Підручник створено авторським колективом у складі: В. Г. Бар’яхтар, С. О. Довгий, Ф. Я. Божинова, О. О. Кірюхіна Рекомендовано Міністерством освіти і науки України (наказ Міністерства освіти і науки України від 20.03.2017 № 417) Видано за рахунок державних коштів. Продаж заборонено Експерт и, які здійснили експертизу підручника під час проведення конкурсного відбору проектів підручників для 9 класу загальноосвітніх навчальних закладів і зробили висновок про доцільність надання підручнику грифа «Рекомендовано Міністерством освіти і науки України»: С. М. Совгира, учитель Черкаської спеціалізованої школи І–ІІІ ступенів № 33 імені Василя Симоненка Черкаської міської ради Черкаської області, вчитель-методист; Т. М. Левицька, завідувач міським методичним кабінетом Управління освіти Ніжинської міської ради Чернігівської області, вчитель-методист; А. В. Королишин, доцент кафедри фізики металів фізичного факультету Львівського національного університету імені Івана Франка, кандидат фізико-математичних наук Рецензен т:
І. М. Гельфгат, учитель фізики комунального закладу «Харківський фізико-математичний ліцей № 27», учитель-методист, Заслужений учитель України, кандидат фізико-математичних наук
Автори й видавництво висловлюють щиру подяк у: М. М. Кірюхіну, президенту Спілки наукових і інженерних об’єднань України, кандидату фізико-математичних наук; І. Ю. Ненашеву, учителю-методисту, Заслуженому вчителю України; І. В. Хован, учителю фізики НВК «Домінанта», кандидату педагогічних наук, за слушні зауваження й конструктивні поради; І. С. Чернецькому, завідувачу відділу створення навчально-тематичних систем знань Національного центру «Мала академія наук України», кандидату педагогічних наук, за створення відеороликів демонстраційних і фронтальних експериментів Методичний апарат підручника успішно пройшов експериментальну перевірку в Національному центрі «Мала академія наук України» Ілюстрації художника Володимира Хорошенка
Ф50
Фізика : підруч. для 9 кл. загальноосвіт. навч. закл. / [В. Г. Бар’яхтар, С. О. Довгий, Ф. Я. Божинова, О. О. Кірюхіна] ; за ред. В. Г. Бар’яхтара, С. О. Довгого. Харків : Вид-во «Ранок», 2017. 272 с. : іл., фот.
ISBN 978-617-09-3356-0 УДК [37.016:53](075.3)
Інтернет-підтримка Електронні матеріали до підручника розміщено на сайті interactive.ranok.com.ua
ISBN 978-617-09-3356-0
ТОВ Видавництво «Ранок», 2017
Цього навчального року ви продовжите свою подорож світом фізики. Як і раніше, ви будете спостерігати явища природи, проводити справжні наукові експерименти й на кожному уроці робити власні маленькі відкриття.
Жодна справжня подорож не буває легкою, а ле ж скільки нового ви дізнаєтеся про світ навколо! А підручник, який ви тримаєте в руках, стане для вас надійним помічником.
Будьте уважними й наполегливими, вивчаючи зміст кожного параграфа, і тоді ви зможете зрозуміти суть викладеного матеріалу та застосувати набуті знання в повсякденному житті.
Зверніть увагу на те, що параграфи завершуються рубриками: «Підбиваємо підсумки», «Контрольні запитання», «Вправа». Для чого вони потрібні і як із ними краще працювати? У рубриці «Підбиваємо підсумки» подано відомості про основні поняття та явища, з якими ви ознайомилися в параграфі. Отже, ви маєте можливість іще раз звернути увагу на головне. «Контрольні запитання» допоможуть з’ясувати, чи зрозуміли ви вивчений матеріал. Якщо ви зможете відповісти на кожне запитання, то все гаразд, якщо ж ні, знову зверніться до тексту параграфа. Рубрика «Вправа» зробить вашу подорож у дивовижний світ фізики ще цікавішою, а дже ви зможете застосувати набуті знання на практиці. Завдання цієї рубрики диференційовані за рівнями складності від доволі простих, що потребують лише уважності, до творчих, розв’язуючи які слід виявити кмітливість і наполегливість.
4. У разі нагрівання постійного магніту до певної температури, яку називають точкою Кюрі, його магнітні властивості зникають.
2
Дізнаємося про дослід Ерстеда
і досліди ампера
Ще вчені Давньої Греції висловлювали припущення, що магнітні й електричні явища пов’язані, проте встановити цей зв’язок у чені змогли лише на початку XIX ст. 15 лютого 1820 р. данський фізик Ганс Крістіан Ерстед (1777–1851) демонстрував студентам дослід із нагріванням провідника електричним струмом. У ході досліду вчений помітив, що під час проходження струму магнітна стрілка, розташована поблизу провідника, відхиляється від напрямку «північ південь» і встановлюється перпендикулярно до провідника (рис. 1.1). Як тільки струм припинявся, стрілка поверталася в початкове положення. Так було з’ясовано, що електричний струм чинить певну магнітну дію. Французький математик і фізик Андре Марі Ампер (1775–1836) уперше почув про досліди Г. Ерстеда 4 вересня 1820 р. і вже за тиждень продемонстрував взаємодію двох паралельно розташованих провідників зі струмом (рис. 1.2). Ампер також показав, що котушки, в яких проходить електричний струм, поводяться як постійні магніти (рис. 1.3). Аналізуючи результати дослідів, у чений дійшов висновку: оскільки провідники є електрично нейтральними (вони незаряджені), їхнє притягання або відштовхування не може пояснюватися дією електричних сил, «поведінка» провідників є наслідком дії магнітних сил.
3
Даємо означення магнітного поля У ході вивчення електричних явищ
рис. 1.1.
Розглянемо, наприклад, взаємодію постійного магніту й котушки зі струмом (рис. 1.3, б ). Котушка зі струмом створює магнітне поле. Магнітне поле поширюється в просторі та починає діяти на постійний магніт (намагнічене тіло), магніт відхиляється. Магніт теж створює власне магнітне поле, яке, у свою чергу, діє на котушку зі струмом, і котушка теж відхиляється. Зазначимо, що магнітне поле також існує навколо будь-якої рухомої зарядженої частинки та навколо будь-якого рухомого зарядженого тіла і діє з певною силою на заряджені тіла та частинки, які
рис. 1.2) і поясніть, як
магнітна взаємодія між магнітною стрілкою та провідником зі струмом; між двома провідниками зі струмом.
підбиваємо підсумки
Тіла, які тривалий час зберігають свої магнітні властивості, називають
постійними магнітами. Основні властивості постійних магнітів:
магнітна дія магніту найсильніше виявляється поблизу його полюсів; однойменні полюси магнітів відштовхуються, а різнойменні притягуються; неможливо одержати магніт тільки з одним полюсом; у разі нагрівання постійного магніту до певної температури (точка Кюрі) його магнітні властивості зникають. Магнітна взаємодія
вправа № 1
1. Магнітну стрілку розташували біля штабового магніту (рис. 1). Який полюс магніту є південним, а який північним?
2. Сталеву спицю намагнітили та розділили кусачками спочатку на дві, а потім на чотири частини (рис. 2). Яку властивість магнітів демонструє цей дослід?
3. Чому залізні ошурки, притягнувшись до полюсів магніту, стирчать у різні боки (див. рисунок на с. 6)?
4. Чому звужується струмінь розплавленого металу, коли через нього пропускають струм?
5. Скориставшись додатковими джерелами інформації, дізнайтеся про історію відкриття Г. Ерстеда. Які дослідження він провів, вивчаючи магнітне поле провідника зі струмом? Які результати одержав?
Експериментальні завдання
1. Скориставшись двома-трьома постійними магнітами, на приклад па личками ма гнітного конструктора, експериментально перевірте деякі властивості магнітів.
2. Візьміть кілька голок із нитками. Складіть нитки в один пучок і повільно піднесіть знизу до голок постійний магніт. Поясніть спостережуване явище (рис. 3).
Фізика і техніка в Україні
інститут магнетизму
1
Рис. 3
вивчаємо силову характеристику магнітного поля Якщо заряджена частинка рухається в магнітному полі, то
діятиме на частинку з деякою силою. Значення цієї сили за лежить від
Магнітні лінії:
• поза магнітом виходять із північного полюса магніту і входять у південний;
• завжди замкнені (магнітне поле це вихрове поле);
• найщільніше розташовані біля полюсів магніту;
• ніколи не перетинаються
брати напрямок вектора магнітної індукції; 2) лінії магнітної індукції зображають щільніше в тих областях поля, де модуль магнітної індукції більше.
Розглянувши графічне зображення магнітного поля штабового магніту, можемо зробити деякі висновки (див. на рис. 2.3). Зазначимо, що ці висновки справджуються для магнітних ліній будь-якого магніту.
Який напрямок мають магнітні лінії всередині штабового магніту?
Картину магнітних ліній можна відтворити, скориставшись залізними ошурками. Візьмемо підковоподібний магніт, покладемо на нього пластинку з оргскла і через ситечко насипатимемо на пластинку за лізні ошурки. У магнітному
рис. 2.5. Ділянка, на якій маг-
точці вектори магнітної індукції
за модулем, так і
напрямком (рис. 2.5). На ділянках, де магнітне поле є однорідним, лінії магнітної індукції паралельні та розташовані на однаковій відстані одна від одної (рис. 2.5, 2.6). У фізиці прийнято магнітні лінії однорідного магнітного поля, які напрямлені до нас, зображати точками (рис. 2.7, а) ми ніби бачимо «вістря стріл», що летять до нас. Якщо магнітні лінії напрямлені від нас, то їх зображають хрестиками ми ніби бачимо «пір’я стріл», що летять від нас (рис. 2.7, б ). В
S N S N
рис. 2.6. Магнітне поле всередині штабового магніту (а) і між двома магнітами, зверненими один до одного різнойменними полюсами (б), можна вважати однорідним
постійний магніт у вигляді кулі (модель Землі).
стрілка компаса поводиться так само, як на поверхні Землі. Експерименти дозволили вченому припустити, що Земля — це величезний магніт, а на півночі нашої планети розташований її південний магнітний полюс. Подальші дослідження підтвердили гіпотезу В. Ґільберта. На рис. 2.8 зображено картину ліній магнітної індукції магнітного
2.7.
Магнітний і географічний полюси не збігаються; відстань між ними невпинно змінюється
Південний магнітний полюс нещодавно «залишив» територію Канади і «рухається» в напрямку Росії
11,5°
Земля розташований її південний магнітний полюс, а на півдні північний магнітний полюс
Вісь обертання Землі Магнітна вісь
рис. 2.8. Схема розташування магнітних ліній магнітного поля планети Земля
Як, на вашу думку, буде розташована магнітна стрілка в пристрої, зображеному на рис. 2.9, біля північного магнітного полюса Землі? біля південного магнітного полюса Землі?
Магнітне поле Землі здавна допомагало орієнтуватися мандрівникам, морякам, військовим і не лише їм. Доведено, що риби, морські ссавці й птахи під час своїх міграцій орієнтуються за магнітним полем Землі. Так само орієнтуються, шукаючи шлях додому, і деякі тварини, наприклад коти.
5
рис. 2.9. Магнітна стрілка в карданному підвісі
Дізнаємося про магнітні бурі
Ретельні дослідження показали, що в будь-якій місцевості магнітне поле Землі періодично, щодоби, змінюється. Крім того, спостерігаються невеликі щорічні зміни магнітного поля Землі. Трапляються, однак, і різкі його зміни. Сильні
Магнітна індукція B це
нітного поля. Напрямок вектора магнітної індукції збігається з напрямком, у якому вказує північний полюс магнітної стрілки. Одиниця магнітної індукції в СІ тесла (Тл). Умовні напрямлені лінії, дотичні до яких у кожній точці збігаються з лінією, уздовж якої напрямлений вектор магнітної індукції, називають лініями магнітної індукції
індукції? 3. Якою є одиниця магнітної індукції в СІ? На честь кого ї ї названо? 4. Наведіть означення ліній магнітної індукції. 5. Який напрямок узято за напрямок магнітних ліній? 6. Від чого залежить щільність розташування магнітних ліній? 7. Яке магнітне поле називають однорідним? 8. Доведіть, що Земля має магнітне поле. 9. Як розташовані магнітні полюси Землі відносно географічних? 10. Що таке магнітні бурі? Як вони впливають на людину?
вправа № 2
1. На рис. 1 зображено лінії магнітної індукції на певній ділянці магнітного поля. Для кожного випадку а–в визначте: 1) яке це поле однорідне чи неоднорідне; 2) напрямок вектора магнітної індукції в точках А і В поля; 3) у якій точці А чи
2. Чому сталеві віконні ґрати можуть із часом намагнітитися?
3. На
4. Раніше
щодо визначення напрямку руху, а дже поблизу полюса звичайні компаси майже не працювали. Як ви вважаєте, чому?
5. Скористайтеся додатковими джерелами інформації та дізнайтесь, яке значення має магнітне поле для життя на нашій планеті. Що сталося б, якби магнітне поле Землі раптом зникло?
6. На земній поверхні є області, де магнітна індукція магнітного поля Землі значно більша, ніж у сусідніх районах. Скористайтеся додатковими джерелами інформації та дізнайтесь про магнітні аномалії детальніше.
7. Поясніть, чому будь-яке незаряджене тіло завжди притягується до тіла, яке має електричний заряд.
поля прямого провідника зі стру -
мом — концентричні кола, що охоплюють провідник (див. рис. 3.1). А як визначити напрямок магнітних ліній? 1
Знайомимося з правилом свердлика
нику струм стрілки зорієнтуються
(рис. 3.2, б
значно зменшується. Отже, якщо магнітна стрілка розташована не поблизу провідника зі струмом, магнітна дія струму є майже непомітною.
Розгляньте рис. 3.3. Чому зі збільшенням відстані від провідника щільність ліній магнітної індукції зменшується? Чи однаковими є модулі векторів B1 і B2 ? Магнітна індукція залежить також від
на 90 ° великий палець укаже напрямок на північний полюс котушки, тобто напрямок вектора магнітної індукції всере -
дині котушки (рис. 3.5).
Зіставивши магнітні лінії постійного штабового магніту та магнітні лінії котушки
зі струмом, побачимо їхню надзвичайну схожість (рис. 3.6). Зазначимо: магнітна стрілка, підвішена котушка зі струмом і підвішений штабовий магніт орієнтуються в магнітному полі Землі однаково.
підбиваємо підсумки
Навколо провідника зі струмом існує магнітне поле. Магнітна індукція поля, створеного струмом, зменшується зі збільшенням відстані від провідника та збільшується зі збільшенням сили струму в провіднику.
Напрямок л іній магнітної і ндукції магнітного поля провідника зі струмом можна визначити за допомогою магнітних стрілок або за допомогою правила свердлика.
Котушка зі струмом, як і постійний магніт, має два полюси. Їх можна визначити за допомогою правої руки: якщо чотири зігнуті пальці правої руки спрямувати за напрямком струму в котушці, то відігнутий на 90° великий палець укаже напрямок на її північний полюс. Контрольні запитання
1. Як визначити напрямок ліній магнітної індукії магнітного поля провідника зі стру-
рис. 3.4.
вправа № 3
1. На рис. 1 зображено лінію магнітної індукції магнітного поля провідника зі струмом. Яким є напрямок струму в провіднику?
2. На рис. 2 зображено лінії магнітної індукції магнітних полів двох провідників зі струмом. 1) Як напрямлене магнітне поле провідника, зображеного на рис. 2, а? 2) Яким є напрямок струму в провіднику, зображеному на рис. 2, б? 3) Визначте, в якій точці А чи В магнітне поле є сильнішим (рис. 2, а, б ).
3. Яким полюсом має повернутися до нас магнітна стрілка (рис. 3)? Чи зміниться відповідь, якщо стрілку розташувати над провідником?
4. На д котушкою підвішено магніт (рис. 4). Як поводитиметься магніт, якщо замкнути коло?
5. Визначте полюси джерела струму на рис. 5.
6. У деяких приладах прояви магнітного поля струму не є бажаними. У таких приладах використовують біфілярну намотку: провід скручують удвоє так, щоб обидва його кінці опинилися поряд. У чому сенс такої намотки? Експериментальне завдання «Електромагнітний компас». Склейте паперовий циліндр діаметром 7–10 мм і завдовжки 4–5 см. Намотайте на одержаний каркас 20–30 витків тонкого ізольованого дроту. Закріпіть отриману котушку горизонтально
струмом, як напрямлена ця
силою Ампера, ви дізнаєтесь із цього параграфа.
Характеризуємо силу, яка діє на провідник зі струмом Візьмемо п рямий п ровідник, виготовлений з а люмінію, і підвісимо його на тонких і гнуч-
1
ких проводах таким чином, щоб він був розташований м іж полюсами п ідковоподібного постійного магніту (рис. 4.1, а). Якщо в провіднику пропустити струм, провідник відхилиться від положення рівноваги (рис. 4.1, б ).
Причиною такого відхилення є сила, що діє
на п ровідник зі струмом з б оку магнітного поля. Довів наявність ц ієї сили і з’ясував, від чого залежать ї ї значення та напрямок, А. А мпер. Саме тому цю силу називають силою Ампера.
сила ампера — це сила, з якою магнітне поле діє на провідник зі струмом.
Сила А мпера прямо пропорційна силі струму в провіднику та довжині активної частини провідника (тобто частини, яка розташована в магнітному полі). Сила Ампера збільшується зі збільшенням індукції магнітного поля і залежить від того, під яким кутом до ліній магнітної індукції розташований провідник. Значення сили Ампера (FA) обчислюють за формулою:
рис. 4.3. Визначення
Визначте
струму в провіднику, напрямок магнітної індукції та напрямок сили
індукції: B F Il
Зверніть увагу! Значення магнітної індукції не залежить ані від сили струму в провіднику, ані від довжини провідника, а залежить тільки від властивостей магнітного поля.
якщо зменшити силу струму в провіднику, то зміниться й сила Ампера, з
рис. 4.4.
Учимося розв’язувати задачі
Задача 1. Доведіть, що два паралельні провідники, в яких течуть струми одного напрямку, притягуються. Аналіз фізичної проблеми. Навколо будь-якого провідника зі струмом існує магнітне поле, отже, кожен із двох провідників перебуває в магнітному полі іншого. На перший провідник діє сила Ампера з боку магнітного поля, створеного струмом у другому провіднику, і навпаки. Визначивши за правилом лівої руки напрямки цих сил, з’ясуємо, як поводитимуться провідники.
Розв’язання У ході розв’язання виконаємо пояснювальні рисунки: зобразимо провідники A і В, покажемо напрямок струму в них та ін. Визначимо напрямок сили Ампера, яка діє на провідник A, що перебуває в магнітному полі провідника B. 1) За допомогою правила свердлика визначимо напрямок ліній магнітної індукції магнітного поля, створеного провідником В (рис. 1, а). З’ясовується, що біля провідника A магнітні лінії напрямлені до нас (позначка «»).
2) Скориставшись правилом лівої руки, визначимо напрямок сили Ампера, яка діє на провідник А з боку магнітного поля провідника B (рис. 1, б ).
3) Доходимо висновку: провідник А притягується
до провідника В.
Тепер знайдемо напрямок сили Ампера, яка діє на провідник В, що перебуває в магнітному полі провідника А.
1) Визначимо напрямок ліній магнітної індукції магнітного поля, створеного провідником A (рис. 2, а). З’ясовується, що біля провідника В магнітні лінії напрямлені від нас (позначка «×»).
2) Визначимо напрямок сили Ампера, яка діє на провідник В (рис. 2, б ).
3) Доходимо висновку: провідник В притягується до провідника А. Відповідь: два паралельні провідники, в яких течуть струми одного напрямку, дійсно притягуються. Задача 2. Прямий провідник (стрижень) завдовжки 0,1 м і масою 40 г перебуває
§ 4. Сила Ампера
Дано: l = 01 , м m == 40 004 гк г, B = 05 , Тл α = 90° g = 10 Н
Знайти: I ?
Із
Пошук математичної моделі, розв’язання 1. Визначимо напрямок струму. Для цього розташуємо ліву руку так, щоб лінії магнітного поля входили в долоню, а відігнутий на 90° великий палець був напрямлений вертикально вгору. Чотири витягнуті пальці вкажуть напрямок від нас. Отже, струм у
2. Враховуємо, що FFАтяж = . FBIl А = sin α , де sin α = 1; Fmg тяж = . Отже, BIlmg = .
Згадаємо: Тл Н Ам = ; I [] ==
А , I == = 00410 05 01 40 5 8 , ,, (А).
Відповідь: I = 8 А; від нас.
підбиваємо підсумки
Силу, з якою магнітне поле діє
зі струмом, називають силою А мпера. Значення сили А мпера обчислюють за формулою: FBIl А = sin α , де B індукція магнітного поля; I сила струму в провіднику; l довжина активної частини провідника; α кут між напрямком вектора магнітної індукції і напрямком струму в провіднику. Для визначення напрямку сили А мпера використовують правило лівої руки: якщо ліву руку розташувати так, щоб лінії магнітного поля входили в долоню, а чотири
вправа № 4
1. На рис. 1 зображено для
2. У прямолінійному провіднику завдовжки 60 см тече струм силою 1,2 А. Провідник розташований в однорідному магнітному полі індукцією 1,5 Тл. Визначте найбільше та найменше значення сили А мпера, яка може діяти на провідник.
3. Провідник зі струмом відхиляється в магнітному полі постійного магніту. Визначте: а) полюси магніту (рис. 2); б) полюси джерела струму (рис. 3).
4. В однорідному магнітному полі індукцією 40 мТл на прямолінійний провідник зі струмом 2,5 А діє сила А мпера 60 мН. Визначте: а) якою є довжина провідника, якщо він розташований під кутом 30° до ліній магнітної індукції; б) яку роботу виконало магнітне поле, якщо під дією сили А мпера провідник перемістився на 0,5 м у напрямку цієї сили?
5. Доведіть, що два провідники, в яких ідуть струми протилежних напрямків, відштовхуються.
6. Горизонтальний провідник масою 5 г і завдовжки 10 см лежить на рейках у вертикальному магнітному полі індукцією 25 мТл (рис. 4). Визначте: а) у якому напрямку рухатиметься провідник, якщо замкнути електричне коло; б) коефіцієнт тертя, якщо за сили струму в провіднику 5 А провідник рухається прямолінійно рівномірно.
7. Складіть задачу, обернену до задачі 2, поданої в пункті 3 § 4.
електричного
полів на речовину Вивчаючи у 8 класі електричні явища, ви дізналися, що внаслідок впливу зовнішнього електричного поля відбувається перерозподіл електричних зарядів усередині незарядженого тіла (рис. 5.1). У результаті в тілі утворюється власне електричне поле, напрямлене протилежно зовнішньому. Саме тому електричне поле в речовині завжди послаблюється. Речовина змінює і магнітне поле. Існують речовини, які (як у випадку з електричним полем) послаблюють магнітне поле всередині себе. Такі речовини називають діамагнетиками. Багато речовин, навпаки, посилюють магнітне поле це парамагнетики та феромагнетики. Річ у тім, що будь-яка речовина, поміщена в магнітне поле, намагнічується, тобто створює власне магнітне поле, і магнітна індукція такого поля є різною для різних речовин.
2 Дізнаємося про слабомагнітні речовини Речовини, які намагнічуються, створюючи слабке магнітне поле, магнітна індукція якого набагато менша за магнітну індукцію зовнішнього магнітного поля (тобто поля,
від магнітної індукції зовнішнього магнітного
поля (В0):
BB д 0 ; B B д 0 0 999 8 ,
Якщо діамагнетик помістити в магнітне поле, він буде виштовхуватися з нього (рис. 5.3). Розгляньте рис. 5.2, а і поясніть, чому діамагнітна речовина виштовхується
з магнітного поля.
До діамагнетиків належать інертні гази (гелій, неон тощо), багато металів (наприклад, золото, мідь, ртуть, срібло), молекулярний азот, вода та ін. Тіло людини є діамагнетиком, а дже воно в середньому на 78 % складається з води. Парамагнетики (від грецьк. para поряд) намагнічуються, створюючи слабке магнітне поле, напрямлене в бік зовнішнього магнітного поля (рис. 5.2, б ). Парамагнетики незначно посилюють зовнішнє поле: магнітна індукція магнітного поля всередині парамагнетика (Вп) трохи більша за магнітну індукцію зовнішнього магнітного поля (В0): BB п 0; B B п 0 1 001 ,
До парамагнетиків належать кисень, платина, алюміній, лужні та лужноземельні метали тощо. Якщо парамагнітну речовину помістити в магнітне поле, то вона буде втягуватися в нього.
3
вивчаємо феромагнетики
Якщо слабомагнітні речовини вийняти
з магнітного поля, то їхня намагніченість відразу зникне, на відміну від сильномагнітних речовин феромагнетиків.
Феромагнетики (від латин. ferrum
за лізо) речовини або матеріали, які за лишаються намагніченими й у разі відсутності зовнішнього магнітного поля.
рис. 5.3. Полум’я свічки
рис. 5.4. Залізний
рис. 5.5.
рис. 5.6. До завдання в § 5
Температура Кюрі для деяких феромагнетиків
Речовина (або матеріал)
Температура, °C
Гадоліній +19
Залізо +770
Кобальт +1127
Неодимовий магніт NdFeB +320
Нікель +354
Поясніть, чому на постійному магніті утримуються тільки предмети, виготовлені з феромагнітних матеріалів (рис. 5.6)?
До феромагнетиків належить невелика група речовин: за лізо, нікель, кобальт, рідкісноземельні речовини та низка сплавів. Феромагнетики значно посилюють зовнішнє магнітне поле: магнітна індукція магнітного поля всередині феромагнетиків (Вф) у сотні й тисячі разів більша за магнітну індукцію зовнішнього магнітного поля (В0): BB ф 0
Так, кобальт посилює магнітне поле в 175 разів, нікель у 1120 разів, а трансформаторна сталь (вона на 96–98 % складається із заліза) у 8000 разів. Феромагнітні матеріали умовно поділяють на два типи. Матеріали, які
зовнішнього магнітного
залишаються намагніченими довгий час, називають магнітожорсткими феромагнетиками. Їх застосовують для виготовлення постійних магнітів. Феромагнітні матеріали, які легко намагнічуються і швидко розмагнічуються, називають магнітом’якими феромагнетиками. Їх застосовують для виготовлення осердь електромагнітів, двигунів, трансформаторів, тобто пристроїв, які під час
увагу! У разі досягнення температури Кюрі (див. таблицю) феромагнітні властивості
матеріалів зникають матеріали стають парамагнетиками.
4
Знайомимося з гіпотезою ампера Спостерігаючи дію провідника зі струмом на магнітну стрілку (див. рис. 1.1) і з’ясувавши, що котушки зі струмом поводяться
ніти (див. рис. 1.3), А.
властивостей речовин.
поля (рис. 5.7, б ). У деяких речовин така орієнтація струмів (намагнічення) залишається й після усунення зовнішнього магнітного поля. Отже, усі магнітні явища Ампер пояснював взаємодією рухомих заряджених частинок. Гіпотеза А мпера стала поштовхом до створення теорії магнетизму. На підставі цієї гіпотези були пояснені відомі властивості феромагнетиків. Проте, спираючись на гіпотезу Ампера, неможливо було пояснити природу діа- та парамагнетизму, а також те, чому тільки невелика кількість речовин
має феромагнітні властивості. Сучасна теорія магнетизму ґрунтується на законах квантової механіки і теорії відносності А. Ейнштейна.
підбиваємо підсумки
Будь-яка речовина, поміщена в магнітне поле, намагнічується, тобто створює власне магнітне поле.
Незначно послаблюють зовнішнє магнітне поле, виштовхуються з нього
Інертні гази, золото, мідь, ртуть, срібло, азот, вода та ін.
Намагнічуються, створюючи слабке магнітне поле, напрямлене в бік зовнішнього магнітного поля
Незначно посилюють зовнішнє магнітне поле, втягуються в нього
Кисень, платина, а люміній, лужні та лужноземельні метали тощо
Феромагнетики
Намагнічуються, створюючи сильне магнітне поле, напрямлене в бік зовнішнього; за лишаються намагніченими в разі зникнення зовнішнього магнітного поля
Посилюють зовнішнє магнітне поле в сотні й тисячі разів, втягуються в нього
Залізо, нікель, кобальт, рідкісноземельні речовини (наприклад, неодим), низка сплавів
Контрольні запитання 1. Чому речовина змінює магнітне поле? 2. Наведіть приклади діамагнетиків; парамагнетиків; феромагнетиків. 3. Як напрямлене власне магнітне поле діамагнетика? парамагнетика? феромагнетика? 4. Як у зовнішньому магнітному полі поводиться тіло, виготовлене з діамагнетика? парамагнетика? феромагнетика? 5. Чому феромагнітні матеріали вважають сильномагнітними?
вправа № 5
1. Є два види сталі магнітом’яка та магнітожорстка. Яка сталь є більш придатною
постійних магнітів?
2. Які магнітні властивості матиме: а) залізо за 900 °С? б) кобальт за 900 °С?
3. Мідний циліндр підвісили на пружині та помістили в сильне магнітне поле (рис. 1). Як при цьому змінилося видовження пружини?
4. Чому на постійному магніті можна тримати ланцюжок залізних предметів (рис. 2)?
5. У посудині під великим тиском міститься суміш газів (азоту і кисню). Запропонуйте спосіб розділення цієї суміші на окремі компоненти.
6. Скориставшись додатковими джерелами інформації, дізнайтеся про магнітну левітацію. Якими є перспективи її застосування?
Експериментальне завдання Використавши досить сильний магніт, дослідіть його взаємодію з тілами,
лів (наприклад, з
збільшиться. У разі збільшення числа витків у котушці її магнітна дія посилюється. Уведемо всередину котушки осердя товстий стрижень, виготовлений із феромагнітного матеріалу. Увімкнемо струм циліндр спрямується до котушки та «прилипне» до осердя. Магнітна дія котушки значно посилюється в разі введення в ї ї середину феромагнітного осердя.
Згадайте магнітні властивості речовин і поясніть, чому для виготовлення осердя використовують феромагнітні матеріали. Чи збільшиться магнітна дія котушки, якщо осердя виготовити з міді або а люмінію?
2 Дізнаємося про будову електромагнітів і сферу їх застосування Котушку з уведеним усередину осердям із феромагнітного матеріалу називають електромагнітом. Розглянемо будову е лектромагніта (рис. 6.2). Будь-який електромагніт має каркас (1), виготовлений із діелектрика. На каркас щільно намотаний ізольований дріт це обмотка електромагніта (2). Кінці обмотки підведені до клем (3), за допомогою яких електромагніт приєднують до джерела струму. Усередині каркаса розміщене осердя (4), виготовлене з м’якомагнітної сталі. Осердю електромагніта часто на дають підковоподібної форми, оскільки завдяки цьому магнітна дія
електромагніта значно посилюється. Електромагніти широко застосовують в техніці насамперед тому, що їхню магнітну дію легко регулювати достатньо змінити силу струму в обмотці. Крім того, електромагніти можна виготовити будь-яких форм і розмірів. Важко знайти галузь техніки, де б не застосовували електромагніти: вони містяться в багатьох побутових пристроях (рис. 6.3), входять до складу
електродвигунів та електричних генераторів, електровимірювальних приладів і медичної апаратури. Гігантські електромагніти використовують у прискорювачах заряджених частинок (див. «Енциклопедичну сторінку» на с. 52–53). Розглянемо застосування електромагнітів в електромагнітних підіймальних кранах та електромагнітному реле.
3
вивчаємо принцип дії електромагнітного підіймального крана й електромагнітного реле Складемо електричне коло з джерела струму й електромагніта. Замкнувши коло, побачимо, що залізні ошурки притяглися до осердя електромагніта, отже, можемо
їх, наприклад, на інший кінець столу (рис. 6.4). Саме за таким принципом працюють електромагнітні підіймальні крани, які переносять важкі за лізні болванки, металобрухт тощо (рис. 6.5). І не потрібні ніякі
до електромагніта і їх
місце, вимкнули струм
припинили притягуватись і залишились там, куди їх перенесли. На підприємствах часто застосовують споживачі електроенергії, сила струму в яких сягає сотень і тисяч амперів. Замикальний пристрій і споживач з’єднані послідовно, тому через замикальний пристрій має проходити струм великої сили. А це становить небезпеку для людей, які працюють за пультом керування. На допомогу приходять електромагнітні реле пристрої для керування електричним колом (рис. 6.6). Зверніть увагу:
рис. 6.6. Принцип дії електромагнітного реле. Коли замикають ключ (1) (натискають
кнопку), в обмотці електромагніта (2) йде слабкий безпечний струм. Унаслідок цього
залізне осердя електромагніта притягує до себе якір (3). Коли якір опускається і замикає
контакти (4), замикається коло електродвигуна, який споживає струм значно більшої сили
Котушку з уведеним усередину осердям, виготовленим із магнітом’якої сталі, називають електромагнітом. Електромагніти широко застосовують у техніці, адже їхню магнітну дію легко регулювати, змінюючи силу струму в обмотці; електромагніти можна виготовити будь-яких форм і розмірів.
Контрольні запитання 1. Від чого і як саме залежить магнітна дія котушки зі струмом? Опишіть дослід на підтвердження вашої відповіді. 2. Що таке електромагніт? Опишіть його будову. 3. Чому електромагніти набули широкого застосування в техніці? 4. Поясніть принцип дії електромагнітного підіймального крана.
5. Д ля чого призначено електромагнітне реле? Опишіть принцип його дії.
вправа № 6
1. Замість магнітом’якої сталі для виготовлення осердя електромагніта використали магнітожорсткий матеріал. Які недоліки матиме такий електромагніт?
2. На мотавши на залізний цвях ізольований дріт і з’єднавши кінці дроту з батареєю гальванічних елементів, одержали найпростіший електромагніт (рис. 1). Визначте полюси цього електромагніта.
3. До якої пари затискачів електромагнітного реле (рис. 2) слід приєднати джерело слабкого (керувального) струму?
4. Як зміниться підіймальна сила електромагніта, якщо пересунути повзунок реостата праворуч (рис. 3)? Відповідь обґрунтуйте.
5. На рис. 4 подано схему будови пристрою, який автоматично спрацьовує за певної температури. Назвіть основні частини цього пристрою, поясніть принцип його дії.
6. Скориставшись рис. 5, спробуйте розібратися, як працює електричний дзвінок. Якщо не вийде, то зверніться до додаткових джерел інформації.
7. Скористайтеся додатковими джерелами інформації та дізнайтеся про технологію магнітної сепарації і про те, в яких пристроях використовують цю технологію. Підготуйте коротке повідомлення.
8. Дайте характеристику сили як фізичної величини: що вона характеризує, яким символом її позначають, скалярна це величина чи векторна, якими є її одиниці в СІ.
Експериментальне завдання Виготовте електромагніт: намотайте на залізний цвях ізольований дріт і з’єднайте його кінці з батареєю гальванічних елементів (див. рис. 1). Розімкнувши коло, закріпіть електромагніт горизонтально на деякій відстані від поверхні столу. Змішайте дрібні шматочки паперу, зерна рису та дрібні залізні предмети (краще ошурки). Замкніть коло. Повільно просипаючи суміш повз голівку цвяха, відокремте
тема. Складання та випробування
ніта.
Мета: навчитися виготовляти найпростіший електромагніт; з’ясувати, від чого залежить його магнітна дія. обладнання: амперметр, пробник або динамометр, магнітна стрілка або компас, ізольований мідний дріт, джерело постійного струму, два залізні стрижні (або великі цвяхи), залізні ошурки, реостат,
підготовка до експерименту
1. Перед виконанням роботи згадайте: 1) вимоги безпеки під час роботи з електричними колами; 2) правила, яких необхідно дотримуватися під час вимірювання сили струму амперметром; 3) як залежить магнітна дія електромагніта від сили струму, кількості витків і наявності за лізного осердя.
2. Визначте ціни поділки шкал амперметра та динамометра.
Експеримент Суворо дотримуйтесь інструкції з безпеки (див. форзац підручника).
1. Виготовте два електромагніти з різною кількістю витків в обмотці. Для цього візьміть два однакові залізні стрижні й намотайте на
них різну кількість витків ізольованого мідного дроту: на один стрижень 20 витків, на другий 40.
2. Узявши електромагніт із більшим числом витків, складіть електричне коло за схемою на рис. 2.
3. Замкніть коло та переконайтеся, що електромагніт притягує залізні ошурки, тобто виявляє магнітні властивості.
4. За допомогою магнітної стрілки або компаса визначте полюси одержаного електромагніта. Опишіть, як ви це зробили.
5. З’ясуйте, від чого залежить магнітна дія електромагніта.
1) Використавши реостат, в обмотці електромагніта з більшим числом витків установіть силу струму спочатку 0,5 А, а потім 1,5 А. Порівняйте магнітну дію електромагніта за різної сили струму в обмотці.
2) Вийміть стрижень з обмотки та встановіть в обмотці силу струму 1,5 А. З’ясуйте, як впливає наявність осердя на магнітну дію електромагніта.
3) Складіть електричне коло (див. рис. 2) з електромагнітом, який має менше витків. За допомогою реостата встановіть у колі струм силою 1,5 А. Визначте, як зменшення числа витків впливає на магнітну дію електромагніта.
аналіз результатів експерименту Проаналізуйте
1
обкладатимете
Минув час, і зараз наше життя неможливо уявити, наприклад,
нів — екологічно чистих, зручних, компактних пристроїв. Про те, як працюють деякі електричні пристрої, ви дізнаєтеся з цього параграфа.
вивчаємо дію магнітного поля
рамку
струмом Візьмемо легку прямокутну рамку, що складається з кількох витків ізольованого дроту, і помістимо її між полюсами магніту так, щоб вона могла легко обертатися навколо горизонтальної осі.
Пропустимо в рамці електричний струм (рис. 7.1, а). Рамка повернеться і, гойднувшись кілька разів, розташується так, як показано на рис. 7.1, б. Це положення є положенням рівноваги рамки. З’ясуємо, чому рамка починає рух. Для цього, скориставшись правилом лівої руки, визначимо напрямок сили Ампера, що діє на кожну сторону рамки на початку спостереження. На рис. 7.1, а бачимо, що сила Ампера F1, яка діє на сторону A B, напрямлена вгору, а сила Ампера F2 , яка діє на сторону СD, напрямлена вниз. Отже, обидві сили повертають рамку за ходом годинникової стрілки.
А тепер з’ясуємо, чому рамка припинила рух. Річ у тім, що після проходження рамкою положення рівноваги сили Ампера повертатимуть її вже проти ходу годинникової стрілки (рис. 7.1, в). У результаті рамка почне повертатись у зворотному
2
на сторону AB рамки, напрямлена
рону СD рамки, вниз.
Дізнаємось, як працює двигун
струму
Обертання рамки зі струмом у магнітному полі було використано у створенні електричних двигунів.
Електричний двигун — це пристрій, у якому електрична енергія перетворюється на механічну.
Щоб зрозуміти, як працює електродвигун постійного струму, з’ясуємо, як змусити рамку безперервно обертатися
Неважко здогадатися: треба, щоб у момент проходження рамкою положення рівноваги напрямок струму в рамці змінювався на протилежний.
дії колектора. Власне
являє собою
півкільця (1), до кожного з яких притиснута металева щітка (2). Півкільця виготовлені з провідника й розділені проміжком. Щітки слугують для підведення напруги від джерела струму (3) до рамки (4), яка легко обертається навколо горизонтальної осі й розташована між полюсами потужного магніту (5). Одну щітку з’єднують з позитивним полюсом джерела струму, другу з негативним.
Після замикання кола рамка внаслідок дії сил Ампера починає повертатися за ходом годинникової стрілки (рис. 7.2, а). Півкільця колектора повертаються разом із рамкою, а щітки залишаються нерухомими, тому після проходження положення рівноваги (рис. 7.2, б ) до щіток будуть притиснуті вже інші півкільця (рис. 7.2, в). Напрямок струму в рамці зміниться на протилежний, а напрямок її обертання не зміниться рамка продовжить рух за ходом годинникової стрілки.
рис. 7.3. Ротор двигуна, який містить одну обмотку: 1 — обмотка; 2 — осердя; 3 — півкільця 2 1
рис. 7.4. Ротор двигуна, який містить дванадцять обмоток: 1 — пластини колектора, 2 — осердя з обмоткою
Визначте для положень а і в рамки (див. рис. 7.2) напрямки сил Ампера, що діють на сторони рамки. Доведіть, що в обох випадках сили А мпера обертатимуть рамку за ходом годинникової стрілки.
