о «кри- сталле», т. е. чем-то твердом. Окружающий нас воздух совершенно бесцветен. Даже не очень чистый воздух приземного слоя атмосферы в городах оказывается более прозрачным в сравнении с самой прозрачной жидкостью или с самым прозрачным оптическим стеклом. Если смотреть через слой воздуха толщиной в несколько метров, то мы не видим его совсем. Если же толщина воздушного слоя достигает нескольких километ- ров, мы видим дымку, которая затягивает удаленные предметы. Вся же атмосфера в целом создает светлый голубой купол небосвода. И происходит это благодаря ее огромной толще. 3. Весной во время тумана на Шпицбергене можно наблюдать необычное оптическое явление, которое именуется глория. Низкое полярное солнце отбрасывает на пелену тумана и низкие облака длин- ные тени предметов, которые окружены радужным контуром. Изве- стный полярный исследователь Руал Амундсен, совершивший по- садку на самолете во льдах к северу от Шпицбергена, так описывал глорию: «В стороне от нас, в тумане, я увидел полное отражение нашей машины, окруженное ореолом всех цветов радуги. Зрелище изумительное, красивое и своеобразное». Оптические иллюзии Какой отрезок больше: АС или ВС? (АС = ВС.) аб - прямая или ломаная линия? (Прямая.) 139
Задачи для любителей литературы По пословицам и поговоркам 1. Высокая и крутая радуга - к ведру, пологая и низкая - к ненастью. Что мы называем радугой и как она образуется? В каком случае она будет крутая, а в каком - пологая? (Радуга - оптическое явление, связанное с различным преломлением света разного цвета в капель- ках воды. Вид радуги зависит от формы капель. При падении в воз- духе крупные капли сплющиваются, т. е. теряют свою сферичность. Чем сильнее сплющиваются капли, тем меньше радиус образуемой ими радуги?) 2. Радуга-дуга, перебей дождя. (Говорят, будто после радуги дождю скоро конец.) Почему радуга всегда связывается с дождем? А может ли раду- га появиться без дождя? (Радуга может появиться и во время дож- дя, и перед дождем, и после дождя, в зависимости от того, как перемещаются облака на небе. Радуга образуется при прохожде- нии солнечного света через каплю воды. Параллельный пучок све- та, падающий на каплю, при выходе из капли оказывается сильно расходящимся. Радугу можно создать и без дождя — в лаборатор- ных условиях получают радугу от подвешенной капли дистиллиро- ванной воды.) По загадкам 3. Голубой платок, Красный колобок: По платку катается, Людям усмехается. (Солнце, небо.) Почему иногда солнце мы видим в виде красного колобка? (Сол- нечный свет при прохождении через атмосферу, в основном, теря- ет за счет рассеяния коротковолновые лучи (фиолетовые, синие, голубые). Чем больше толщина атмосферы, тем больше рассеива- ется коротковолновая часть спектра, и до нас доходят преимуще- ственно длинноволновые лучи - оранжевые, красные.) 4. Синие крылья Весь мир накрыли. (Небо.) Почему небо мы видим синим? (Вся атмосфера в целом создает голубой купол небосвода. Происходит это благодаря огромной тол- щине атмосферы и молекулярному рассеянию света.) 140
Кроссворд j 1. Способность тела совершать ----------------------——------работу. 2. Явление, которое происходит на границе зеркаль- 3 ной поверхности. 3. Один из ви- 4 _____________ дов теплопередачи доходящей з ___ до нас энергии Солнца. 4. Оп- 6 тическая среда, имеющая сфе- 7 рическую поверхность. 5. Со- —— — ———— бирательная линза, дающая мнимое прямое увеличенное изображение. 6. Видимое излучение. 7. Частица, входящая в состав ядра. Ответы: 1 - энергия, 2 — отражение, 3 - излучение, 4 - линза, 5 - лупа, 6 - свет, 7 - нейтрон. Ключевое слово: Галилей. 30. Обобщение материала по теме «Оптические явления» Теоретическая часть Базовые вопросы 1. Законы прямолинейного распространения света. Скорость света. 2. Отражение света. Законы отражения света. 3. Зеркала. Плоское зеркало. 4. Преломление света. Законы преломления света. 5. Линзы. Формула тонкой линзы. Оптическая сила линзы. Уве- личение линзы. 6. Оптические приборы. Вопросы на «отлично» 1. Эксперименты по определению скорости света. 2. Сферические зеркала. 3. Основные части микроскопа, фотоаппарата, телескопа. 141