Таким чином, щоб виготовити електричний двигун, потрібно мати: 1) постійний магніт або електромагніт; 2) провідну рамку; 3) джерело струму; 4) колектор.
3
Збільшуємо потужність електричного двигуна Сили Ампера, які забезпечують обертання рамки, прямо пропорційні довжині провідника. Тому для збільшення потужності електродвигуна
тин. rotare обертатися) двигуна (рис. 7.3). Для забезпечення рівномірного обертання ротора використовують кілька обмоток, які намотують на одне осердя. Колектор такого двигуна має не два півкільця, а низку мідних дугоподібних пластин, закріплених на ізольованому барабані (рис. 7.4). У більшості сучасних електродвигунів замість постійного магніту використовують електромагніт, який становить одне ціле з корпусом електродвигуна та слугує статором (нерухомою частиною пристрою; від латин. stator той, що стоїть нерухомо). Обмотка статора підключена до того самого джерела струму, що й обмотка ротора. Коли в обмотках ротора й статора йде струм, ротор обертається
4
Знайомимося з принципом
електровимірювальних приладів На повертанні рамки зі струмом у магнітному полі постійного магніту ґрунтується дія електровимірювальних приладів магнітоелектричної системи гальванометрів, амперметрів і вольтметрів постійного струму. Вимірювальний механізм таких приладів зображено на рис. 7.6.
Коли струм у рамці (4) відсутній, спіральні пружини (2) у тримують півосі (3), а отже, й стрілку (6) таким чином, що кінець стрілки встановлюється на нульовій позначці шкали приладу (7). Коли прилад вмикають у коло, в рамці починає йти струм і внаслідок дії сил Ампера рамка повертається в магнітному полі постійного магніту (1). Разом із рамкою повертаються півосі, а отже, і стрілка.
Під час повертання рамки закручуються пружини й виникають додаткові сили пружності. Коли момент сил пружності зрівноважує момент сил Ампера, повертання припиняється, а стрілка за лишається відхиленою. Чим більша сила струму в рамці, тим на більший
кут відхилиться стрілка і тим більшими бу-
дуть покази приладу.
Прилади магнітоелектричної системи мають велику точність і високу чутливість.
5
Зіставляємо амперметр і вольтметр
За внутрішньою будовою амперметр і вольтметр є однаковими; відрізняються лише їхні шкали й електричні опори. Амперметр вмикають у коло послідовно, тому його опір має бути якнайменшим, інакше сила струму в колі значно зменшиться. А от вольтметр приєднують до кола паралельно з пристроєм, на якому вимірюють напругу, отже, щоб сила струму в колі майже не змінювалась, опір вольтметра має бути якнайбільшим. 6 Знайомимося з принципом
Основні частини динаміка котушка зі струмом (звукова котушка) (1), до якої прикріплений дифузор (2), і магнітна система, що складається із постійного кільцевого магніту (3), сталевого циліндра (керна) (4) і двох сталевих дисків (фланців) (5), які щільно прилягають до магніту. Магнітна система створює магнітне поле, напрямлене перпендикулярно до витків котушки. Якщо котушкою тече струм, на витки котушки діють сили А мпера, що змушують котушку рухатися вздовж керна, котушка втягується в зазор кільцевого магніту. Коли сила струму в котушці змінюється зі звуковою частотою, так само змінюються й сили А мпера, й котушка то сильніше, то слабше втягується в зазор (коливається в такт зміни сили струму). Разом із котушкою коливається і прикріплений до неї дифузор, який «штовхає» повітря, створюючи звукову хвилю, гучномовець випромінює звук.
Унаслідок дії сил Ампера рамка зі струмом може обертатися в
ному полі. Це явище використовують у роботі електродвигунів. Щоб забезпечити обертання рамки в одному напрямку, застосовують колектор пристрій, який автоматично змінює напрямок струму в рамці. Гальванометри, амперметри і вольтметри це вимірювальні прилади магнітоелектричної системи. Їхня дія ґрунтується на повертанні рамки зі струмом у магнітному полі постійного магніту.
Ще одним прикладом застосування сил А мпера є електродинамічний гучномовець, дія якого ґрунтується на втягуванні котушки зі струмом у магнітне поле кільцевого магніту.
Контрольні запитання
1. Чому рамка зі струмом повертається в магнітному полі? чому зупиняється? 2. Назвіть основні частини електродвигуна. Яка з них «відповідає» за безперервне обертання ротора електродвигуна? 3. Що являє собою статор електродвигуна? 4. Назвіть переваги електричних двигунів порівняно з тепловими.
2. Чому в разі послідовного приєднання вольтметра до кола сила струму в колі значно зменшується?
3. На затискачах вимірювальних приладів магнітоелектричної системи зазначено полярність («+» і «–»). Що буде, якщо, вмикаючи прилад, не дотриматися полярності?
4. Електричні двигуни мають низку переваг перед тепловими. Чому ж людство не відмовляється від застосування теплових двигунів?
5. Окрім електровимірювальних приладів магнітоелектричної системи існують вимірювальні прилади електродинамічної та електромагнітної систем. У вимірювальних приладах електродинамічної системи (рис. 2) замість постійного магніту використовують електромагніт. Дія вимірювальних приладів електромагнітної системи (рис. 3) базується на явищі втягування феромагнітного диска в проміжок нерухомої котушки зі струмом. Розгляньте рис. 2 і 3 та спробуйте пояснити, як працюють подані прилади. Якщо треба, зверніться до додаткових джерел інформації.
6. Згадайте, що таке електричний струм. Дайте його означення. За яких умов він виникає?
Експериментальне завдання «Ламайстер». Розгляньте будову
електричного двигуна, вийнятого з іграшки. Приєднайте двигун до батареї гальванічних елементів і зверніть увагу
й струм стрілка повернеться на
позначку (рис. 8.1, б ). Виймаючи магніт із котушки, бачимо, що стрілка гальванометра відхиляється в інший бік (рис. 8.1, в), а після припинення руху магніту знову повертається на нульову позначку. Якщо залишити магніт нерухомим, а рухати котушку (або наближаючи її до магніту, або віддаляючи від нього, або повертаючи поблизу полюса магніту), то також спостерігатимемо відхилення стрілки гальванометра. Тепер візьмемо дві котушки А і В і надінемо їх
так і під час зменшення сили струму в котушці
шення сили струму стрілка гальванометра відхилятиметься в один бік, а в разі зменшення в інший. Струм у котушці А виникатиме також у момент замикання та в момент розмикання
8. Досліди
виникає електричний струм, якщо кількість
ліній магнітної індукції, що пронизують поверхню, обмежену контуром, змінюється.
Це явище було названо е лектромагнітною індукцією, а електричний струм, який при цьому виникає, індукційним (наведеним) струмом (рис. 8.3).
Чи виникне в замкненій провідній рамці
індукційний струм, якщо рамку поступально (не повертаючи) пересувати між
полюсами електромагніта (рис. 8.4)?
2
З’ясовуємо причини виникнення
індукційного струму
Ви з’ясували, коли в замкненому провідному контурі виникає індукційний струм. А що ж є причиною його виникнення? Розглянемо два випадки.
1. Провідний контур рухається в магнітному полі (рис. 8.3, а). Якщо провідник рухається в магнітному полі, то вільні заряджені частинки всередині провідника рухаються разом із ним у певному напрямку. На рухомі заряджені частинки
діє із певною силою. Саме під дією цієї сили заряджені частинки починають напрямлено рухатися вздовж провідника в провіднику виникає індукційний електричний струм.
рис. 8.3. Виникнення індукційного струму внаслідок зміни кількості ліній магнітної індукції, що пронизують контур: а — контур наближають
в якому розташований контур
рис. 8.4. До завдання в § 8
2. Нерухомий провідний контур розташований у змінному
полі (рис. 8.3, б ). У цьому
не можуть зробити хаотичний рух заряджених частинок
що змінне магнітне поле завжди супроводжується
сторі вихрового електричного поля (силові лінії такого
Це означає:
1) якщо кількість ліній магнітної індукції, що пронизують котушку, збільшується (магнітне поле всередині котушки посилюється), то в ній виникає індукційний струм такого напрямку, що котушка буде обернена до магніту однойменним полюсом (рис. 8.5, а). 2) якщо кількість ліній магнітної індукції, що пронизують котушку, зменшується, то в котушці виникає індукційний струм такого напрямку, що котушка буде обернена до магніту різнойменним полюсом (рис. 8.5, б ). Знаючи полюси котушки та скориставшись правою рукою (див. § 3), можна визначити напрямок індукційного струму. А налогічно можна визначити напрямок індукційного струму для випадку, коли дві котушки надіто на спільне осердя (див. пункт 5 «Учимося розв’язувати задачі» § 8).
4
Знайомимося з промисловими джерелами
індукції використовують в електромеханічних генераторах, без яких неможливо уявити сучасну електроенергетику.
Електромеханічний генератор — пристрій, в якому механічна енергія перетворюється на електричну.
Щоб зрозуміти принцип дії електромеханічного генератора, звернемося до досліду. Візьмемо рамку, що складається з кількох витків дроту, й будемо обертати її в магнітному полі постійного магніту (рис. 8.6). Під час обертання рамки кількість магнітних ліній, що її пронизують, то збільшується, то зменшується. У рамці виникає
товстий мідний ізольований дріт обмотку
статора (2). Усередині статора обертається ротор (3). Він, як і ротор електродвигуна, зазвичай являє собою великий циліндр, у пази якого вкладено обмотку ротора (4).
До обмотки ротора подається напруга від джерела постійного струму.
Струм тече по обмотці ротора, створюючи навколо нього магнітне поле, яке пронизує обмотку статора.
Під дією пари (на теплових і атомних електростанціях) або води, що падає з висоти (на гідроелектростанціях), ротор
генератора починає швидко обертатися.
Унаслідок цього кількість ліній магнітної індукції, що пронизують витки обмотки статора, змінюється і в обмотці статора виникає індукційний електричний струм.
Після низки перетворень цей струм подають до споживача електричної енергії.
5 Учимося розв’язувати задачі
Задача. Котушка й а люмінієве кільце розміщені на спільному осерді (рис. 1). Визначте на прямок індукційного струму в кільці, якщо ключ замкнути. Як буде поводитися кі льце в момент за микання ключа? через деякий час після замикання ключа? в момент розмикання ключа?
Аналіз фізичної проблеми, розв’язання 1) Струм у котушці напрямлений по її передній стінці вгору (від «+» до «–»). Скориставшись правою рукою, визначимо полюси котушки (напрямок магнітних ліній всередині котушки): ближчим до кільця буде південний полюс котушки (рис. 2).
2) У момент замикання ключа сила струму в котушці збільшується, тому магнітне поле всередині кільця посилюється.
3) У кільці виникає індукційний струм такого напрямку,
Алгоритм
визначення напрямку індукційного струму
1. Визначаємо на прямок магнітної індукції зовнішнього м агнітного поля ( B ).
2. З’ясовуємо, посилюється чи послаблюється зовнішнє магнітне поле (тобто збільшується чи зменшується кі лькість ліній магнітної індукції, що пронизують контур).
3. Визначаємо напрямок магнітної індукції магнітного поля, створеного індукційним струмом ( B ′ ).
4. Визначаємо напрямок індукційного струму.
підбиваємо підсумки
відразу після замикання ключа струм в котушці буде постійним, магнітне поле всередині кільця не змінюватиметься й індукційного струму в кільці не буде. Оскільки кільце виготовлене із магнітослабого матеріалу, воно майже не буде взаємодіяти з котушкою. У момент розмикання ключа сила струму в котушці швидко зменшується, створене котушкою магнітне поле послаблюється. У кільці виникає індукційний струм такого напрямку, що кільце буде обернене до котушки різнойменними полюсом і на короткий час притягнеться до неї (рис. 3).
3
У замкненому провідному контурі в разі зміни кількості ліній магнітної індукції, що пронизують контур, виникає електричний струм. Такий струм називають індукційним, а явище виникнення струму електромагнітною індукцією. Одна з причин виникнення індукційного струму полягає в тому, що змінне магнітне поле завжди супроводжується виникненням у навколишньому просторі електричного поля. Електричне поле діє на вільні заряджені частинки в провіднику, і ті починають рухатися напрямлено виникає індукційний струм.
Контрольні запитання
1. Опишіть досліди М. Фарадея. 2 . У чому полягає явище електромагнітної індукції? 3. Який струм називають індукційним? 4. Якими є причини виникнення індукційного струму? 5. Робота яких пристроїв ґрунтується на явищі електромагнітної індукції? Які перетворення енергії в
2) Для
в п. 1 визначте напрямок індукційного струму в суцільному кільці та напрямок індукції магнітного поля, створеного цим струмом.
3) Що відбуватиметься, якщо магніт підносити до розрізаного а люмінієвого кільця?
3. Дві котушки надіто на спільне осердя (рис. 3). Визначте напрямок індукційного струму в котушці А, якщо: 1) замкнути коло; 2) розімкнути коло; 3) пересунути повзунок реостата ліворуч; 4) пересунути повзунок реостата праворуч.
4. Складіть задачу, обернену до розглянутої
отриману задачу.
тема. Спостереження явища електромагнітної індукції.
Мета: дослідити умови виникнення індукційного струму в замкненій котушці; з’ясувати чинники, від яких залежать сила та напрямок індукційного струму.
обладнання: міліамперметр, два штабові
підковоподібні магніти, дротяна котушка-моток на каркасі.
2. Виконайте завдання. На рис. 1–4 зображено штабовий магніт, котушку-моток (далі котушка), приєднану до міліамперметра, та зазначено напрямок швидкості руху магніту. Перенесіть рисунки до зошита й для кожного випадку: 1) позначте магнітні полюси котушки; 2) визначте та покажіть напрямок індукційного струму в котушці.
Проаналізуйте табл. 1 і сформулюйте висновок, у якому зазначте:
1) за яких умов у замкненій котушці виникає індукційний струм;
2) як змінюється напрямок індукційного струму в разі зміни напрямку руху магніту; 3) як змінюється напрямок індукційного струму в разі зміни полюса магніту, який наближають або віддаляють від котушки.
Експеримент 2 З’ясування чинників, від яких залежить значення індукційного струму. Утримуючи котушку та магніт у руках, послідовно виконайте досліди, зазначені в табл. 2. Щоразу знімайте покази
їх до табл. 2.
1
Повільно
однойменними полюсами
аналіз результатів експерименту 2
Проаналізуйте табл. 2 і сформулюйте висновок, у якому зазначте: 1) як залежить сила індукційного струму від швидкості відносного руху магніту та котушки; 2) як залежить сила індукційного струму від значення індукції зовнішнього магнітного поля, зміна якого спричиняє появу струму в котушці. + творче завдання Продумайте та запишіть план проведення експериментів із дослідження умов виникнення індукційного
1. Вивчаючи розділ I, ви довідалися, що спочатку людина дізналася про постійні магніти та почала їх використовувати; значно пізніше було створено електромагніти, які знайшли широке застосування.
Магніти
Постійні магніти
Природні
Величезний природний
магніт планета Земля:
південний магнітний полюс Землі розташований біля її північного географічного полюса;
північний магнітний полюс
Землі розташований біля її південного географічного полюса
2. Ви з’ясували, що навколо намагніченого тіла, рухомої зарядженої частинки та провідника зі струмом існує магнітне поле.
тіл, провідників зі струмом та рухомих заряджених тіл або частинок і яка діє на інші намагнічені тіла, провідникі зі струмом та рухомі заряджені тіла або частинки, розташовані в цьому полі
векторна фізична величина, яка є силовою характеристикою магнітного поля
правилом свердлика Модуль магнітної індукції B F Il A = max , де FA max найбільша сила Ампера, що діє на розташований у магнітному полі провідник завдовжки l; I сила струму в провіднику.
[B] = 11 Тл Н Ам = ⋅
умовні лінії, вздовж дотичних до яких напрямлений вектор магнітної індукції завжди замкнені (магнітне поле вихрове поле); напрямок збігається з напрямком, на який указує північний полюс магнітної стрілки;
напрямок можна визначити
3. Ви дізналися, що в магнітному
незначно змінюють зовнішнє магнітне поле
незначно послаблюють
зовнішнє магнітне поле
незначно посилюють зовнішнє магнітне поле
посилюють зовнішнє магнітне поле в сотні й тисячі разів
магнітожорсткі зберігають намагніченість довгий час
4. Ви з’ясували, що на провідник зі струмом,
Діє
на провідник зі струмом, розміщений у магнітному полі
I сила струму в провіднику; l довжина активної частини провідника; α кут між напрямком індукції магнітного поля і напрямком струму в провіднику
Електровимірювальні прилади
5.
Коли кількість ліній магнітної індукції, що пронизують
магнітом’які легко намагнічуються й розмагнічуються
Напрямок визначається за правилом лівої руки
1. (1 бал) Південний магнітний
а) на північний географічний полюс Землі; б) південний магнітний полюс Землі; в) південний географічний полюс Землі; г) екватор Землі.
2. (1 бал) Магнітне поле котушки зі струмом слабшає, якщо: а) у середину котушки ввести залізне осердя; б) збільшити число витків в обмотці; в) зменшити силу струму;
г) збільшити силу струму.
3. (2 бали) Установіть відповідність між науковим фактом і дослідами, за допомогою яких цей факт було з’ясовано.
1 Навколо провідника зі струмом існує магнітне поле
2 Навколо планети Земля існує магнітне
найсильніше.
Ротор це нерухома частина двигуна.
5. (2 бали) У якому випадку (рис. 1) напрямок ліній індукції магнітного поля прямого провідника зі струмом зазначено правильно?
6. (2 бали) Де на рис. 2 напрямок сили
7. (2 бали) Прямолінійний провідник завдовжки 0,6 м розташований в однорідному магнітному полі індукцією 1,2 мТл під кутом 30° до ліній магнітної індукції поля. Визначте силу Ампера, яка діє на провідник, якщо сила струму в ньому 5 А. а) 1,8 мН; б) 2,5 мН; в) 3,6 мН; г) 10 мН.
8. (2 бали) Перед тим як подати зерно на жорна млина, це зерно пропускають між полюсами сильного електромагніта. Для чого це роблять?
9. (3 бали) Магнітна стрілка встановилася в магнітному полі котушки зі струмом так, як показано на рис. 3. Визначте полюси джерела струму.
10. (3 бали) На рис. 4 зображено рамку, що повертається в магнітному полі постійного магніту. Визначте полюси джерела струму, до якого підключено рамку.
11. (3 бали) На рис. 5 зображено провідник зі струмом, розташований у магнітному полі підковоподібного магніту. Визначте полюси магніту. Рис. 4
Рис. 3
12. (3 бали) Чи відхилиться магнітна стрілка від напрямку «північ південь», якщо до неї піднести залізний брусок? мідний брусок?
13. (4 бали) Визначте полюси електромагніта (рис. 6). Як зміниться підіймальна сила електромагніта, якщо повзунок реостата пересунути ліворуч?
14. (4 бали) Визначте напрямок індукційного струму в замкненому провідному кільці в момент замикання ключа (рис. 7).
15. (4 бали) Сталевий стрижень завдовжки 40 см і масою 50 г лежить перпендикулярно до горизонтальних рейок (рис. 8). Уздовж рейок напрямлене однорідне магнітне поле індукцією 0,25 Тл.
про їх застосування в
електричного струму. Але всі ці конструкції
відомі. Отже, подальше вивчення магнітних явищ є зайвим? Не поспішайте з відповіддю, згадайте, наприклад, про потяги «без тертя». Рейками для таких потягів є магнітне поле. Два магніти, один із яких розміщений в опорах, а другий — у самому потязі, повернені один до одного однойменними полюсами, а отже, відштовхуються. Як результат — потяг ніби «летить» над дорогою. Про переваги такого технічного рішення докладно було розказано на «Енциклопедичній сторінці» в підручнику для 7 класу. Розглянемо ще кілька прикладів застосування надпотужних магнітів. Але спочатку визначимося, що називають надпотужними
полів, створюваних різними об’єктами, за таблицею, в якій наведено, у скільки разів індукція B магнітного поля певного об’єкта відрізняється від індукції
нітне поле Землі, порівняно невелике, іноді є шкідливим, і вчені навчилися екранувати його (знижувати) в спеціально обладнаних приміщеннях — магнітоекранованих кімнатах. Найменше значення магнітного поля в такій кімнаті є у 10 мільйонів разів меншим, ніж поле Землі.
Як бачимо з таблиці, створено магніт, індукція магнітного поля якого сильніше за індукцію магнітного поля Землі у 200 000 разів. Для чого потрібні такі потужні магніти? Насамперед
кілометрів рухаються заряджені частинки. Щоб вони «не вихлюпувалися» на стінки, й потрібні надпотужні магніти (рис. 2). Широко відоме застосування надпотужних магнітів у медицині: за їхньою допомогою одержують зображення внутрішніх органів людини (рис. 3, 4). На відміну від діагностики за допомогою рентгенівських променів, метод магнітного резонансу є значно безпечнішим.
Насамкінець наведемо ще один приклад застосування надпотужних магнітів. Інженери вже навчили «літати» важкі потяги, а чи можна навчити літати людину або тварину?
Виявляється, вся справа в матеріалах. У конструкції потяга для підсилення магнітного поля можна використати спеціальні матеріали, а от речовини, з яких складається організм, таких властивостей не мають. Не вживлювати ж заради сумнівного задоволення у тіло «залізячки»! Та на шляху опанування левітації допомогли надпотужні магніти. З’ясувалося, що в разі дуже сильних магнітних полів навіть слабкого
3. Обладнання
резонансу
орієнтовні теми проектів
1. Магнітні матеріали та їх використання.
2. Магнітний запис інформації.
3. Вияви та застосування магнітних взаємодій у природі й техніці.
4. Геомагнітне поле Землі.
5. Магнітні бурі та їхній вплив на здоров’я людини.
6. Різноманітні електромагнітні пристрої.
7. Генератори електричного струму.
теми рефератів і
повідомлень
1. Вплив магнітного поля на якість і швидкість проростання насіння.
2. Вплив магнітного поля на життя та здоров’я людини.
3. Сила Лоренца. Вияви сили Лоренца в природі, застосування в техніці.
4. Історія вивчення магнетизму.
5. Магнітні моменти атома та його складників.
6. Антимагнітні речовини та їх застосування.
7. Внесок українських у чених у вивчення магнетизму.
8. М. Фарадей і Дж. Максвелл засновники теорії електромагнітного поля.
9. Магнітні бурі в атмосфері планет-гігантів Сатурна й Урана.
10. Нікола Тесла людина, яка випередила свій час.
11. Як працюють прискорювачі заряджених частинок.
12. Що таке магнітний сепаратор і для чого він призначений.
13. МГД-генератор: що він генерує і як працює.
14. Що таке петля гістерезису і як вона пов’язана з намагнічуванням і перемагнічуванням.
3. Вимірювання магнітної індукції магнітного поля котушки зі струмом; магнітного поля підковоподібного магніту.
4. Виготовлення генератора електричного струму.
5. Дослідження явища електромагнітної індукції.
6. Виготовлення магнітної рідини, дослідження її властивостей.
7. Виготовлення електродвигуна.
Розділ
СВ і Тло В і ЯВИЩ А
II
1 спостерігаємо світлові явища Зі світловими явищами ви зустрічаєтеся щодня, а дже вони є частиною природних умов, у яких ми існуємо. Деякі зі світлових явищ здаються нам справжнім дивом, наприклад міражі в пустелі, полярні сяйва. Проте погодьтеся, що й більш «звичні» світлові явища: виблиск краплинки роси в сонячному промені, місячна доріжка на плесі, семибарвний міст веселки після літнього дощу, блискавка в грозових хмарах, мерехтіння зір у нічному небі теж є
роблять світ навколо нас чудовим,
тіла, частинки (атоми, молекули, йони) яких випромінюють світло. Погляньте навколо, зверніться до свого досвіду і
звете багато джерел світла: зоря, спалах блискавки, полум’я свічки, лампа, монітор комп’ютера тощо (див., наприклад, рис. 9.1). Світло можуть випромінювати й деякі істоти (світлячки яскраві цятки світла, які
побачити теплої літньої ночі
траві, деякі морські тварини, радіолярії та ін.).
Ясної місячної ночі ми можемо досить
бачити предмети, освітлені місячним сяйвом. Однак Місяць не можна вважати
3
розрізняємо джерела світла
Залежно від походження розрізняють природні й штучні (створені людиною) джерела світла.
До природних джерел світла належать, наприклад, Сонце й зорі, розпечена лава та полярні сяйва, деякі світні об’єкти з-поміж тварин і рослин (глибоководна каракатиця, світні бактерії, світлячки). Природні джерела не можуть задовольнити потребу людини у світлі, тому ще в давнину почали створювати штучні джерела світла. Спочатку це були вогнище й каганець, пізніше свічки, оливні та гасові лампи; наприкінці XIX ст. було винайдено електричну лампу. Зараз різні види електричних ламп використовують усюди (рис. 9.2, 9.3).
Які види електричних ламп використовують у житлових будинках? Які лампи застосовують для різнобарвної ілюмінації?
Джерела світла поділяють на теплові та люмінесцентні. Теплові джерела випромінюють світло завдяки тому, що мають високу температуру (рис. 9.4). Для світіння люмінесцентних джерел світла не потрібна висока температура: світлове випромінювання може бути доволі інтенсивним, а джерело при цьому залишається відносно холодним. Прикладами люмінесцентних джерел світла є полярне сяйво та морський планктон, екран телефону і світловий індикатор, світлодіодна лампа та лампа денного світла, дорожній знак і дороговказ, вкриті люмінесцентною фарбою, тощо.
рис. 9.2. Потужними джерелами штучного світла є галогенні лампи у фарах сучасного автомобіля
рис. 9.3. Сигнали сучасних світлофорів добре помітні навіть тоді, коли яскраво світить сонце. У таких світлофорах лампи розжарення
Найкращим
що
разів перевищує розміри самих зір. Джерела світла, що не є точковими, називають протяжними джерелами світла.
У більшості випадків ми маємо справу саме з протяжними джерелами світла. Це і лампа денного світла, і екран мобільного телефону, і полум’я свічки, і вогонь багаття.
Залежно від умов те саме джерело світла може вважатися як протяжним, так і точковим.
На рис. 9.5 зображено світильник для ландшафтного освітлення
5 Характеризуємо
світлового випромінювання перетворюється на інші види енергії теплову, яка виявляється в нагріванні тіл, що поглинають світло, електричну, хімічну та навіть механічну. Унаслідок таких перетворень приймачі певним чином реагують на світло або на його зміну. Наприклад, деякі системи охорони працюють на фотоелектричних приймачах світла фотоелементах
Тривалий час для отримання фотографій застосовували лише фотохімічні приймачі світла (фотоплівка, фотопапір), в яких у результаті дії світла відбуваються певні хімічні реакції (рис. 9.7).
У сучасних цифрових фотоапаратах замість фотоплівки використовують матрицю, яка складається з великої кількості фотоелементів. Кожен із цих елементів приймає
«свою» частину світлового потоку, перетворює її на електричний сигнал і передає його в певне місце екрана. Природними приймачами світла є очі
живих істот (рис. 9.8). Під дією світла в сітківці ока відбуваються певні хімічні реакції, виникають нервові імпульси, внаслідок чого мозок формує уявлення про довкілля.
6
Дізнаємося про швидкість поширення світла
Дивлячись на зоряне небо, ви навряд чи здогадуєтеся, що деякі зорі вже згасли. Понад те, декілька поколінь наших предків милувалися тими самими зорями, а ці зорі не існували вже й тоді! Як це може бути, що світло від зорі є, а власне зорі вже немає?
Річ у тім, що світло поширюється в просторі зі скінченною швидкістю. Швидкість c
поширення світла є величезною, й у вакумі
вона становить приблизно триста тисяч кілометрів за секунду: c = 299792 458 м с *
Світло долає багатокілометрові відстані за тисячні частки секунди. Саме тому в разі, коли відстань
рис. 9.7.
приймачі світла
рис. 9.8. Очі живих істот —
Від найближчої до нас зорі А льфа Центавра світло йде до Землі майже 4 роки. Тому, дивлячись на цю зорю, ми насправді бачимо, якою вона була 4 роки тому.
Але ж існують галактики, віддалені від нас на мільйони світлових років (тобто світло йде до них мільйони років). Уявіть собі, що в такій галактиці існує високотехнологічна цивілізація. Тоді виходить, що вони «бачать» нашу планету ще за часів динозаврів!
Розділ
підбиваємо підсумки
Фізичні тіла, атоми та молекули яких випромінюють світло, називають джерелами світла. Джерела світла бувають теплові й люмінесцентні; природні й штучні; точкові й протяжні. Наприклад, полярне сяйво природне протяжне люмінесцентне джерело світла. Пристрої, які змінюють свої параметри в результаті дії світла та за допомогою яких можна виявити світлове випромінювання, називають приймачами світла. У приймачах світла енергія світлового випромінювання перетворюється на інші види енергії.
істот
приймачі світла. Світло поширюється в просторі зі скінченною швидкістю. Швидкість поширення світла у вакуумі приблизно становить: c =⋅3108 м/ с .
Контрольні запитання
1. Яку роль відіграє світло в житті людини? 2. Дайте означення
світла. Наведіть приклади. 3. Чи є Місяць джерелом світла? Поясніть свою відповідь. 4. Наведіть приклади природних і штучних джерел світла. 5. Що спільного мають теплові й люмінесцентні джерела світла? Чим вони відрізняються? 6. За яких умов джерело світла вважають точковим? 7. Які пристрої називають приймачами світла? Наведіть приклади природних і штучних приймачів світла. 8. Якою є швидкість поширення світла у вакуумі?
вправа № 9
1. Установіть відповідність між джерелом світла (див. рисунок)
і його видом.
А природне теплове
В штучне теплове
Б природне люмінесцентне
Г штучне люмінесцентне
2. Для кожного рядка визначте «зайве» слово або словосполучення. а) полум’я свічки, Сонце, зоря, Місяць, світлодіодна лампа; б) екран увімкненого комп’ютера, блискавка, лампа розжарення, факел; в) лампа денного світла, полум’я газового пальника, багаття, радіолярія.
3. За який приблизно час світло проходить відстань від Сонця до Землі 150 млн км?
4. У яких із зазначених випадків Сонце можна вважати точковим джерелом світла? а) спостереження сонячного затемнення; б) спостереження Сонця з космічного корабля, який
5.
1
поширення світла. З’ясуємо, в чому полягає цей закон і які явища він пояснює.
Учимося розрізняти пучок світла
і світловий промінь Для спостереження світлових пучків нам не потрібне жодне спеціальне обладнання (рис. 10.1). Достатньо, наприклад, або відчинити двері в темний коридор із освітленої кімнати, або ввімкнути в темряві
ясного
випадку падають
напрямку спрямовується рефлектором
рика; в останньому випадку пучки світла проходять до кімнати крізь щілину між шторами. У реальному житті ми маємо справу тільки з пучками світла. Хоча, погодьтеся, для нас є звичним, коли говорять: промінь сонця, промінь прожектора, зелений промінь тощо. Насправді з погляду геометричної оптики, яку ми вивчатимемо цього року, правильно було б
казати: пучок сонячних променів, пучок зе-
лених променів тощо. А от для схематичного зображення світлових пучків використовують світлові промені (див. рис. 10.2).
світловий промінь — це лінія, що вказує напрямок поширення енергії світла.
Отже, якщо да лі в тексті зустрічатимуться фрази, словосполучення на зразок «промінь світла падає», «заломлення променя» тощо, слід мати на увазі, що йдеться
переконуємося
прозорому однорідному середовищі світло поширюється прямолінійно.
Про цей закон ще понад 2500 років тому писав давньогрецький у чений Евклід. У геометрії поняття променя та прямої лінії виникли на основі уявлення про світлові промені.
3 Дізнаємося про повну тінь і півтінь Прямолінійністю
півтінь — це область простору, освітлена деякими
з наявних точкових джерел світла або частиною
протяжного джерела.
Чи бачимо ми світло від джерела, перебуваючи в області повної тіні? півтіні? Яким, на вашу
думку, буде контур півтіні (чітким чи розмитим), якщо предмет освітлювати двома точковими джерелами світла (див. рис. 10.6)?
рис. 10.6. До завдання
Утворення повної тіні й півтіні в космічних масштабах ми спостерігаємо під час сонячного та місячного затемнень. Унаслідок обертання Місяця навколо Землі іноді стається так, що Місяць, Сонце і Земля опиняються на одній прямій. Якщо при цьому Місяць розташований між Сонцем і Землею, то тінь від Місяця падає на Землю, на Землі спостерігається сонячне затемнення (рис. 10.7). У тих місцях Землі, на які впала повна тінь Місяця, спостерігається повне сонячне затемнення, а в місцях півтіні часткове сонячне затемнення. За рік на Землі спостерігається 2–5 сонячних затемнень. Коли Місяць, обертаючись навколо Землі, потрапляє
тіні, яку відкидає Земля, настає місячне затемнення (рис. 10.8).
стерігається 2–4 місячних
4
Розділ
Учимося розв’язувати задачі
Задача. У сонячний день довжина тіні від вертикально поставленої метрової лінійки дорівнює 24 см, а довжина тіні від дерева 3,6 м. Визначте висоту дерева.
Аналіз фізичної проблеми. Для розв’язання задачі скористаємося законом прямолінійного поширення світла. Виконаємо пояснювальний рисунок; зазначимо, що пучок світла, який іде від Сонця, є паралельним.
Дано: h = 1 м l = 24 см = 0,24 м L = 3,6 м
Знайти: H ?
Пошук математичної моделі, розв’язання З рисунка бачимо, що ACBA CB11 1 . Із подібності трикутників
підбиваємо підсумки
У прозорому однорідному середовищі світло поширюється прямолінійно. Лінію, яка вказує напрямок поширення енергії світла, називають світловим променем.
Через те що світло поширюється прямолінійно, непрозорі тіла
дають тінь (повну тінь, півтінь).
Повна тінь область простору, в яку не потрапляє світло від джерела (джерел) світла. Півтінь область простору, освітлена деякими
1. Дайте означення світлового променя. 2. Сформулюйте закон прямолінійного поширення світла. 3. Які досліди та явища підтверджують прямолінійність поширення світла? 4. За яких умов предмет утворюватиме тільки повну тінь, а за яких повну тінь і півтінь? 5. Коли на Землі спостерігається повне сонячне затемнення? часткове сонячне затемнення? 6. Коли на Землі спостерігається повне місячне затемнення? часткове місячне затемнення?
вправа № 10
1. Око спостерігача розташоване перед щілиною в точці А (рис. 1). Знайдіть побудовою, яку частину дерева бачить спостерігач. У який точці він бачитиме дерево повністю?
2. М’яч освітлюється двома точковими джерелами світла S1 і S2 (рис. 2) Виконайте рисунок у зошиті, зобразіть тінь і півтінь, які відкидає м’яч на екран.
3. Під час сонячного затемнення на поверхні Землі утворюються тінь і півтінь Місяця (рис.
5. Чому
6.
затемнення Місяця?
7. Поміркуйте, чому місячне затемнення ми спостерігаємо частіше, ніж сонячне, а дже за рік їхня кількість майже однакова.
8. Пряму а лею парку освітлює електричний ліхтар. Запропонуйте спосіб оцінити, на який висоті висить ліхтар, без приладів для вимірювання довжини. Підказка: ви самі перебуваєте на цій а леї та знаєте свій зріст.
9. На рис. 4 зображено прямокутний трикутник. Катет а дорівнює 5 см, кут α 30° . Визначте довжини гіпотенузи та другого катета трикутника. Розв’яжіть задачу двома способами.
Експериментальні завдання
1. Розташуйте свічку або настільну лампу на відстані 30–40 см від стіни. Між стіною та свічкою помістіть долоню. Змінюючи відстань від свічки до долоні, спостерігайте зміни, що відбуваються на стіні. Опишіть і поясніть свої спостереження.
2. Запропонуйте спосіб, як, використовуючи шпильки, можна перевірити, чи є прямою лінія, проведена на картоні.
3. Виготовте камеру-обскуру (від латин. camera кімната, obscura темна), або, як її ще називають, пінхол-камеру (від а нгл. pinhole camera камера з отвором). Схему дії цього пристрою знайдено в роботах Арістотеля (IV ст. до н. е.) і китайського філософа Мо Ті (V ст. до н. е.). Камеру-обскуру вважають «попередницею» сучасного фотоапарата. Для виготовлення камери: 1) візьміть картонну коробку та
із стінок коробки невелике віконце (рис. 5, а) і
1
дете в цьому параграфі.
З’ясовуємо, чому ми бачимо тіла, які не є джерелами світла
Ви вже знаєте, що в однорідному прозорому
середовищі світло поширюється прямолінійно. А що відбувається, якщо на шляху пучка світла є якесь тіло? Частина світла може пройти крізь тіло, якщо це тіло прозоре, частина поглинеться, а частина обов’язково відіб’ється від тіла. Деякі відбиті промені потраплять у наші очі, і ми побачимо це тіло (рис. 11.1).
2 Установлюємо закони відбивання світла
Для встановлення за конів відбивання світла скористаємося спеціальним приладом
оптичною шайбою* . У центрі шайби закріпимо дзеркало і спрямуємо на нього вузький пучок світла так, щоб він давав на поверхні шайби світлу смужку. Бачимо, що пучок світла, відбитий від дзеркала, також дає світлу смужку на поверхні шайби (див. рис. 11.2).
Напрямок пучка світла, який падає, задамо променем СО (рис. 11.2). Цей промінь
називають падаючим променем. Напрямок
відбитого пучка світла задамо променем OK.
Цей промінь називають відбитим променем.
Із точки O падіння променя проведемо
перпендикуляр OB до поверхні дзеркала. Звернемо увагу на те, що падаючий промінь, відбитий промінь і перпендикуляр лежать в одній площині, в площині поверхні шайби.
рис. 11.3. Зі зміною кута падіння світла змінюється й кут відбивання. Кут відбивання щоразу дорівнює
Якщо пересувати джерело світла краєм диска, кут падіння світлового пучка змінюватиметься і відповідно змінюватиметься кут відбивання, причому щоразу кут падіння і кут відбивання світла будуть рівними (рис. 11.3). Отже, ми встановили закони відбивання світла:
1. Промінь падаючий, промінь відбитий і перпендикуляр до поверхні відбивання, проведений із точки падіння променя, лежать в одній площині.
2. Кут відбивання дорівнює куту падіння: βα = .
Закони відбивання світла установив давньогрецький вчений
джерела світла S на поверхню плоского дзеркала
падає розбіжний пучок світла. Із цього пучка
виділимо промені SA, SB і SC. Користуючись
законами відбивання світла, побудуємо відбиті
промені A A1, BB1 і CC1 (рис. 11.7, а). Ці промені
підуть розбіжним пучком. Якщо продовжити їх у протилежному напрямку (за дзеркало), усі вони перетнуться в одній точці S1, яка розташована за дзеркалом. Якщо частина відбитих від дзеркала
променів потрапить у ваше око, вам здаватиметься, що відбиті промені виходять із точки S1, хоча в дійсності ніякого джерела світла
в точці S1 не існує. Тому точку S1 називають уявним зображенням точки S. Плоске дзеркало завжди дає уявне зображення. З’ясуємо, як розташовані предмет і його зображення відносно дзеркала. Для цього звернемося до геометрії. Розглянемо, наприклад, промінь SC, який падає на дзеркало та відбивається від нього (рис. 11.7, б ).
Із рисунка бачимо, що SOCS OC = 1 це прямокутні трикутники, які мають спільну сторону CO і рівні гострі кути (оскільки за законом відбивання світла αβ = ). З рівності трикутників маємо, що SO SO = 1 , тобто точка S і ї ї зображення S1 є симетричними відносно поверхні плоского дзеркала.
Те саме можна сказати й про зображення
протяжного предмета: предмет і його зображення симетричні відносно поверхні плоского дзеркала.
Отже, ми встановили такі загальні характеристики зображень у плоских дзеркалах.
1. Плоске дзеркало дає уявне зображення предмета.
2. Зображення предмета в плоскому дзеркалі та власне предмет є симетричними відносно поверхні дзеркала, і це означає:
1) зображення предмета дорівнює за розміром самому предмету; 2) зображення
лячись на тканину, ми свого зображення
побачимо. А чому в тканині не можна побачити своє зображення? Відповідь на це запитання пов’язана щонайменше з двома фізичними явищами. Перше таке фізичне явище ві дбивання світла. Щоб з’явилося зображення, світло має відбитися від поверхні дзеркально: після дзеркального відбиття світла, що надходить від точкового джерела S, продовження відбитих променів перетнуться в одній точці S1, яка й
точки S (рис. 11.8, а). Таке відбивання можливе тільки від дуже гладеньких поверхонь. Їх так і називають дзеркальні поверхні. Крім звичайного дзеркала прикладами дзеркальних поверхонь є скло, поліровані меблі, спокійна поверхня води тощо (рис. 11.8, б, в). Якщо світло відбивається від шорсткої поверхні, то таке відбивання називають розсіяним (дифузним) (рис. 11.9). У цьому випадку відбиті промені поширюються в різних напрямках (саме тому ми бачимо освітлений предмет із будь-якого боку). Зрозуміло, що поверхонь, які розсіюють світло, набагато більше, ніж дзеркальних. Погляньте навколо та
S S1
світла дзеркала: вони можуть відбивати до 95 % падаючого світла. Добрими відбивачами світла є тіла білого кольору, а от чорна поверхня поглинає практично все світло, що падає на неї.
Коли восени випадає сніг, ночі стають набагато світлішими. Чому?
5
Учимося розв’язувати задачі
Задача. На рис. 1 схематично зображено пред-
мет ВС і дзеркало NM. Знайдіть графічно ділянку, з якої зображення предмета ВС видно повністю. Аналіз фізичної проблеми. Щоб бачити зображення певної точки предмета в дзеркалі, необхідно, щоб в око спостерігача відбилася хоча б частина променів, які падають із цієї точки на дзеркало. Зрозуміло: якщо в око відіб’ються промені, які виходять із крайніх точок предмета, то в око відіб’ються й промені, які виходять з усіх точок предмета. Розв’язання, аналіз результатів 1. Побудуємо точку B1, яка є зображенням точки В у п лоскому дзеркалі (рис. 2, а). О бласть, о бмежена поверхнею дзеркала та променями, відбитими від крайніх т очок дзеркала, і буде тією д ілянкою, з якої видно зображення B1 точки В у дзеркалі.
2. Аналогічно побудувавши зображення C1 точки С, визначимо область її бачення у дзеркалі (рис. 2, б ).
3. Бачити зображення всього предмета спостерігач може тільки в тому випадку, якщо в його око потрапляють промені, які дають обидва зображення B1 і C1 (рис. 2, в). Отже, оранжева ділянка це ділянка, із якої зображення предмета видно повністю. Проаналізуйте отриманий результат, ще раз розгляньте рис. 2
задачі та запропонуйте простіший спосіб знайти область бачення предмета в плоскому дзеркалі. Перевірте свої припущення, побудувавши область бачення кількох предметів у два способи.
підбиваємо підсумки
Усі видимі тіла відбивають світло. Під час відбивання світла виконуються два закони відбивання світла: 1) промінь падаючий, промінь відбитий і перпендикуляр до поверхні відбивання, проведений із точки падіння променя, лежать в одній площині; 2) кут відбивання дорівнює куту падіння. Зображення предмета в плоскому дзеркалі є уявним, дорівнює за розміром самому предмету та розташоване на такій самій відстані від дзеркала, що й предмет.
Розрізняють дзеркальне й розсіяне відбивання світла. У випадку дзеркального відбивання ми можемо бачити уявне зображення предмета у відбиваючій поверхні; у випадку розсіяного відбивання зображення не існує. Контрольні запитання
1. Чому ми бачимо тіла навколо нас? 2. Який кут називають кутом падіння? кутом відбивання? 3. Сформулюйте закони відбивання світла. 4. За допомогою якого приладу можна переконатись у справдженні законів відбивання світла? 5. У чому полягає властивість оборотності світлових променів? 6. У якому випадку зображення називають уявним? 7. Схарактеризуйте зображення предмета в плоскому дзеркалі. 8. Чим розсіяне відбивання світла відрізняється від дзеркального?
вправа № 11
1. Дівчинка стоїть на відстані 1,5 м від плоского дзеркала. На якій відстані від дівчинки розташоване її відображення? Схарактеризуйте його.
2. Водій автомобіля, глянувши в дзеркало заднього огляду, побачив у ньому пасажира, який сидить на задньому сидінні. Чи може пасажир у цей момент, дивлячись у те саме дзеркало, побачити водія?
3. Перенесіть рис. 1 до зошита, для кожного випадку побудуйте падаючий (або відбитий) промінь. Позначте кути падіння й відбивання.
4. Кут між падаючим і відбитим променями становить 80° . Чому дорівнює кут падіння променя?
5. Предмет був розташований на відстані 30 см від плоского дзеркала. Потім предмет пересунули на 10 см від дзеркала в напрямку, перпендикулярному до поверхні дзеркала, і на 15 см паралельно їй. Якою була відстань між предметом і його відображенням? якою вона стала?
6. Ви прямуєте до дзеркальної вітрини зі швидкістю 4 км/год. Із якою швидкістю наближається до вас ваше відображення? На скільки скоротиться відстань між вами і вашим відображенням, коли ви пройдете 2 м?
Рис. 1
7. Сонячний промінь відбивається від поверхні озера. Кут між падаючим променем і горизонтом удвічі більший, ніж кут між падаючим і відбитим променями. Чому дорівнює кут падіння променя?
8. Дівчинка дивиться у дзеркало, що висить на стіні під невеликим кутом (рис. 2).
1) Побудуйте зображення дівчинки у дзеркалі. 2) Знайдіть графічно, яку частину свого тіла бачить дівчинка; область, із якої дівчинку видно повністю. 3) Які спостерігатимуться зміни, якщо дзеркало поступово затуляти непрозорим екраном?
9. Уночі у світлі фар автомобіля калюжа на асфальті здається водієві темною плямою на світлішому тлі дороги. Чому?
10. На рис. 3 зображено хід променів у перископі пристрої, дія якого ґрунтується на прямолінійному поширенні світла. Поясніть, як працює цей пристрій. Скористайтеся додатковими джерелами інформації та дізнайтеся, де його застосовують.
№ 3
тема. Дослідження відбивання світла за допомогою плоского дзеркала. Мета: експериментально перевірити закони відбивання світла. обладнання: д жерело світла (свічка або електрична лампа на підставці), плоске дзеркало, екран зі щілиною, кілька чистих білих аркушів, лінійка, транспортир, олівець.
вК а З і в К и До роботи
підготовка до експерименту
1. Перш ніж виконувати роботу, згадайте: 1) вимоги безпеки під час роботи зі скляними предметами; 2) закони відбивання світла.
2. Зберіть експериментальну установку (рис. 1). Для цього: 1) установіть екран зі щілиною на білому аркуші; 2) переміщуючи
Розділ
Експеримент Суворо дотримуйтесь інструкції з безпеки (див. форзац підручника).
1. Добре заточеним олівцем накресліть на папері лінію вздовж дзеркала.
2. Поставте на аркуші три точки: першу посередині падаючого пучка світла, другу посередині відбитого пучка світла, третю в місці падіння світлового пучка на дзеркало (рис. 2).
3. Повторіть описані дії ще кілька разів (на різних аркушах), установлюючи дзеркало під різними кутами до падаючого пучка світла.
4. Змінивши кут між дзеркалом і аркушем, переконайтесь у тому, що в цьому випадку ви не побачите відбитого пучка світла.
опрацювання результатів експерименту Для кожного досліду: 1) побудуйте промінь, що падає на дзеркало, та відбитий промінь; 2) із точки падіння променя встановіть перпендикуляр до
результати. Зробіть висновок, у якому зазначте: 1) яке співвідношення між кутом падіння світлового променя та кутом його відбивання ви встановили; 2) чи виявилися результати дослідів абсолютно точними, а якщо ні, то в чому причини похибки. + творче завдання Скориставшись рисунком, продумайте та запишіть план проведення
значення
ючи положення очей, налити в посудину воду. Світло заломиться на
Проведемо дослід (рис. 12.2). На плоску поверхню прозорого скляного півциліндра, закрі-
пленого на оптичній шайбі, спрямуємо вузький пучок світла, світло не тільки відіб’ється від поверхні циліндра, а ле й частково пройде крізь скло. Отже, під час переходу з повітря в скло напрямок поширення світла змінюється.
Зміну напрямку поширення світла на межі по -
ділу двох середовищ називають заломленням світла.
Кут γ (гамма), утворений за ломленим променем і перпендикуляром до межі
двох середовищ, проведеним
променя, називають
у
заломлення світла, був установлений лише в 1621 р. голландським природознавцем Віллебрордом Снелліусом (1580–1626).
Закони заломлення світла:
1. Промінь падаючий, промінь заломлений і
середовищ, встановлений із точки падіння променя,
2. Відношення синуса кута
середовищ є величиною незмінною: sin sin α γ = n21, де n2 1 фізична величина, яку називають
показником
лення середовища 2 (середовища, в якому світло поширюється після заломлення) відносно середовища 1 (середовища, із якого світло падає).
2
Дізнаємося про причину заломлення світла
Чому ж світло, переходячи з одного середовища в інше, змінює свій напрямок?
Річ у тім, що в різних середовищах світло поширюється з різною швидкістю, а
показник заломлення (n2 1) показує, у скільки разів швидкість поширення світла в середовищі 1 більша (або менша), ніж швидкість поширення світла в середовищі 2: n v v 21 1 2 =
Згадавши другий закон заломлення світла: n21 = sin sin α γ , маємо: sin sin α γ = v v 1 2
Проаналізувавши останню формулу, доходимо висновків: 1) чим більше на межі поділу двох середовищ змінюється швидкість поширення світла, тим більше світло заломлюється;
2) якщо промінь світла переходить у середовище з більшою оптичною густиною (тобто швидкість світла зменшується: vv21 < ), то кут заломлення є меншим від кута падіння: γα < (див., наприклад, рис. 12.2, 12.3);
3) якщо промінь світла переходить у середовище з меншою оптичною густиною (тобто швидкість світла збільшується: vv21 > ), то кут заломлення є більшим за кут падіння: γα > (рис. 12.4).
Зазвичай швидкість поширення світла в середовищі порівнюють зі швидкістю його поширення у вакуумі. Коли світло потрапляє в середовище з вакууму, показник заломлення n називають абсолютним показником заломлення.
абсолютний показник заломлення показує, у скільки разів швидкість поширення світла в середовищі менша, ніж у вакуумі: n c v = ,
Речовина
Повітря 1,0003
Лід 1,31
Вода 1,33
Бензин 1,50
Скло 1,43–2,17
Кварц 1,54
Алмаз 2,42
Швидкість поширення світла у вакуумі більша, ніж у будь-якому середовищі, тому абсолютний показник за ломлення завжди більший за одиницю (див. таблицю). Зверніть увагу: nповітря ≈ 1, тому, розглядаючи перехід світла з повітря в середовище, вважають, що відносний показник заломлення середовища дорівнює абсолютному показнику. Явище заломлення світла є основою роботи численних оптичних
4
Застосовуємо явище повного внутрішнього відбивання світла
з більшою оптичною густиною в середовище з меншою оптичною г устиною (рис. 12.5). Бачимо, що в разі збільшення кута падіння αα21 > () кут заломлення γ наближається до 90° , яскравість заломленого пучка зменшується, а яскравість відбитого, навпаки, збільшується. Зрозуміло, якщо й далі збільшувати кут падіння, кут заломлення сягне 90° , заломлений пучок зникне, а падаючий пучок цілком (без втрат енергії) повернеться в перше середовище світло повністю відіб’ється.
Явище, за якого заломлення світла відсутнє (світло повністю відбивається від середовища з меншою оптичною густиною), називають повним внутрішнім відбиванням світла.
Явище повного внутрішнього
Ювеліри протягом сторіч використовують явище повного внутрішнього відбивання, щоб підвищити привабливість коштовних каменів. Природні камені огранюють надають їм форми багатогранників: грані каменя ви-
конують роль «внутрішніх дзеркал», і камінь «грає» в променях світла, що падає на нього. Повне відбивання світла застосовують в оптичній техніці (рис. 12.7). Проте головне
застосування цього явища пов’язане з волоконною оптикою. Якщо в торець суцільної «скляної нитки» спрямувати пучок світла, то після багаторазового відбивання світло вийде
на її протилежному кінці незалежно від того, якою буде трубка вигнутою чи прямою. Таку «нитку» називають світловодом (рис. 12.8). Світловоди застосовують у медицині для дослідження внутрішніх органів (ендоскопія); у техніці, зокрема для виявлення несправностей усередині двигунів без їх розбирання; для освітлення сонячним світлом закритих приміщень; у декоративних світильниках тощо (рис. 12.9). Однак на йчастіше світловоди використовують як кабелі для передачі інформації (рис. 12.10). «Скляний кабель» є набагато дешевшим, він легший за мідний, практично не змінює своїх властивостей під впливом навколишнього середовища, дозволяє передавати сигнали на великі відстані без підсилення. Сьогодні волоконно-оптичні лінії зв’язку стрімко витісняють традиційні. Коли ви будете дивитися телевізор або користуватися Інтернетом, згадайте, що більшу частину свого «шляху» сигнал долає «скляною дорогою».
рис. 12.9. Декоративний
рис. 12.7. У багатьох оптичних приладах напрямок поширення світла змінюють за допомогою призм повного відбивання: а — призма повертає зображення; б — призма перевертає зображення
рис. 12.8. Поширення світлового пучка світловодом
рис. 12.10. Оптоволоконний кабель
Задача. Світловий промінь переходить із середовища 1 у середовище 2 (рис. 12.11, а). Швидкість поширення світла в середовищі 1 становить 2,4 · 108 м/с. Визначте абсолютний показник за ломлення середовища 2 і швидкість поширення світла в цьому середовищі.
Аналіз фізичної проблеми. Із рис. 12.11, а бачимо, що на межі поділу двох середовищ світло заломлюється, отже, швидкість його поширення змінюється. Виконаємо пояснювальний рисунок (рис. 12.11, б ), на якому: 1) зобразимо промені, наведені в умові задачі; 2) проведемо через точку падіння променя перпендикуляр до межі поділу двох середовищ; 3) позначимо α кут падіння і γ кут заломлення. Абсолютний показник
казник заломлення відносно вакууму.
для розв’язання задачі
згадати значення швидкості поширення світла у вакуумі та знайти швидкість поширення
синуси кута падіння та кута заломлення.
Дано: v1 8 24 10 =⋅ , м с c =⋅310 8 м с Пошук математичної моделі, розв’язання
n2 ? v2 ?
підбиваємо підсумки
Світловий пучок, падаючи на межу двох середовищ,
пучки. Один із них відбитий відбивається
підпорядковуючись законам відбивання світла. Другий заломлений проходить у друге середовище, змінюючи свій напрямок.
Закони заломлення світла:
1. Промінь падаючий, промінь заломлений і перпендикуляр до межі поділу двох середовищ, проведений із точки падіння променя, лежать в одній площині.
2. Для двох даних середовищ відношення синуса кута падіння α до
синуса кута заломлення γ є незмінною величиною: sin sin α γ = n21 . Причина заломлення світла зміна швидкості його поширення в разі переходу з одного середовища в інше. Відносний
за
nc v = / . Якщо під час переходу світла із середовища 1 у середовище 2 швидкість поширення світла зменшилась (тобто показник заломлення середовища 2 більший за показник заломлення середовища 1: n2 > n1), то говорять, що світло перейшло із середовища з меншою оптичною густиною в середовище з більшою оптичною густиною (і навпаки).
Контрольні запитання
1. Які досліди підтверджують явище заломлення світла на межі поділу двох середовищ? 2. Сформулюйте за кони за ломлення світла. 3. У чому причина заломлення світла? 4. Що показує показник заломлення світла? 5. Як швидкість поширення світла пов’язана з оптичною густиною середовища? 6. Дайте означення абсолютного показника заломлення. вправа № 12
1. Перенесіть рис. 1 до зошита. Вважаючи, що середовище 1 має більшу оптичну густину, ніж середовище 2, для кожного випадку схематично побудуйте падаючий (або заломлений) промінь, позначте кут падіння та кут заломлення. 2 1
1
Розділ II. Світлові явища
2. Обчисліть швидкість поширення світла в а лмазі; воді; повітрі.
3. Промінь світла падає з повітря у воду під кутом 60° . Кут між відбитим і заломленим променями становить 80° . Обчисліть кут заломлення променя.
4. Коли ми, стоячи на березі водойми, намагаємося на око визначити її глибину, вона завжди здається меншою, ніж є насправді. Скориставшись рис. 2, поясніть, чому так відбувається.
5. За який час світло доходить від дна озера глибиною 900 м до поверхні води?
6. Поясніть «фокус» із кільцем (монетою), згаданий на початку § 12 (див. рис. 12.1).
7. Світловий промінь переходить із середовища 1 у середовище 2 (рис. 3). Швидкість поширення світла в середовищі 1 становить 2,5 108 м/с. Визначте: 1) оптична густина якого середовища є більшою; 2) показник заломлення середовища 2 відносно середовища 1; 3) швидкість поширення світла в середовищі 2; 4) абсолютний показник заломлення кожного середовища.
8. Наслідком заломлення світла в атмосфері
Землі є виникнення міражів, а також той факт, що ми бачимо Сонце й зорі трохи вище від їхнього реального положення. Скористайтеся додатковими джерелами інформації та дізнайтеся про ці природні явища докладніше.
Експериментальні завдання
1. «Фокус із монетою». Продемонструйте кому-небудь зі своїх друзів чи близьких дослід із монетою (див. рис. 12.1). Поясніть його.
2. «Водяне дзеркало». Поспостерігайте повне відбивання світла. Для цього заповніть склянку приблизно наполовину водою. Опустіть у склянку якийсь предмет, наприклад корпус пластмасової ручки, бажано з написом. Тримаючи склянку в руці, розташуйте її приблизно на відстані 25–30 см від очей (див. рисунок). У
тема. Дослідження заломлення світла.
Мета: визначити показник заломлення скла відносно повітря.
обладнання: скляна пластинка з паралельними гранями, олівець, косинець із міліметровою шкалою, циркуль.
вК а З і в К и До роботи
підготовка до експерименту
1. Перед тим як виконувати роботу, згадайте:
1) вимоги безпеки під час роботи зі скляними предметами; 2) закони заломлення світла; 3) формулу для визначення показника заломлення.
2. Підготуйте рисунки для виконання роботи (див. рис. 1). Для цього:
1) покладіть скляну пластинку на сторінку
зошита і гостро заточеним олівцем окресліть контур пластинки;
2) на відрізку, що відповідає положенню верхньої заломної грані пластинки:
позначте точку О;
проведіть через точку О пряму k, перпенди-
кулярну до даного відрізка;
за допомогою циркуля побудуйте коло радіусом 2,5 см із центром у точці О;
3) під кутом приблизно 45° накресліть промінь, який задаватиме напрямок пучка світла, що падає в точку О; позначте точку перетину променя і кола літерою А; 4) повторіть дії, описані в пунктах 1–3, ще двічі (виконайте ще два рисунки), спочатку збільшивши, а потім зменшивши заданий кут падіння променя світла.
Експеримент Суворо дотримуйтесь інструкції
1. Накладіть скляну пластинку на перший контур.
2. Дивлячись
3.
Розділ II. Світлові явища
опрацювання результатів експерименту
Результати вимірювань і обчислень відразу
заносьте до таблиці.
Для кожного досліду (див. рис. 3):
1) проведіть заломлений промінь OM;
2) знайдіть точку перетину променя OM із
колом (точку B);
3) із точок A і B опустіть перпендикуляри на пряму k, виміряйте довжини a і b отриманих відрізків і радіус кола r;
4) визначте показник заломлення скла відносно повітря: n = sin sin α β , де sin α= a r , а sin γ= b r , тому n a b = .
Номер досліду
Довжина відрізка a, мм
b, мм Відносний показник заломлення n 1 ...
аналіз експерименту та його результатів Проаналізуйте експеримент і його результати. Сформулюйте висновок, у якому зазначте: 1) яку фізичну величину ви визначали; 2) який результат отримали; 3) чи залежить значення отриманої величини від кута падіння світла; 4) у чому причини можливої похибки експерименту.
+ творче завдання Скориставшись рис. 4, продумайте та запишіть п лан проведення експерименту з визначення показника заломлення води відносно повітря. За можливості
1
Згадайте: сонячний літній день — і раптом на
небі з’явилася хмаринка, пішов дощик, який
начебто «не помічає», що сонце продовжує
світити. Такий дощ у народі називають сліпим.
Дощик іще не встиг закінчитись, а на небі вже
засяяла різнокольорова веселка (рис. 13.1).
Чому вона з’явилася?
розк ладаємо сонячне світло
у спектр
Ще в давнину було помічено, що п учок сонячного світла, пройшовши крізь скляну п ризму, стає різнокольоровим. Вважалося, що причина цього явища криється у властивості призми забарвлювати світло. Чи так це насправді, з’ясував у 1665 р. видатний а нглійський у чений Ісаак Ньютон (1643–1727), провівши серію цікавих дослідів. Для отримання вузького пучка сонячного світла Ньютон зробив у віконниці невеликий круглий отвір. Коли перед отвором він установлював скляну призму, на протилежній стіні з’являлася різнокольорова смужка, яку вчений назвав спектром. На смужці (як і у веселці) Ньютон виділив сім кольорів: червоний, оранжевий, жовтий, зелений, блакитний, синій, фіолетовий (рис. 13.2, а).
Потім у чений за допомогою екрана з отвором виділяв із широкого різнокольорового пучка світла вузькі одноколірні (монохроматичні) пучки та знову спрямовував їх на призму. Такі пучки відхилялися призмою, а ле вже не розкладались у спектр (рис. 13.2, б ). При цьому найбільше відхилявся фіолетовий пучок світла, а найменше червоний. Результати дослідів дозволили Ньютону дійти таких висновків:
1) пучок білого (сонячного) світла складається зі світла різних кольорів; 2) призма не «фарбує» біле світло, а розділяє його (розкладає в спектр)
Зіставте рис. 13.1 і 13.2:
кольори веселки то і
є кольори спектра. І це
не є дивним, бо насправді веселка це величезний
спектр сонячного світла. Одна із причин виникнення веселки полягає в тому, що безліч маленьких краплинок води заломлюють біле сонячне світло.
рис. 13.3. Деякі додаткові кольори
рис. 13.4. Якщо
Дізнаємось про дисперсію світла
Досліди Ньютона продемонстрували, зокрема, що, за ломлюючись у скляній призмі, пучки фіолетового світла завжди відхиляються більше, ніж пучки червоного. Це означає, що для світла різного кольору показник заломлення скла є різним. Саме тому пучок білого світла й розкладається у спектр.
Явище розкладання світла у спектр, зумовлене залежністю показника заломлення середовища від кольору світла, називають дисперсією світла. Для більшості прозорих середовищ найбільший показник заломлення має світло фіолетового кольору, найменший червоного. Світло якого кольору фіолетового чи червоного поширюється в склі швидше? Підказка: згадайте, як показник заломлення середовища залежить від швидкості поширення світла в цьому середовищі.
3
Характеризуємо кольори
У спектрі сонячного світла традиційно виділяють сім кольорів, можна виділити й більше. А ле ви ніколи не зможете виділити, наприклад, коричневий або бузковий колір. Ці кольори є складними вони утворюються внаслідок накладання (змішування) спектральних (чистих) кольорів у різних пропорціях. Деякі спектральні кольори в разі накладання один на одного утворюють
рис. 13.5. Завдяки тому що різні тіла по-різному відбивають, заломлюють і поглинають сонячне світло, ми бачимо навколишній світ різнокольоровим
4
З’ясовуємо, чому світ є різнокольоровим
Знаючи, що біле світло є складеним, можна пояснити, чому навколишній світ, освітлений лише одним джерелом білого світла Сонцем, ми бачимо різнокольоровим (рис. 13.5).
Так, поверхня аркуша офісного паперу однаково добре відбиває промені всіх кольорів, тому аркуш, освітлений білим світлом, здається нам білим. Синій наплічник, освітлений тим самим білим світлом, переважно відбиває промені синього кольору, а решту поглинає.
Як ви вважаєте, який колір переважно відбивають пелюстки соняшників? листя рослин?
Синє світло, спрямоване на червоні пелюстки троянди, майже цілком поглинеться ними, бо пелюстки відбивають переважно червоні промені, а решту поглинають. Тому троянда, освітлена синім світлом, здаватиметься нам практично чорною. Якщо ж синім світлом освітити білий сніг, то він здаватиметься нам синім, а дже білий сніг відбиває промені всіх кольорів (у тому числі й сині). А от чорна шерсть кота добре поглинає всі промені, тому, хоч яким світлом ми його освітимо, кіт однаково здаватиметься чорним (рис. 13.6). Зверніть увагу! Оскільки колір тіла залежить від характеристики падаючого світла, в темряві поняття кольору позбавлене будь-якого сенсу.
рис. 13.6. Колір тіла залежить як від оптичних властивостей його поверхні, так і від характеристик падаючого світла
підбиваємо підсумки
Пучок білого світла складається
світла різних кольорів. Виділяють сім основних спектральних кольорів: червоний, оранжевий, жовтий, зелений, блакитний, синій, фіолетовий. Показник заломлення світла, а отже, швидкість поширення світла в середовищі залежать від кольору світла. Залежність показника заломлення середовища від кольору світла називають дисперсією світла. Ми бачимо навколишній світ різнокольоровим завдяки тому, що різні тіла по-різному відбивають, заломлюють і поглинають світло.
Контрольні запитання
1. Опишіть досліди І. Ньютона щодо встановлення спектрального складу світла. 2. Назвіть сім спектральних кольорів. 3. Світло якого кольору найбільше за ломлюється в речовині? найменше за ломлюється? 4. Дайте означення дисперсії світла. Яке природне явище пов’язане з дисперсію? 5. Які кольори називають додатковими? 6. Назвіть три основні кольори спектра. Чому їх так називають? 7. Чому навколишній світ ми бачимо різнокольоровим? вправа № 13
1. Якими здаватимуться чорні літери на білому папері, якщо дивитися
2. Світло яких кольорів проходить крізь синє скло? поглинається ним?
3. Через скло якого кольору не можна побачити текст, написаний фіолетовим чорнилом на білому папері?
4. У воді поширюються пучки світла червоного, оранжевого та блакитного кольорів. Швидкість поширення якого з пучків є найбільшою?
5. Скористайтеся додатковими джерелами інформації та дізнайтеся, чому небо блакитне; чому Сонце на заході часто буває червоним.
Експериментальне завдання
«Творці райдуги». На повніть неглибоку посудину водою та поставте її біля світлої стіни. На дно посудини помістіть плоске дзеркало (див. рисунок). Спрямуйте на дзеркало пучок світла на стіні з’явиться «сонячний зайчик». Розгляньте його та поясніть спостережуване явище. Фізика і техніка в Україні
1
основною частиною є лінза. Про те, яке значення мають
дізнаєтесь із цього параграфа.
розрізняємо лінзи
лінза — прозоре тіло, обмежене з двох боків сферичними поверхнями* .
За формою лінзи поділяють на опуклі (рис. 14.1) й увігнуті (рис. 14.2).
Якщо товщина d лінзи в багато разів менша від радіусів сферичних поверхонь, що
обмежують лінзу, таку лінзу називають тонкою. Далі розглядатимемо тільки тонкі лінзи.
Пряму, яка проходить через центри сферичних поверхонь, що обмежують лінзу, називають головною оптичною віссю лінзи (рис. 14.3).
Якщо на лінзу спрямувати пучок світлових променів, вони заломляться в ній, тобто змінять свій напрямок. Разом із тим на голов-
ній оптичній осі лінзи є точка, яку промінь світла проходить не заломлюючись. Цю точку називають оптичним центром лінзи (див. рис. 14.3).
Спрямуємо на лінзу пучок променів, паралельних її головній оптичній осі. Якщо ці промені, пройшовши крізь лінзу, йдуть збіжним пучком, то така лінза є збиральною. Точку F, у якій при цьому перетинаються
рис. 14.2. Увігнута лінза — лінза, товщина якої посередині менша, ніж біля країв: а — вигляд; б — різні увігнуті лінзи в розрізі а
рис. 14.1. Опукла лінза — лінза, товщина якої посередині більша, ніж біля країв: а — вигляд; б — різні опуклі лінзи в розрізі
рис. 14.3. Тонка сферична лінза: O1O2 — головна оптична вісь лінзи; d — товщина лінзи; R1, R2 — радіуси сферичних поверхонь, які обмежують лінзу; O — оптичний центр лінзи; O1 O O2
рис. 14.4. Хід променів після заломлення в збиральній лінзі. Точка F — дійсний головний фокус
рис. 14.6. Хід паралельних променів після заломлення
лінзі
рис. 14.7. Опукла (а) й увігну-
рис. 14.5. Хід променів після заломлення в розсіювальній лінзі. Точка F
заломлені промені, називають дійсним головним фокусом лінзи (рис. 14.4).
Лінза є розсіювальною, якщо промені, паралельні ї ї головній оптичній осі, пройшовши крізь лінзу, йдуть розбіжним пучком. Точку F, у якій перетинаються продовження заломлених п роменів, називають уявним головним фокусом лінзи (рис. 14.5).
Зверніть увагу: будь-який пучок паралельних променів, навіть якщо ці промені не є паралельними головній оптичній осі, після заломлення у збиральній лінзі завжди перетинаються в одній точці (рис. 14.6) (якщо лінза розсіювальна, в одній точці перетинаються продовження заломлених променів).
Якщо оптична густина матеріалу, з якого виготовлена лінза, більша за оптичну густину середовища (nл > nc), то опукла лінза збиратиме промені (тобто буде збиральною), а ввігнута лінза розсіюватиме промені (тобто буде розсіювальною).
Якщо оптична густина матеріалу, з якого виготовлена
Незалежно від форми кожна лінза має два головні фокуси*, розташовані на однаковій відстані від оптичного центра лінзи (див. рис. 14.8).
Відстань від оптичного центра лінзи до головного
фокуса називають фокусною відстанню лінзи.
Фокусну відстань (як і фокус) позначають символом F. Одиниця фокусної відстані в СІ метр: F [] = 1м .
Фокусну відстань збиральної лінзи домовилися вважати додатною, а розсіювальної
від’ємною. Очевидно, що чим сильніші заломлювальні властивості має лінза, тим меншою за модулем є її фокусна відстань (рис. 14.8).
Фізичну величину, яка характеризує лінзу та є оберненою до фокусної відстані лінзи, називають оптичною силою лінзи.
Оптичну силу лінзи позначають символом
де F фокусна відстань.
Одиниця оптичної сили діоптрія:
1 діоптрія це оптична сила лінзи, фокусна відстань якої дорівнює 1 м. Оптична сила збиральної лінзи є додатною, а розсіювальної лінзи від’ємною.
підбиваємо підсумки
Прозоре тіло, обмежене з двох боків сферичними поверхнями, називають лінзою.
Лінза є збиральною, якщо пучок паралельних променів, що падає на неї, після заломлення в лінзі перетинається
точку називають дійсним фокусом лінзи. Лінза є розсіювальною, якщо паралельні
Контрольні запитання
1. Дайте означення лінзи. 2. Які види лінз вам відомі? 3. Чим розсіювальна лінза відрізняється від збиральної? 4. Що називають дійсним фокусом
5. Чому фокус розсіювальної
уявним? 6. Що називають фокусною відстанню лінзи? 7. Дайте означення оптичної сили лінзи. У яких одиницях її вимірюють? 8. Оптичну силу якої лінзи взято за одиницю?
вправа № 14
1. Оптична сила однієї лінзи дорівнює –2 дптр, а другої +2 дптр. Чим відрізняються ці лінзи?
2. Фокусна відстань однієї лінзи +0,5 м, а другої +1 м. Яка лінза має більшу оптичну силу?
3. Оптична сила лінзи дорівнює –1,6 дптр. Якою є фокусна відстань цієї лінзи? Яка це лінза збиральна чи розсіювальна?
4. Дві збиральні лінзи виготовлені з одного сорту скла. Як на дотик визначити, яка лінза має більшу оптичну силу?
5. На лінзу спрямували паралельний пучок світла (рис. 1). Визначте, яка це лінза. Перенесіть рисунок до зошита. Позначте оптичний центр і фокус лінзи. Виміряйте фокусну відстань та визначте оптичну силу лінзи.
6. У льоду є порожнина у вигляді увігнутої лінзи. Ця лінза збиратиме чи розсіюватиме світло? Обґрунтуйте свою відповідь.
7. Які із зображених на рис. 2 трикутників є подібними? Визначте довжину відрізків S1 A1 і OF, якщо AO = 10 см, SA = 2 см, OA1 = 6 см.
Експериментальне завдання Запропонуйте метод вимірювання фокусної відстані та оптичної сили збиральної лінзи за допомогою лінійки. Проведіть вимірювання. Підказка: промені, які йдуть від віддаленого предмета, є паралельними. Фізика і техніка в Україні Iнститут фiзики нанУ (Київ) — провідна наукова установа з вирішення фундаментальних проблем експериментальної
1
Головна властивість лінз полягає в тому, що лінзи дають зображення точки, а від-
повідно, й предмета як сукупності точок (рис. 15.1).
З алежно від відстані між предметом і лінзою зображення предмета може бути більшим або меншим, ніж сам
предмет, уявним чи дійсним.
З’ясуємо, за яких умов за допомогою
лінзи утворюються ті чи інші зображення, та розглянемо прийоми їх побудови.
Шукаємо «зручні промені»
рис. 15.1. Отримання зображення полум’я свічки за допомогою збиральної лінзи
Будь-який предмет можна подати як сукупність точок. Кожна точка предмета випускає (або відбиває) промені в усіх напрямках. У створенні зображення в лінзі бере у часть безліч променів, однак для побудови зображення деякої точки S досить знайти точку перетину будь-яких двох променів, що виходять із точки S і проходять крізь лінзу. Зазвичай для цього обирають два з трьох «зручних променів» (рис. 15.2).
Точка S1 буде дійсним зображенням точки S, якщо в точці S1 перетинаються самі заломлені промені (рис. 15.2, а). Точка S1 буде уявним зображенням точки S, якщо в точці S1 перетинаються продовження заломлених променів (рис. 15.2, б ).
рис. 15.2. Три найпростіші в побудові промені («зручні промені»): 1 — промінь, який проходить
через оптичний центр O
лінзи, — не заломлюється
оптичній осі l
лінзи, — після заломлення в лінзі
2
будуємо зображення предмета, яке дає лінза
Розглянемо усі можливі випадки розташування предмета AB відносно збиральної лінзи й доведемо, що розміри та вид зображення залежать від
відстані між предметом і лінзою. 1. Предмет розташований за подвійним фокусом збиральної лінзи (рис. 15.3, а). Спочатку побудуємо зображення точки B. Для цього скористаємося двома променями 1 і 2. Після заломлення в лінзі вони перетнуться в точці B1. Отже, точка B1 є дійсним зображенням точки B. Для
зображення точки А опустимо з точки B1 перпендикуляр на головну оптичну вісь l. Точка А1 перетину перпендикуляра та осі l і є зображенням точки А. Отже, A1B1 зображення предмета AB. Бачимо, що це зображення є дійсним, зменшеним, оберненим. Таке зображення виходить, наприклад, на сітківці ока або плівці фотоапарата (рис. 15.3, б ).
2. Предмет розташований між фокусом і подвійним фокусом збиральної лінзи (рис. 15.4, а). Зображення предмета є дійсним, збільшеним, оберненим. Таке зображення дозволяє одержати проекційна апаратура на екрані (рис. 15.4, б ).
3. Предмет розташований між фокусом і збиральною лінзою (рис. 15.5, а). Після заломлення в лінзі промені, які вийшли з точки B, йдуть розбіжним пучком. Однак їхні продовження перетинаються в точці B. У
прямим. Це зображення розташоване по той самий бік від
рис. 15.5. а
побудова зображення A1B1 предмета у збиральній лінзі: предмет AB розташований
тому ми не можемо побачити його на екрані, а ле бачимо, дивлячись на предмет крізь лінзу. Саме таке зображення дає короткофокусна збиральна лінза лупа (рис. 15.5, б ).
4. Предмет розташований на фокусній відстані від збиральної лінзи. Після заломлення усі промені йдуть паралельним пучком (рис. 15.6), отже, в цьому випадку ані дійсного, ані уявного зображення ми не отримаємо.
Яким буде зображення, якщо предмет розташувати в подвійному фокусі лінзи? Побудуйте це зображення та підтвердьте або спростуйте своє припущення.
Уважно розгляньте рис. 15.7, на якому показано побудову зображень предмета, одержаних за допомогою розсіювальної лінзи. Бачимо, що розсіювальна лінза завжди дає уявне, зменшене, пряме зображення, розташоване з того самого боку від лінзи, що й сам предмет. З’ясуйте, чи отримаємо ми зображення, якщо розташуємо предмет у фокусі
на лінзу падає безліч променів, і всі вони збираються у відповідній точці зображення. Закривання частини лінзи спричинить лише те, що енергія, яка потрапляє в кожну точку зображення, зменшиться. Зображення буде менш яскравим, проте ані його вигляд, ані місце розташування не зміняться. Саме тому, будуючи зображення, ми можемо використовувати всі зручні промені, навіть ті, які не проходять крізь лінзу (рис. 15.8).
3
отримуємо формулу тонкої лінзи
Побудуємо зображення предмета у збиральній лінзі (рис. 15.9).
Розглянемо прямокутні трикутники FOC і FA B 11. Ці трикутники подібні, тому OC AB FO FA 11 1 = , або h H F fF = (1).
Трикутники BAO і BA O11 теж подібні, тому AB AB AO AO 11 1 = , або h H d f = (2).
Прирівнявши праві частини рівностей (1) і (2), маємо F fF d f = , тобто
Ff dfdF=− , або df Ff dF =+ . Поділивши обидві частини останньої рівності на fdF , отримаємо формулу тонкої лінзи: 11 1 Fd f =+ , або D df =+ 11 , де D F = 1 оптична сила лінзи.
Під час розв’язування задач слід мати на увазі: відстань f (від лінзи до зображення) необхідно брати зі знаком « », якщо зображення є уявним, і зі знаком « + », якщо зображення
фокусна відстань F збиральної лінзи є додатною, а розсіювальної від’ємною; збільшення
1) фокусну відстань лінзи; 2) на якій
спостерігав зображення монети; 3) яким є це зображення дійсним чи уявним; 4) яке збільшення дає лупа. Аналіз фізичної проблеми. Лупу можна вважати тонкою лінзою, тому скористаємося формулою тонкої лінзи. Фокусну відстань знайдемо, скориставшись означенням оптичної сили лінзи.
Дано: d = 6 см = 0,06 м D = +10 дптр
Знайти: F ? f ? Γ ?
Пошук математичної моделі, розв’язання
За означенням DF FD =⇒ = 11 .
За формулою
відстань f, визначимо збільшення: Γ= = H h f d .
Перевіримо одиниці, знайдемо значення шуканих величин: F [] == = 11 1 дптр м м , F == 1 10 01 , (м); f [] == = мм мм м м м 2 , f == ⋅ 01 006 0060 1 015 ,, ,, , (м); Γ= == = 015 006 15 6 5 2 25 , , , .
Знак «–» перед значенням f говорить про те, що зображення є уявним.
Відповідь: F = 10 см; f =−15 см; зображення уявне; Γ= 25 , .
підбиваємо підсумки
Залежно від типу лінзи (збиральна чи розсіювальна) і місця розташування предмета відносно цієї лінзи одержують різні зображення предмета:
Місце розташування предмета Характеристика зображення в лінзі
За подвійним фокусом лінзи dF > () 2
збиральній розсіювальній
дійсне, зменшене, обернене
У подвійному фокусі dF = () 2 дійсне, рівне, обернене
Між фокусом і подвійним фокусом лінзи Fd F << () 2 дійсне, збільшене, обернене
dF = ()
і фокусом dF < ()
уявне, зменшене, пряме
1.
збиральною чи розсіювальною є лінза? 5. Назвіть оптичні пристрої, в яких є лінзи. 6. Які фізичні величини пов’язує формула тонкої лінзи? Яких правил слід дотримуватися, застосовуючи цю формулу?
вправа № 15
1. Перенесіть рис. 1, а, б до зошита і
Схарактеризуйте зображення.
2. Оптична сила лінзи +5 дптр. На якій відстані
потрібно розташувати запалену свічку, щоб одержати зображення полум’я свічки в натуральну величину?
3. Предмет розташований на відстані 1 м від лінзи. Уявне зображення предмета розташовано на відстані 25 см від лінзи. Визначте оптичну силу лінзи. Яка це лінза збиральна чи розсіювальна?
4. На аркуш із друкованим текстом потрапила крапля прозорого клею. Чому літери, що опинилися під краплею, здаються більшими, ніж сусідні?
5. За допомогою лінзи отримали чітке зображення предмета на екрані. Визначте: 1) оптичну силу лінзи, якщо предмет розташований на відстані 60 см від лінзи, а відстань між предметом і екраном дорівнює 90 см; 2) висоту предмета, якщо висота його зображення 5 см.