Практическая часть 1 2 1. Построить ход лучей в стек- лянной призме. У\ 1. Построить ход лучей в средах: х. Воздух _ Вода Ответ: Ответ: 'х Воздух - V Вода 2. Построить изображение предмета: а) в плоском зеркале 3 X х В q а Ответ: 3Ч/ .В^КВ Л / \ \ 2. Построить изоб а) в плоском зерк Ответ: 3 К /С-Я /зхГ / ' эаже але В А ние предмета: А' ‘ б) в тонких линза' В А я В1' А' б) в тонких линзг В А IX \ F A J В F / F А F 1 В А 142
1 2 Ответ: Ответ: В' 3. Оптическая сила линзы 4 дптр. Определите фокусное расстояние линзы. (0,25 м.) 4. Зачем объективы у проекцион- ных аппаратов и фотоаппаратов должны быть подвижными? (Для настройки четкого изображения, т. е. для изменения расстояния от линзы до изображения, так как фотоаппарат используют для фотографирования предме- тов на разных расстояниях от линз.) _______________3_____________ 1. Построить ход лучей в стек- лянной призме 3. Высота тени от метровой ли- нейки 40 см. А от столба 2 м. Ка- кова высота столба? (5 м.) 4. Если читать книгу, держа ее очень близко или очень далеко от глаз, глаза быстро утомляются. Почему? (В этом случае глазные мышцы находятся в постоянном напряжении, именно поэтому глаза утомляются.) 4 1. Построить ход лучей в стек- лянной призме Ответ: 143
________________3_______________ 2. Построить изображение предмета: а) в плоском зеркале 4 ________________4_______________ 2. Построить изображение предмета: а) в плоском зеркале б) в тонких линзах Ответ: Ответ: 3. Фокусное расстояние линзы 200 мм. Какова оптическая сила линзы? (5 дптр.) 3. Оптическая сила линзы -2,5 дптр. Определите фокусное расстояние линзы. (-40 см.) 144
3 4 4. Почему нет четких теней от объектов в пасмурный день? (Потому что облака рассеивают свет, являясь при этом прост- ранственным источником рассе- янного света. Вследствие этого деревья не дают четких теней.) 4. В чем сходство глаза с фотоап- паратом? В чем различия между ними? (Глаз и фотоаппарат да- ют действительное переверну- тое уменьшенное изображение. В отличие от фотоаппарата фокусное расстояние зрачка переменное.) Экспериментальная часть Определение фокусного расстояния линзы.
Контрольная работа за первое полугодие 1 2 1. Положительно заряженного тела коснулись нейтральной па- лочкой. Как изменились при этом массы палочки, тела? (Масса па- лочки уменьшилась, а масса тела увеличилась вследствие перете- кания электронов от палочки к заряженному телу.) 2. Объем комнаты 200 м3. Какое количество теплоты необходимо, чтобы изменить температуру в ней от 10 до 20 °C, если плот- ность воздуха 1,3 кг/м3, удельная теплоемкость 1 000 Дж/(кг-°С)? (2,6 МДж.) 3. Какое количество теплоты по- требуется для плавления олова массой 100 г, взятого при 32 °C, если удельная теплота плавления олова 590 кДж/кг, удельная тепло- емкость 230 Дж/(кг-°С), а темпера- тура плавления 232 °C? (-64 кДж.) 4. Чайник с водой поставили на огонь и воду нагрели и испарили. Изменилась ли ее внутренняя энергия? (Увеличилась, так как внутренняя энергия пара больше, чем воды в жидком состоянии.) 1. Расскажите о строении атома лития. Как его превратить в отри- цательный ион? (Атом лития со- стоит из положительного ядра, с тремя протонами и четырьмя нейтронами. Вокруг ядра в нейт- ральном атоме движутся три электрона. Отрицательный ион лития должен иметь больше трех электронов, для этого атом должен присоединить лишний электрон.) 