6. Перенесіть рис. 2, а–в до зошита і для кожного випадку визначте розташування оптичного центра та фокусів лінзи, тип лінзи, вид зображення. (KN оптична вісь лінзи; S світна точка; S1 зображення світної точки
лампа), мірна стрічка. вК а З і в К и До роботи
підготовка до експерименту
1. Перед тим як виконувати роботу згадайте: 1) вимоги
час роботи зі скляними та вогненебезпечними предметами; 2) формулу тонкої лінзи; 3) означення оптичної сили лінзи.
2. Проаналізуйте формулу тонкої лінзи, подумайте, які вимірювання вам слід зробити, щоб визначити фокусну відстань лінзи.
Експеримент Суворо дотримуйтесь інструкції з безпеки (див. форзац підручника).
Результати вимірювань відразу заносьте до таблиці.
1. Розташувавши лінзу між джерелом світла та екраном, дістаньте на екрані чітке зменшене зображення джерела світла.
2. Виміряйте відстань d від джерела світла до лінзи та відстань f від лінзи до екрана.
3. Пересуваючи лінзу, дістаньте на екрані чітке збільшене зображення джерела світла.
4. Знову виміряйте відстань d від джерела світла до лінзи та відстань f від лінзи до екрана.
опрацювання результатів експерименту
1. Для кожного досліду визначте:
1) фокусну відстань лінзи (скориставшись формулою тонкої лінзи); 2) оптичну силу лінзи (скориставшись означенням оптичної сили).
2. Закінчіть заповнення таблиці.
Номер досліду
Відстань від предмета до лінзи d, м
Відстань від лінзи до екрана f, м Фокусна відстань лінзи F, м Оптична
2) отримавши на екрані
нює розмірам
вали в кожному випадку?
Завдання «із зірочкою» Оцініть
формулою: ε=
під час експерименту
Око (див. рис. 16.1) має форму кулі діаметром приблизно
обернене зображення предмета (рис. 16.2).
2 З’ясовуємо, чому людина бачить як віддалені предмети, так і ті, що поряд Якщо людина має гарний зір, вона бачить чіткими як далеко, так і близько розташовані предмети. Це відбувається тому, що в разі зміни відстані до предмета кришталик змінює кривизну, тобто
Здатність кришталика змінювати свою кривизну в разі зміни відстані до розглядуваного предмета називають акомодацією.
Якщо людина дивиться на віддалені предмети, в її око потрапляють майже паралельні промені. У цьому випадку око найбільш розслаблене. (Згадайте: замислившись, людина дивиться ніби вдалину!) Чим ближче розташований предмет, тим сильніше напружується око (м’язи ока збільшують кривизну кришталика).
Найменшу відстань, на якій око бачить предмет
не втомлюючись, називають відстанню найкращого зору.
Для людини з нормальним зором відстань найкращого зору дорівнює приблизно 25 см. Саме на
Знайомимося з інерцією зору
Якщо швидко переміщувати в темряві бенгальський вогонь, то спостерігач побачить світні фігури, утворені «вогняним контуром». Під час швидкого обертання каруселі її різнокольорові лампи, зливаючись, виглядають для спостерігача як кільця. Очі людини весь час кліпають, при цьому ми не помічаємо, що в певний інтервал часу предмет, на який ми дивимося, стає невидимим. Усі описані явища пояснюються інерцією зору. Річ у тім, що після того як зображення предмета зникає із сітківки ока (предмет прибирають, припиняють освітлювати, затуляють непрозорим екраном тощо), зоровий образ, викликаний цим предметом, зберігається протягом 0,1 с. Інерцію зору використовують в анімаційному кіно. Картинки на екрані дуже швидко (24 рази на секунду) змінюють одна одну; під час їх зміни
не
мічає, а просто бачить
а
цього не
картинок, що чергуються. Так на екрані створюється ілюзія руху. Скільки ж картинок потрібно намалювати художнику, щоб одержати мультиплікаційний фільм тривалістю лише 10 хв? На інерції зору також базується застосування стробоскопа. (Стробоскоп являє собою джерело світла, що випромінює світлові спалахи через малі рівні інтервали часу.) Під час фотографування об’єктів, що освітлені стробоскопом, отримують стробоскопічні фотографії (рис. 16.3).
4 Дізнаємося про вади зору та їх корекцію
Нормальний зір Вади зору короткозорість далекозорість
Фокус F оптичної системи ока у спокійному стані розташований
на сітківці.
Фокус F оптичної системи ока у спокійному стані розташований перед сітківкою.
Фокус F оптичної системи ока у ненапруженому стані розташований за сітківкою.
На сітківці утворюється чітке зображення віддалених предметів.
Відстань н айкращого
зору приблизно 25 см. Саме на цій відстані людина з нормальним зором тримає книжку.
Фокусна відстань нормального ока становить приблизно 1,71 см.
Визначте оптичну силу оптичної системи «нормальне око».
На сітківці утворюється розмите зображення віддалених предметів.
Відстань н айкращого зору менша від 25 см. Короткозора людина читає книжку, наближуючи її до очей.
Короткозорість коригується окулярами із розсіювальними лінзами.
На сітківці утворюється розмите зображення віддалених предметів.
Відстань найкращого зору більша за 25 см. Далекозора людина читає книжку, віддаляючи її від очей.
Далекозорість коригується окулярами зі збиральними лінзами.
1. Опишіть будову людського ока та призначення його окремих оптичних елементів. 2 . Як змінюється діаметр зіниці в разі зменшення освітленості? 3. Чому людина з нормальним зором може однаково чітко бачити як далеко, так і близько розташовані предмети? 4. Який дефект зору називають короткозорістю? Як його можна скоригувати? 5. Який дефект зору називають далекозорістю? Як його можна скоригувати? 6. Яку властивість зору називають інерцією зору? Наведіть приклади застосування цієї властивості. вправа № 16
1. Оптична сила лінз бабусиних окулярів –2,5 дптр. Якою є фокусна відстань цих лінз? Який дефект зору має бабуся?
2. На якій мінімальній відстані від ока людина з нормальним зором має розташувати дзеркальце, щоб, не втомлюючись, побачити чітке зображення ока?
3. Чому, щоб краще бачити, короткозора людина мружить очі?
4. Чому навіть у чистій воді людина без маски погано бачить?
5. Хлопчик читає книжку, тримаючи її на відстані 20 см від очей. Визначте оптичну силу лінз, які необхідні хлопчикові, щоб читати книжку на відстані найкращого зору для нормального ока.
6. Проведіть а налогію між фотоапаратом і оком людини. Яку функцію ока виконує та чи інша частина фотоапарата? У разі потреби зверніться до додаткових джерел інформації.
7. Скористайтеся додатковими джерелами інформації та дізнайтеся про методи профілактики захворювань зору. Як можна виправити зір?
Експериментальне завдання Запропонуйте декілька способів, за допомогою яких можна визначити, який дефект зору (короткозорість чи далекозорість) коригують ті або інші окуляри. Знайдіть кілька різних окулярів (попросіть у рідних, сусідів, друзів) і перевірте, чи «працюють» запропоновані вами способи. Фізика і техніка в Україні олександр теодорович смакула (1900–1983) — видатний український
фізичні тіла, частинки (атоми, молекули, йони) яких випромінюють світло
Люмінесцентні Протяжні
У прозорому однорідному середовищі світло поширюється прямолінійно.
Наслідок прямолінійного поширення світла утворення тіні.
1. Промені падаючий, відбитий, заломлений, а також перпендикуляр, поставлений із точки падіння променя до поверхні, на яку він падає, лежать в одній площині.
2. Кут відбивання дорівнює куту падіння:
3. Відношення синуса кута падіння до синуса кута заломлення для двох даних середовищ є величиною незмінною:
Зображення уявне; симетричне предмету відносно поверхні дзеркала
сила
збиральна Вид зображення залежить від місця розташування предмета
розсіювальна
Розділ
Завдання 1–8 містять тільки одну правильну відповідь.
1. (1 бал) Яке оптичне явище ілюструє фо-
тографія (рис. 1)?
а) відбивання світла;
б) поглинання світла; в) дисперсію світла;
г) заломлення світла.
2. (1 бал) Який закон підтверджується існуванням сонячних і місячних затемнень?
а) закон відбивання світла;
б) закон прямолінійного поширення світла;
в) закон збереження енергії;
г) закон заломлення світла.
3. (1 бал) Яким є зображення предмета у плоскому дзеркалі?
4. (1 бал) Промінь світла падає з повітря на поверхню скляної пластини (рис. 2). На якому з наведених рисунків правильно зазначено всі три кути: кут падіння α , кут відбивання β і кут заломлення γ ? а) 1; б) 2; в) 3; г) 4.
5. (2 бали) Яка точка (рис. 3) є зображенням світної точки S у плоскому дзеркалі? а) 1; б) 2; в) 3; г) зображення в дзеркалі немає.
6. (2 бали) Чому дорівнює оптична сила лінзи, хід променів у якій показано на рис. 4? а) –0,04 дптр; в) +25 дптр; б) +4 дптр; г) +50 дптр.
7. (2 бали) Яку ваду зору має людина, якщо вона носить
8. (2 бали) Під час фотографування на об’єктив фотоапарата сіла муха. Чи вплине це на знімок, і якщо вплине, то як? а) жодним чином не вплине; б) на знімку з’явиться зображення мухи; в) знімок буде менш яскравим; г) знімок буде більш яскравим.
9. (3 бали) Людина наближається до дзеркала зі швидкістю 2 м/с. Із якою швидкістю до людини наближається її зображення в дзеркалі?
10. (3 бали) Кут падіння променя на дзеркальну поверхню дорівнює 70° . Чому дорівнює кут між відбитим променем і дзеркальною поверхнею?
11. (3 бали) Світло падає з повітря на поверхню прозорої речовини під кутом 45° . Визначте абсолютний
цієї речовини, якщо заломлене світло поширюється під кутом 60° до межі поділу середовищ.
12. (3 бали) Предмет розташований на відстані 1 м від збиральної лінзи з фокусною відстанню 0,5 м. На якій відстані від лінзи розташоване зображення предмета?
13. (3 бали) Установіть відповідність між середовищем і швидкістю поширення світла в цьому середовищі.
1 А лмаз
2 Бензин
3 Лід
А 1,24 · 108 м/с Б 1,76 · 108 м/с В 2,00 · 108 м/с Г 2,29 · 108 м/с
14. (4 бали) На рис. 5 подано головну оптичну вісь КМ лінзи, предмет АВ і його зображення А1В1.
Визначте тип лінзи, її фокусну відстань і оптичну силу.
15. (4 бали) Чому кривизна кришталика ока риби (рис. 6) більша, ніж у людини?
16. (4 бали) Розглядаючи марку за до-
помогою лупи, хлопчик бачить її
на відстані найкращого зору збіль-
шеною в 4 рази. На якій відстані
від ока хлопчик тримає лупу, якщо
він має нормальний зір, а оптична сила лупи становить +15 дптр?
Звірте ваші відповіді з наведеними
світла, що має унікальні властивості, раніше йшлося
творах. У наш час лазерний промінь застосовується настільки широко, що навіть найсміливіші
Лазер Усі ви, звичайно, бачили лазерні шоу
цертах. Тонкі світлові
рисунку показано
Цифровий фотоапарат
Пристроєм, який фіксує зображення, у фотоапараті старих конструкцій була фотоплівка. А в цифрових фотоапаратах таким пристроєм є пластинка, вкрита дуже дрібними світловими датчиками (пікселями).
Кожний із цих датчиків фіксує «шматочок» світлового потоку. Що меншим є розмір пікселя, то якісніше зображення можна отримати. Пластинка гарного фотоапарата нараховує 18–20 мільйонів пікселів. Кількість пікселів у мобільному телефоні менша, оскільки зйомка — не основна функція телефону. Відповідно і якість знімків гірша. Мікропроцесор фотоапарата обробляє інформацію від сенсорів і запам’ятовує її
димими. Насправді виготовити лазери, які працюють в інфрачервоному (невидимому для ока) діапазоні, набагато простіше, ніж ті, що працюють у видимому діапазоні. Саме їх і використовують у стандартних охоронних системах. Інфрачервоний промінь, скільки його не задимлюй, усе одно залишається
орієнтовні теми проектів
1. Складання найпростішого оптичного приладу.
2. Оптичні ілюзії.
3. Дослідження потужності та ККД штучних джерел світла різних типів.
4. Увігнуті дзеркала: властивості та приклади застосування.
5. Оптичні явища в природі.
6. Око і зір.
теми рефератів
і повідомлень
1. Майбутнє за світлодіодами.
2. Диво фотосинтезу.
3. Міражі: як вони утворюються і де їх можна спостерігати.
4. Навіщо пішоходу на одязі світловідбиваючі поверхні. Як такі поверхні використовують автомобілісти.
5. Колір і світло.
6. Чому вночі ми майже не розрізняємо кольори.
7. Оптичне мистецтво «Оп-арт» як синтез науки і мистецтва.
8. Дефекти зору та методи їх коригування за допомогою оптичних пристроїв.
9. Зорові тренажери. Чому і як можна відновити зір.
10. Оптичні прилади в медицині.
11. Історія фотографії.
12. Ультрафіолетове очищення води.
13. Чому мильні бульбашки є різнокольоровими.
14. Прилади нічного бачення.
15. Підзорна труба: історія створення, будова, принцип дії.
теми
експериментальних досліджень
1. Вивчення законів поширення світла за
2. Вивчення законів
3.
4.
5.
ХВИ лі
Розділ
III
чому сучасні океанські лайнери навряд чи спіткає його доля
Ви неодноразово чули відлуння, а тепер дізнаєтеся,
воно допомагає виміряти
океану Ви добре знаєте, що таке рентген, а тепер дізнаєтеся, що спільного між рентгенівськими і світловими променями
рис. 17.1. Від
рис. 17.2. Поширення хвилі мотузкою. Стрілкою показано напрямок поширення хвилі
У курсі фізики 7 класу ви вивчали механічні коливання. Часто буває так, що, виникнувши в одному місці, коливання поширюються
рис. 17.3. Поширення хвилі пружиною. Стрілкою показано напрямок поширення хвилі
прикріпимо до вертикальної поверхні, а інший будемо рухати вниз-вгору (коливати). Коливання від руки будуть поширюватися мотузкою, поступово за
до
руху все більш віддалені точки, мотузкою побіжить механічна хвиля (рис. 17.2).
Механічною хвилею називають поширення коливань у пружному середовищі*
Розглянемо ще один приклад. Закріпимо горизонтально довгу м’яку пружину та здійснимо по її вільному кінцю серію послідовних ударів пружиною побіжить хвиля, яка складатиметься зі згущень і розріджень витків пружини (рис. 17.3).
Описані вище хвилі можна побачити, проте більшість механічних хвиль є невидимими, наприклад звукові хвилі (рис. 17.4).
На перший погляд, усі механічні хвилі є зовсім різними, а ле причини їх виникнення та поширення однакові. Давайте розбиратися.
2 З’ясовуємо, як і чому в середовищі поширюється механічна хвиля Будь-яка механічна
розтягує їх або зсовує). У результаті виникають сили пружності, які діють на сусідні шари середовища та спонукають їх здійснювати вимушені коливання. Ці шари, у свою чергу, деформують наступні шари та змушують їх коливатися. Поступово, один за одним, усі шари середовища долучаються до коливального руху середовищем поширюється механічна хвиля.
3
розрізняємо поперечні та поздовжні
механічні хвилі Якщо порівняти поширення хвилі мотузкою (див. рис. 17.2) і пружиною (див. рис. 17.3), можна побачити певну різницю. Окремі частини мотузки рухаються (коливаються) перпендикулярно до напрямку поширення хвилі (на рис. 17.2 хвиля поширюється справа наліво, а частини мотузки рухаються вниз-вгору). Такі хвилі називають поперечними (рис. 17.5). У ході поширення поперечних хвиль відбувається зсув одних шарів середовища відносно інших. Деформація зсуву супроводжується виникненням сил пружності лише в твердих тілах, тому поперечні хвилі не можуть поширюватися в рідинах і газах.
Отже, поперечні хвилі поширюються тільки в твердих тілах.
Під час поширення хвилі пружиною окремі витки пружини рухаються (коливаються) вздовж напрямку поширення хвилі. Такі
хвилі називають поздовжніми (рис. 17.6). У ході поширення поздовжніх хвиль у середовищі
відбуваються деформації стиснення та розтягнення (вздовж напрямку поширення хвилі густина середовища почергово то збільшується, то зменшується). Такі деформації в будь-якому середовищі супроводжуються виникненням сил пружності. Тому поздовжні хвилі поширюються і в твердих тілах, і в рідинах, і в газах.
рис. 17.4. Коливання тіла, яке звучить, є причиною почергових згущень та розріджень середовища, — середовищем поширюється звукова хвиля
рис. 17.5. У поперечній хвилі шари середовища коливаються перпендикулярно до напрямку поширення хвилі v
рис. 17.6. У поздовжній хвилі шари середовища коливаються вздовж напрямку поширення хвилі
рис. 17.7. До запитання в § 17
4
виявляємо основні властивості хвиль
1. Коливальний рух від однієї точки середовища до іншої передається не миттєво, а з певним запізненням, тому хвилі поширюються в середовищі зі скінченною швидкістю.
2. Джерелом механічних хвиль завжди є тіло, що коливається; оскільки коливання частин середовища в ході поширення хвилі є вимушеними, то частота коливань кожної частини середовища
рівнює частоті коливань джерела хвилі.
3. Механічні хвилі не можуть поширюватись у
4. Хвильовий рух не супроводжується
ється перенесення енергії
фізичні величини, які характеризують коливання
Хвиля це поширення коливань. Тому фізичні величини, які характеризують коливання (частота, період, амплітуда), також характеризують і хвилю. Отже, згадаємо 7 клас:
Фізичні величини, які характеризують коливання
Частота коливань ν Період коливань T
Означення кількість коливань за одиницю часу час одного
Амплітуда коливань A
коливань поступово зменшується
здійснив одне повне коливання, тобто час поширення хвилі дорівнює од-
ному періоду tT = () . За цей час хвиля пошириться на певну
λ (рис. 17.8, а). Цю
Довжина хвилі l — відстань, на яку поширюється хвиля за час, що дорівнює періоду T: λ= vT , де v швидкість поширення хвилі.
Одиниця довжини хвилі в
метр: λ [] = 1м .
Неважко помітити, що точки мотузки, які розташовані одна від одної на відстані однієї довжини хвилі, коливаються синхронно мають однакову фазу коливань (рис. 17.8, б, в). Наприклад, точки A і B мотузки одночасно рухаються вгору, одночасно досягають гребеня хвилі, потім одночасно
починають рухатися вниз і т. д.
Скориставшись ф ормулою λ= vT ,
можна визначити швидкість поширення хвилі: v T = λ . Ураховуючи, що 1 T =ν , отри-
маємо формулу взаємозв’язку довжини, частоти та швидкості поширення хвилі формулу хвилі: v =λν Якщо хвиля переходить з
B A
хвилі дорівнює відстані, на яку поширюється хвиля за час одного коливання (це також відстань між двома найближчими гребенями або між двома найближчими западинами)
хвилі v швидкість поширення хвилі; l довжина хвилі; n частота хвилі
Рис. 1
v
Задача. Шнуром поширюється поперечна хвиля зі швидкістю 3 м/с. На рис. 1 показано положення шнура в певний момент часу та напрямок поширення хвилі. Скориставшись рисунком і вважаючи, що сторона клітинки дорівнює 15 см, визначте: 1) амплітуду, період, частоту і довжину хвилі; 2) напрямок, у якому в даний момент часу рухаються точки K, В і С шнура.
Розв’язання Хвиля є поперечною, тому точки шнура здійснюють коливання перпендикулярно до напрямку поширення хвилі (рухаються вниз-вгору біля певних положень рівноваги). 1) Із рис. 1 бачимо, що максимальне відхилення від положення рівноваги (амплітуда A хвилі) дорівнює 2 клітинкам. Отже, A =⋅ = 21530смсм . Відстань між гребенем і западиною 60 см (4 клітинки), відповідно відстань між двома найближчими гребенями (довжина хвилі) вдвічі більша. Отже, λ= ⋅= = 260120 12 смсм м, . Частоту n і період T хвилі знайдемо, скориставшись формулою хвилі: v v =⇒ == == λν ν λ 3 12 1 2525 м/ с мс Гц , ,, ; T == = 11 25 04 ν , , (с).
2) Для визначення напрямку руху точок шнура виконаємо додаткову побудову. Нехай за невеликий інтервал часу ∆t хвиля змістилася на деяку невелику відстань. Оскільки хвиля зміщується вправо, а її форма з часом не змінюється, точки шнура займуть положення, які показано на рис. 2 пунктиром. Хвиля є поперечною, тобто точки шнура рухаються перпендикулярно до напрямку поширення хвилі. Із рис. 2 бачимо, що точка K через інтервал часу ∆t опиниться нижче від свого початкового положення, отже, швидкість її руху напрямлена вниз; точка В переміститься вище, отже, швидкість ї ї руху напрямлена вгору; точка С переміститься нижче, отже, швидкість її руху напрямлена вниз. Відповідь: A = 30 см; T = 04 , с; ν= 25 , Гц; λ= 12 , м; точки K і С рухаються вниз, точка В вгору.
Рис. 2
v
Хвиля поширюється в просторі не
час поширення хвилі відбувається перенесення
а
швидкістю.
перенесення речовини. Відстань, на яку поширюється хвиля за час, що дорівнює періоду, називають довжиною хвилі це відстань між двома найближчими точками, які коливаються синхронно (мають однакову фазу коливань). Довжина l, частота n і швидкість v поширення хвилі пов’язані формулою хвилі: v =λν .
Контрольні запитання
1. Дайте означення механічної хвилі. 2. Опишіть механізм утворення та поширення механічної хвилі. 3. Назвіть основні властивості хвильового руху. 4. Які хвилі називають поздовжніми? поперечними? У яких середовищах вони поширюються? 5. Що таке довжина хвилі? Від чого вона залежить? 6. Як пов’язані довжина, частота і швидкість поширення хвилі?
вправа № 17
1. На рис. 1 показано поширення хвилі мотузкою (а) і пружиною (б ). Визначте довжину кожної хвилі.
2. В океані довжина хвилі сягає 270 м, а її період дорівнює 13,5 с. Визначте швидкість поширення такої хвилі.
3. Чи збігаються швидкість поширення хвилі та швидкість руху точок середовища, яким поширюється хвиля?
4. Чому механічна хвиля не поширюється у вакуумі?
5. У результаті вибуху, зробленого геологами, в земній корі поширилася хвиля зі швидкістю 4,5 км/с. Відбита від глибоких шарів Землі, ця хвиля була зафіксована на поверхні Землі через 20 с після вибуху. На якій глибині залягає порода, густина якої різко відрізняється від густини земної кори?
6. На рис. 2 зображено дві мотузки, якими поширюється поперечна хвиля. На кожній мотузці показано напрямок коливань однієї із її точок. Для кожного випадку а і б визначте напрямок поширення хвилі.
7. На рис. 3 зображено положення двох шнурів, якими поширюється хвиля, показано напрямок поширення кожної хвилі. Сторона клітинки дорівнює 20 см. Для кожного випадку а і б визначте: 1) амплітуду, період, довжину хвилі; 2) напрямок, у якому в даний момент часу рухаються точки А, В і С шнура; 3) кількість коливань, що робить будь-яка точка шнура за 30 с.
8. Людина, стоячи на березі моря, визначила, що відстань між сусідніми гребенями хвиль, які йдуть одна за одною, дорівнює 15 м. Крім того, вона підрахувала, що за 75 с до берега доходить 16 хвильових гребенів. Визначте швидкість поширення хвиль.
рис.
1
Знайомимось із джерелами та приймачами звуку Притисніть
що являє собою
нічну хвилю частотою від 20 до 20 000 Гц. Джерела звуку це різноманітні тіла, що коливаються із частотою 20–20 000 Гц. Так, джерелами звуку є мембрани
рис. 18.2. Ніжки камертона коливаються й тому випромінюють звук
У приймачах звуку відбувається перетворення звукових сигналів на інші сигнали, завдяки чому звук можна сприймати та аналізувати. До приймачів звуку, зокрема, належать органи слуху людини та тварин, в цих органах звукові (механічні) коливання перетворюються на нервові імпульси. У техніці для приймання звуку здебільшого застосовують перетворювачі, в яких звукові коливання зазвичай перетворюються на електричні (рис. 18.3).
2
вимірюємо швидкість поширення звуку Якщо ми здалека бачимо момент зародження звуку (удар дзвона, сплеск долонь тощо), то помічаємо, що власне звук ми чуємо через певний інтервал часу. Знаючи відстань до джерела звуку та час запізнення, можна виміряти швидкість поширення звуку в повітрі. Уперше швидкість поширення звуку в повітрі виміряв французький у чений Марін Мерсенн (1588–1648) у 1636 р.
За температури 20° С швидкість звуку в повітрі становить приблизно 340 м/с. Це
майже в мільйон разів менше від швидкості поширення світла. Саме тому грім чутно піз-
ніше, ніж видно спалах блискавки (рис. 18.4).
Швидкість поширення звуку залежить від температури, густини, складу та інших характеристик середовища. Так, у рідинах
звук поширюється швидше, ніж у газах, і повільніше, ніж у твердих тілах. Швидкість поширення звуку зазвичай збільшується зі збільшенням температури середовища. До того ж чим менша маса молекул середовища, тим швидше поширюється звук. Розв’язуючи задачі, використовуватимемо приблизні значення швидкості поширення звуку (див. таблицю на с. 120).
рис. 18.3. У мікрофоні звукові коливання перетворюються на електричні
рис. 18.4. Якщо
Середовище
1250
340
Скло 4500
Проаналізуйте таблицю. Чому, на вашу думку, швидкість поширення звуку у водні більша, ніж у повітрі, а в сталі більша, ніж у воді?
Зверніть увагу! Оскільки звук це механічна хвиля, а для поширення механічної хвилі необхідне середовище, звукова хвиля не поширюється у вакуумі (рис. 18.5).
3
вивчаємо характеристики звуку
Звуки різної частоти ми сприймаємо
Крім г учності та висоти тону ми розрізняємо звуки за тембром: ту
саму ноту, взяту на роялі, саксофоні або різними людьми, ми сприймаємо по-різному. Такі різноманітні «відтінки» звуків і називають тембрами.
Річ у тім, що звуки є складними: крім основної частоти (за якою ми й оцінюємо висоту звуку) будь-який
більш високих
поширення звуку відбувається поступове розсіювання та згасання звуку, тобто зменшення його гучності. Знання закономірностей розсіювання звуку є важливим для визначення дальності поширення звукового сигналу. Так, на дальність поширення звуку в
впливають температура й атмосферний тиск, сила й швидкість вітру тощо. Інколи в
Якщо стати недалеко від скелі або поодинокого
хмарочоса та плеснути в долоні чи гучно крикнути, через невеликий інтервал часу почуємо повторення звуку. Це відлуння (рис. 18.6).
від луння — це звук, відбитий від віддаленої
перешкоди.
Якщо відстань до перешкоди є досить великою, а звук коротким (удар, оплеск, скрик), ми чуємо чітке повторення звуку. Якщо звук є
довгим, то відлуння змішується з первинним звуком і відбитий звук буде нерозбірливим.
Чому, на вашу думку, під час грози, після
того як пролунає перший удар грому, ми ще деякий час чуємо його гуркіт?
рис. 18.6.
На явищі відбивання звуку ґрунтується дія шумозахисних екранів, які встановлюють уздовж автомобільних трас і біля аеропортів. Дослідження відбивання,
тілах дозволяє отримати інформацію про внутрішню будову середовища, яким поширюється звук.
5
розрізняємо інфразвук і ультразвук
Звукові хвилі, частота яких
(від латин. infra нижче, під).
Інфразвукові хвилі виникають під час роботи
вибухів, обвалів, потужних поривів вітру, під час шторму, землетрусу тощо. Інфразвук є дуже небезпечним для тварин і людини: він може викликати симптоми морської хвороби, запаморочення, засліплення, спричинити підвищену агресивність. У разі тривалої дії інтенсивне інфразвукове випромінювання може призвести до зупинки серця. При цьому людина навіть не розуміє, що відбувається, а дже вона не чує інфразвук.
Звукові хвилі, частота яких перевищує 20 кГц, називають ультразвуковими (від латин. ultra понад, за межами).
Ультразвук наявний у шумі вітру та водоспаду,
Кажан випромінює ультразвук
Вуха кажана сприймають відлуння
Звук відбивається
рис. 18.8. Під час полювання
виявлення й отримання інформації про об’єкт за допомогою
хірургічні інструменти, ліки, руки хірургів тощо. Лікування за допомогою ультразвуку іноді дозволяє уникнути хірургічних операцій. Ультразвук застосовують також для обробки міцних матеріалів, очищення поверхонь від забруднень тощо.
Контрольні запитання
1. Що таке звук? 2. На ведіть приклади джерел і приймачів звуку. 3. Чому джерело звуку випромінює звук? 4. Від чого залежить швидкість поширення звуку? 5. Якою фізичною величиною визначається висота тону?
6. Чим визначається г учність звуку? 7. Наслідком якого явища є відлуння? 8. Що таке інфразвук? Як він впливає на людину? 9. Що таке ультразвук? На ведіть приклади застосування ультразвуку в природі, медицині, техніці. 10. Що таке ехолокація?
вправа № 18
1. Ніжки камертона коливаються
4. Чому музика і голоси співаків
заповненій публікою?
5. За допомогою ультразвуку вимірювали глибину моря (див. рис. 18.9). Сигнал, відбитий від морського
моря в місці вимірювання?
6. Скільки коливань здійснює джерело звуку за 5 с, якщо довжина хвилі в повітрі дорівнює 1 м?
7. Швидкість поширення звуку в металі першим визначив французький фізик Жан-Батист Біо (1774–1862). Він використав чавунну трубу паризького водогону (завдовжки 951 м). Коли по одному кінцю труби вдаряли молотком, то з другого кінця чули подвійний удар. На скільки секунд звук, який ішов чавуном, обганяв звук, що йшов повітрям?
8. Скористайтесь додатковими джерелами інформації та дізнайтесь, де використовують ультразвук.
9. Скористайтесь додатковими джерелами інформації та дізнайтесь про вплив шуму на здоров’я людини. Як максимально зменшити шкідливу дію шуму?
10. Джерело світла і дзеркало розташовані на одній прямій на відстані 10,8 км одне від одного. Через який час спалах світла досягне дзеркала та
неться назад?
Експериментальні завдання
1. «Майже Піфагор». Дослідження звуків, які, коливаючись, видає струна, здійснював ще давньогрецький у чений Піфагор (VI ст. до н. е). Він вивчав залежність висоти тону звуку від довжини струни. Скориставшись натягнутою ниткою, з’ясуйте, як висота тону залежить від довжини нитки.
2. «Музична лінійка». Повторіть дослід, зображений на рис. 18.1. Зменшуючи довжину частини лінійки, що коливається, доведіть, що, чим ця довжина менша, тим більшою є частота випромінюваного звуку.
3. «Чутлива кулька». Використавши підвішену на нитці легку кульку, доведіть, що під час випромінювання звуку ніжки камертона коливаються, а гучність звуку за лежить від амплітуди
робота № 6
тема. Дослідження
теоретичні відомості Форма запису звуку
звукової хвилі (амплітуда, частота)
висотою тону звуку. обладнання: комп’ютер (або мобільний телефон) із програмним забезпеченням для запису звуку та обробки отриманого файла (наприклад, аудіоредактор WavePad), мікрофон, камертон,
бути різною: магнітна, оптична, цифрова тощо. Запис звуку
виключно цифровий. Записаний звук зберігається в аудіофайлі та після обробки може бути поданий на монітор комп’ютера у вигляді пульсуючого графіка, який відбиває зміну тиску в зоні прослухування через рівні невеликі інтервали часу (див. рисунок).
За графіком можна оцінити:
1) гучність звуку визначається амплітудою A звукової хвилі; 2) тон звуку визначається частотою n (періодом T) звукової хвилі. Наприклад, за графіком на рисунку визначаємо, що за 10 мс відбулося майже 9 коливань (точніше 8,8), отже, частота звукової хвилі становить:
Експеримент Суворо дотримуйтесь інструкції з безпеки (див. форзац підручника).
Отримані аудіофайли збережіть під відповідними іменами.
2. Увімкніть запис сигналу. Вимкніть запис через 4–6 с.
3. Збільште гучність сигналу генератора, не змінюючи частоти, і повторіть дії, описані в п. 2.
4. Налаштуйте вихідний сигнал на частоту 880 Гц і повторіть дії, описані в п. 2.
5. Поставте камертон. Вдарте по ньому гумовим молоточком і повторіть дії, описані в п. 2.
6. Проспівайте в мікрофон декілька нот, для кожної ноти повторюючи дії, описані в п. 2.
опрацювання результатів експерименту Результати вимірювань і обчислень відразу заносьте до таблиці.
1. Для кожного досліду визначте частоту звукової хвилі. Для цього: 1) відкрийте аудіофайл (на екрані ви побачите графік, подібний до наведеного на рисунку); 2) обчисліть кількість коливань, наприклад, за 10 мс; 3) за формулою n = N/t обчисліть частоту звукової хвилі.
Номер досліду
Назва досліду
Час коливань t, мс
Кількість коливань N
Частота хвилі n, Гц
2. Зробіть скріншоти для будь-яких трьох дослідів, роздрукуйте їх та вклейте в зошит (або виконайте рисунки). Підпишіть ці досліди. аналіз результатів експерименту Проаналізуйте експеримент і його результати. Сформулюйте висновок, у якому: 1) отримані результати порівняйте із заданими частотами генератора, частотою камертона, табличними значеннями частот, що відповідають певним нотам; 2) зазначте
що магнітне поле, яке змінюється, не тільки діє
й створює електричне поле. Такого висновку дійшов свого часу М. Фарадей. Керуючись принципом симетрії, видатний а нглійський фізик Джеймс Максвелл (рис. 19.1) висунув підтверджену згодом гіпотезу про те, що не тільки змінне магнітне поле створює електричне поле, а й змінне електричне поле створює магнітне поле. Відповідно до цієї гіпотези електричні та магнітні поля завжди
поле, а
Якщо ваш товариш візьме магніт і по-
несе його від вас (див. рис. 19.3), хто
з вас «виявить» тільки магнітне поле, а хто і магнітне, й електричне?
Таким чином, твердження, що в даній точці існує тільки електричне (чи тільки магнітне) поле, не має сенсу, а дже не вказано систему відліку. Разом із тим ми ніколи не знайдемо систему відліку, відносно якої «зникли» б обидві складові електромагнітного поля, а дже електромагнітне поле є матеріальним.
2
створюємо електромагнітні хвилі
Проаналізувавши всі відомі тоді закони електродинаміки, Дж. Максвелл суто
математично отримав фантастичний на той час висновок: у природі мають існувати електромагнітні хвилі.
Електромагнітна хвиля — це поширення в просторі змінного електромагнітного поля.
Спробуємо уявити, як утворюється та поширюється електромагнітна хвиля. Візьмемо провідник, в якому тече змінний струм (рис. 19.4). Як відомо, біля будь-якого провідника зі струмом існує магнітне поле. Магнітне поле, створене змінним струмом, теж є змінним. Згідно з теорією Максвелла змінне магнітне поле має створити електричне поле, яке теж буде змінним. Змінне електричне поле створить змінне магнітне і т. д. Отже, одержимо поширення коливань електромагнітного поля — електромагнітну хвилю (рис. 19.5). Частота ν цієї хвилі дорівнює частоті, з якою змінюється
рис. 19.2. У системі відліку, пов’язаній із хлопчиком, виявляється лише електрична складова електромагнітного поля. У системі відліку, пов’язаній із дівчинкою, виявляються обидві складові — й електрична, й магнітна
рис. 19.3. До запитання в § 19
рис. 19.4. Змінний струм — це струм, сила якого періодично змінюється: з часом значення сили струму то збільшується, то зменшується; змінюється й напрямок струму
Змінний
Цікаво, що деякі електромагнітні хвилі «подорожують» у Всесвіті майже з початку його існування! За теорією Максвелла, джерелом електромагнітної хвилі
будь-яка заряджена частинка, що рухається з прискоренням (тобто частинка, яка весь час змінює швидкість свого
Випромінюванням електромагнітних
супроводжуються й
процеси, що відбуваються всередині молекул, атомів, ядер атомів (теорія таких процесів квантова теорія — була створена в ХХ ст.).
3
Характеризуємо електромагнітну хвилю Електромагнітна хвиля, як і механічна, характеризується частотою ν () , довжиною λ () і швидкістю поширення v () . Так само, як у випадку з механічними хвилями, дані величини пов’язані формулою хвилі: v =λν
А ле, на відміну від механічних хвиль, для поширення електромагнітних хвиль не потрібне середовище. Навпаки, найкраще
Під час переходу з одного середовища в інше швидкість поширення електромагнітної хвилі змінюється, змінюється і довжина хвилі, а от частота залишається незмінною. У повітрі швидкість поширення електромагнітних хвиль майже та сама, що й у вакуумі.
Через 15 років після створення теорія електромагнітного поля Максвелла була підтверджена експериментально: Генріх Герц (рис. 19.7) продемонстрував випромінювання і приймання електромагнітних хвиль. Герц не лише одержав електромагнітні хвилі, а й вивчив їхні властивості. Він установив, що електромагнітні хвилі: відбиваються від провідних предметів (кут відбивання дорівнює куту падіння);
заломлюються на межі з діелектриком;
частково поглинаються речовиною і частково розсіюються нею та ін.
Усі ці явища зумовлені дією електромагнітного поля на заряджені частинки в речовині. Так, якщо електромагнітна хвиля падає на поверхню металу, то на вільні електрони діє змінне електричне поле (електрична
дова електромагнітної хвилі).
виникають змінні електричні
хвилю. Підбиваємо підсумки
поля. Електромагнітне
1. У чому полягає гіпотеза Дж. Максвелла? 2. Дайте означення електромагнітного поля, назвіть його складові. 3. Наведіть приклади, що підтверджують відносність електричного та магнітного полів. 4. Як утворюється електромагнітна хвиля? Які об’єкти можуть її випромінювати? 5. Які фізичні величини характеризують електромагнітну хвилю? Як вони пов’язані? 6. Які властивості електромагнітних хвиль було встановлено в ході дослідів Г. Герца?
вправа № 19
1. Електромагніт підіймального крана живиться постійним струмом. Визначте: 1) в якому випадку електромагніт створює для оператора крана й електричне, й магнітне поля: а) електромагніт не рухається; б) електромагніт переносить вантаж; 2) в яких випадках електромагніт випромінює електромагнітні хвилі: а) в момент замикання кола; б) в момент розмикання кола; в) коли електромагніт, рухаючись рівномірно, переносить вантаж; г) коли нерухомий електромагніт тримає вантаж.
2. Доповніть таблицю, вважаючи, що хвилі поширюються в повітрі. Джерело хвилі
Швидкість Провід лінії електропередачі
Гц Радіопередавач
см Інфрачервоний випромінювач 1,5 мкм
3. За даними рис. 19.6 визначте довжини електромагнітних хвиль для світла фіолетового та червоного кольорів. Розгляньте два випадки: світло поширюється а) у вакуумі; б) у склі (показник заломлення скла для світла червоного кольору дорівнює 1,64, для світла фіолетового кольору 1,67).
4. Скориставшись додатковими джерелами інформації, дізнайтеся про винайдення радіо. Зробіть коротке повідомлення.
5. Човен гойдається у відкритому морі. Хвилі поширюються зі швидкістю 12 м/с; довжина хвилі 24 м. Яка частота ударів хвиль по корпусу човна?
скільки різними можуть бути й властивості електромагнітних хвиль. Подана на рис. 20.1 шкала електромагнітних хвиль поділена на ділянки, які відповідають різним діапазонам довжин і частот електромагнітних хвиль (різним видам електромагнітних хвиль). Хвилі одного діапазону мають однаковий спосіб випромінювання та схожі властивості. Радіохвилі — від наддовгих із довжиною понад 10 км до ультракоротких і мікрохвиль із довжиною меншою 0,1 мм — породжуються змінним
електричним струмом.
Електромагнітні хвилі оптичного діапазону випромінюються збудженими атомами. У цьому діапазоні розрізняють:
інфрачервоне (теплове) випромінювання (довжина хвилі становить
від 780 нм до 1–2 мм);
видиме світло (довжина хвилі — 400–780 нм);
ультрафіолетове випромінювання (довжина хвилі — 10–400 нм).
Рентгенівське випромінювання (довжина хвилі — 0,01–10 нм) виникає внаслідок швидкого (ударного) гальмування електронів, а також у результаті процесів усередині електронних оболонок атомів.
рис. 20.2. Мікрохвильова піч — пристрій, у якому використовують радіохвилі високої частоти (зазвичай 2,45 109 Гц)
2 Застосовуємо радіохвилі
Електромагнітні хвилі радіодіапазону застосовують найширше: сучасний мобільний зв’язок, радіомовлення, телебачення, виявлення, розпізнання та дослідження різноманітних об’єктів (радіолокація), визначення розташування транспортних засобів і людей (GPS-навігація, GPS-моніторинг та ін.), зв’язок із космічними апаратами тощо (рис. 20.2).
Радіохвилі зробили життя людини набагато комфортнішим. Ми не відчуваємо їх, хоча вони й впливають на загальний стан людей і тварин, причому чим коротші хвилі, тим виразніше реагують на них організми. Потужні електромагнітні хвилі негативно впливають
Із усього спектра найбільш спорідненим із організмом людини є інфрачервоне випромінювання.
Хвилі довжинами приблизно від 7 до 14 мкм відповідають випромінюванню людського тіла й чинять на організм людини н адзвичайно корисну дію. Найвідоміше природне джерело таких хвиль на Землі це Сонце, а найвідоміше штучне піч, і кожна людина обов’язково відчувала на собі їхній позитивний вплив.
небезпечне джерело електромагнітного випромінювання, тим більше що він часто перебуває близько від мозку та очей людини. Поглинаючись тканинами головного мозку, зоровими та слуховими аналізаторами, хвилі передають їм енергію. Із часом це може призвести до порушень нервової, ендокринної та серцево-судинної систем.
3 вивчаємо інфрачервоне
випромінювання Між радіохвилями і видимим світлом розташована ділянка інфрачервоного (теплового) випромінювання, яке в промисловості використовують для сушіння лакофарбових поверхонь, деревини, зерна та ін. Інфрачервоні промені застосовують у пультах дистанційного керування, системах а втоматики, охоронних системах тощо. Ці промені не відволікають увагу людини, бо є невидимими. А ле існують прилади, які можуть відчувати та перетворювати невидиме інфрачервоне зображення
4
Дізнаємося про ультрафіолетове випромінювання
Ультрафіолетове випромінювання, на відміну від видимого світла та інфрачервоного випромінювання, має високу хімічну активність, тому його застосовують для дезінфекції повітря в лікарнях і місцях великого скупчення людей. Основне джерело природного ультрафіолетового випромінювання Сонце. Атмосфера Землі частково затримує ультрафіолетові хвилі: коротші від 290 нм (жорсткий ультрафіолет) затримуються у верхніх шарах атмосфери озоном, а завдовжки 290–400 нм (м’який ультрафіолет) поглинаються вуглекислим газом, водяною парою й озоном. У великих дозах ультрафіолетове випромінювання є шкідливим для здоров’я людини (рис. 20.5). Щоб знизити ймовірність сонячного опіку та захворювань шкіри, лікарі рекомендують не перебувати влітку на сонці між 10 і 13 годинами, коли сонячне випромінювання є найінтенсивнішим. Разом із тим у невеликих кількостях ультрафіолет добре впливає на людину, а дже сприяє виробленню вітаміну D, зміцнює імунну систему, стимулює низку важливих життєвих функцій в організмі.
5
рентгенівське і γ-випромінювання Найширше рентгенівське випромінювання застосовують у медицині, а дже воно має властивість проходити крізь непрозорі предмети (наприклад, ті ло людини). Кісткові тканини менш прозорі для рентгенівського випромінювання, ніж інші тканини організму людини, тому кістки чітко видно на рентгенограмі. Рентгенівську зйомку використовують також у промисловості (для виявлення дефектів), хімії (для аналізу сполук), фізиці
рис. 20.3. Глибоководні
рис. 20.4. Американська
моване та дозоване γ-випромінювання
у лікуванні онкологічних захворювань для знищення ракових клітин (променева терапія).
підбиваємо підсумки
Спектр (шкала) електромагнітних хвиль безперервна послідовність частот і довжин електромагнітних хвиль, що існують у природі. За способом випромінювання розрізняють: радіохвилі (створюються змінним електричним струмом); електромагнітні хвилі оптичного діапазону (інфрачервоне випромінювання, видиме світло, ультрафіолетове випромінювання; випускаються збудженими атомами); рентгенівське випромінювання (створюється під час швидкого гальмування електронів); γ-випромінювання (випускається збудженими атомними ядрами). Електромагнітні хвилі різних діапазонів мають різні властивості, тому по-різному впливають на людину і мають різні галузі застосування. Усі види електромагнітних хвиль поширюються у вакуумі з однаковою швидкістю. Зі збільшенням частоти хвилі (зі зменшенням її довжини) збільшуються проникна здатність і хімічна активність електромагнітного випромінювання.
Контрольні запитання
1. Назвіть відомі вам види електромагнітних хвиль. 2. Що спільного між усіма видами електромагнітних хвиль? У чому їх відмінність? 3. Як змінюються властивості електромагнітних хвиль зі збільшенням їхньої частоти?
4. Наведіть приклади застосування різних видів електромагнітних хвиль. 5. Як уникнути негативного впливу деяких видів електромагнітного випромінювання на здоров’я людини?
вправа № 20
1. Розташуйте електромагнітні хвилі в порядку збільшення їхньої довжини: 1) видиме світло; 2) ультрафіолетове випромінювання; 3) радіохвилі; 4) рентгенівське випромінювання.
2. Установіть відповідність між випромінювачем та електромагнітними хвилями, які він здебільшого випромінює.
1 Мобільний телефон
2 Батарея опалення
3 Світлячок
4 Радіоактивний препарат
3. Довжина хвилі світла жовтого
4.
5.
А γ-випромінювання Б Рентгенівське випромінювання В Інфрачервоне випромінювання Г Видиме світло Д Радіохвилі
1
метрів).
З’ясовуємо особливості поширення ультракоротких
За своїми властивостями ультракороткі радіохвилі дуже близькі до світлових променів: вони поширюються в межах прямої видимості, їх можна посилати вузькими пучками. Саме ці властивості забезпечили широке застосування ультракоротких радіохвиль у радіолокації, бездротовому зв’язку, супутниковому телебаченні. Вузький промінь менше розсіюється (що дозволяє застосовувати
що
покриття ділиться на невеликі ділянки стільники (їх так називають, оскільки вони мають форму шестикутника). Кожен стільник має площу близько 25 км2 і обслуговується окремою базовою станцією. Стільники, частково перекриваючись, утворюють мережу (рис. 21.1).
зв’язку Абонент зі стаціо- нарним телефоном Абонент з мобільним телефоном
момент перебуваєте. Після цього телефон випромінює радіосигнал посилає станції свій ідентифікаційний код. Відтоді телефон і станція підтримуватимуть радіоконтакт, періодично обмінюючись сигналами. Але ж ви не завжди перебуваєте в одному місці, і якщо з часом ви опинитеся в іншому стільнику, ваш телефон налагодить зв’язок із базовою станцією цього іншого стільника. Стільники частково перекриваються, тому ви навіть не помітите, що вас почала обслуговувати інша станція. А от якщо телефон не зможе «знайти» найближчу станцію і передати їй свій код, зв’язок обірветься і на дисплеї висвітиться, що мережа відсутня. Описаними процесами «керують» центри комутації, які пов’язані з базовими станціями дротовими каналами зв’язку. Власне центр комутації безперервно «відстежує» місце перебування вашого мобільного телефону. Він «передає» вас, як естафетну паличку, від однієї базової станції до іншої, коли ви «подорожуєте» зі стільника в стільник. Саме через центри комутації здійснюється вихід на інші мережі: ви можете зателефонувати товаришеві, телефон якого обслуговується іншим оператором, зробити дзвінок на стаціонарний телефон, скористатись Інтернетом тощо.
3 вивчаємо радіолокацію
Властивість радіохвиль відбиватися від металів установив
дом було з’ясовано, що електромагнітні хвилі відбиваються від
тіл, при цьому чим краще
енергія відбитої хвилі. На відбиванні радіохвиль ґрунтується радіолокація. ра діолокація — спосіб виявлення, розпізнання та визначення місця розташування об’єктів за допомогою радіохвиль.
Радіолокаційна установка радіолокатор (радар) забезпечує випромінювання радіохвиль, а також приймання радіохвиль, які відбиваються від об’єкта (рис. 21.2).
Якщо радіохвилі випромінювати в усіх напрямках або широким пучком, то вони відбиватимуться одночасно від багатьох об’єктів
й одночасно рухається вниз-угору). У режимі
спостереження антена весь час напрямлена на обраний об’єкт.
4
Дізнаємося, як працює радіолокатор
Радіосигнал, який посилає радіолокатор, являє собою короткочасний (тривалістю мільйонні частки секунди), а ле дуже потужний імпульс. Щойно імпульс послано, антена радіолокатора а втоматично перемикається на прийом: радіолокатор «слухає» ефір чекає на відбитий сигнал. Приймач має високу чутливість (відбитий радіосигнал досить слабкий), тому на час випромінювання імпульсу його
відключають, інакше а паратура зіпсується.
Через певний інтервал часу (значно більший за тривалість імпульсу) антена знову перемикається на радіопередавач і радіолокатор
посилає наступний імпульс.
Відстань s до об’єкта визначають за часом t проходження радіоімпульсу до
зад. Швидкість поширення електромагнітних хвиль у повітрі практично дорівнює швидкості поширення світла у
21.3. Випромінювання
радіосигнал повернеться через 0,8 мс
радіолокацію
земної поверхні, дослідити щільність рослинного покриву, виявити лісову пожежу, визначити склад ґрунту тощо.
Важливе значення має радіолокація в космічних дослідженнях. Запуски та посадки космічних апаратів неможливі без використання радіолокаторів. За допомогою радіолокації було уточнено відстані до Місяця, Венери, Марса. Радіолокатори, встановлені на штучних супутниках Венери, допомогли проникнути крізь товщу хмар цієї планети та визначити її рельєф.
підбиваємо підсумки Останнім часом особливо широкого застосування набули хвилі ультракороткого діапазону: за допомогою спеціальних антен їх можна спрямувати вузьким пучком, який менше розсіюється, а це дозволяє використовувати менш потужні передавачі. Ультракороткі радіохвилі застосовують у стільниковому зв’язку, супутниковому телебаченні, радіолокації. Стільниковий зв’язок один із видів мобільного радіозв’язку, в основі якого лежить стільникова мережа. Радіолокація виявлення, розпізнання та визначення місця розташування об’єктів за допомогою радіохвиль. Радіолокатор створює
напрямлений пучок радіохвиль і приймає радіохвилі, відбиті від об’єктів. Відстань до об’єкта
радіоімпульсу до об’єкта й назад: s ct = 2 .
Контрольні запитання
1. У чому полягає основна перевага ультракоротких радіохвиль? 2. Що таке стільниковий зв’язок? Як він організований? 3. Що таке радіолокація? На чому вона ґрунтується? 4. Опишіть принцип роботи радіолокатора. 5. Як за допомогою радіолокації визначають місце розташування об’єкта (відстань до об’єкта, напрямок, в якому він розташований)? 6. Де застосовують радіолокацію?
вправа № 21
1. На якій відстані виявлено об’єкт, якщо відбитий сигнал повернувся через 20 мкс після посилання?
2. Радіолакатор працює на частоті 6 · 108 Гц. Радіохвилю якої
випромінює?
3. Особливості ультракоротких
Дистанційне зондування Землі (ДЗЗ) — це спостереження й вивчення
поверхні Землі за допомогою приладів, розміщених від неї на далекій відстані (наприклад, на супутниках або літаках). Де використовують ДЗЗ?
Із технічної точки зору, найпростіша галузь застосування ДЗЗ —
прогноз погоди. На цьому прикладі
й розповімо, як працює система.
Зазвичай телевізійні прогнози
погоди супроводжуються знімками
з космосу (рис. 1). Проте яскраві кар
тинки на телеекрані — це, звісно, не
все, що потрібно для прогнозу погоди!
Супутник не може сфотографу
вати всю поверхню Землі відразу. Як фари автомобіля освітлюють тільки
дорогу, залишаючи узбіччя в темря
ві, так і супутник, облітаючи навколо
Землі, «бачить» тільки певну смугу.
Ширина цієї смуги може коливатися від 7 до 1500 км і залежить від
необхідної точності обстеження: чим
більш детальна інформація одержу
ється, тим вужча смуга.
Під час наступного оберту супут
ник «оглядає» суміжну смугу і так
далі. Якщо об’єднати отримані дані
від кількох таких смуг, можна одер
жати «картинку» для великої терито
рії, наприклад для всієї нашої краї
ни (рис. 2).
Супутник передає отриману інформацію на приймальні антени; інформацію обробляють і перетворюють на звичні фотографії. Потім інформація передається метеорологам, які об’єднують дані з космосу з результатами наземних спостережень і на основі складних математичних моделей прогнозують температуру та стан атмосфери на день, тиждень, місяць… Для аналізу стану поверхні Землі використовують цілу «армію» супутників. Більшість із них одержують дані в діапазоні видимих оком електромагнітних хвиль, але є й такі, які зондують поверхню електромагнітними пучками в діапазоні хвиль сантиметрових довжин (НВЧвипромінювання), а також хвиль із більшою довжиною (понад 1 м). Одержанням і обробкою даних від супутників займаються різні організації; в нашій країні роботу таких організацій координує Державне космічне агентство України. Окрім прогнозу погоди дані
Механічна хвиля поширення коливань у пружному середовищі.
Джерело хвилі тіло, яке коливається
2. Ви дізналися про
Частинки
до напрямку поширення хвилі v
Відносний зсув шарів середовища
Змінюється під час переходу з одного
3.
4. Ви довідалися, що теоретичні дослідження
Максвелла та численні експерименти довели нерозривний зв’язок між електричними і магнітними полями. Ці поля утворюють єдине електромагнітне поле.
вид матерії, за
тілами
поле; магнітне поле, що змінюється, створює електричне поле
5. Ви дізналися, що
Поширюються
у вакуумі
з однаковою швидкістю: c =⋅3108 м/с
Відбиваються від провідних поверхонь, при цьому кут відбивання дорівнює куту падіння
Заломлюються на межі двох діелектриків
Довжина та частота хвилі у вакуумі пов’язані формулою хвилі: c =λν
Збільшується частота, зменшується довжина електромагнітної хвилі
Радіохвилі інфрачервоне випромінювання
Оптичний діапазон
випромінювання
Рентгенівське випромінювання
γ-випромінювання
Збільшується проникна здатність, посилюються хімічна активність
6.
Завдання 1–8 містять тільки одну правильну відповідь. 1. (1 бал) На якій властивості механічних хвиль ґрунтується ехолокація? а) перенесення енергії без перенесення речовини; б) відбивання хвилі; в) залежність довжини хвилі від середовища, в якому поширюється хвиля; г) зміна амплітуди хвилі зі збільшенням відстані до джерела хвилі.
2. (1 бал) У якому середовищі поширюються поперечні механічні хвилі? а) у рідині; в) у будь-якому середовищі; б) у вакуумі; г) у твердому тілі.
3. (1 бал) Яке твердження є хибним?
а) Поздовжні механічні хвилі не поширюються у твердих тілах.
б) Механічні хвилі не поширюються у вакуумі.
в) Світло це електромагнітна хвиля.
г) Звук це механічна хвиля.
4. (1 бал) Який об’єкт може бути джерелом механічної хвилі?
а) заряджена частинка, що рухається прискорено;
б) тіло, яке коливається;
в) тіло, що рухається рівномірно;
г) нерухоме намагнічене тіло.
5. (1 бал) Постійний магніт лежить на сидінні трамвая, який рухається рівномірно. Відносно якого із зазначених спостерігачів існує лише магнітна складова електромагнітного поля? а) кондуктор, який іде проходом; б) пасажир зустрічного автомобіля;
в) пішохід, що стоїть біля дороги; г) водій автобуса, що рухається за трамваєм із такою самою швидкістю.
6. (2 бали) Коли хвиля переходить в інше середовище, то не змінюється: а) амплітуда хвилі; в) частота хвилі; б) довжина хвилі; г) швидкість поширення хвилі.
7. (2 бали) Яке природне явище не супроводжується появою механічних хвиль? а) веселка; б) блискавка;
8. (2 бали) На відстані 170
9.
10. (3 бали) Установіть відповідність між приймачем і видом електромагнітних хвиль, які він переважно приймає.
1 Прилад нічного бачення
2 Супутникова антенна
3 Око людини
А γ -промені Б Радіохвилі В Інфрачервоне випромінювання Г Видиме світло
11. (3 бали) Натягнутим шнуром поширюється хвиля (рис. 1). У якому напрямку рухається точка А в зафіксований на рисунку момент часу?
12. (3 бали) Швидкість руху кулі дорівнює 680 м/с. На скільки раніше куля влучить у мішень, розташовану на відстані 1360 м, ніж до мішені долине звук пострілу?
13. (3 бали) Робоча бджола, що летить за взятком, робить у середньому 180 помахів крилами за секунду. Коли ж ця бджола повертається до вулика, кількість помахів крилами за секунду зростає до 280. Як це відбивається на звуці, який ми чуємо?
14. (4 бали) Якою є довжина звукової хвилі в повітрі, якщо джерело звуку здійснює 5100 коливань за хвилину? Якою є довжина цієї хвилі у воді?
15. (4 бали) За графіком коливань джерела механічної хвилі (рис. 2) визначте період коливань і частоту хвилі. Якою є довжина хвилі, якщо хвиля поширюється зі швидкістю 20 м/с?
16. (4 бали) Радіохвилі, довжина яких 6 м, переходять із вакууму в середовище, де швидкість їхнього поширення в 1,5 разу менша, ніж у вакуумі. Визначте частоту і довжину радіохвилі.
орієнтовні
теми проектів
1. Звуки в житті людини.
2. Застосування інфра- й ультразвуків у техніці.
3. Вібрації й шуми та їхній вплив на організми.
4. Електромагнітні хвилі в природі й техніці.
5. Вплив електромагнітного випромінювання на організм людини.
6. Види шумового забруднення. Вимірювання рівня шумового забруднення. Вивчення впливу шумового забруднення на організми.
7. Музичні інструменти як джерела різних звукових хвиль.
теми рефератів
і повідомлень
1. Механізм утворення хвиль на поверхні води.
2. Дивовижне відлуння.
3. Що таке акустичні резонатори та де їх застосовують.
4. Ефект Допплера та його використання для контролю швидкості руху транспортних засобів.
5. Чоловічі, жіночі, дитячі голоси: як і чому вони відрізняються.
6. Засоби захисту від шумів у мегаполісах.
7. Ультразвукова кавітація.
8. Застосування ультразвуку в техніці.
9. Утворення інфразвуку в океані.
10. Візуалізація звукових коливань.
11. Радіохвилі в нашому житті.
12. Історія винайдення радіо.
13. Електромагнітний смог.
14. Використання радіолокації в астрономії.
15. Ефект Допплера в астрономії, або Як доведено, що галактики розлітаються.
16. Дія ультрафіолетового випромінювання на організм людини.
17. В. Рентґен чи І. Пулюй: хто першим відкрив Х-промені?
18. Історія вивчення світлових явищ.
теми експериментальних досліджень
1. Виготовлення різноманітних джерел звуку та вивчення
2. З’ясування
3. Вивчення
Розділ
IV
Ви можете розрахувати, скільки теплоти виділиться під час згоряння 1 кг дров, а тепер зможете обчислити кількість теплоти, що виділиться під час «згоряння» 1 кг урану Ф
Ви знаєте, як працює тепловий двигун, а тепер дізнаєтесь, як працює ядерний реактор
Ви чули, що радіація
тепер дізнаєтесь, як вона лікує
що
Ви знаєте, що однойменні заряди відштовхуються, а тепер дізнаєтеся, коли вони притягуються
1
атомних ядер. У цьому параграфі ви детальніше дізнаєтесь про атом і атомне ядро.
Дізнаємося про класичний дослід резерфорда
Експерименти, здійснені вченими протягом
ст.,
що
має складну структуру. Фізикам стало відомо, що до складу атома входять електрони, які мають негативний заряд, а власне атом є нейтральним. У 1908–1911 рр. під керівництвом Ернеста Резерфорда (рис. 22.2) досвідчений дослідник Ганс Ґейґер (1882–1945) і молодий аспірант Ернест Марсден (1889–1970) проводили серію дослідів щодо з’ясування структури атома. Для дослідів у чені використали речовину, із якої з великою швидкістю вилітали позитивно заряджені частинки
(альфа-частинки). Вузький пучок α-частинок зі свинцевого контейнера спрямовувався на тонку золоту фольгу, а далі потрапляв в екран, покритий шаром кристалів цинк сульфіду (рис. 22.3). Якщо в такий екран улучала α-частинка, то в місці її влучання відбувався слабкий спалах світла. Учені спостерігали спалахи за допомогою мікроскопа та реєстрували влучання α-частинок в екран. У результаті дослідів було з’ясовано, що переважна більшість α-частинок проходить крізь золоту фольгу, не змінюючи напрямку руху, деякі відхиляються від початкової траєкторії.
Зрозуміло, що Е. Резерфорд не міг бачити внутрішню структуру атома, тому він залучив логіку. Якщо позитивний заряд і маса рівномірно розподілені по всьому об’єму атома (а саме таке уявлення про атом існувало на той час), то всі α-частинки повинні були пролетіти крізь фольгу практично не відхиляючись, адже їхня енергія величезна (це приблизно як бити м’ячем крізь павутиння).
Якщо ж позитивний заряд і маса зосереджені в невеликому об’ємі всередині атома, а навколо «порожнеча», то бомбардування α-частинками нагадуватиме кидки тенісними м’ячиками через поле, на якому розташована закріплена на жердині металева банка. Тільки в мізерній кількості випадків м’ячики влучать у банку та відскочать від неї, решта ж пролетить повз.
Очевидно, що друге припущення значно більше підходить для пояснення результатів експерименту. Таким чином, після зазначених дослідів Резерфорд у 1911 р. запропонував ядерну модель будови атома: атом складається з позитивно зарядженого ядра, оточеного негативно зарядженими частинками електронами; саме в ядрі зосереджена мало не вся маса атома.
На вашу д умку, чи відскочила б α-частинка в досліді Резерфорда, якби
ядро мало негативний заряд? якби маса ядра була набагато меншою від маси α-частинки?
Хоча в ядрі зосереджена майже вся маса
атома, розмір ядра порівняно з атомом надзвичайно малий (діаметр атома становить приблизно 10–10 м, а ядра 10–15 м). Для наочності
рис. 22.2. Ернест Резерфорд (1871–1937) — видатний англійський фізик. Заклав основи вчення про радіоактивність і будову атома, здійснив першу ядерну реакцію. Лауреат Нобелівської премії (1908 р.), член усіх академій наук
траві стадіону. Ядерна модель атома, запропонована Резерфордом, була розвинена в роботах видатного данського фізика Нільса Бора (1885–1962). Саме на ядерній моделі ґрунтується сучасне уявлення про будову атома (рис. 22.5).
2
Згадуємо будову атомного ядра
Із курсів фізики і хімії ви добре знаєте, що атомне ядро складається із частинок двох видів: протонів, які мають позитивний електричний заряд, і нейтронів, які не мають заряду. Маса протона приблизно дорівнює масі нейтрона та майже у 2000 разів більша за масу електрона. Протони й нейтрони, що входять до складу ядра атома, називають нуклонами. Сумарну кількість протонів і нейтронів в атомі називають нуклонним (масовим) числом і позначають символом А. Атом є електрично нейтральним: сумарний заряд протонів у ядрі дорівнює сумарному заряду електронів, що розташовані навколо ядра. Оскільки заряд протона за модулем дорівнює заряду електрона, то зрозуміло, що в атомі кількість протонів дорівнює кількості електронів. Кількість протонів у ядрі називають зарядовим (протонним) числом і позначають символом
числу).
1904
1803 Джозеф
1911
Резерфорд У середині атома розташоване позитивно заряджене ядро, яке містить
1913
1926
Знаючи зарядове (Z) і масове (A) числа ядра атома, можна визначити кількість нейтронів (N) у цьому ядрі: N =−AZ .
Вид атомів, який характеризується пев -
ним значенням зарядового числа та пев-
ним значенням масового числа, називають
нуклідом (рис. 22.6)
Скільки протонів і нейтронів містить
ядро нукліда А люмінію 13 27 Al () ?
Якщо різні нукліди мають однакове зарядове число, то їхні хімічні властивості є однаковими нукліди належать одному хімічному елементу.
Різновиди атомів того самого хімічного
елемента, ядра яких містять однакове число протонів, але різну кількість нейтронів, називають ізотопами («однакові за місцем»).
Кожний хімічний елемент має декілька ізотопів (рис. 22.7).
3
Дізнаємося про сильну взаємодію
Ви вже знаєте, що електрони, маючи негативний заряд, утримуються навколо позитивного ядра завдяки електромагнітній взаємодії. А ле яким чином у складі одного ядра і на дуже близькій відстані один від одного утримуються протони, а дже однойменно заряджені частинки відштовхуються?
З’ясовано, що всі частинки в ядрі притягуються одна до одної завдяки взаємодії, яка в сотні разів сильніша, ніж електромагнітне відштовхування протонів (рис. 22.8). Саме тому взаємодію нуклонів називають сильною взаємодією.
Сили, які діють між
рис. 22.6. Позначення нукліда хімічного елемента
Протій Дейтерій
рис. 22.7. Ізотопи Гідрогену, які існують у природі. Символом e –позначено електрони, p+ — протони, n — нейтрони
Відкриття будови атомного ядра сміливо можна назвати «міжнародним». Протон відкрив англійський фізик, у родженець Нової Зеландії Ернест Резерфорд (1911 р.), нейтрон англійський фізик Джеймс Чедвік (1932 р.). Гіпотезу про протонно-нейтронну будову ядра
атома вперше незалежно
один від одного висловили радянський у чений, уродженець Полтавщини Дмитро Дмитрович Іваненко і німецький у чений Вернер Гейзенберґ (1932 р.). Відтоді
уявлення про будову ядра практично не змінилися.
виявляються лише на відстанях, які п риблизно дорівнюють р озмірам н уклона (10–15 м);
3) не залежать від заряду: на однаковій відстані сили, що діють між двома протонами, між двома нейтронами або між протоном і нейтроном, є однаковими; 4) мають властивість насичення: нуклон виявляється здатним до ядерної взаємодії одночасно лише з невеликою кількістю нуклонів-«сусідів».
підбиваємо підсумки У результаті дослідів під керівництвом Е. Резерфорда було створено ядерну модель
номеру цього елемента в Періодичній системі хімічних елементів Д. І. Менделєєва, кількість нуклонів (A) масовому числу. Вид атомів, який характеризується певною кількістю протонів і певною загальною кількістю нуклонів, називають нуклідом. Різновиди хімічного елемента, атоми яких містять у своїх ядрах однакову кількість протонів, а ле різну кількість нейтронів, називають ізотопами даного хімічного елемента.
У ядрі нуклони утримуються разом завдяки дії ядерних сил. Ядерні сили є близькодіючими на відстанях, більших за розмір нуклона, вони не виявляються.
Контрольні запитання
1. Опишіть дослід Е. Резерфорда із розсіяння α-частинок та його результати. 2. Із яких частинок складається атом? атомне ядро? 3. Що таке зарядове число? масове число? 4. Як визначити кількість протонів і нейтронів у ядрі? Наведіть приклад. 5. Що таке нуклід? 6. Які нукліди називають ізотопами?
вправа № 22 1.
1
4.
5. Оцініть силу ядерної взаємодії між протонами ядра на відстані 10–15 м.
6. Скористайтеся додатковими джерелами
усього світу, а для фізиків стало справжньою сенсацією. Учені розпочали дослідження рентгенівських
пошук їхніх джерел. Одним із таких учених був французький фізик А. Беккерель (рис. 23.2). Якими несподіваними висновками закінчилося його дослідження, ви дізнаєтесь із цього параграфа .
Дізнаємося про історію відкриття
радіоактивності Із відкриття рентгенівських променів почалася історія відкриття радіоактивності, й допоміг у цьому випадок.
Поштовхом до досліджень стало припущення вчених, що рентгенівські промені можуть виникати під час короткотривалого світіння деяких речовин, опромінених перед тим сонячним світлом*.
До таких речовин належать, наприклад, деякі солі Урану. Такою сіллю і скористався А. Беккерель, щоб перевірити зазначене припущення. Знаючи, що рентгенівські промені, на відміну від світлових, проходять крізь чорний папір, у чений узяв загорнуту в чорний папір
Альберт Ейнштейн порівнював відкриття радіоактивності з відкриттям вогню, оскільки вважав, що вогонь і радіоактивність однаково значущі віхи в історії людства.
рис. 23.3. Марія СклодовськаКюрі (1867–1934) — французький фізик і хімік (походила з Польщі), лауреат двох Нобелівських премій. Такої честі за всю історію були удостоєні тільки троє дослідників
рис. 23.4. П’єр Кюрі (1859–1906) — французький фізик, лауреат
уранова сіль. Таким чином
що уранова сіль дійсно випускає випромінювання, яке має велику проникну здатність і діє на фотопластинку. Беккерель вирішив продовжити дослідження й підготував дослід, який дещо відрізнявся від попереднього. Проте вченому завадила похмура погода, і він із жалем поклав готову до досліду фотопластинку з урановою сіллю та мідним хрестом між ними в шухляду стола. Через кілька днів, так і не дочекавшись появи сонця, у чений вирішив про всяк випадок проявити фотопластинку. Результат був несподіваним: на пластинці з’явився контур хреста. Тож сонячне світло тут ні до чого, і сіль Урану сама, без впливу зовнішніх
не є перешкодою навіть шар міді! Пізніше таке випромінювання назвуть радіоактивним випромінюванням (від латин. radio випромінюю, activus дієвий); здатність речовин до радіоактивного випромінювання радіоактивністю; нукліди, ядра яких мають таку здатність, радіонуклідами.
2
Дізнаємося про радіонукліди
«Чи тільки Уран випускає “промені Беккереля”?» саме з пошуку відповіді на це запитання почала свою роботу з вивчання радіоактивності М. Склодовська-Кюрі (рис. 23.3). Ретельно перевіривши на радіоактивність практично всі відомі на той час елементи, вона виявила, що радіоактивні властивості має також Торій. Крім того, М. СклодовськаКюрі та ї ї чоловік П. Кюрі (рис. 23.4) відкрили
вивчаємо склад радіоактивного випромінювання
Досліди з вивчення природи радіоактивного випромінювання показали, що радіоактивні речовини можуть випромінювати промені трьох видів: позитивно заряджені частинки (α (альфа)-випромінювання), негативно заряджені частинки (β (бета)-випромінювання) і нейтральні промені (γ (гамма)випромінювання). На рис. 23.5 зображено схему одного з таких дослідів: пучок радіоактивного випромінювання потрапляє спочатку в сильне магнітне поле постійного магніту, а потім на фотопластинку. Після проявлення фотопластинки на ній чітко видно три темні плями.
Згадайте, напрямок руху яких частинок прийнято за напрямок електричного струму, та, скориставшись рис. 23.5 і правилом лівої руки, переконайтеся, що α-частинки мають позитивний заряд.
Найбільший внесок у вивчення α-випромінювання зробив Е. Резерфорд. Учений одним із перших з’ясував, що α-випромінювання — це потік ядер атомів Гелію 2 4 He () , які рухаються зі швидкістю порядку 107 м/с. Заряд α-частинки дорівнює двом елементарним зарядам: qe α =+ ≈+ 23 210 19 , Кл. β -випромінювання, як і α-випромі-
нюва ння, відхиляється м агнітним по -
лем, а ле в протилежний бік. Виявлено, що β-випромінювання — це потік електронів () 1 0 e , які летять із величезною швидкістю (наближеною до швидкості поширення світла).
Сподіваємося, що вам не складно буде за-
писати заряд і масу β-частинки.
Вивчення γ-випромінювання показало, що це електромагнітні хвилі надзвичайно високої частоти (понад 1018 Гц). Швидкість поширення
цих хвиль у вакуумі становить 310 8 ⋅ м/с.
4
Захищаємося від радіоактивного
випромінювання
У більшості людей слово «радіація» асоціюється з небезпекою. І це, безумовно, правильно. Радіоактивне випромінювання не фіксується
Фотопластинка α β γ
Свинцевий контейнер N S
Радіоактивна речовина
рис. 23.5. Схема досліду з вивчення природи радіоактивного випромінювання
електромагнітне випромінювання
захисту від γ-випромінювання необхідні бетонні стіни завтовшки кілька метрів.
5
Даємо означення радіоактивності Вивчення радіоактивності показало, що радіоактивне випромінювання є наслідком перетворень я дер атомів. Причому ц і перетворення відбуваються довільно (без жодних причин), їх не можна прискорити або сповільнити, вони не залежать від зовнішнього впливу, тобто на них не впливають зміни тиску й температури, дія магнітного та електричного полів, хімічні реакції, зміна освітленості тощо. радіоактивність — здатність ядер радіонуклідів довільно перетворюватися на ядра інших елементів із випромінюванням мікрочастинок.
Випромінюючи α- чи β-частинки, вихідне (материнське) ядро перетворюється на ядро атома іншого елемента (дочірнє ядро); α- і β-розпади можуть супроводжуватися γ-випромінюванням. З’ясовано, що радіоактивні перетворення підпорядковуються так званим правилам зміщення.
1. Під час α-розпаду кількість нуклонів у ядрі зменшується на 4, протонів на 2, тому утворюється ядро елемента, порядковий
Z A Z A XHe+ Y → 2 4 2 4 .
2. Під час β-розпаду кількість нуклонів в ядрі не змінюється, при цьому кількість протонів збільшується на 1, тому утворюється ядро елемента, порядковий номер якого на одиницю
вихідного
Дізнаємося
Виходить, що після пояснення радіоактивності мрія а лхіміків Середньовіччя про перетворення речовин на золото здійснилася? Насправді ні. Учені з’ясували, що вихідне (материнське) ядро атома радіоактивного елемента X може зазнавати цілої низки перетворень: ядро атома елемента X перетворюється на ядро атома елемента Y, потім на ядро атома елемента Z і т. д., однак у цьому ланцюжку не може бути випадкових «гостей». Сукупність усіх ізотопів, які виникають у результаті послідовних радіоактивних перетворень даного материнського ядра, називають радіоактивним рядом. Один із ланцюжків таких перетворень подано на рис. 23.9. Виявлено, що існують чотири радіоактивні ряди, які об’єднують усі відомі в природі радіоактивні елементи: ряд Торію (починається з Торію-232), ряд Урану-Радію (починається з Урану-238); ряд Урану-Актинію (починається з Урану-235); ряд
Нептунію (починається з Нептунію-237).
підбиваємо підсумки
Радіоактивне випромінювання відкрив
французський фізик А. Беккерель.
Більшість існуючих у природі та штучно
отриманих нуклідів є радіоактивними: їхні ядра довільно розпадаються, випромінюючи мікрочастинки та перетворюючись на інші ядра.
Види радіоактивного випромінювання
α-частинки β-частинки γ-промені
потік ядер Гелію потік електронів
електромагнітні хвилі
vα порядку 107 м/с vβ близько 310 8 ⋅ м/с vc γ == ⋅ 310 8 м/с
qe α =+2 qe
затримуються аркушем паперу завтовшки 0,1 мм затримуються листом а люмінію завтовшки 1 мм
Материнське ядро 90 234 Th Дочірнє ядро 91 234 Pa
β-частинка (електрон)
β 90 234 1 0 91 234 Th Pa →+ e
рис. 23.8. Під час β-розпаду один із нейтронів материнського ядра перетворюється на протон і електрон; електрон випромінюється, а протон залишається в ядрі
23.9. Радіоактивний
1. Як було відкрито явище радіоактивності? 2. Наведіть приклади природних радіоактивних елементів. 3. Опишіть дослід із вивчення природи радіоактивного випромінювання. 4. Які види радіоактивного випромінювання ви знаєте? 5. Якою є фізична природа α-; β-; γ-випромінювання? 6. Як захиститися від радіоактивного випромінювання? 7. Наведіть означення радіоактивності. 8. Що відбувається з ядром атома під час випромінювання α-частинки? β-частинки?
вправа № 23
1. Які види радіоактивного випромінювання діяли на фотопластинку в дослідах А. Беккереля? Розгляньте два випадки: а) крупинки солі Урану покладено безпосередньо на чорний папір, у який загорнута пластинка; б) сіль Урану покладено на мідний хрест, який, у свою чергу, покладено на загорнуту в чорний папір фотопластинку.
2. Довжина хвилі γ-випромінювання у вакуумі 0,025 нм. Визначте її частоту.
3. Скориставшись рис. 23.9, запишіть кілька рівнянь реакцій розпаду, характерних для радіоактивного ряду Торію-232.
4. Під час природного радіоактивного розпаду радію 88 228 Ra () із його ядра випускається β-частинка. На ядро якого елемента перетворюється при цьому ядро атома Радію? Запишіть рівняння реакції.
5. Визначте масу α-частинки, знаючи, що маса протона і маса нейтрона приблизно дорівнюють 1,7 · 10–27 кг. Якою є кінетична енергія α-частинки, якщо вона рухається зі швидкістю 1,5 · 107 м/с?
6. «Все є отрута, і все є ліки, це залежить від дози». Ця фраза належить відомому лікарю епохи Відродження Парацельсу (справжнє ім’я Філіп А вреол Теофраст Бомбаст фон Гогенгайм (1493–1541)). Скористайтеся додатковими джерелами інформації та дізнайтеся, як шкідливе радіоактивне випромінювання використовують для лікування хворих.
7. Маємо 2 моль урану і 2 моль гелію. Скільки атомів у кожній речовині?
Фізика і техніка в Україні ів ан павлович пулюй
1
Разом із тим поведінка радіоактивної речовини в цілому підлягає чітко визначеним закономірностям.
Дізнаємося про період піврозпаду
Якщо взяти закриту скляну колбу, що містить певну кількість Радону-220, то виявиться, що приблизно через 56 с кількість радону в колбі зменшиться вдвічі. Ще через 56 с із решти атомів знову залишиться половина і т. д. Отже, зрозуміло, чому інтервал часу 56 с був названий періодом піврозпаду Радону-220.
період піврозпаду T1/2 — це фізична величина, що характеризує радіонуклід і дорівнює часу, протягом якого розпадається половина наявної кількості ядер даного радіонукліда.
Одиниця періоду піврозпаду в СІ секунда: T1/2
= 1с .
У кожного радіонукліда свій період піврозпаду (див. таблицю).
Зразок містить 6,4 ⋅ 1020 атомів Йоду-131. Скільки атомів Йоду-131 буде в зразку через 32 доби?
2
Даємо означення активності радіоактивного джерела
І Уран-238, і Радій-226 є α-радіо-
Радіонуклід Період піврозпаду T1/2
Йод-131 8 діб
Карбон-14 5700 років
Кобальт-60 5,3 року
Плутоній-239 24 тис. років
Радій-2261600 років
Радон-220 56 с
Радон-222 3,8 доби
активними (їхні ядра можуть спонтанно розпадатися на α-частинку і відповідне дочірнє ядро). Якщо кількість атомів Урану-238 і Радію-226 є однаковою, з якого зразка за 1 с вилетить більше α-частинок? Сподіваємося, що ви правильно відповіли на подане запитання й, урахувавши, що періоди піврозпаду
Уран-235 0,7 млрд років
Уран-238 4,5 млрд років
Цезій-137 30 років
рис. 24.1. Графік залежності активності Радію-226 від часу. Період
піврозпаду Радію-226 — 1600 років
Історія відкриття штучних радіоактивних ізотопів
Перший штучний радіоактив-
ний ізотоп ( 15 30 P ) був отрима-
ний на початку 1934 р. по-
дружжям Фредеріком і Ірен
Жоліо-Кюрі. Опромінюючи
α-частинками алюміній, вони спостерігали випромінювання
нейтронів, тобто відбувалася така ядерна реакція: 13 27 2 4 15 30 0 1 Al He P +→ + n .
Італійський фізик Енріко Фермі уславив своє ім’я кількома видатними досягненнями. Однак свою найвищу
нагороду Нобелівську премію учений одержав за відкриття штучної ра діоактивності, спричиненої опромінюванням речовини повільними нейтронами. Зараз метод опромінювання нейтронами широко застосовують у промисловості для отримання радіоактивних ізотопів.