2. Сколько энергии требуется, чтобы испарить 2 кг воды, взятой при тем- пературе 20 °C, если удельная теп- лоемкость воды 4 200 Дж/(кг-°С), а удельная теплота парообразования 2,3 МДж/кг? (5,272 МДж.) 3. В печи сгорели сосновые дрова объемом 0,01 м3. Какое количест- во энергии получил при этом воз- дух в комнате, если плотность дров 440 кг/м3, а удельная теплота сгорания 10 МДж/кг? (44 МДж.) 4. Почему в жаркий день лужи вы- сыхают быстрее? (В жаркий день вода в луже нагревается быстрее, и, следовательно, молекулы начина- ют двигаться быстрее, что спо- собствует испарению воды.) 3 4 1. Отрицательно заряженной па- лочкой коснулись ватки. Как из- менилась масса палочки? Как из- менились масса ватки, ее заряд? (Масса палочки уменьшилась. Масса ватки увеличилась. Электроны с заряженной палочки переместились на ватку. Заряд ватки стал отрицательным.) 1. Расскажите о строении атома кислорода. Как из нейтрального атома кислорода получить положительный ион? (Атом кислорода состоит из ядра с шестью протонами и шестью нейтронами, вокруг ядра движутся шесть электронов. Чтобы атом стал положительным, необходимо уменьшить количество электронов) 146
3 4 2. Расплав железа массой 32 кг остывает от температуры плавле- ния 1539 до 39 °C. Какое количе- ство теплоты при этом выделяет- ся, если удельная теплоемкость железа 540 Дж/(кг-°С), удельная теплота плавления 270 Дж/кг? 35 МДж.) 3. Объем каменного угля 0,12 м3. Какое количество теплоты выде- лится при полном сгорании угля с удельной теплотой сгорания 30 МДж/кг, плотностью 1350 кг/м3? (4,86 ГДж.) 4. В трех сосудах находится по 100 г льда, воды и водяного пара. В каком из сосудов внутренняя энергия воды больше? (В сосуде с паром: пар имеет большую внут- реннюю энергию, чем вода и лед при одинаковых массах.) 2. Какое количество теплоты не- обходимо для плавления куска льда массой 2 кг, взятого при температуре -40 °C? Удельная теплоемкость льда 2 100Дж/кг-°С, удельная теплота плавления 340 кДж/кг. (848 кДж.) 3. При сжигании бензина с удель- ной теплотой сгорания 46 МДж/кг выделилось 2,3 ГДж энергии. Ка- кова масса сгоревшего бензина? (50 кг.) 4. Почему теплопроводность га- зов гораздо меньше, чем тепло- проводность жидкостей и твердых тел? (Расстояния между молеку- лами значительно большие.)
Контрольная работа за год 1 1. Какое количество теплоты от- даст стакан кипятка (200 г), осты- вая и превращаясь в лед при О °C? Удельная теплоемкость воды 4200 Дж/(кг-°С), удельная теплота плавления льда 340 кДж/кг. {152 кДж.} 2. Проводник из константана дли- ной 100 м и площадью сечения 4 мм2 подключен в сеть напряже- нием 100 В. Определите работу электрического тока в цепи за 5 мин. Удельное сопротивление константана 0,5 OmW/m. {24 кДж.) 3. Как будут взаимодействовать тела? {Два разноименных полюса притягиваются {а); железо при- тягивается к магниту {б); медь взаимодействовать с магнитом не будет {в}.) S N S Железо N Медь □ 1ZZ) □£> 4. Постройте изображение пред- мета в зеркале: В А''"'*' _______________2_______________ 1. Пар массой 200 г, охлаждая со 100 °C, превратили в воду с тем- пературой 10 °C. Какая энергия при этом выделилась? Удельная теплоемкость воды 4 200 Дж/(кг-°С), удельная тепло- та парообразования 2,3 МДж/кг. {535,6 кДж.) 2. Два резистора сопротивления- ми 400 Ом и 100 Ом соединили параллельно и включили в сеть напряжением 200 В. Определите мощность тока в цепи. {1 400 Вт.) 3. Из каких частиц состоит атом? Какие отличия имеют атомы раз- ных веществ? {Атом состоит из ядра, вокруг которого движутся электроны. Ядро состоит из про- тонов и нейтронов. Отличия ато- мов химических элементов в со- ставе ядра. По числу протонов в ядре определяется порядковый номер химического элемента.) 4. Постройте изображение пред- мета: В Ответ: 148