за 1 с відбувається 1 акт розпаду: A [] == = 11 1 1 Бк с розп с . 1 Бк це дуже мала а ктивність, тому використовують позасистемну одиницю активності кюрі (Кі): 1 Кі = 3,7 · 1010 Бк. На честь яких науковців названо зазначені одиниці? Які відкриття вони зробили?
Якщо зразок містить атоми лише одного радіонукліда, то активність цього зразка можна визначити за формулою: AN =λ ,
де N кількість атомів радіонукліда
в зразку на даний час; l стала радіоактивного розпаду радіонукліда (фізична величина, яка є характеристикою радіонукліда та пов’язана з періодом піврозпаду
співвідношенням: λ= 9,06 T1/2 ; λ [] = 1 1 с ).
Оскільки з плином часу в радіоа ктивному зразку кі лькість ядер радіонуклідів, що не розпалися, зменшується, то зменшується й а ктивність зразка (рис. 24.1).
3
Дізнаємося про застосування радіоактивних ізотопів
Наявність у певному об’єкті радіонуклідів
Можна визначити два напрями використання радіоактивних ізотопів.
1. Використання радіоактивних ізотопів як індикаторів. Радіоактивність є своєрідною міткою, за допомогою якої можна виявити наявність елемента, простежити за поведінкою
елемента під час фізичних і біологічних процесів тощо (див., наприклад, рис. 24.2).
2. Використання радіоактивних ізото-
пів як джерел γ-випромінювання (див., напри-
клад, рис. 24.3).
Розглянемо кілька прикладів.
4
Застосовуємо радіоактивні ізотопи
для діагностики захворювань
Організм людини має властивість на копичувати у своїх тканинах певні хімічні речовини. Відомо, наприклад, що щитоподібна залоза накопичує йод, кісткова тканина фосфор, кальцій і стронцій, печінка деякі барвники тощо. Швидкість накопичування речовин за лежіть від стану здоров’я органа. Наприклад, відомо, що активність щитоподібної залози різко зростає у випадку базедової хвороби. За кількістю йоду в щитоподібній залозі зручно стежити за допомогою його γ-радіоактивного ізотопу. Хімічні властивості радіоактивного і стабільного йоду не відрізняються, тому радіоактивний Йод-131 буде накопичуватися так само, як і його стабільний ізотоп.
Якщо щитоподібна залоза в нормі, то через певний час після введення в організм Йоду-131 γ-випромінювання від нього матиме певну оптимальну інтенсивність. А от якщо щитоподібна за лоза функціонує з відхиленням від норми, то інтенсивність γ-випромінювання буде аномально високою або, навпаки, низькою. Аналогічний метод застосовують для досліджування обміну речовин в організмі,
рис. 24.2. Щоб з’ясувати, як рослини засвоюють фосфорні
до цих добрив додають радіоактивний ізотоп Фосфору, а потім досліджують рослини на радіоактивність і виявляють кількість засвоєного фосфору
γ-випромінювання для лікування онкозахворювань. Щоб γ-промені не знищували здорові клітини, використовують декілька слабких пучків γ-променів, які фокусуються на пухлині
рис. 24.4. Отриманий з молодого дерева 1 г вуглецю має
рюється
ядерної
з нейтронами. Цей ізотоп у складі вуглекислого газу (CO2) поглинається рослинами, а через них тваринами. Поки тварина або рослина живі, вміст радіоактивного Карбону в них залишається незмінним. Після припинення життєдіяльності організму кількість радіоактивного Карбону починає зменшуватися, зменшується й активність β-випромінювання. Знаючи, що період піврозпаду Карбону 6 14 C становить 5700 років, можна визначити вік археологічних знахідок (рис. 24.4).
6 Застосовуємо γ-випромінювання в техніці Особливе значення в техніці мають гамма-дефектоскопи, за допомогою яких перевіряють, наприклад, якість зварених з’єднань. Якщо майстер, приварюючи петлі до воріт, припустився браку, через деякий час петлі відваляться. Це, звісно, неприємно, але ситуацію можна виправити. А от якщо брак стався у зварюванні елементів конструкції моста або ядерного реактора, трагедія неминуча. Завдяки тому що γ-промені по-різному поглинаються масивною сталлю і сталлю з порожнинами, гамма-дефектоскоп «бачить» тріщини всередині металу, а отже, виявляє брак ще на стадії виготовлення конструкції.
радіації Відомо, що певна доза опромінення вбиває організми. Але
Учимося розв’язувати задачі
Задача. Визначте масу Радію-226, якщо його активність становить 5 Кі. Стала радіоактивного розпаду Радію-226 дорівнює 1,37 ⋅ 10–11 с–1. Аналіз фізичної проблеми, пошук математичної моделі
Для розв’язання задачі скористаємося формулою для визначення активності: AN =λ . Знаючи активність, визначимо кількість N атомів Радію. Масу речовини можна визначити, якщо кількість атомів помножити на масу одного атома: mN m =⋅ 0 . Із курсу хімії ви знаєте: 1 моль речовини містить N A =⋅6021023 , атомів;
маса атома m M N 0 = A , де M молярна маса речовини (маса 1 моль).
Дано:
A = 5 Кі = 5 ⋅ 3,7 ⋅ 1010 Бк λ= 13710 11 , с–1
N А =⋅6021023 , 1/моль
M = 226 г/моль = = 226 ⋅ 10–3 кг/моль
Знайти: m ?
Розв’язання mN m =⋅ 0 , де m M N 0 = А , отже, mN M N =⋅ А .
Оскільки AN =λ , то N A = λ .
Підставимо вираз для N у вираз для маси: m AM N AM N =⋅ = λλAA .
Перевіримо одиницю, визначимо значення шуканої величини: m [] == = Бк кг/моль смоль скгмоль смоль кг 1 1 1 1/ ;
Відповідь: m = 51 , г.
підбиваємо підсумки
Час, протягом якого розпадається половина наявної кількості ядер даного радіонукліда, називають періодом піврозпаду T1/2 . Період піврозпаду є характеристикою радіонукліда. Фізичну величину, яка чисельно дорівнює кількості розпадів, що відбуваються в певному радіоактивному
1. Дайте
чина? 2. Що таке активність радіоактивного джерела? 3. Яка одиниця активності в СІ? 4. Як активність радіонукліда пов’язана зі сталою його розпаду? 5. Чи змінюється з часом активність радіонукліда? Якщо змінюється, то чому і як? 6. Наведіть приклади використання радіоактивних ізотопів.
вправа
№ 24
1. Є однакова кількість ядер Йоду-131, Радону-220 і Урану-235. Який радіонуклід має найбільший період піврозпаду? А ктивність якого радіонукліда на даний момент часу є найбільшою? Обґрунтуйте свою відповідь.
2. У зразку міститься 2 ⋅ 1020 атомів Йоду-131. Визначте, скільки ядер Йоду розпадеться в зразку протягом години. Активність Йоду-31 протягом цього часу вважайте незмінною. Стала радіоактивного розпаду Йоду-131 дорівнює 9,98 ⋅ 10–7 с–1.
3. Період піврозпаду радіоактивного Карбону-14 становіть 5700 років. У скільки разів зменшилася кількість атомів Карбону-14 у сосні, яку зрубали 17 100 років тому?
4. Визначте період піврозпаду радіонукліда, якщо за інтервал часу 1,2 с кількість ядер, що розпалися, складає 75 % їхньої початкової кількості.
5. На даний момент часу в радіоактивному зразку міститься 0,05 моль Радону-220. Визначте активність Радону-220 у цьому зразку.
6. На сьогодні одними з найбільш значущих є дослідження обміну речовин в організмі людини за допомогою радіоактивних ізотопів. Зокрема, виявлено, що за порівняно невеликий час
ється.
1
рівень радіації, який рівень радіації є небезпечним,
Дізнаємося про вплив йонізуючого випромінювання на організм
Радіоактивні α-, β-, γ-випромінювання чинять значний вплив на організми. Потрапляючи в речовину, радіоактивне випромінювання передає їй енергію. Через поглинання цієї енергії
деякі атоми й молекули речовини йонізуються (рис. 25.1), унаслідок чого змінюється їхня хімічна активність, утворюються нові, надзвичайно активні хімічні сполуки. Життєдіяльність будь-якого організму забезпечується хімічними реакціями, що відбуваються в його клітинах, тому потужне радіоактивне опромінення призводить до порушень функцій майже всіх органів: зростають крихкість і проникність судин, знижується опірність організму, відбувається розлад діяльності шлунково-кишкового тракту, порушуються функції кровотворних органів, нормальні клітини перероджуються на злоякісні.
2
Характеризуємо йонізуюче
випромінювання Зрозуміло, що чим більшою є поглинута речовиною енергія випромінювання, тим більший вплив цього випромінювання на речовину.
Відношення енергії W йонізуючого випромінювання, поглинутої речовиною, до маси m цієї речовини називають поглинутою
Коефіцієнти якості
деяких видів йонізуючого
випромінювання
Вид
випромінювання
Коефіцієнт якості (K)
α-випромінювання 20
β-випромінювання 1
γ-випромінювання 1
Нейтрони 5–10
Протони 5
рис. 25.3. Рольф-Максиміліан Зіверт (1896–1966) — шведський учений. Працював у галузі медичної фізики, вивчав вплив радіації на біологічні системи
рис. 25.4. Змії
Фізичну величину, яка характеризує біологічний вплив поглинутої дози йонізуючого випромінювання, називають еквівалентною дозою йонізуючого випромінювання (H ):
HK D =⋅ ,
де D поглинута доза; К коефіцієнт якості, який характеризує небезпечність даного
якості, тим
(див. таблицю).
Одиниця еквівалентної
зиверт (на честь шведського
(рис. 25.3)): H [] = 1Зв .
особливості впливу
Ушкодження організмів, зумовлені впливом радіації, мають низку особливостей. По-перше, найбільш чутливими до радіації є ті клітини, що швидко діляться. Так, першим відчуває дію радіоактивного випромінювання кістковий мозок, унаслідок чого порушується процес кровотворення.
По-друге, різні типи організмів мають різну чутливість до радіоактивного випромінювання (рис. 25.4). Найстійкішими до радіації є одноклітинні.
По-третє, наслідки впливу однакової поглинутої дози випромінювання залежать від
0,03 % маси тіла людини. Радіоактивний йод, таким чином, усю свою енергію віддає невеликому об’єму тканини. По-друге, внутрішнє опромінення є тривалим: радіонуклід, який потрапив в організм, не відразу виводиться з нього, а зазнає низки радіоактивних перетворень усередині організму. При цьому виникає радіоактивне випромінювання, яке йонізує молекули й цим змінює їхню біохімічну активність.
4
Дізнаємося про радіаційний фон
Усі люди на Землі зазнають впливу радіації, а дже в будь-якій місцевості завжди є певний радіаційний фон (рис. 25.5). Радіаційний фон Землі складається з кількох компонентів: космічне випромінювання; випромінювання природних радіонуклідів, які містяться в земній корі, повітрі та інших об’єктах зовнішнього середовища; випромінювання штучних радіоактивних ізотопів.
Випромінювання природних радіонуклідів і космічне випромінювання створюють природний радіаційний фон.
У результаті діяльності людини радіаційний фон Землі значно змінився відбулося техногенне
0,35 мЗв Космічне випромінювання (значну кі лькість космічних променів поглинає атмосфера Землі, тому високо в горах ра діаційний фон порівняно високий)
1,4 мЗв Будівельні матеріали
0,35 мЗв Зовнішнє природне опромінення
1,4 мЗв Медичні дослідження (рентген, флюорографія, МРТ та ін.)
є складником бетону, з якого споруджують
аційний фон слід шукати насамперед усередині
із
особливо в закритих приміщеннях, які не провітрюються (концентрація радону в закритих приміщеннях у середньому у вісім разів вища, ніж іззовні).
Проаналізуйте рис. 25.5. Від яких джерел людина отримує найбільшу дозу радіації? Чи значним є вплив радіації, пов’язаної з розвитком атомної енергетики?
5
Знайомимося з дозиметром
Життя на Землі виникло та розвивається в умовах безперервної
радіації. Тому природний радіаційний фон суттєво не впливає на життя та здоров’я людей. Су часні радіобіологічні дослідження показують, що
тих доз, які відповідають радіаційному фону 1–2 мЗв на рік, дія радіації є
печною для людини. Але навіть невелике перевищення допустимого рівня радіації може спричинити генетичні дефекти, які, можливо, виявляться в дітей або онуків людини, що була опромінена. Великі дози радіації спричиняють серйозні ураження тканин. Наприклад, отримана протягом кількох годин еквівалентна доза йонізуючого опромінення 1 Зв викликає небезпечні зміни в крові, а у 50 % випадків доза 3–5 Зв спричиняє
ники, які мають справу з радіацією
ційно забрудненій території, обов’язково користуються дозиметрами. Дозиметр прилад для вимірювання дози йонізуючого випромінювання, отриманого приладом (і тим, хто ним користується) за деякий інтервал часу, наприклад за період перебування на деякій території або протягом робочої зміни. Прилади для вимірювання інтенсивності радіоактивного випромінювання від певного джерела (рідини, газу, забрудненої поверхні) називають радіометрами (або дозиметрами другого типу) (рис. 25.6, а).
У л юдському організмі міститься близько 3 10–3 г радіоактивного
калію та 6 ⋅ 10–9 г радію.
Унаслідок цього в тілі людини щосекунди відбувається 6000 β-розпадів і 220 α-розпадів.
Ще 2500 β-розпадів за с екунду відбувається завдяки радіоактивному
вуглецю.
Загалом у тілі людини щосекунди відбувається 10 000 актів розпаду.
Основною складовою будь-якого дозиметра є детектор пристрій, що слугує для реєстрації йонізуючого випромінювання (див. рис. 25.6, б ). У разі потрапляння йонізуючого випромінювання на детектор виникають електричні сигнали (імпульси струму або напруги), які зчитує вимірювальний пристрій. Дані про дозу йонізуючого випромінювання подаються на вихідний
речовини йонізуються, змінюється їхня хімічна активність. Оскільки життєдіяльність організмів базується на хімічних реакціях, то радіоактивне випромінювання чинить біологічну дію.
Відношення енергії W йонізуючого випромінювання, поглинутої речовиною, до маси m цієї речовини називають поглинутою дозою йонізуючого випромінювання D: D = W/m. Біологічний вплив йонізуючого випромінювання залежить як
поглинутої дози, так і від особливостей самого випромінювання; характеристикою біологічного впливу є еквівалентна доза йонізуючого випромінювання: H = KD, де K коефіцієнт якості.
Одиниця поглинутої дози йонізуючого випромінювання в СІ грей (Гр), одиниця еквівалентної дози зиверт (Зв). Для вимірювання доз йонізуючого випромінювання використовують дозиметри. На поверхні Землі реєструється певний рівень радіації радіаційний фон, який складається з космічного випромінювання, випромінювання природних радіонуклідів і штучних радіоактивних ізотопів.
Контрольні запитання
1. У чому виявляється біологічна дія радіації на організми? 2. Да йте означення поглинутої дози йонізуючого випромінювання. Якою є її одиниця в СІ? 3. Як обчислюють еквівалентну дозу йонізуючого випромінювання? Якою є її одиниця в СІ? 4. Якими є особливості впливу радіації? Чим зумовлена підвищена небезпека радіонуклідів, що потрапили в організм? 5. Назвіть причини, через які ви завжди і незалежно від того, де живете, зазнаєте впливу радіації. 6. Що таке радіаційний фон? Із яких компонентів він складається? 7. Назвіть джерела радіаційного фону Землі. 8. Для чого призначені дозиметри? Яким є принцип їхньої дії?
вправа № 25
1. Ви перебуваєте поблизу джерела α-випромінювання. Як ви
2. У результаті зовнішнього опромінення співробітник
3.
4.
5.
людство виникло завдяки
в мавп унаслідок дії радіоактивного випромінювання. Скориставшись додатковими джерелами інформації, дізнайтеся про цю гіпотезу більше. Чи можна з нею погодитися? Обґрунтуйте свою думку.
Експериментальне завдання Якщо у вас є можливість скористатися
дозиметром, виміряйте радіаційний фон у різних точках своєї квартири, поблизу гранітної бруківки, в бетонному, цегляному та дерев’яному будинках, у підвалі
будинку, на верхньому поверсі. Поясніть результати своїх досліджень.
Ган (1879–1968) і
Штрасман (1902–1980) проводили досліди з опроміненням урану нейтронами. На превеликий подив у чених,
); поступово розтягуючись (в), нове нестійке ядро розпадається
Розгляньте рис. 26.1 і поясніть, чому осколки розлітаються з величезною швидкістю. Підказка: ядерні сили (сили притягання, які утримують нуклони всередині ядра) є короткодіючими, а от електростатичні (кулонівські) сили далекодіючими.
Якщо ви уважно розглянули схему на рис. 26.1, то, мабуть, звернули увагу на те, що під час розщеплення ядра Урану крім осколків поділу вивільняються нейтрони. Ці нейтрони можуть спричинити поділ інших ядер Урану, які в свою чергу також випустять нейтрони, що здатні викликати поділ наступних ядер, і т. д. Кількість ядер, що розщеплюються, буде швидко зростати — в урановому зразку відбуватиметься ланцюгова ядерна реакція поділу (рис. 26.2).
Дуже важливим є той факт, що ланцюгова ядерна реакція супроводжується виділенням величезної кількості енергії. Під час поділу одного ядра Урану виділяється лише 32 10 11 , ⋅ Дж енергії, проте якщо розпадуться всі ядра, що містяться, наприклад, в одному
усередині так званих тепловидільних елементів (ТВЕЛів). Продукти поділу нагрівають оболонки ТВЕЛів, і ті передають енергію воді, яка в даному випадку є теплоносієм. Отримана енергія перетворюється далі на електричну (рис. 26.4) подібно до того, як це відбувається на звичайних
плових електростанціях. Щоб керувати ланцюговою ядерною реакцією та унеможливити ймовірність вибуху, використовують регулюючі стрижні, виготовлені з матеріа лу, що добре поглинає нейтрони. Так, якщо температура в реакторі збільшується, стрижні а втоматично заглиблюються
ТВЕЛами, в результаті кількість нейтронів, що вступають у реакцію, зменшується і ланцюгова реакція сповільнюється.
3 Дізнаємося про термоядерну реакцію Ми з’ясували, що внаслідок поділу
середньої частини Періодичної системи хімічних елементів
§ 26. Ланцюгова ядерна реакція.
Згадайте, на якому фундаментальному
законі фізики ґрунтується останнє твер-
дження.
А от якщо взяти ядра ізотопів легких елементів, наприклад ядро Дейтерію і ядро
Тритію, то внаслідок їх з’єднання енергія буде виділятися* (рис. 26.5, б ).
Реакцію злиття легких ядер у більш важкі, яка відбувається за дуже високих температур (понад 107 ° С) і супроводжується виділенням енергії, називають термоядерним синтезом.
Високі температури, тобто великі кінетичні енергії ядер, потрібні для того, щоб подолати сили електричного відштовхування ядер (однойменно заряджених частинок). Без цього неможливо зблизити легкі ядра на такі відстані, на яких починають діяти ядерні сили притягання. У природі термоядерні реакції відбуваються в надрах зір, де ізотопи Гідрогену перетворюються на Гелій (див. рис. 26.5, б ). Так, за рахунок термоядерних реакцій, що відбуваються в надрах Сонця, воно щосекунди випромінює в космічний простір 3,8 · 1026 Дж енергії. Це колосальна енергія щоб стільки її отримати, потрібно спалити в тисячу разів більше вугілля, ніж мають усі відомі запаси на Землі.
Термоядерні реакції це майже невичерпне джерело енергії. Фізики вже навчилися створювати умови для виникнення таких реакцій, а от їх використання в промисловому масштабі поки що залишається на рівні експериментів.
4 Учимося розв’язувати задачі Задача. Визначте масу Урану-235, яку витрачає за добу реактор атомної електростанції, якщо вихідна електрична потужність відповідного
що виділяється в реакторі: EE N
ядер, які розпалися. Кількість ядер в урановому паливі подамо через масу палива (m) і масу одного ядра m0 () : N m m
одиницю, визначимо значення шуканої величини: m [] == == Вт скг Дж Дж
Відповідь: m = 35 , кг.
Виходить, що навіть один блок атомної електростанції виробляє енергії більше, ніж споживає
тростанції виробляє: EP t коркор =⋅ = 1000
необхідна дуже висока температура.
синтезу
ються в надрах зір. Зараз вчені працюють над створенням термоядерних реакторів пристроїв, призначених для отримання енергії за рахунок реакції термоядерного синтезу легких ядер, яка відбувається в плазмі за дуже високих температур (понад 107 °С).
Контрольні запитання
1. Які процеси відбуваються внаслідок поглинання нейтрона ядром Урану?
2. Опишіть механізм ланцюгової ядерної реакції. 3. Які перетворення енергії відбуваються в ядерних реакторах? 4. Як працює атомна електростанція? 5. Який процес називають термоядерним синтезом? 6. Звідки «беруть» енергію зорі?
вправа № 26
1. У ясний сонячний день на кожний 1 м2 відкритої горизонтальної поверхні щосекунди потрапляє 650 Дж сонячної енергії. Скільки сонячної енергії за годину потрапляє на дах будівлі, якщо площа даху дорівнює 100 м2? Скільки (в кілограмах) сухих дров необхідно спалити, щоб отримати ту саму кількість енергії, що потрапляє на дах будівлі від Сонця (питома теплота згоряння сухих дров 10 МДж/кг)? Поміркуйте, де вам можуть знадобитися подібні розрахунки.
2. Яку кількість енергії можна отримати від ділення 1 г Урану-235, якщо в ході поділу кожного ядра виділяється енергія, що дорівнює 3,2 ⋅ 10–11 Дж?
3. Потужність реактора атомного криголама 80 000 кВт. Споживання реактором Урану-235 становить 500 г на добу. Визначте ККД реактора.
4. Скористайтеся додатковими джерелами інформації та дізнайтеся, коли була здійснена перша керована ланцюгова ядерна реакція; коли і де було створено перший промисловий ядерний реактор;
рис. 27.1. ТВЕЛ (тепловидільний елемент) — частина реактора, пристрій, у якому міститься ядерне паливо (таблетки діоксиду Урану)
1
Дізнаємося про ядерний цикл
Щоб отримати кілограм палива з низь-
Видобування урану
Виготовлення ТВЕЛів
Використання ТВЕЛів на А ЕС
рис. 27.2. Схема ядерного циклу
піврозпаду.
Послідовність операцій з видобування ядерного палива з руди, виготовлення
використання ТВЕЛів на атомних електростанціях і подальшого перероблення радіоактивних відходів називають ядерним циклом (рис. 27.2).
За запасами уранової руди Україна посідає 11 місце у світі. Цих запасів вистачить на кілька століть. Але щоб переробити руду на ядерне паливо, виготовити ТВЕЛи, необхідна спеціалізована промисловість (ланцю-
На сьогодні в Україні тільки Запорізька
атомна електростанція (рис. 27.3) має власне сховище для відпрацьованих ТВЕЛів. ТВЕЛи з інших атомних електростанцій вивозять до Росії, за що наша країна сплачує великі кошти. Існують наміри побудувати сховище для відпрацьованих ТВЕЛів у Чорнобильській 30-кілометровій зоні, а дже ця територія ще довго не буде придатною для життя людей. Крім того, місця для сховища можна буде надавати й іншим країнам.
Поміркуйте над аргументами «за» будівництво такого сховища і «проти».
Дізнаємося про атомну енергетику України Україна належить до тих країн світу, в яких завдяки наявності високих технологій, висококваліфікованих інженерів і вчених створена й успішно розвивається атомна енергетика. На сьогодні в країні працюють чотири атомні електростанції: Запорізька, Рівненська, Южно-Українська, Хмельницька (рис. 27.3–27.6). На цих А ЕС діють 15 атомних енергоблоків, загальна потужність яких становить 13 580 МВт. На атомні електростанції припадає близько половини електроенергії, що виробляється в країні.
2
АЕС обслуговуються багатотисячними
колективами висококваліфікованих фахівців. Фактично навколо кожної з українських АЕС виросло невелике місто.
Наявність в Україні джерел електроенергії, які працюють на ядерному паливі, безперечно пом’якшує дедалі більший дефіцит «звичних» енергоносіїв: газу, нафти, кам’яного вугілля.
Коли йдеться про А ЕС, побоювання пересічного громадянина зазвичай пов’язані
словом «радіація». А ле,
рис. 27.3. Запорізька АЕС — найбільша
рис. 27.4. Рівненська АЕС має 4 атомні енергоблоки
рис. 27.5. Южно-Українська
рис. 27.6. Хмельницька АЕС
26 квітня 1986 р. позначене чорними барвами
станції (рис. 27.7). Керівництво станції дало згоду на випробування роботи ядерного реактора в режимі змінної потужності, що не було передбачено конструкцією реактора. У результаті відбулося неконтрольоване виділення ядерної енергії всередині реактора і стався вибух. Вибух призвів до пожежі на 4-му енергоблоці й до катастрофічного викиду радіоактивних речовин. Корпус реактора почав працювати як величезна піч, виносячи радіоактивний дим в атмосферу. Вітер розніс цей дим на багато сотень і тисяч кілометрів (підвищення рівня радіації було зафіксовано навіть у Швеції). У ліквідації аварії на
брали у
фахівці всіх республік Радянського Союзу. Особливу роль у зменшенні масштабів трагедії відіграли
Ціною свого життя вони запобігли
пожежі на інші реактори Чорнобильської АЕС. Із катастрофою таких масштабів людство раніше не стикалося, тому пожежу не вдалося зупинити швидко. У результаті цілі регіони Росії, України, Білорусі виявилися радіаційно забрудненими, а з 30-кілометрової зони навколо станції було евакуйоване все населення.
Пізніше над зруйнованим реактором був побудований так званий саркофаг бетонна конструкція, яка захищає від подальшого поширення радіаційного забруднення (рис. 27.8).
Сьогодні всі енергоблоки Чорнобильської АЕС виведено з експлуатації; разом із міжнародними організаціями Україна побудувала ще один саркофаг, досконаліший. Після трагедії
й досі.
рис.
Подібна за масштабами катастрофа відбулася в Японії у 2011 р. на атомній електростанції «Фукусіма-1». Унаслідок землетрусу та цунамі припинили дію насоси, що перекачують теплоносій. Відбулися перегрів і пошкодження атомного реактора, і радіаційна речовина забруднила довкілля. Тож зараз людство
традиційних енергоносіїв нібито підштовхує до розвитку атомної енергетики, разом із тим від жахливих аварій не застраховані навіть такі технологічно розвинені країни, як Японія.
розвиток атомної енергетики.
А яка ваша думка щодо цього питання? Поміркуйте
«за» і «проти».
підбиваємо підсумки
Послідовність операцій видобування ядерного палива
руди, виготовлення ТВЕЛів, використання ТВЕЛів на атомних електростанціях і подальшого перероблення радіоактивних відходів називають ядерним циклом. Зараз в Україні працюють чотири атомні електростанції загальною потужністю 13 580 МВт. На АЕС припадає майже половина електроенергії, що виробляється в країні. Якщо атомна електростанція працює «нормально» (відпрацьовані ТВЕЛи надійно зберігаються у сховищах, не відбувається збоїв у роботі реактора, виконано всі за ходи, передбачені нормативними документами), то вона майже не чинить радіаційного впливу на довкілля. 26 квітня 1986 р. сталася Чорнобильська катастрофа вибух на 4-му енергоблоці Чорнобильської АЕС. Вибух спричинив
вправа № 27
1. На Хмельницькій А ЕС встановлено реактори типу
(електрична потужність 440 МВт), теплова
1375 МВт. Визначте ККД реакторів цього типу.
2. На двох блоках Рівненської А ЕС встановлено реактори типу ВВЕР-440 (електрична потужність 440 МВт), а ще
двох блоках реактори типу ВВЕР-1000 (електрична потужність 1000
(у кВт · год) може виробити
3. Скільки енергії за добу виробляє
на плановому ремонті,
4. Скільки кілограмів Урану-235 щодоби
Української А ЕС, якщо теплова
3000 МВт? Під час поділу
5.
qe p =+=+16 10 19 , Кл
кількість протонів у ядрі протонне (зарядове) число Z дорівнює порядковому номеру елемента в Періодичній системі хімічних
формулою: N = A– Z
qe e =− , qe =−16 10 19 , Кл
у нейтральному атомі кількість електронів дорівнює кількості протонів у ядрі
ізотопами qn = 0
2.
здатність ядер радіонуклідів довільно перетворюватися
на ядра інших елементів із випромінюванням мікрочастинок
потік ядер атомів Гелію
qα = +2|e| = +3,2 10–19 Кл
vα від 10 000 до 20 000 км/с
затримується аркушем паперу завтовшки 0,1 мм
під час α-розпаду кількість нуклонів у материнському ядрі зменшується на 4, а кількість протонів на 2: Z A Z A XHeY →+ 2 4 2 4
швидких електронів
qβ = –|e| = –1,6 ⋅ 10–19
3. Ви ознайомилися з фізичними величинами, які характеризують радіоактивне випромінювання, радіонукліди та радіоактивні зразки.
4. Ви з’ясували, що внаслідок поглинання
Завдання 1–8, 10 містять тільки одну правильну відповідь.
1. (1 бал) У ядрі атома Берилію 4 протони і 5 нейтронів. Скільки електронів в атомі Берилію?
2. (1 бал) У ядрі хімічного елемента 33 протони та 43 нейтрони. Який це елемент?
а) Технецій; б) Арсен; в) Уран; г) Аурум.
3. (1 бал) На підставі дослідів із α-частинками Е. Резерфорд: а) запропонував нейтронно-протонну модель атомного ядра; б) пояснив явище радіоактивності; в) пояснив механізм ланцюгової ядерної реакції; г) запропонував ядерну модель будови атома.
4. (1 бал) При α-розпаді ядра атома деякого елемента утворюється ядро атома елемента, який у Періодичній системі хімічних елементів Д. І. Менделєєва розташований від вихідного елемента: а) на дві клітинки ліворуч; в) на одну клітинку праворуч; б) на дві клітинки праворуч; г) на одну клітинку ліворуч.
5. (2 бали) Заряд ядра атома деякого хімічного елемента становить 3,2 · 10–19 Кл. Який це елемент?
а) Калій; б) Гелій; в) Літій; г) Германій.
6. (2 бали) Пучок радіоактивного випромінювання розділяється, проходячи між зарядженими пластинами (див. рисунок). Яким є знак заряду кожної пластини?
А Неон 10 21 Ne Б Галій 31 70 Ga В Рутеній 44 101 Ru Г Лантан 57 140 La
Ітербій 70 173 Yb
10. (3 бали) Яка з наведених нижче ядерних реакцій є реакцією β-розпаду? а) 92 235 0 1 UX +→ n ; в) 90 234 91 234 Th XPa→+ ; б) 90 230 88 226 Th XRa→+ ; г) 1 3 1 2 2 4 TD XHe +→ + .
11. (3 бали) Радон 86 222 Rn послідовно зазнав двох α- і двох β-розпадів.
12. (3 бали) У зразку міститься 1,6 · 1010 ядер ізотопу Бісмуту 83 214 Bi , період піврозпаду якого 20 хв. Скільки ядер Бісмуту залишиться у зразку через годину?
13. (3 бали) На даний момент часу в радіоактивному зразку міститься 2 · 10–10 моль радію. Скільки ядер Радію розпадеться наступної секунди? Стала радіоактивного розпаду Радію l = 1,37 · 10–11 с–1.
14. (4 бали) Середня доза випромінювання, поглинута працівником, що обслуговує рентгенівську установку, дорівнює 7 мкГр за 1 год. Чи безпечно працювати з цією установкою протягом 200 днів на рік по 6 год щоденно, якщо гранично допустима доза опромінення дорівнює 50 мГр на рік? Відомо, що природний радіаційний фон становить 2 мГр на рік.
15. (4 бали) Унаслідок трьох α- і двох β-розпадів деякого материнського ядра утворилося ядро Полонію
16. (4 бали) Визначте, яку масу Урану-235 витрачає за добу атомна
Рис. 1. Обладнання для радіаційної терапії
Рис. 2. Під час процедур медичний
Рис. 3.
Від експериментів Резерфорда до лікування хвороб
Більшість жителів нашої країни, пам’ятаючи про аварію на Чорнобильській АЕС, із великою підозрою ставляться до слова «радіація». Завершивши вивчення розділу IV, ви довідалися, що радіаційне випромінювання — це, звичайно, небезпечно. Але якщо дотримуватися правил безпеки, контролювати рівень радіаційного фону, вчасно вживати необхідних заходів, то
у випадку деяких захворювань для збереження життя пацієнта медики змушені фактично завдавати йому шкоди. Так, найпоширенішою формою радіаційної терапії є опромінення пацієнта γ-променями, проникна здатність яких є досить великою (рис. 1, 2). Однак під час опромінення хворого внутрішнього органа опромінюються й здорові частини тіла. Природним було прагнення фізиків вирішити цю проблему. Перше рішення — застосування іншого типу випромінювання. Виявилося, що прискорені до великих швидкостей протони мають певні переваги перед γ-випромінюванням. Відомо, що протони максимально ушкоджують місця поблизу своєї зупинки, а на інших ділянках траєкторії рі-
вартість використання
метод масовим.
Ще один спосіб опромінення хворих
— бор-нейтрон-захоплювальна терапія (БНЗТ) — був запропонований порівняно недавно. Велика перевага БНЗТ — в її точності. Цю терапію можна порівняти з «агентом 007», що безпомилково і точно виконує своє завдання.
Ідея БНЗТ полягає ось у чому. Ключовим у терапії є ядро атома Бору. Саме воно, як геніальний воротар, уміє «ловити» нейтрони набагато краще, ніж будь-які інші ядра. Тому під час опромінення тканин нейтронами ядро Бору зуміє «впіймати» нейтрон, навіть якщо їх
орієнтовні теми проектів
1. Ознайомлення з роботою побутового дозиметра.
2. Складання радіаційної карти регіону.
3. Радіологічний аналіз місцевих харчових продуктів.
4. Екологічні проблеми атомної енергетики.
5. Розщеплення атома: скринька Пандори чи вогонь Прометея?
6. Майбутнє Сонця та інших зір.
і повідомлень
1. Великий а дронний колайдер шлях до вивчення будови Всесвіту.
2. Історія атома: від Демокріта до Резерфорда.
3. Цеглинки матерії, або Що таке кварки.
4. Науковий подвиг П’єра і Марії Кюрі (історія відкриття радію).
5. Як Резерфорд установив природу α-частинок.
6. Історія створення ядерного реактора.
7. Перші атомні електростанції.
8. Організація безпеки атомних реакторів.
9. Чорнобиль і Фукусіма дві величезні ядерні катастрофи: що в них спільного, в чому різниця.
10. Термоядерний реактор реактор майбутнього.
11. Драма ідей: історія атомної бомби.
12. Історія отримання штучних радіоактивних ізотопів.
13. Де і як застосовують штучні радіоактивні ізотопи.
14. Ядерно-фізичні методи вивчення віку археологічних знахідок.
15. Що таке радонові ванни.
16. Природна радіоактивність безпечна чи небезпечна.
17. Хронологія атомної ери.
18. Атомні електростанції України.
19. Атомна енергетика світу.
Розділ
Ви можете визначити шлях у разі руху з незмінною швидкістю, а тепер дізнаєтесь, як знайти подоланий тілом шлях, коли воно сповільнює або, навпаки, прискорює свій рух Ви певно чули прислів’я «Як гукнеться, так і відгукнеться», а тепер дізнаєтесь, який закон
можна сформулювати саме так
Ви знаєте, що під час ходьби
відштовхуєтеся від поверхні дороги, а тепер
від чого відштовхується ракета, рухаючись у космічному просторі
Ви знаєте, що швидкість руху автомобіля вимірюють спідометром,
1
кінематику, і сьогодні ви дізнаєтесь про рівноприскорений прямолінійний рух і фізичні величини, що його характеризують. Але спочатку згадаємо основні поняття кінематики.
повторюємо кінематику Механічний
інших тіл.
Розгляньте рис. 28.1. Відносно яких тіл рухаються зображені на рисунку тіла? Відносно яких тіл
перебувають у стані спокою? Чому механічний рух називають відносним?
Описуючи механічний рух тіла, ми зазвичай не розглядали рух окремих його точок, а зверталися до механічної моделі тіла матеріальної точки. Далі, розв’язуючи задачі на механічний рух тіла, ми також вважатимемо тіло матеріальною точкою.
Матеріальна точка — це фізична
задачі можна знехтувати.
У якому випадку тіла, зображені на рис. 28.1, можна вважати матеріальними точками?
Залежно від форми траєкторії розрізняють криволінійний і прямолінійний рухи. Довжина траєкторії дорівнює шляху, який подолало тіло. Шлях l це скалярна фізична величина. А от переміщення s напрямлений відрізок прямої, який з’єднує початкове і кінцеве положення тіла, це векторна фізична величина (рис. 28.2). Якщо тіло за будь-які рівні інтервали часу
щення, то
§ 28. Рівноприскорений
модуль швидкості рівномірного прямолінійного руху обчислюють за формулою v s t = .
Отже, озброївшись знаннями
з попереднього курсу фізики, продовжимо вивчення кінематики.
2
Даємо означення прискорення
Проведемо п ростий дослід, для якого візьмемо довгий жолоб і кульку. Піднявши один край жолоба, покладемо на нього кульку й відпустимо. Кулька почне скочуватися (рис. 28.3, а). Бачимо: чим далі буде
кулька від верхнього краю жолоба, тим більшу відстань вона долатиме за 1 с. Це означає, що швидкість руху
кульки з часом збільшується.
Повторимо дослід, збільшивши
кут нахилу жолоба (рис. 28.3, б ), у цьому випадку швидкість руху
к ульки з більшуватиметься ще швидше. Кажуть, що кулька рухається з більшим прискоренням.
прискорення — це векторна фізична величина, яка характеризує швидкість зміни швидкості руху
тіла й дорівнює відношенню зміни
швидкості руху тіла до інтервалу
часу, за який ця зміна відбулася: a vv t = 0 ,
де a прискорення руху тіла; v0
початкова швидкість
використовувати дану формулу, записану в проекціях на
рис. 28.3. Положення кульки, що скочується
рис. 28.4. До завдання в § 28
рис. 28.5. Прямуючи до школи, ви то швидше, то повільніше збільшуєте швидкість свого руху, іноді сповільнюєте свій рух, а якісь інтервали часу рухаєтеся з незмінною швидкістю
шується (рівнодійна «підштовхує» і розганяє тіло).
Якщо прискорення напрямлене протилежно до руху тіла av ↑↓ () , то швидкість руху тіла зменшується (рівнодійна «заважає» рухові й сповільнює його).
Якщо a = 0, то сили, які діють на тіло, скомпенсовані й тіло рухається рівномірно прямолінійно або перебуває у стані спокою.
Для кожного випадку (рис. 28.4) з’ясуйте, збільшується чи зменшується швидкість руху тіла в даний момент часу. Наведіть приклади таких рухів.
3
Дізнаємося, який рух називають рівноприскореним прямолінійним
Якщо тіло рухається нерівномірно, його швидкість безперервно змінюється, причому зазвичай за рівні інтервали часу швидкість руху тіла змінюється неоднаково (рис. 28.5). У цьому навчальному році ви розглядатимете найпростіший вид прискореного руху рівноприскорений прямолінійний рух і довідаєтесь, що такий рух буває, якщо рівнодійна сил, прикладених до тіла, є незмінною.
рівноприскорений прямолінійний рух
рис. 28.6.
тіло
руху в даній точці траєкторії.
Для обчислення швидкості рівноприскореного прямолінійного руху тіла скористаємось означенням прискорення. Оскільки a vv t = 0 , то
vv at =+ 0
Будемо використовувати цю формулу, записану в проекціях на вісь OX, яку спрямуємо вздовж траєкторії руху тіла: vv at xx x =+ 0
Якщо задано рівняння проекції швидкості руху тіла, то задано й початкову швидкість v0 () , і прискорення a () руху цього тіла. Наприклад, рівняння проекції швидкості має вигляд: vt x =− 20 3 . Це означає, що v x 0 20 = м/с (початкова швидкість дорівнює 20 м/с, а її напрямок збігається з напрямком осі OX); ax =−3 м/с2 (прискорення дорівнює 3 м/с2, а знак « » показує, що на прямок прискорення протилежний напрямку осі OX).
Визначте початкову швидкість і прискорення руху тіла, якщо рівняння проекції швидкості має вигляд: vt x =− + 10 2 .
Залежність vv at xx x =+ 0 є лінійною, тому графік проекції швидкості графік залежності vt x () це відрізок прямої, нахиленої під певним кутом до осі часу (рис. 28.7). У момент t = 0 швидкість руху тіла дорівнює його початковій швидкості vvxx = () 0 ,
рис. 28.7. Графіки залежності vt x () для рівноприскореного прямолінійного руху.
Тіло 1 весь час збільшує швидкість свого руху: av11 ↑↑ . Тіло 2 спочатку сповільнює свій рух: av22 ↑↓ (ділянка AB), потім зупиняється (точка B), після чого набирає швидкість,
няється перед світлофором. Визначте час гальмування автомобіля, вважаючи його рух рівноприскореним прямолінійним із прискоренням 5 м/с2. Аналіз фізичної проблеми. Автомобіль зупиняється, тож його кінцева швидкість дорівнює нулю v = () 0 , а напрямок вектора прискорення протилежний напрямку швидкості. Виконаємо пояснювальний рисунок, на якому зазначимо вісь координат (її напрямок нехай збігається з напрямком руху), напрямок початкової швидкості та напрямок прискорення руху автомобіля.
Дано:
v0 90 = км/год = = 25 м/с a = 5 м/с2 v = 0
Пошук математичної моделі, розв’язання Рух є рівноприскореним, тому vv at xx x =+ 0 . Скориставшись рисунком, конкретизуємо це рівняння: vv x 00 = , aa x =− , vx = 0 , отже: 0 00 0 =− ⇒= ⇒= vatv at t v a .
одиницю, знайдемо
Знайти: t ? Задача 2. Тіло рухалося прямолінійно вздовж осі OX. За поданим на рис. 28.8 графіком за лежності vt x () : 1) опишіть характер руху тіла; 2) запишіть рівняння проекції швидкості руху; 3) побудуйте графік залежності проекції прискорення руху від часу.
Аналіз фізичної проблеми, розв’язання
1. Графік vt x () пряма лінія, тож рух тіла рівноприскорений. Перші 4 с тіло рухалось у напрямку, протилежному напрямку осі OX (проекція швидкості є від’ємною), а швидкість руху тіла зменшувалась. У момент t = 4 с тіло зупинилося, після чого почало рухатись у зворотному напрямку (знак проекції швидкості змінився на протилежний). Протягом наступних 3 с тіло рухалось у напрямку осі OX, а швидкість його руху збільшувалась.
3.
підсумки
Прискорення a це векторна фізична
яка характеризує швидкість зміни швидкості руху тіла й дорівнює відношенню зміни швидкості руху до інтервалу часу, за який
в квадраті (м/с2).
Для рівноприскореного руху:
графік проекції прискорення at x () пряма, паралельна осі часу; швидкість руху змінюється лінійно: vv at xx x =+ 0 ;
графік проекції швидкості руху vt x ()
відрізок прямої, нахиленої під певним кутом до осі часу.
Контрольні запитання
1. Який рух називають рівноприскореним прямолінійним? 2 . Дайте означення прискорення. 3. Якою є одиниця прискорення в СІ? 4. Який вигляд має графік залежності at x () для рівноприскореного прямолінійного руху? 5. Запишіть рівняння залежності vt x () для рівноприскореного прямолінійного руху. Який вигляд має графік цієї залежності? 6. Як рухається тіло, якщо напрямок його прискорення: а) збігається з напрямком швидкості руху? б) протилежний напрямку швидкості руху? Як рухається тіло, якщо його прискорення дорівнює нулю?
вправа № 28
1. Чи може тіло рухатися з великою швидкістю,
2. Із
4. Під час прямолінійного руху з незмінним прискоренням 0,2 м/с2 велосипедист сягає швидкості 5 м/с за 25 с. Якою була початкова швидкість руху велосипедиста?
5. Скільки часу потрібно а втобусу для зміни швидкості руху від 54 км/год до 5 м/с? Прискорення а втобуса є незмінним і дорівнює 0,5 м/с2.
6. Дано рівняння п роекції швидкості руху для трьох тіл, які рухаються вздовж осі OX: а) vt x =+ 2 ; б) vt x =− + 20 5 ; в) vt x =− 10 3 . Усі величини подано в одиницях СІ. Для
кожного тіла з’ясуйте: 1) як рухалося тіло; 2) якими є початкова швидкість і прискорення руху тіла; 3) якщо тіло зупиниться, то через який час.
7. На рис. 1 подано графіки залежності at x () для двох тіл. Для кожного тіла запишіть рівняння залежності vt x () і побудуйте графік цієї залежності, якщо v x 01 4 =− м/с, v x 02 8 = м/с.
8. На рис. 2 подано графіки залежності vt x () для чотирьох тіл. Для кожного тіла запишіть рівняння проекції швидкості руху, побудуйте графік залежності at x () .
9. Тіло рухалося рівноприскорено тривалий час. На рис. 3 подано графік залежності vt x () для цього тіла починаючи з певного моменту часу. Визначте час, коли тіло змінило напрямок швидкості свого руху.
10. Скориставшись рис. 3, визначте шлях, який подолало тіло за перші 4 с спостереження.
1
Дізнаємося про геометричний зміст
проекції переміщення
У 7 класі ви дізналися, що для будь-якого руху шлях чисельно дорівнює площі фігури під графіком залежності модуля швидкості руху від
часу спостереження. Аналогічна ситуація і з визначенням проекції переміщення (рис. 29.1). Отримаємо формулу для обчислення проекції переміщення тіла за інтервал часу від
t1 0 = до tt 2 = . Розглянемо рівноприскорений
рух, за якого початкова швидкість і прискорення мають однаковий напрямок із віссю OX. У цьому випадку графік проекції швидкості має
вигляд, поданий на рис. 29.2, а проекція переміщення чисельно дорівнює площі трапеції OA BC: SOC OABC OA BC =⋅ + 2 .
На графіку відрізок OA відповідає проекції початкової швидкості v x 0 , відрізок BC проекції кінцевої швидкості vx , а відрізок OC інтервалу часу t. Замінивши зазначені відрізки відповідними фізичними величинами та взявши до уваги, що sSxOABC = , отримаємо формулу для визначення проекції переміщення: st x vv xx =⋅ + 0 2 (1)
Зазначимо, що формула (1) буде справ-
джуватися для будь-якого рівноприскореного прямолінійного руху.
Скориставшись формулою (1), визначте
переміщення тіла, графік руху якого подано на рис. 29.1, б, за 2 с і за 4 с після
початку відліку часу. Поясніть відповідь.
рис.
Геометричний
переміщення: проекція переміщення чисельно
2
Записуємо рівняння
vx
площі фігури, обмеженої графіком vt x () , віссю часу та прямими t = t1 і t = t2 sx > 0, якщо отримана фігура розташована над віссю часу (а); sx < 0, якщо отримана фігура розташована під віссю часу (б) t
x
sx a3x < 0 a4x < 0
v03x < 0 v04x > 0 v a x x 0
рис. 29.3. Графік проекції переміщення в разі рівноприскореного прямолінійного руху — парабола, яка проходить через початок координат: якщо ax > 0, вітки параболи напрямлені вгору (а); якщо ax < 0, вітки параболи напрямлені вниз (б)
якщо v x 0 2 = м/с, а ax =−1 м/с2, то рівняння st x () матиме вигляд: st t x =−20 5 2 , . Отже, графік проекції переміщення в разі рівноприскореного прямолінійного руху парабола (рис. 29.3),
рис. 29.4. Вибір осі координат у випадку прямолінійного
a vv t x xx =
і формулою st x vv xx =⋅ + 0 2 , можна одержати ще одну формулу для обчислення проекції переміщення в разі рівноприскореного прямолінійного руху: sx vv a xx x = 2 0 2 2 (3)
Формулою (3) зручно користуватися, якщо в умові задачі не йдеться про час руху тіла та не потрібно його визначати. Сподіваємося, що вам нескладно буде вивести формулу (3) самостійно.
Зверніть увагу:
досить обрати лише одну вісь координат (наприкла д, вісь OX ), яку слід спрямувати вздовж руху тіла (рис. 29.4). Із рис. 29.4 бачимо, що незалежно від напрямку руху координату x тіла можна визначити за формулою: xx sx =+ 0 ,
де x0 початкова координата (координата тіла в момент початку спостереження); sx
проекція переміщення.
Для рівноприскореного прямолінійного руху sv tt xx a x =+ 0 2 2 , тому для такого руху
рівняння координати має вигляд: xx vt t x a x =+ + 00 2 2
Проаналізувавши останнє рівняння, доходимо висновку, що
є квадратичною, тому графік
4 Учимося розв’язувати задачі Основні етапи розв’язування задач
прямолінійний рух розглянемо на прикладах.
Послідовність дій Приклад розв’язування задачі
1. Уважно прочитайте умову задачі. З’ясуйте, які тіла беруть участь у русі, яким є характер руху тіл, які параметри руху відомі.
2. Запишіть коротку умову задачі. У разі необхідності переведіть значення фізичних величин в одиниці СІ.
3. Виконайте пояснювальний рисунок, на якому позначте вісь координат, напрямки швидкості руху, переміщення, початкової швидкості руху, прискорення.
Задача 1. Після початку гальмування потяг пройшов до зупинки 225 м. Якою була швидкість руху потяга перед початком гальмування? Вважайте, що прискорення потяга є незмінним і дорівнює 0,5 м/с2.
Дано: s = 225 м a = 05 , м/с2 v = 0
Знайти: v0 ?
4. Із формул, що описують
прямолінійний рівноприскорений рух, виберіть ті, які найбільше відповідають умові задачі.
ax vv t xx = 0 ; vv at xx x =+ 0 ;
sv t xx at x =+ 0 2 2 ;
sx vv a xx x = 2 0 2 2 ; st x vv xx = + 0 2 .
Обрані формули конкретизуйте для задачі.
5. Розв’яжіть задачу в загальному вигляді.
Із умови задачі відомі a, v і s, потрібно знайти v0. Усі ці фізичні величини входять
до формули sx vv a xx x = 2 0 2 2 .
Напрямок переміщення та напрямок початкової швидкості збігаються
з напрямком осі ОX, тому ss x = , vv x 00 = . Напрямок прискорення протилежний
напрямку осі ОX, тому aa x =− .
За умовою кінцева швидкість v = 0 .
Підставимо одержані дані у формулу
переміщення: s v a v a == 0 22 0 2 0 2 .
Із формули s v a = 0 2 2 знайдемо v0 початкову швидкість руху: vas 0 2 2 = , звідки vas 0 2 = .
6. Перевірте одиницю, знайдіть значення шуканої величини.
7. Запишіть і проаналізуйте результат.
8. Запишіть відповідь.
1. Уважно прочитайте умову задачі. З’ясуйте, яким є характер руху тіл, які параметри руху відомі.
v0 1554== м/ с км/год цілком реальна швидкість руху для потяга.
Відповідь: v0 = 54 км/год.
Задача 2. Прямолінійною ділянкою дороги йде пішохід із незмінною швидкістю 2 м/с. Його наздоганяє мотоцикл, який збільшує швидкість, рухаючись із прискоренням 2 м/с2. Через який час мотоцикл обжене
3. Виконайте рисунок, на якому зазначте вісь координат, положення тіл, напрямки прискорень і швидкостей.
4. Запишіть рівняння координати в загальному вигляді; скориставшись рисунком, конкретизуйте це рівняння для кожного тіла.
5. Урахувавши, що в момент зустрічі (обгону) координати тіл однакові, отримайте квадратне рівняння. xxмп = ; 22 300 2 2 tt t += + ; 22 2 300 0 2 tt t
6. Розв’яжіть отримане рівняння та знайдіть час зустрічі тіл. D =+ ⋅= 20 4 3001600 2 ; t1 2040 2 10 == −+ (с); t2 2040 2 30 == (с)
7. Обчисліть координату тіл у момент зустрічі. xx t мп == += +⋅ = 300 2 300 210320 (м).
8. Знайдіть шукану величину та проаналізуйте результат.
Мотоцикл був у точці з координатою x0 0 м = , а обігнав пішохода в точці з координатою xм = 320 м, отже, мотоцикл подолав відстань 320 м. Пішохід за цей час подолав лише 20 м. Це реальний результат.
9. Запишіть відповідь. Відповідь: t = 10 с; sм = 320 м.
підбиваємо підсумки Для рівноприскореного прямолінійного руху тіла:
проекція переміщення чисельно дорівнює
швидкості руху, графіком залежності
1.
графіком
від часу спостереження є парабола. Як напрямлені вітки цієї параболи? Якому моменту руху відповідає вершина параболи? 3. Запишіть рівняння координати для рівноприскореного прямолінійного руху. Назвіть фізичні величини, які пов’язує це рівняння.
вправа № 29
1. Лижник, що рухається зі швидкістю 1 м/с, починає спускатися з гори. Визначте довжину спуску, якщо лижник проїхав його за 10 с. Вважайте, що прискорення лижника було незмінним і дорівнювало 0,5 м/с2.
2. Пасажирський потяг загальмував, змінивши свою швидкість від 54 км/год до 5 м/с. Визначте відстань, яку пройшов потяг під час гальмування, якщо прискорення потяга було незмінним і дорівнювало 1 м/с2.
3. Гальмо легкового автомобіля є справним, якщо за швидкості 8 м/с гальмівний шлях автомобіля дорівнює 7,2 м. Визначте час гальмування та прискорення руху автомобіля.
4. Рівняння координат двох тіл, які рухаються вздовж осі OX, мають вигляд: xt t 1 2 82=− + ; xt t 2 2 25 2 =− −+ .
1) Для кожного тіла визначте: а) яким є його рух; б) початкову координату; в) модуль і напрямок початкової швидкості; г) прискорення руху. 2) Знайдіть час і координату зустрічі тіл.
3) Для кожного тіла запишіть рівняння vx(t) і sx(t), побудуйте графіки проекцій швидкості та переміщення.
5. На рисунку подано графік проекції швидкості руху для деякого тіла. Визначте шлях і переміщення тіла протягом 4 с від початку відліку часу. Запишіть рівняння координати, якщо в момент часу t = 0 тіло було в точці з координатою –20 м.
6. Два а втомобілі почали рух з одного пункту в одному напрямку, причому другий
Ми вже говорили про геніального англійського вченого Ісаака Ньютона (1642–1727). За свої наукові заслуги він навіть одержав лицарське звання й титул лорда. «Природа для нього була відкритою книгою, яку він читав без зусиль», — писав про цього вченого А. Ейнштейн (1879–1955). У роботі «Математичні начала натуральної філософії» (1687 р.) Ньютон сформулював «аксіоми руху» — їх тепер називають законами Ньютона. Про перший закон Ньютона йтиметься в цьому параграфі.
1
Згадуємо закон інерції
Згадаємо з курсу фізики 7 класу, за яких умов тіло перебуває в стані спокою або рухається рівномірно прямолінійно. Ви напевно пам’ятаєте з акон інерції, який наприкінці XVI ст. експериментально встановив італійський у чений Ґалілео Ґалілей (1564–1642):
Тіло рухається рівномірно прямолінійно або перебуває у стані спокою лише тоді, коли на нього не діють інші
скомпенсовані (рис. 30.1, 30.2).
Як ви вважаєте, чи буде рухатися космічний корабель, що
якщо вимкнути його двигуни? Якщо буде рухатися, то як?
2 вивчаємо інерціальні системи
рис. 30.3. Дії на м’яч столика
та Землі скомпенсовані. Однак: у системі відліку XOY, пов’язаній із пероном, м’яч
залишається в спокої, тому
СВ — інерціальна; у системі
котитися по столу в напрямку, протилежному напрямку руху потяга. Тобто, залишаючись нерухомим відносно перону, м’ячик відносно потяга починає рухатися з прискоренням (рис. 30.3). Отже, відносно СВ, пов’язаної з потягом, який набирає швидкість, явище інерції не спостерігається (дії Землі та столика на м’ячик скомпенсовані, а ле він не зберігає свою швидкість). Систему відліку, відносно якої я вище інерції не спостерігається, називають неінерціальною системою відліку. Систему відліку, відносно якої спостерігається явище інерції, називають інерціальною системою відліку. Далі, якщо спеціально не застережено, будемо користуватися
як інерціальну використовують СВ, жорстко пов’язану з точкою
інерціальною тільки умовно, оскільки Земля обертається навколо своєї осі. Для більш точних вимірювань використовують, наприклад, інерціальну СВ, пов’язану із Сонцем, геліоцентричну систему відліку (рис. 30.4).
Зрозуміло, якщо ми знаємо хоча б одну інерціальну СВ, то можемо знайти багато інших. А дже будь-яка СВ, що рухається відносно інерціальної СВ рівномірно прямолінійно, теж є інерціальною. Наприклад, якщо ви зберігаєте стан спокою або рівномірного прямолінійного руху відносно Землі, то й відносно потяга, який рухається відносно Землі з незмінною швидкістю, ви теж будете рухатися рівномірно прямолінійно (хоча й з іншою
руху, доки й оскільки воно не вимушене прикладеними
Звернемо увагу ось на що.
1. Рухається тіло рівномірно, прискорено чи перебуває в стані спокою, залежить від вибору СВ.
2. В інерціальній СВ тіло рухається рівномірно прямолінійно або перебуває в стані спокою не лише у випадку, коли воно ізольоване (тобто на нього не діють інші тіла), а й у випадку, коли сили, що діють на тіло, скомпенсовані. З огляду на зазначене в
закон ньютона формулюють так: Існують такі системи відліку,
відносності Ґалілея:
В усіх інерціальних системах відліку перебіг механічних явищ і процесів відбувається однаково за однакових початкових умов.
Ґалілей писав так: «Якщо ми, перебуваючи в каюті вітрильника, будемо виконувати будь-які експерименти, то а ні самі експерименти, а ні їхні результати не будуть відрізнятися від тих, що проводилися б на березі. І тільки піднявшись на палубу, ми побачимо: виявляється, наш корабель рухається рівномірно прямолінійно...». Ви
яких тіло зберігає стан спокою або рівномірного
руху, якщо на тіло не діють жодні сили або ці сили скомпенсовані. Такі системи відліку називають інерціальними.
Зазвичай як інерціальні використовують СВ, пов’язані із Землею. Будьяка СВ, що рухається відносно інерціальної СВ рівномірно прямолінійно, теж є інерціальною.
Контрольні запитання
1. За яких умов тіло зберігає швидкість свого руху? На ведіть приклади. 2. Сформулюйте закон інерції. 3. Які СВ називають інерціальними? неінерціальними? Наведіть приклади таких систем. 4. Сформулюйте перший
Ньютона. Що він постулює? 5. Сформулюйте принцип відносності Ґалілея.
вправа № 30
1. Ви сидите на стільці ви, як і стілець, перебуваєте в стані спокою відносно Землі. Які тіла діють на стілець? на вас? Що можна сказати про ці дії?
2. Веслярі намагаються змусити човен рухатися проти течії, а ле човен перебуває в спокої відносно берега. Дії яких тіл при цьому компенсуються?
3. Кіт лежить на столі (див. рис. 30.1). Чи буде СВ, пов’язана з котом, інерціальною? Чи буде інерціальною СВ, пов’язана з павучком, що рівномірно опускається на павутинці зі стелі? Чи буде інерціальною СВ, пов’язана з мишеням, яке побачило кота й гальмує свій рух? Відповіді поясніть.
4. На рис. 1 зображено кілька тіл. 1) З яким тілом ви пов’язали б СВ, щоб вона була інерціальною? неінерціальною? Відповідь обґрунтуйте. 2) Якою в даний момент часу буде швидкість руху собаки в СВ, пов’язаній із пішоходом; у СВ, пов’язаній із вантажівкою? 3) Яким буде прискорення руху автомобіля у СВ, пов’язаній із деревом; у СВ, пов’язаній із пішоходом? v1 = 20 м/с v2 = 2 м/с v3 = 0 м/с v4 = 2 м/с v5 =
5.
1
У § 30 ви згадали умови, за яких тіло рухається рівномірно прямолінійно. А за яких умов тіло рухається рівноприскорено? Від чого залежить прискорення руху тіла? Відповіді на ці запитання свого часу дав І. Ньютон, сформулювавши другу аксіому руху. Про другий закон Ньютона — основний закон динаміки — йтиметься в цьому параграфі.
Формулюємо другий закон ньютона
Із повсякденного життя ви добре знаєте: тіло швидше змінить швидкість свого руху (набуде більшого прискорення), якщо на нього подіяти з більшою силою. Досліди свідчать: у скільки разів збільшується сила, у стільки ж разів збільшується прискорення, якого набуває тіло в результаті дії цієї сили. Тобто прискорення руху тіла прямо пропорційне силі, прикладеній до цього тіла: aF .
Якщо однаковою силою подіяти на тіла різної маси, то прискорення тіл будуть різними: чим більшою є маса тіла, тим меншим буде його прискорення. Наприклад, якщо до тенісного м’яча та до кулі для боулінгу прикласти однакову силу, то швидкість руху кулі зміниться менше (або знадобиться більше часу, щоб швидкість руху кулі змінити так само, як і м’яча). Тобто прискорення, набуте тілом унаслідок дії сили, обернено пропорційне масі цього тіла: a m 1 .
Зв’язок між силою, що діє на тіло, масою тіла та прискоренням, якого набуває тіло внаслідок дії цієї сили, встановлює
ньютона:
Сила F векторна фізична величина, яка є мірою дії одного тіла на інше (мірою взаємодії).
Одиниця сили в СІ
ньютон: F [] = 1Н .
Сила визначена, якщо відомі її значення (модуль), напрямок і за значено точку прикладення сили. значення напрямок точка прикладення
Якщо на тіло діє декілька
сил, то їхню спільну дію можна замінити д ією
однієї сили рівнодійної F . Рівнодійна дорівнює векторній сумі сил, прикладених до тіла: F1 F2 FF F =+12
Маса
Маса m фізична величина, яка є мірою інертності тіла. Одиниця маси в СІ кілограм: m [] = 1кг . Інертність властивість тіла, яка полягає в тому, що для зміни швидкості руху тіла внаслідок взаємодії потрібен час.
1. Саме на основі другого закону Ньютона встановлюють одиницю сили в СІ ньютон: 1 Н це сила, яка, діючи на тіло масою m = 1 кг, надає йому прискорення a = 1 м/с2:
2. Знаючи модуль і напрямок рівнодійної F сил, які діють на тіло, завжди можна визначити модуль і напрямок прискорення a , якого набуває тіло внаслідок цієї дії: a F m = ; aF
Скориставшись знаннями з математики, обґрунтуйте останнє твердження.
3. Другий закон Ньютона дозволяє визначити
так:
Тіло рухається рівноприскорено прямолінійно тільки в тому випадку, якщо рівнодійна сил, прикладених до тіла, не змінюється з часом.
Контрольні запитання
1. Від яких чинників залежить прискорення руху тіла? 2. Сформулюйте
другий закон Ньютона, запишіть його математичний вираз. 3. Як записати другий закон Ньютона, якщо на тіло діють кілька сил? 4. Що можна сказати про напрямки рівнодійної та прискорення, якого рівнодійна надає тілу?
5. Якою є умова рівноприскореного руху тіла?
вправа № 31
1. Потяг масою 5 т рухається з прискоренням 0,5 м/с2. Визначте модуль рівнодійної сил, які діють на потяг.
2. Автомобіль рухається прямолінійною ділянкою дороги. Як напрямлена рівнодійна сил, прикладених до автомобіля, якщо він набирає швидкість? сповільнює свій рух?
3. Тіло масою 2 кг, яке рухається на південь, змінює швидкість свого руху внаслідок дії сили 10 Н, напрямленої на схід. Визначте модуль і напрямок прискорення руху тіла.
4. Унаслідок дії сили 15 кН тіло рухається прямолінійно так, що його координата змінюється за законом: xt t =− +−2009 3 2 . Визначте масу тіла.
5. На тіло масою 5 кг діють дві взаємно перпендикулярні сили: 12 і 9 Н (рис. 1). Визначте прискорення руху тіла.
6. Скориставшись додатковими джерелами інформації, складіть і розв’яжіть задачу на застосування другого закону Ньютона до руху якогось реального тіла.
7. Хлопчик і дівчинка тягнуть за кінці мотузки (рис. 2). Хто з них почне рухатися? Хто, на вашу думку, набуде більшої швидкості руху? Обґрунтуйте свою відповідь.
Експериментальне завдання Скориставшись лінійкою
Установлюємо третій закон ньютона
Ви вже знаєте, що тіла завжди взаємно діють одне на одне взаємодіють (рис. 32.1, 32.2). Звернемося до досліду та з’ясуємо, як пов’язані сили, з якими тіла діють одне на одне. Поставимо на горизонтальну поверхню два однакові легкорухомі візки та за допомогою динамометрів прикріпимо їх до вертикальних стійок. На кожному візку закріпимо магніт, розташувавши їх один до одного різнойменними полюсами. Магніти притягнуться, зсунуть візки та розтягнуть пружини динамометрів. Дослід продемонструє, що покази обох динамометрів будуть однаковими (рис. 32.3). Можна провести безліч дослідів із вимірювання таких сил, і результат завжди буде однаковим: сили, з якими взаємодіють два тіла, будуть рівними за модулем і протилежними за напрямком (рис. 32.4, 32.5).
Взаємодію тіл описує закон взаємодії третій закон ньютона:
Тіла взаємодіють одне з одним із силами, які напрямлені вздовж однієї прямої, рівні за модулем і протилежні за напрямком: FF 12 =−
2
Дізнаємося про деякі особливості
взаємодії тіл
Звернувшись до прикладів, наведених на рис. 32.1–32.5, помітимо низку особливостей.
1. Третій закон Ньютона виконується
як у випадках безпосереднього контакту тіл (див. рис. 32.1, 32.5), так і у випадках взаємодії тіл на відстані (див. рис. 32.2–32.4).
2. Сили завжди виникають парами: якщо є сила F1 , яка діє на тіло 1 з боку тіла 2, то
обов’язково є рівна їй за модулем і протилежно
напрямлена сила F2 , яка діє на тіло 2 з боку
тіла 1. А от прояви цих сил (або однієї з них)
не завжди помітні. Наприклад, під час ходьби ви відштовхуєтеся
сила з боку Землі. Відповідно
третього закону Ньютона, з такою самою силою ви штовхаєте Землю назад. Однак через велику масу Землі результат дії цієї сили непомітний.
ваша дія на нього змусить човен рухатись у напрямку, протилежному вашому руху.
3. Пари сил, що виникають під час взаємодії двох тіл, завжди мають одну природу.
Розгляньте рис. 32.1–32.5 і переконайтесь у слушності останнього твердження.
Здавалося б, якщо за будь-якої взаємодії виникає пара рівних за модулем і протилежних за напрямком сил, то такі сили мають зрівноважити одна одну. А це означає те саме, що дії немає. Виходить, ми приречені або на нерухомість, або на безупинний рух? Зрозуміло, що ні! Зрівноважуються тільки сили, прикладені до одного тіла. Сили ж, що виникають під час взаємодії, прикладені до різних тіл, тому вони не можуть зрівноважити (компенсувати) одна одну.
силі й напрямлена вниз: FFтискуарх =− (рис. 32.7). Таким чином, палець, навіть не торкаючись дна та стінок посудини, штовхне воду, а разом з нею й посудину вниз рівновага терезів порушиться. Відповідь: рівновага порушиться.
підбиваємо підсумки Тіла завжди взаємно діють одне на одне взаємодіють. Взаємодію тіл описує третій закон Ньютона (закон взаємодії): сили, з якими тіла діють одне на одне, напрямлені вздовж однієї прямої, рівні за модулем і протилежні за напрямком: FF
завжди мають одну природу; ці сили не зрівноважують одна одну, тому що прикладені до різних тіл. Контрольні запитання
1. Сформулюйте третій закон Ньютона. Чому цей закон називають законом взаємодії? 2. На ведіть приклади прояву третього закону Ньютона. 3. Що можна сказати про природу сил, які виникають під час взаємодії тіл? Наведіть приклади. 4. Чому сили, які виникають під час взаємодії тіл, не зрівноважують одна одну?
вправа № 32
1. Дівчинка вдарила по м’ячу із силою 10 Н (рис. 1). Із якою силою м’яч «ударив» дівчинку? У якому напрямку діє ця сила?
2. Розгляньте гравітаційну взаємодію яблука, що висить на гілці, і Землі (рис. 1). Що сильніше притягується: яблуко до Землі чи Земля до яблука?
3. Хлопчик масою 48 кг, стоячи на гладенькому льоду, відштовхнув від себе кулю масою 3 кг, надавши їй у горизонтальному напрямку прискорення 8 м/с2. Якого прискорення набув хлопчик?
4. Мотузка витримує натяг не більш ніж 300 Н. Чи порветься мотузка, якщо четверо тягнуть її в протилежні боки так, як показано на рис. 2, силами по 100 Н кожен? Чи порветься мотузка, якщо один її кінець закріпити, а всі четверо тягтимуть
1
Кажуть, що І. Ньютон сам розповідав, як він зро -
бив відкриття закону всесвітнього тяжіння. Якось
науковець гуляв яблуневим садом і побачив у денному небі Місяць. У цей момент на його очах
з гілки впало яблуко. Саме тоді вчений подумав про те, що, можливо, це одна сила змушує яблуко падати на землю, а Місяць залишатися на навколоземній орбіті.
Згадуємо гравітаційну взаємодію
Усі без винятку фізичні тіла у Всесвіті
притягуються одне до одного це явище називають всесвітнім тяжінням або гравітацією (від латин. gravitas вага).
гравітаційна взаємодія — взаємодія, яка є властивою всім тілам у Всесвіті й виявляється в їхньому взаємному притяганні одне до одного.
Наприклад, зараз ви і цей підручник взаємодієте силами гравітаційного притягання. Однак у цьому випадку сили настільки малі, що їх не зафіксують навіть найточніші сучасні прилади.
Сили гравітаційного притягання сягають помітного значення тільки тоді, коли хоча б одне з тіл має масу, порівнянну з масою небесних тіл (чорних дір, зір, планет і їхніх супутників тощо).
Гравітаційна взаємодія здійснюється завдяки особливому виду матерії гравітаційному полю, яке існує навколо будь-якого тіла: зорі, планети, людини, книжки, молекули, атома тощо.
2
відкриваємо закон всесвітнього тяжіння
Перші вислови про тяжіння зустрічаються в античних авторів. Так, давньогрецький мислитель Плутарх (бл. 46 бл. 127 рр.)
писав: «Місяць упав
щойно зникла б сила
11
гравітаційних хвиль, існування яких передбачив ще А льберт Ейнштейн. Гравітаційна хвиля це поширення змінного г равітаційного по ля в просторі. Ця хвиля випромінюється рухомою масою і може відірватися від свого джерела (як відривається електромагнітна хвиля від заряд ж еної частинки, що рухається з прискоренням). Вважають, що вивчення гравітаційних хвиль допоможе пролити світло на історію Всесвіту і не тільки…
рис. 33.1. Миколай Коперник (1473–1543) — польський астроном, творець геліоцентричної системи
ються навколо планет, яка сила втримує космічні тіла на орбітах? Одним із перших, хто це зрозумів, був англійський учений Роберт Гук (1635–1703). Він писав: «Усі небесні тіла мають притягання до свого центра, унаслідок чого вони не тільки утримують власні частини й перешкоджають їм розлітатися, а ле й притягають усі інші небесні тіла, що перебувають у сфері їхньої дії». Саме Р. Гук висловив припущення про те, що сила притягання двох тіл прямо пропорційна масам цих тіл і обернено пропорційна квадрату відстані між
FG mm r = 12 2 , де G гравітаційна стала.
Математичний за пис якого за кону ва м нагадує закон всесвітнього тяжіння? Запишіть відповідну формулу.
Гравітаційну сталу вперше виміряв англійський у чений Генрі Кавендіш (рис. 33.3) у 1798 р. за допомогою крутильних терезів: G =⋅ ⋅ 66710 11 2 2 , Нм кг .
Гравітаційна стала чисельно дорівнює силі, з якою дві матеріальні
3
З’ясовуємо межі застосування закону
всесвітнього тяжіння
Формула FG mm r = 12 2 дає точний результат у таких випадках:
1) якщо розміри тіл нехтовно малі порівняно з відстанню між ними (тіла можна вважати матеріальними точками);
2) якщо обидва тіла мають кулясту форму
та сферичний розподіл речовини;
3) якщо одне з тіл куля, розміри та маса якої значно більші, ніж розміри та маса другого тіла, яке перебуває на поверхні цієї
кулі або на відстані від неї.
Зверніть увагу! Закон всесвітнього тяжіння, як і більшість законів класичної механіки, застосовують тільки у випадках, коли відносна швидкість руху тіл набагато менша від швидкості поширення світла. У загальному випадку тяжіння описується загальною теорією відносності, створеною А. Ейнштейном.
Чому можна скористатися законом всесвітнього тяжіння, обчислюючи силу притягання Землі до Сонця? Місяця до Землі? людини до Землі (див. рис. 33.4)?
4
визначаємо силу тяжіння
сила тяжіння Fтяж — сила, з якою Земля (або інше астрономічне тіло) притягує до себе тіла, що перебувають на її поверхні або поблизу неї (рис. 33.5)*
Згідно із законом всесвітнього тяжіння
сили
рис. 33.5. Сила тяжіння напрямлена вертикально вниз і
Падіння тіл уперше дослідив Ґалілео Ґалілей, який висунув, а згодом експериментально підтвердив гіпотезу: причиною того, що легкі тіла падають із меншим прискоренням, є опір повітря; в разі відсутності повітря всі тіла незалежно від їхньої маси, об’єму, форми падають на Землю з однако-
вим прискоренням.
Більш точні експерименти здійснив Ісаак Ньютон, який виготовив
для цього спеціальний
пристрій трубку Ньютона. Експерименти по-
казали: у вакуумі свинцева дробинка, корок та
пташине перо падали
одночасно (а), у повітрі
перо безнадійно відста-
вало (б ). б а
Це прискорення називають прискоренням вільного падіння і позначають символом g :
g F m
Як і сила тяжіння, прискорення вільного падіння завжди напрямлене вертикально
від того, в якому напрямку рухається тіло. Із формули g = Fтяж/m: Fmg тяж =
Отже, маємо дві формули для визначення модуля сили тяжіння: Fmg тяж = ; FG mM Rh тяж З З = ( ) + 2 .
Зрівнявши праві частини цих формул, отримаємо формулу для обчислення прискорення вільного падіння: gG M Rh = ( ) + З З 2
Що показує аналіз останньої формули?
1. Прискорення вільного падіння не залежить від маси тіла (довів Ґ. Ґалілей).
2. Прискорення вільного падіння зменшується в разі збільшення висоти
§ 33. Закон всесвітнього тяжіння.
Зверніть увагу: розв’язуючи задачі, будемо вважати, що g = 10 м/с2.
Зазначимо, що через обертання Землі, а також через те, що форма Землі геоїд (екваторіальний радіус Землі більший за полярний на 21 км), прискорення вільного падіння залежить від географічної широти місцевості (рис. 33.7).
Із курсу фізики 7 класу ви знаєте, що g ≈ 10 Н/кг. Доведіть, що 1 Н/кг = 1 м/с2.
підбиваємо підсумки Взаємодію, яка є властивою всім тілам у Всесвіті й виявляється в їхньому взаємному притяганні одне до одного, називають гравітаційною. Гравітаційна взаємодія здійснюється за допомогою особливого виду матерії гравітаційного поля. Закон всесвітнього тяжіння: між будь-якими двома тілами
гравітаційного притягання, яка прямо
і обернено пропорційна квадрату відстані між ними: FG mm r = 12 2 , де
G =⋅66710 11 2 2 , Нм
стала.
з якою Земля притягує до себе тіла, що перебувають на її поверхні або поблизу неї, називають силою тяжіння. Сила тяжіння напрямлена вертикально вниз, прикладена до центра тяжіння тіла, а її модуль обчислюють за формулами: Fmg тяж = ; FG mM Rh тяж З = ( ) + 2 .
Рух тіл тільки під дією сили тяжіння називають вільним падінням, а прискорення, з яким при цьому рухаються тіла, прискоренням вільного падіння g . Це прискорення завжди напрямлене вертикально вниз і не залежить від маси тіла. На поверхні Землі g ≈ 98 , м/с2.
Контрольні запитання
1. Яку взаємодію називають гравітаційною? Наведіть приклади. 2. Сформулюйте та запишіть закон всесвітнього тяжіння. 3. Яким є фізичний зміст гравітаційної сталої? Чому вона дорівнює? 4. Якими є межі застосування закону всесвітнього тяжіння? 5. Дайте означення
2. Чи можна, скориставшись законом всесвітнього тяжіння, розрахувати силу притягання двох океанських лайнерів (див. рисунок)?
3. Як зміниться сила гравітаційного притягання між двома кульками, якщо одну
замінити іншою, вдвічі більшої маси?
4. Вимірявши гравітаційну сталу, Г. Кавендіш зміг визначити масу
після чого з гордістю сказав: «Я зважив Землю». Визначте
ючи її радіус (R З ≈ 6400 км), прискорення вільного
та гравітаційну сталу.
5. Визначте прискорення вільного падіння на висоті, яка дорівнює трьом радіусам Землі.
6. Визначте гравітаційне прискорення на поверхні планети, маса якої
більша від маси Землі, а радіус вдвічі більший за радіус Землі.
7. Скористайтесь додатковими джерелами інформації і дізнайтесь про прискорення вільного падіння на поверхні планет Сонячної системи. На який планеті ви будете менше
8. Рівняння руху тіла: xt t =− + 55 2 . Якими є початкова
руху тіла?
який інтервал часу тіло змінить напрямок свого руху?
Експериментальне завдання
Якщо тіло не має правильної геометричної форми, то центр його тяжіння можна визначити, підвішуючи тіло по черзі за будь-які дві крайні точки (див. рисунок). Виріжте із цупкого паперу або картону фігурку довільної форми та визначте розташування її центра тяжіння. Помістіть фігурку центром тяжіння на вістря голки або стрижня авторучки. Переконайтеся, що фігурка перебуває в рівновазі. Запишіть план проведення експерименту.
Фізика і техніка в Україні
у
р., сьогодні є одним із провідних технічних
М. А. Кузнецов, К. С. Заврієв, Ч. Д. Кларк, І. Ю. Тимченко
1
Здійснюємо ряд спрощень
Характер реального руху тіла в полі тя-
жіння Землі є досить складним, і його описування виходить за межі шкільної програми. Тому приймемо низку спрощень: 1) систему відліку, пов’язану з точкою на
поверхні Землі, вважатимемо інерціальною; 2) розглядатимемо переміщення тіл поблизу поверхні Землі, тобто на невеликій (порівняно з її радіусом) відстані. Тоді кривизною поверхні Землі та зміною прискорення вільного падіння можна знехтувати; інакше кажучи, Землю будемо вважати «пласкою», а прискорення вільного падіння незмінним: g =≈ 98 10 22 , м с м с ; 3) опором повітря будемо нехтувати.
Зверніть увагу: якщо прийняти тільки перші два спрощення, отриманий результат буде дуже близьким до реального; останнє ж спрощення не дає серйозної похибки тільки
у випадках, коли тіла важкі, невеликі за розмірами, а швидкість їхнього руху досить мала. Саме такі тіла ми розглядатимемо далі.
вивчаємо рух тіла, кинутого вертикально Спостерігаючи за рухом невеликих важких тіл, які кинуті вертикально вниз, вертикально вгору або
2
Щоб математично описати рух тіла, кинутого вертикально вгору
вниз (вільне падіння тіла), скористаємося формулами залежності швидкості, переміщення та координати від часу для рівноприскореного прямолінійного руху.
Підійдемо до запису формул, які описують вільне падіння, «технічно».
1. Описуючи рух тіла по вертикалі, вектори швидкості, прискорення та переміщення традиційно проектують на вісь OY, тому в рівняннях руху замінимо х на у.
2. Переміщення тіла по вертикалі зазвичай позначають символом h (висота), тому замінимо s на h.
3. Для всіх тіл, які рухаються тільки під дією сили тяжіння, прискорення дорівнює прискоренню вільного падіння, тому замінимо a на g. З огляду на зазначені заміни отримаємо рівняння, якими описують рух тіла, що вільно падає:
Назва формули
Рівноприскорений рух уздовж осі OX
Вільне падіння уздовж осі OY
Рівняння залежності проекції швидкості від часу vv at xx x =+ 0 vv
Рівняння залежності проекції
Формула, яка виражає геометричний зміст переміщення
Формула для розрахунку проекції переміщення, якщо невідомий час руху тіла
Задача 1. Повітряна куля рівномірно піднімається зі
Знайти: t ? v ?
hh y == 7 м; vv y 00 2=−=− м/с; gg y == 10 м/с2. Підставимо ці дані в рівняння переміщення: 72 55 27 0 22 =− +⇒ = tt tt .
Швидкість руху в момент падіння визначимо за формулою vv gt yy y =+ 0 .