Список использованной литературы 1. Алексеев В. А. 300 вопросов и ответов о животных. - Ярос- лавль; Академия развития, 1997. 2. Алексеев В. А. 300 вопросов и ответов о насекомых. - Ярос- лавль: Академия развития, 1998. 3. Анашкина Е. Н. 300 вопросов и ответов о домашних животных. - Ярославль: Академия развития, 1997. 4. Анашкина Е. Н. 300 вопросов и ответов о птицах. - Ярославль: Академия развития, 1998. 5. Арабаджи В. И. Загадки простой воды. - М.: Знание, 1973. 6. Беляев А. Р. Человек-амфибия. Подводные земледельцы. - Эли- ста: Калмыцкое кн. изд-во, 1977. 7. Беркемблит М. Б., Глаголева Е. Г. Электричество в живых орга- низмах. - М.: Наука, 1988. 8. Бионика. - М.: Наука, 1965. 9. Богданов К. Ю. Физик в гостях у биолога. - М.: Наука, 1986. 10. Большаков А. П. Биология. Занимательные факты и тесты. - СПб.: Паритет, 1999. 11. Бондарев Ю. В. Горячий снег. - М.: Просвещение, 1982. 12. Брюсов В. Я. Избранное. - М.: Правда, 1982. 13. Булгаков М. А. Мастер и Маргарита. - М.: Книга, 1991. 14. Булгаков М. А. Собачье сердце. - М.: Дрофа, 2001. 15. Гете И. В. Фауст. - М.: Дет. лит., 1983. 16. Гоголь Н. В. Собр. соч.: В 5т.-М.: Изд-во АН СССР, 1960.-Т. 1. 17. Голин Г М., Филонович С. Р. Классики физической науки. - М.: Высш, шк., 1989. 18. ГринН., Стаут У., ТейлорД. Биология: В 3 т.-М.: Мир, 1990. 19. Даль В. В. Толковый словарь живого великорусского языка: В 4 т. - М.: Рус. яз., 1979. 20. Европейский эпос античности и средних веков. -М.: Дет. лит., 1984. 21. Емельянов А. С. 300 вопросов и ответов по странам и конти- нентам. - Ярославль: Академия развития, 1997. 22. Енохович А. С. Справочник по физике. - М.: Просвещение, 1990. 23. Зверева С. В. В мире солнечного света. - Л.: Гидрометеоиз- дат, 1988. 149
24. Ильф И., Петров Е. Двенадцать стульев. - М.: Худож. лит., 1974. 25. Ильченко В. Р. Перекрестки физики, химии и биологии. - М.: Просвещение, 1986. 26. Камышанова 3. А., Камышанов К А. 300 вопросов и ответов по истории и культуре древнего мира. - Ярославль: Академия разви- тия, 1998. 27. Кац Ц. Б. Биофизика на уроках физики. - М.: Просвещение, 1988. 28. Константинов А. И., Мовчан В. Н. Звуки в жизни зверей. - Л.: Изд-во ЛГУ, 1985. 29. Кочнев С. А. 300 вопросов и ответов о Земле и Вселенной. - Ярославль: Академия развития, 1997. 30. Куприн А. И. Повести и рассказы. - М.: Худож. лит., 1988. 31. ЛермонтовМ. Ю. Собр. соч.: В 4 т. -М.: Правда, 1969. - Т. 2. 32. Максаковский В. П. Экономическая и социальная география мира. - М.: Просвещение, 2000. 33. Мезенцев В. Чудеса: Популярная энциклопедия: В 2 т. - Алма- Ата: Главная редакция казахской советской энциклопедии, 1990. 34. Набоков В. В. Подвиг. -М.: Современник, 1997. 35. Носов Н. Н. Незнайка на Луне. - Кишинев: Лит. артистикэ, 1990. 36. Перельман Я. И. Занимательная физика. - М.: Наука, 1979. 37. Пушкин А. С. Собр. соч.: В 8 т. - М.: Худож. лит., 1969. - Т. 4; Т. 7. 38. Садовников Д. Н. Загадки русского народа. - СПб., 1876. 39. Салтыков-Щебрин М. Е. Сказки. -М.: Сов. Россия, 1988. 40. Сборник загадок: Пособие для учителя. - М.: Просвещение, 1988. 41. Соколова Е. И., Ларина Т. И. Загадки мудрой совы. - Ярос- лавль: Академия, К., 2000. 42. Соколова Е. И., Тарабрина Т. И. Загадки лесной опушки. - Ярославль: Академия, К., 2000. 43. Соколова Е. И., Тарабрина Т. И. Загадки веселых мастеров. - Ярославль: Академия, К., 2000. 44. Солженицын А. И. Избранное. -М.: Мол. гвардия, 1991. 45. Толстой А. К, Полонский Я. П., Апухтин А. Н. - М.: Моск, рабочий, 1982. 46. Толстой Л. Н. Избранное. - Л.: Лениздат, 1976. 47. Тургенев И. С. Записки охотника. - М.: Дет. лит., 1973. 48. Хочу все знать. - Л.: Дет. лит., 1970. 49. Чехов А. П. Избранное. -М.: Профиздат, 1994.
Учебное издание Автор-составитель Сёмке Андрей Иванович Физика Занимательные материалы к урокам 8 класс Научный редактор В. М. Трояновский Художественный редактор Н. И. Комиссарова Дизайн обложки Г. В. Котляровой Технический редактор О. А. Сигутова Компьютерная верстка М. А. Толокновой Корректоры: И. А. Монахова, И. С. Алексеева Санитарно-эпидемиологическое заключение № 77.99.02.953.Д.002265.03.03 от 31.03.2003 г. Подписано в печать 20.01.2004. Формат 60х901/16- Бумага офсетная. Гарнитура Таймс. Усл. печ. л. 9,5. Уч.-изд. л. 9,6. Тираж 10 000 экз. (1-й завод 1-3 000 экз.). Изд. № 239. Заказ № 6181. ЗАО «Издательство НЦ ЭНАС». 115201, г. Москва, Каширское ш., 22, корн. 3. Тел./факс: (095) 113-53-90, 234-71-82. E-mail: adres@enas.ru http: // www.enas.ru Отпечатано с готовых диапозитивов в ФГУП «Производственно-издательский комбинат ВИНИТИ». 140010, г. Люберцы, Московская обл., Октябрьский пр-т, 403. Тел. 554-21-86.
СЕРИЯ Книги серии «Факультатив» - для увлеченных, кому недостаточно материалов учебников, кто не ограничивается рамками учебных программ Н. В. Гулиа УДИВИТЕЛЬНАЯ ФИЗИКА: О ЧЕМ УМОЛЧАЛИ УЧЕБНИКИ Механика Акустика Оптика Жидкости и газы Теплота Электричество Магнетизм Эта книга - не учебник. В увлекательной фор- ме изложены оставшиеся за рамками школь- ной программы сведения по основным раз- делам физики, описаны драматические исто- рии великих научных открытий, приведены нестандартные подходы к пониманию физи- ческих явлений, нетрадиционные взгляды на научное наследие известных ученых. Книга интересна учителям, старшеклассни- кам, студентам, тем, кто желает открыть для себя незнакомую, полную тайн и пара- доксов физику. ЭНАС Издательство Приобрести книгу можно в ИЗДАТЕЛЬСТВЕ «ЭНАС» 115201, г. Москва, Каширское ш., д. 22, корп. 3. Тел.: (095)234-71-82, теп./факс: 113-53-72,113-03-81 E-mail: adres@enas.ru Internet www.enas.ru
Уважаемый учитель! Вы держите в руках книгу из серии «Портфель учителя». Назначение серии - передать российскому учителю-предметнику разно» «бразнып дополнительный материал, с помощью которого можно украсить, оживить урок, организовать увлекательные внеклассные занятия, школьные соревнования, олимпиады, наладить кружковую работу. Начинающему учителю будут полезны методические и дидак-1 ическпс разработки авторов серии — талантливых ученых, опытных педагогов, учителей-новаторов, победителей конкурсов Обмен опытом через книгу — вот главная задача серии. «Портфель учителя»постоянно пополняется. Приглашаем учителей, которым есть чем поделиться со своими кометами, сталь авторами будущих книг серии. Издагпл /ы.т/и> ‘SB. 5-93196-JX-5 гцГииГ‘к Урок/Сенке ВД Цена: 59.00 ЛИНЯ -(ателье гво НЦ ЭНАС». ква, Каширское ш., д. 22, корп. 3. 5-53-90, 234-71-82. http://www.enas.ru -mail: adresf&cnas.ru