Ураховуючи, що vv y 00 2=−=− м/с; gg y == 10 м/с2, маємо: vt y =− + 210 . Оскільки час падіння t = 14 , с, то vy =− +⋅ = 2101 41 2, (м/с).
Відповідь: t = 14 , с; v = 12 м/с.
Задача 2. Із точок A і B, розташованих на одній вертикалі
на відстані 105 м одна від одної (див. рисунок), кидають два тіла з однаковою швидкістю 10 м/с. Тіло 1 кидають із точки A
вертикально вниз, а через 1 с із точки B кидають вертикально вгору тіло 2. На якій відстані від точки A тіла зустрінуться?
Аналіз фізичної проблеми. Обидва тіла рухаються прямолінійно з прискоренням ag = . У момент зустрічі координати тіл будуть однакові: yy12 = . Отже, для розв’язання задачі слід записати рівняння координати для кожного тіла. Домовимося, що початок координат збігається з поло-
женням тіла 2 y02 0 = () , тоді початкова координата тіла 1 105 м ( y01 105 = м). Час руху тіла 2 на 1 секунду менший від часу руху тіла 1, тобто tt21 1 =− с.
Пошук математичної моделі, розв’язання. Запишемо рівняння координати в загальному вигляді та конкретизуємо його для кожного тіла: yy vt t y g y =+ + 00 2 2 . Тіло 1 Тіло 2 y01 105 = м; vv y 0101 10=−=− м/с; gg y =−=−10 м/с2 (початкова швидкість і прискорення напрямлені
Доведіть, що після розкриття дужок і зведення подібних доданків отримаємо рівняння 30120 1t = .
Отже, t1 4 = с час зустрічі. Через 4 с тіло 1 опиниться в точці з координатою y1 2 10510 45 415 =− ⋅− ⋅= (м).
Таким чином, тіла зустрінуться на відстані h =+ = 10515120 (м) від точки A (див. рисунок).
Відповідь: h = 120 м.
рис. 34.2. Горизонтально спрямований струмінь води має форму параболи, вигляд якої залежить
3
розглядаємо рух тіла, кинутого горизонтально Якщо
трубки з наконечником створити струмінь води і спрямувати його горизонтально, побачимо, що траєкторія руху частинок води парабола (рис. 34.2). Параболою буде й траєкторія руху м’ячика для пінг-понгу, якщо йому надати горизонтальної швидкості, й траєкторія кинутого горизонтально камінця тощо. Розглянемо рух тіла, кинутого горизонтально, як результат додавання двох рухів (рис. 34.3):
1) рівномірного — уздовж осі OX, оскільки на тіло вздовж цієї осі не діє жодна сила (проекція сили тяжіння на вісь OX дорівнює нулю); 2) рівноприскореного (з п рискоренням g ) уздовж осі OY, оскільки уздовж осі OY на тіло діє сила тяжіння.
Уздовж осі OX тіло рухається рівномірно, тому швидкість vx руху тіла є незмінною і дорівнює початковій швидкості v0, а дальність l польоту тіла за час t дорівнює добутку початкової швидкості v0 і часу t руху тіла: vv x = 0 ; lv t = 0 Уздовж осі OY тіло вільно падає, тому швидкість
рис.
Модуль швидкості руху тіла в довільній
точці траєкторії обчислимо, скориставшись
теоремою Піфагора: vv v xy=+22 (рис. 34.4).
Оскільки vv x = 0 , а vgt y = , маємо: vv gt =+ 0 22 2
Задача 3. Із прямовисної скелі заввишки 20 м у море горизонтально кинули камінь. Із якою швидкістю кинули камінь, якщо він упав у воду
на відстані 16 м від скелі? Яка швидкість руху каменя в момент падіння в море? Опором повітря знехтуйте. Аналіз фізичної проблеми. Початкова швидкість руху каменя напрямлена горизонтально. Камінь вільно падає. Отже, рух тіла вздовж осі OX рівномірний, а вздовж осі OY рівноприскорений, без початкової швидкості, з прискоренням g .
Дано: h = 20 м l = 16 м g = 10 м/с2 Пошук
Знайти: v0 ? v ?
розв’язання Із формули h gt = 2 2 визначимо час падіння: tt h g h g 2 22 =⇒ = . Знаючи час і дальність польоту
обчислимо початкову швидкість його руху та швидкість у момент падіння: lv tv l t =⇒ = 00 ; vv gt =+ 0 22 2 . Перевіримо одиниці, знайдемо значення шуканих величин: t [] == мс м с 2 , t == 220 10 2 (с); v0 16 2 8 == м с мс / ; v [] == м с м с 2 2 , v =+ ⋅= +≈ 8102 64 40022 22 2 (м/с).
Відповідь: v0 8 = м/с; v ≈ 22 м/с.
Контрольні запитання
1. Які спрощення ми приймаємо, розв’язуючи задачі на рух тіл під дією сили тяжіння? 2. Запишіть рівняння руху тіла під дією сили тяжіння в загальному вигляді. 3. Якою є траєкторія руху тіла, кинутого вертикально? горизонтально? 4. Як для тіла, кинутого горизонтально, визначити дальність польоту? висоту падіння? модуль швидкості руху тіла в будь-якій точці траєкторії?
вправа № 34 Виконуючи завдання, вважайте, що
1. Одне тіло кинули вертикально
2.
3.
м’яча.
4. Із даху будинку на висоті 45 м випущено горизонтально стрілу з початковою швидкістю 20 м/с. Через який інтервал часу стріла впаде на землю? Якими будуть дальність польоту та переміщення стріли?
5. Дві кульки розміщено на одній вертикалі на відстані 10 м одна від одної. Одночасно верхню кульку кидають вертикально вниз із початковою швидкістю 25 м/с, а нижню просто відпускають. Через який час кульки зіткнуться?
6. На рисунку зазначено положення кульки через кожну 0,1 с руху. Визначте прискорення вільного падіння кульки, якщо сторона кожного квадрата сітки 5 см.
7. Від бурульки на даху відірвалася краплина. Який шлях подолає краплина за четверту секунду після моменту відриву?
8. Скориставшись даними задачі 2, розглянутої в пункті 2 § 34, визначте шлях, який подолало кожне тіло до зустрічі.
9. Установіть відповідність між силою і формулою для її визначення. 1 Сила тяжіння 2 Сила Архімеда 3 Сила тертя 4 Сила пружності А Fmg = Б Fkx = В FN =µ Г FpS = Д FgV =ρ
Експериментальне завдання Покладіть
— видатний український радянський фізик, академік, науковий
сил, з якими ви ознайомилися в курсі механіки 7 класу, формули
Сила тяжіння Fтяж
сила, з якою Земля притягує
до себе тіла, що перебувають
на її поверхні
або поблизу неї
Fmg
тертя ковзання Fтертя
сила, яка виникає внаслідок
ковзання одного тіла по поверхні іншого
сила, яка виникає під час деформації тіла
виштовхувальна сила, яка діє на тіло, занурене в рідину або газ
напрямлена протилежно видовженню і діє вздовж шнура або пружини
напрямлена вертикально вгору і прикладена до центра зануреної частини тіла
2.
4.
5.
рівняння другого закону Ньютона у векторному вигляді та в проекціях на осі координат. Запишіть формули для обчислення сил. Одержавши систему рівнянь, розв’яжіть її відносно невідомої величини. Якщо в задачі є додаткові умови, використайте їх. 6. Перевірте одиницю та знайдіть числове значення шуканої величини. Проаналізуйте результат, запишіть відповідь.
Під час розв’язування задач систему відліку будемо пов’язувати з точкою, нерухомою відносно поверхні Землі (тобто тіло рухається, а осі координат залишаються нерухомими); тіло вважатимемо матеріальною точкою, тому всі сили будемо зображати прикладеними до однієї точки.
Задача 1. Дерев’яний брусок масою 200 г рівномірно тягнуть горизонтальною поверхнею за допомогою пружини жорсткістю 40 Н/м. Визначте видовження пружини, якщо коефіцієнт тертя ковзання 0,25.
Аналіз фізичної проблеми. Щоб визначити видовження пружини, слід знати силу пружності, яку знайдемо, скориставшись другим законом Ньютона. Слід урахувати, що
брусок тягнуть рівномірно, тому прискорення його руху дорівнює нулю.
Виконаємо пояснювальний рисунок, на якому зобразимо сили, що діють на тіло, і напрямки осей координат.
Дано:
m = 200 г = 0,2 кг
k = 40 Н/м
µ= 5,02
g = 10 м/с2
Пошук математичної моделі, розв’язання Запишемо другий закон Ньютона у векторному вигляді: mg FN F
++ +=тертяпруж 0 . Знайдемо
Задача 2. Обчисліть гальмівний шлях і час гальмування автомобіля, якщо він рухався прямою горизонтальною ділянкою дороги й перед початком гальмування мав швидкість 54 км/год. Коефіцієнт тертя ковзання гуми по бетону 0,75.
Аналіз фізичної проблеми. Щоб визначити гальмівний шлях і час гальмування автомобіля, необхідно знати прискорення його руху. Прискорення знайдемо, скориставшись другим законом Ньютона. Виконаємо пояснювальний рисунок, на якому зазначимо сили, що діють на автомобіль, напрямки осей координат, початкової швидкості, переміщення та прискорення (автомобіль зупиняється, тому кінцева швидкість його руху дорівнює нулю, а напрямок прискорення протилежний напрямку руху).
Дано:
v0 54 = км/год = = 15 м/с µ= 07 5, v = 0 g = 10 м/с2 Пошук математичної моделі, розв’язання Згідно з другим законом Ньютона: mg FN ma ++ = тертя . Знайдемо проекції сил і прискорення на осі ОХ і ОY, запишемо формулу для обчислення сили тертя ковзання:
Знайти: s ? t ?
OX: −=Fma тертя (оскільки mg x = 0 , Nx = 0 ), OY: Nmg−= 0 (оскільки F y тертя = 0 , ay = 0 ), FN тертя =µ . Розв’язавши систему рівнянь, знайдемо a: NmgF mgmgma ag =⇒ =⇒ =⇒ = тертя µµ µ .
Гальмівний шлях і час руху визначимо, скориставшись формулами: sx vv a xx x = 2 0 2 2 ; vv at xx x =+ 0 .
Урахувавши, що vx = 0 ; vv x 00 = ; aa x =− ; ss x = , маємо: s v a = 0 2 2 ; 0 0 =−va t . Отже, va tt v a 0 0 =⇒ = . З огляду на те що
Розділ V.
Аналіз фізичної проблеми
Вага тіла це сила, яка діє на
опору ліфт. Виявити всі сили, які
діють на ліфт, досить складно. А ле за третім законом Ньютона PN = (з якою
силою тіло діє на опору, з такою самою силою опора діє на тіло).
Отже, нам слід визначити силу нормальної реакції опори, яка діє на людину під час кожного виду руху ліфта. Виконаємо пояснювальні рисунки, на яких зазначимо сили, що діють на людину, напрямок прискорення і напрямок осі OY.
Дано: m = 70 кг a1 02 = , м/с2 a2 0 = g = 10 м/с2 Пошук математичної моделі, розв’язання Запишемо другий закон Ньютона для кожного випадку та знайдемо
Знайти: PP 12 ?
OY. 1. Рух рівноприскорений: Nmgma 11 += ; OY: NmgmaN mamg ma g 11 11 1 −= ⇒= += + () .
Отже, Pm ag11=+() .
2. Рух рівномірний: Nmg 2 0 += ; OY: NmgN mg 22 0 −= ⇒= . Отже, Pmg 2 = . Знайдемо значення шуканих величин: P1 70 02 10714=+() = , (Н); P2 7010700=⋅ = (Н); PP 12 14 −= Н. Відповідь: PP 12 14 −= Н.
Задача 4. Автомобіль масою 4 т рухається на гору, сповільнюючи свій рух. Визначте силу тяги автомобіля, якщо ухил гори становить 0,02, а коефіцієнт опору рухові дорівнює 0,04. Прискорення автомобіля 0,15 м/с2. Зверніть увагу! Ухил синус кута α нахилу полотна дороги до горизонту. Якщо ухил є малим (меншим від 0,1), то cos α ≈ 1. Коефіцієнт опору рухові m враховує всі види тертя: тертя кочення, ковзання в осях тощо. Сила опору напрямлена протилежно руху тіла
Fтяги = 18 , кН.
Замість підсумків Ви ознайомились із розв’язуванням деяких задач на рух тіл під дією кількох сил. Звичайно, розглянути в межах підручника всі типи таких задач неможливо, та й не потрібно. Головне у вас є а лгоритм розв’язання й приклади роботи з цим а лгоритмом. Решта за вами. Отже, розв’язуючи будь-яку за дачу з динаміки, спочатку виконайте пояснювальний рисунок, зазначте сили, запишіть рівняння другого закону Ньютона, виберіть систему відліку, знайдіть проекції. Звичайно, слід знати, як напрямлені сили, коли вони виникають і за якими формулами визначаються. А далі, навіть якщо ви відразу не бачите всього ходу розв’язання задачі, нічого страшного. Ви обов’язково знайдете якусь величину, знання якої допоможе вам побачити подальший хід розв’язання. Можна навіть сказати так: «Якщо не знаєш, як розв’язувати задачу, то почни її розв’язувати». Не потрібно боятися зробити хибний крок. Той не перемагає, хто не вміє програвати. Навчитися розв’язувати задачі з фізики може кожен, потрібно тільки їх розв’язувати!
вправа № 35
1. Під час старту
2.
3.
4. Вантаж масою 10 кг і об’ємом 1 дм3
із води за
мотузки. Визначте силу натягу мотузки, якщо вантаж рухається з прискоренням 2 м/с2. Опором води знехтуйте.
5. Лижник масою 60 кг зупинився через 40 с після закінчення спуску. Визначте силу тертя, що діяла на лижника, і коефіцієнт тертя ковзання, якщо швидкість руху лижника наприкінці спуску становила 10 м/с.
6. Автомобіль масою 3 т рухається з гори, розвиваючи силу тяги 3000 Н. Визначте, з яким прискоренням рухається а втомобіль, якщо коефіцієнт опору рухові дорівнює 0,04, а ухил становить 0,03.
7. Тіло масою m1 1 = кг ковзає горизонтальною поверхнею під дією тягаря масою m2 250 = г (див. рисунок).
Дана система тіл рухається з прискоренням 1,5 м/с2. Визначте коефіцієнт тертя між тілом і поверхнею.
Історія поняття імпульсу У XIV ст. французький філософ і механік Жан Буридан (1300–1358) розширив відоме у філософії поняття «impetus» (поштовх до чого-небудь, спонукання) для пояснення причини руху тіл. Він писав: «Людина, яка кидає камінь, рухає свою руку разом із ним, а під час стрільби з лука тятива деякий час рухається разом зі стрілою, штовхаючи стрілу… Поки те, що штовхає, контактує з тілом, тіло безпе-
рервно набуває impetus, тому
його рух стає все швидше…
Після відриву тіло рухається тільки завдяки impetus, який
через опір середовища послаб-
люється, і швидкість руху
тіла зменшується».
1 Дізнаємося, за яких умов систему можна вважати замкненою Декілька тіл, що взаємодіють одне з одним, утворюють систему тіл. Сили, які характеризують взаємодію тіл системи між собою, називають внутрішніми силами системи. Систему тіл називають замкненою (ізольованою), якщо на тіла не діють зовнішні сили, а будь-які зміни стану системи є результатом дії внутрішніх сил. Точно кажучи, на Землі неможливо знайти замкнену систему тіл:
§ 36. Взаємодія
з якими «осколки» відштовхуються, тому
під час вибуху систему тіл «осколки» можна вважати замкненою. А от після вибуху притяганням Землі й опором повітря нехтувати не можна і система тіл «осколки» буде незамкненою.
Якщо людина штовхає ядро, стоячи на легкорухомому візку (рис. 36.1, б ), то систему тіл «людина на візку ядро» можна вважати
замкненою, а дже силу тяжіння зрівноважує сила нормальної реакції опори, а сила тертя кочення є незначною. Якщо ж людина штовхає ядро, стоячи на землі, то система тіл «лю-
дина ядро» є незамкненою, бо сила тертя є порівнянною із силою взаємодії людини і ядра.
2
визначаємо імпульс тіла
Згадаємо формулу для визначення при-
скорення: a vv t = 0 і запишемо
деякої векторної величини
причиною зміни швидкості руху кожного тіла є тільки сили F1 і F2 внутрішні сили системи. Відповідно до третього закону Ньютона ці сили рівні за модулем і протилежні за напрямком: FF 12 =− . Запишемо для кожного тіла другий закон Ньютона: Ft mvmv11 11 01 =− ;
Ft mvmv22 22 02 =− . Оскільки Ft Ft12 =− , маємо: mvmv mvmv 11 1012 22 02
системі тіл векторна сума імпульсів тіл до взаємодії дорівнює векторній сумі імпульсів тіл після взаємодії.
ється для замкненої системи, яка містить будь-яку кількість тіл,
закон збереження імпульсу записується так:
вважати замкненою, а дже сили тертя в
ють під час пострілу. Оберемо систему відліку, пов’язану з поверхнею Землі. Виконаємо пояснювальний рисунок, на якому позначимо напрямки швидкостей руху тіл до і після взаємодії та напрямок осі ОХ: m1 До пострілу v0 0 = X X O O Після пострілу m1
v 1 100 = м/с m 1 20 = кг m 2 3210=⋅ кг vv 01 02 0 ==
Знайти: v2 ?
Скориставшись рисунком, спроектуємо одержане рівняння
Перевіримо одиницю, знайдемо значення шуканої величини:
Відповідь: v2 1 = м/с.
підбиваємо підсумки
Імпульс тіла p це векторна фізична величина, яка дорівнює добутку маси m тіла на швидкість v його руху: pm v = . Систему тіл можна вважати замкненою, якщо зовнішні сили, які діють на систему, зрівноважені або набагато менші за внутрішні сили системи. У замкненій системі тіл виконується закон збереження імпульсу: геометрична сума імпульсів
вправа № 36
1. Футболіст веде м’яч масою 4,5 кг, рухаючись зі швидкістю 4 м/с відносно поверхні Землі. Визначте імпульс м’яча відносно: а) поверхні Землі; б) футболіста, який веде м’яч; в) іншого футболіста, який біжить назустріч м’ячу зі швидкістю 5 м/с.
2. Куля масою 100 г, яка рухається з деякою швидкістю, влучає в нерухому кулю масою 150 г і застрягає в ній (рис. 1). Визначте швидкість руху кулі до зіткнення, якщо після зіткнення система рухалася зі швидкістю 10 м/с.
3. Складіть і розв’яжіть задачу за даними рис. 2.
m1 = 10 кг
До зіткнення
m2 = 8 кг
v1 = 20 м/с v2 = 5 м/с
2
m1 = 10 кг Після зіткнення m2 = 8 кг v1 = 10 м/с v2 ?
4. Із човна масою 200 кг, який рухається зі швидкістю 2 м/с, стрибає хлоп-
швидкість руху човна після стрибка, якщо хлопчик стрибає: а) з корми човна горизонтально, в бік, протилежний рухові човна; б) з носа човна горизонтально, в напрямку руху човна; в) з носа човна під кутом 60° до горизонту, в напрямку руху човна.
5. Багато хто знайомий із ситуацією: човен наблизився до берега, а людина в човні, не дочекавшись, коли човен пришвартують, встала та пішла вперед у результаті човен відпливає від берега назад (рис. 3). Поясніть цю ситуацію з погляду закону збереження імпульсу. Визначте відстань s, на яку відпливе човен від
берега, якщо маса людини 70 кг, маса човна 130 кг, довжина l = 4 м. Опором води знехтуйте. 6. Порівняйте ваш імпульс
1
Завдяки чому можуть рухатися люди, автомобілі, тварини? Чому літають планери, птахи, метелики?
Чому плавають риби, катери, підводні човни? Відповідь є простою: всі перелічені тіла від чогось
відштовхуються: людина, тварина, автомобіль —
від поверхні Землі; планери, птахи, метелики —
від повітря; риби та катери — від води. А як пояснити рух космічного літального апарата, адже він не має можливості від чогось відштовхнутися?
Проте космічні кораблі літають у відкритому космосі, виконують маневри, повертаються на Землю.
Від чого ж вони відштовхуються? З’ясуємо.
Дізнаємося про реактивний рух
Проведемо невеликий дослід. Надуємо повітряну кульку і, не стягаючи її отвір ниткою, відпустимо. Кулька почне рухатись, і рухатиметься доти, поки з отвору виривається повітря. У цьому випадку ми маємо справу з реактивним рухом (рис. 37.1).
реактивний рух — це рух, що виникає
внаслідок відділення з деякою швидкістю від тіла якоїсь його частини.
Основою реактивного руху є закон збереження імпульсу. Повернемося до досліду з кулькою. Якщо отвір кульки закритий, вона перебуває в спокої й імпульс системи «кулька повітря» дорівнює нулю.
Якщо отвір відкрити, то повітря почне вириватися назовні з досить великою швидкістю, тобто набуде певного імпульсу: pm v пп п = . Сама кулька теж набуде імпульсу: pm vкк к = , напрямленого в бік, протилежний імпульсу повітря. Уявімо,
рис. 37.1. Рух кульки під дією повітря, що виривається з отвору, — це реактивний рух
Прообразом с учасних р еактивних д вигунів
можна вважати «кулю Герона», або «еоліпіл». Цей пристрій був створений у I ст. видатним давньогрецьким математиком і механіком Героном з Александрії. Пара, що виходить із закріплених на кулі зігнутих трубочок (сопел), змушує кулю обертатися.
Знак «–» свідчить про те, що кулька рухається в напрямку, протилежному напрямку руху повітря. Розглянемо ще один приклад віддачу автомата, який робить n пострілів за секунду. Позначимо масу однієї кулі mк , а її швидкість у момент вильоту з дула v . Загальний імпульс, якого набувають кулі за секунду (швидкість зміни імпульсу), становитиме nm v ⋅ к . Сила F , яка діє на кулі, дорівнює швидкості зміни імпульсу куль: Fn mv =⋅ к .
Згідно з третім законом Ньютона така сама за модулем сила, а ле напрямлена протилежно, діє й на автомат. Аналогічно
її сопла викидається газ.
2
вивчаємо реактивний рух ракети Ракета літальний апарат, який переміщується в просторі завдяки реактивній тязі, що виникає внаслідок відкидання ракетою частини власної маси. Відокремлюваною частиною ракети є струмінь гарячого газу, який утворюється в ході згоряння палива. Коли газовий струмінь із величезною швидкістю викидається із сопла ракети, то оболонка ракети одержує потужний імпульс, напрямлений у бік, протилежний швидкості руху струменя (рис. 37.2). Двигун ракети це тепловий двигун. Що в цьому двигуні слугує нагрівником? робочим тілом? холодильником? Уявімо неймовірний варіант: у момент старту все паливо ракети
§ 37. Реактивний
Якщо припустити, що маса палива в 4 рази
більша за масу оболонки ( mm газу об = 4 ), а швидкість струменя газу vгазу = 2 км/с (приблизно з такою швидкістю із сопла ракети виривається розпечений газ), одержимо швидкість руху оболонки ракети: vv об газу ==48 км/с*. Отже, якби паливо ракети згоряло миттєво, а руху ракети нічого не заважало б, то швидкість, набрана ракетою, була б достатньою для того, щоб вивести ракету на орбіту Землі. Однак у реальності паливо згоряє поступово, а на рух ракети
помітно впливає опір повітря. Розрахунки
показують, що для досягнення необхідної швидкості маса палива має у 200 разів перевищувати масу оболонки, а це нереально реалізувати технічно.
(12 квітня 1961 р.)
Ще на початку XX ст. було доведено, що одноступенева ракета не зможе покинути Землю. Це можливо тільки за допомогою багатоступеневих ракет: у таких ракетах ступені зі спорожнілими паливними резервуарами відкидаються в польоті (потім вони згоряють в атмосфері через тертя об повітря). При цьому маса ракети зменшується, відповідно збільшується швидкість її руху. Зазначимо, що всі ракети-носії космічних апаратів, як найперші, так і ті, що використовуються зараз, є багатоступеневими. На рис. 37.3 подано триступеневу ракету-носій «Восток». Вона складається із чотирьох бічних блоків (І ступінь), розташованих навколо центрального блока (ІІ ступінь). Космічний а парат установлюється на ІІІ ступені, під головним обтічником, який за хищає його під час польоту в щільних шарах атмосфери. Кожний блок оснащений власними реактивними двигунами. 12 квітня 1961 р. ракета-носій «Восток» вивела на орбіту космічний корабель «Восток», на борту якого був перший у світі космонавт Ю. О. Гагарін (рис. 37.4). Цей політ був здійснений за ініціативою та під керівництвом видатного конструктора С. П. Корольова (1907–1966), уродженця м. Житомира.
Контрольні запитання 1. Дайте означення реактивного руху. 2. Опишіть досліди зі спостереження реактивного руху. 3. Запишіть закон збереження імпульсу для руху ракети, припустивши, що все ї ї паливо згоряє миттєво в
для запускання космічних кораблів
вправа
№ 37
1. «Сеґнерове колесо» (рис. 1) пристрій, винайдений механіком Яношем Андрашем Сеґнером (1704–1777), зараз застосовують для поливання газонів. Розгляньте рис. 1 і поясніть, як працює цей пристрій. Чи можна «сеґнерове колесо» вважати реактивним двигуном? Обґрунтуйте свою відповідь.
2. Швидкість стрільби скорострільного кулемета, який ви, можливо, бачили у фільмі «Матриця», сягає 10 000 пострілів за хвилину; він випускає кулі масою 10 г зі швидкістю 600 м/с. Якою є сила віддачі такої зброї? Чи дійсно можна стріляти, тримаючи її в руках?
3. Від ракети, що рухалася зі швидкістю 2,4 км/с, відокремився перший ступінь, маса якого становила чверть маси ракети. З якою швидкістю почала рухатися ракета, якщо швидкість руху першого ступеня після відділення дорівнює 900 м/с відносно ракети.
4. Скористайтеся додатковими джерелами інформації та дізнайтеся про українських космонавтів.
5. Скористайтеся додатковими джерелами інформації та дізнайтеся, як рухається кальмар; які ще істоти використовують реактивний рух; де ще можна спостерігати реактивний рух у природі.
Експериментальне завдання
Із пластикової пляшки та трубочок для коктейлю виготовте «сеґнерове колесо» (рис. 2) і перевірте, як
(1906–1966) — академік, всесвітньо відомий
Рис. 1
Рис. 2
1
енергії, адже ці закони можна використовувати й тоді, коли сили, які діють у системі, є невідомими. Отже, згадаємо, які існують види механічної енергії, та розв’яжемо декілька задач на застосування законів збереження.
Згадуємо про механічну енергію
Енергія (від. грецьк. «діяльність») — це фізична величина, яка є загальною мірою руху та взаємодії всіх видів матерії.
Енергію позначають символом E (або W ). Одиниця енергії
Кінетична енергія Ek енергія, зумовлена рухом тіла
Потенціальна енергія E p енергія, зумовлена взаємодією тіл або частин тіла Ek mv = 2 2
m — маса тіла v — модуль швидкості руху тіла v
E p
піднятого тіла: Emgh p =
m — маса тіла h — висота відносно нульового рівня
E p пружно деформованої пружини (шнура): E p kx = 2 2
k — жорсткіть пружини (шнура) x — видовження
реження.
2 Згадуємо алгоритм розв’язування задач
механічної енергії
1. Уважно прочитайте умову задачі. З’ясуйте, чи є система замкненою, чи можна знехтувати дією сил
задачі.
2. Виконайте пояснювальний рисунок, на якому зазначте нульовий рівень, початковий та кінцевий стан тіла (системи тіл).
3. Запишіть закон збереження і перетворення механічної енергії. Конкретизуйте цей запис, скориставшись даними, наведеними в умові задачі, та відповідними формулами для визначення енергії.
4. Розв’яжіть отримане рівняння відносно невідомої величини. Перевірте її одиницю та визначте числове значення.
5. Проаналізуйте результат, запишіть відповідь.
Оскільки закон збереження механічної енергії значно спрощує розв’язання багатьох практичних за дач, розглянемо а лгоритм розв’язування подібних задач на конкретному прикладі.
Задача 1. Учасник атракціону з банджіджампінгу здійснює стрибок з моста (див. рисунок). Якою є жорсткість гумового канату, до якого прив’язаний спортсмен, якщо під час падіння шнур розтягнувся від 40 до 100 м? Маса спортсмена 72 кг, початкова швидкість його руху дорівнює нулю. Опором повітря знехтуйте. Аналіз фізичної
Знайти: k ?
найнижче положення спортсмена (шнур розтягнений максимально, швидкість руху спортсмена дорівнює 0). Запишемо закон збереження механічної енергії. l0 l l – l0 v = 0 Після 0 0 v0 = 0 h До
Ek 0 0 = (оскільки v0 0 = );
Emgh p 0 = , де hl = довжина розтягнутого шнура
Ek = 0 (оскільки v = 0 );
E p kx = 2 2 , де xl l =− 0 видовження шнура
Отже, маємо: 00 0 2 2 += + ( ) mgl kl l . Остаточно отримуємо: k mgl ll = ( ) 2 0 2 .
Перевіримо одиницю, знайдемо значення шуканої величини: k [] == кг мс м м Н м / 2 2 ; k = ( ) == 27210 100 100 40 272 1000 3600 2 40 (Н/м).
Відповідь: k = 40 Н/м.
3
розв’язуємо задачу, одночасно застосовуючи закон збереження механічної енергії та закон збереження імпульсу
Чи грали ви в більярд? Спробуємо описати один із випадків зіткнення більярдних куль, а саме пружний центральний удар зіткнення, під час якого втрати механічної
швидкості руху куль до і після удару напрямлені вздовж
самостійно.
Аналіз результатів. Бачимо, що кулі «обмінялися» швидкостями: куля 1 зупинилась, а куля 2 набула швидкості кулі 1 до зіткнення.
Зазначимо: в разі пружного центрального удару двох тіл однакової маси ці тіла «обмінюються» швидкостями незалежно від того, якими були початкові швидкості руху тіл.
Відповідь: v1 0 = ; v2 5 = м/с. 4
важке тіло. З’ясуємо, як визначити швидкість руху
скористатися не можна, оскільки присутня сила тертя. Коли куля вже зупинила рух усередині бруска і він почав відхилятися, то можна знехтувати дією сили опору повітря та скористатися законом збереження механічної енергії для системи «Земля брусок». А от імпульс бруска буде зменшуватись, оскільки дія стрижнів уже не компенсує дію Землі.
Дано:
m = 05 , г = 05 10 3 , кг M = 300 г = 0,3 кг h = 5,12 см = 0,0125 м Пошук математичної моделі, розв’язання Запишемо закон збереження імпульсу для положень 1 і 2 (див. рисунок), взявши до уваги, що в положенні 1 брусок перебуває в спокої, а в положенні 2
Знайти: v0 ? mv mM v 0 =+() ⇒ v mM v m 0 = ( ) +⋅ (1). Запишемо закон збереження механічної
кретизуємо його: EE EE kp kp 2233 += + . Ek mM v 2 2 2 = ( ) +⋅ ; Ek 3 0 = (брусок зупинився); E p 2 0 = (брусок на нульовому рівні). EM mgh p 3 =+() . Отже: mM v Mm gh +⋅ ( ) =+() 2 2 .
Після скорочення на Mm + () отримаємо: v gh 2 2 = , або vgh = 2 (2).
Підставивши вираз для швидкості (2) у формулу (1), отримаємо формулу для визначення швидкості
частину механічної енергії, якщо зовнішні сили виконають від’ємну
(наприклад, велосипед зупинився через дію сили тертя). А от
енергія (сума енергій, яку мають тіла системи та частинки, з яких ці тіла складаються) завжди залишається незмінною. Закон збереження енергії — це загальний закон Всесвіту.
вправа № 38 Виконуючи завдання 2–4, опором
1. Вантаж масою 40 кг скинули з літака. Після того як на висоті 400 м швидкість руху вантажу досягла 20 м/с, він почав рухатися рівномірно. Визначте: 1) повну механічну енергію вантажу на висоті 400 м; 2) повну механічну енергію вантажу в момент приземлення; 3) енергію, на яку перетворилася частина механічної енергії вантажу.
2. Кульку кинули горизонтально з висоти 4 м зі швидкістю 8 м/с. Визначте швидкість руху кульки в момент падіння. Розв’яжіть задачу двома способами: 1) розглянувши рух кульки як рух тіла, кинутого горизонтально; 2) скориставшись законом збереження механічної енергії. Який спосіб у даному випадку зручніший?
3. Пластилінова кулька 1 масою 20 г і втричі більша за масою кулька 2 підвішені на нитках. Кульку 1 відхилили від положення рівноваги на висоту 20 см і відпустили. Кулька 1 зіштовхнулася з кулькою 2 і прилипла до неї (рис. 1). Визначте: 1) швидкість руху кульки 1 до зіткнення; 2) швидкість руху кульок після зіткнення; 3) максимальну висоту, на яку піднімуться кульки після зіткнення.
4. Кулька масою 10 г вилітає з пружинного пістолета, влучає в центр підвішеного на нитках пластилінового бруска масою 30 г і прилипає до нього. На яку висоту підніметься брусок, якщо перед пострілом пружина була стиснута на 4 см, а жорсткість
тема. Вивчення закону збереження механічної енергії.
Мета: переконатися на досліді, що повна механічна енергія замкненої системи тіл залишається незмінною, якщо в системі діють тільки сили тяжіння та сили пружності. обладнання: штатив із муфтою та лапкою, динамометр, набір тягарців, лінійка завдовжки 40–50 см, гумовий шнур завдовжки 15 см із покажчиком і петельками на кінцях, олівець, міцна нитка. теоретичні відомості Для виконання роботи можна використати експериментальну установку, зображену на рис. 1. Попередньо позначивши на лінійці положення покажчика у випадку ненавантаженого шнура (позначка 0), до петлі шнура підвішують тягарець, який потім відтягують униз (стан 1), надаючи шнуру деякого видовження x1 (рис. 2). У стані 1 повна механічна енергія системи «шнур тягарець Земля» дорівнює потенціальній енергії розтягненого шнура: E kx Fx 1 1 2 11 22 == , (1)
де Fkx11 = модуль сили пружності шнура за
його розтягнення на x1.
Далі тягарець відпускають і відзначають положення покажчика в той момент, коли тягарець досягне максимальної висоти (стан 2). У цьому стані
повна механічна енергія системи дорівнює сумі потенціальної енергії піднятого на висоту h тягарця й потенціальної енергії розтягнутого шнура: Emgh Ph kx Fx 2 2 2 22 22 =+ =+ , (2)
де Fkx22 = модуль сили пружності шнура за умови його розтягнення
3. Зберіть установку, як показано на рис. 1.
4.
Експеримент Суворо дотримуйтесь інструкції з безпеки (див. форзац підручника). Результати вимірювань відразу заносьте до таблиці.
1. Визначте за допомогою динамометра вагу P тягарця.
2. Підвісьте тягарець до петельки. Відтягнувши тягарець униз, позначте на лінійці положення покажчика, біля позначки поставте цифру 1.
3. Відпустіть тягарець. Помітивши положення покажчика в момент, коли тягарець сягнув найбільшої висоти, поставте у відповідному місці позначку 2. Зверніть увагу: якщо позначка 2 розташується вище, ніж позначка 0, дослід необхідно повторити, зменшивши розтягнення шнура та відповідно змінивши положення позначки 1. 4. Виміряйте сили пружності F1 і F2, які виникають у гумовому шнурі в разі його розтягнення на x1 і x2 відповідно. Для цього зніміть тягарець і, зачепивши петлю шнура гачком динамометра, розтягніть шнур спочатку до позначки 1, а потім до позначки 2.
6. Вимірявши відстані між відповідними позначками, визначте видовження x1 і x2 гумового шнура, а також максимальну висоту h підйому тягарця (див. рис. 2).
7. Повторіть дії, описані в пунктах 1–6, підвісивши до шнура два тягарці разом.
Номер досліду
1 2
Вага тягарця P, Н
Видовження шнура
пружності Висота підйому h, м
опрацювання результатів експерименту 1. Для кожного досліду визначте: 1) повну
Повна механічна енергія
За формулою ε= 1
+ творче завдання Візьміть невелику кульку
гумовий шнур і, тримаючись за кульку, із силою потягніть шнур униз. Виміряйте видовження шнура. Відпустіть кульку. Виміряйте висоту, на яку піднялась кулька. Визначте жорсткість шнура та обчисліть цю висоту теоретично. Порівняйте результат обчислення з результатом експерименту.
всесвітом. Усі об’єкти Всесвіту та
різні рівні: мікросвіт, макросвіт, мегасвіт. Об’єкти кожного рівня Всесвіту передусім відрізняються масою та розмірами: Структурні рівні Всесвіту Мікросвіт Макросвіт Мегасвіт
Світ молекул, атомів та їхніх складників
Світ речовин, живих істот, макротіл
10–10–107
Світ планет, зір, зоряних скупчень галактик Розмір 10–18–10–10 м Маса не більше 10–10 кг
понад 107 м Маса понад 1020 кг
рис. 39.1. Класична механіка Ньютона справджується тільки для описання руху тіл зі швидкістю, яка набагато менша від швидкості поширення світла. Рух тіл, швидкість яких є порівнянною зі швидкістю світла (наприклад, рух віддалених галактик), описує спеціальна теорія відносності
рис. 39.2. Випромінювання електромагнітних хвиль змінним електричним струмом можна пояснити за допомогою класичної електродинаміки Максвелла, а от для пояснення випромінювання атомом світла (електромагнітних хвиль оптичного діапазону) слід застосовувати квантову електродинаміку, що містить класичну як складову
Ознайомившись із п. 1 цього параграфа, дехто з вас здивований. Чому, наприклад, закони механіки Ньютона не можна застосовувати для описання руху мікрочастинок? Це ж закони! А ле згадаємо, як будується фізична теорія. Якщо ми вивчаємо певний фізичний процес (спостерігаємо за ним, здійснюємо експерименти, виконуємо розрахунки), то не намагаємось охопити всі явища, що спостерігаються в ході цього процесу, не враховуємо
фізичну теорію. Оскільки для створення теорії ми використовуємо фізичну модель процесу, а наші знання про цей процес обмежені певною кількістю відомих на даний час фактів, то не дивно, що згодом накопичаться нові факти, які вже не будуть укладатися в межі створеної нами теорії. Тобто виявиться, що наша теорія має межі застосування. Нові факти ведуть до створення нової теорії, яка зазвичай містить попередню теорію як складову, а не суперечить їй (рис. 39.1, 39.2).
3
Фундаментальні взаємодії у всесвіті
Згадайте курси фізики й хімії. Завдяки якій взаємодії у тримуються нуклони в ядрі? електрони в атомі? атоми в молекулі? молекули в речовині? людина біля планети? планета біля Сонця?
Сподіваємося, що
На сьогодні в науці розрізняють чотири фундаментальні
: гравітаційну, електромагнітну, сильну, слабку (див. таблицю).
Протягом кількох десятиліть у чені намагаються створити теорію єдиної універсальної взаємодії. Деякі кроки вже зроблено. Наприкінці 60-х рр. минулого століття вдалося створити теорію так званої електрослабкої взаємодії, в межах якої об’єднано електромагнітну та слабку взаємодії. Але до повного («великого») об’єднання всіх видів взаємодій ще далеко.
Фундаментальні взаємодії в природі гравітаційна електромагнітна сильна слабка
Будь-які матеріальні об’єкти у Всесвіті притягуються один до одного
Виявляється на будь-яких відстанях
Утворення та існування планет, зіркових планетних
систем, галактик тощо
4
Електрична взаємодія заряджених тіл і частинок; магнітне притягання та відштовхування рухомих заряджених частинок і намагнічених тіл
Виявляється на будьяких відстанях
Утворення та існування атомів, молекул, фізичних тіл; утворення радіосигна-
лів, нервових імпульсів тощо
Взаємне притягання нуклонів усередині ядра незалежно від їхнього заряду
Виявляється на відстанях порядку 10–15 м (розмір нуклона)
Існування та стійкість атомних ядер
«Відповідає» за β-розпад атомних ядер
Виявляється на відстанях порядку 10–18 м
Повільні розпади частинок
Світіння зір
Дізнаємося про фундаментальний характер законів збереження
в природі
Простір і час є своєрідною ареною, на якій «розігруються» всі явища та процеси у Всесвіті. Тому не дивно, що саме з фундаментальними властивостями простору і часу пов’язані найважливіші закони Всесвіту закони збереження. Ці закони називають фундаментальними, а дже їм підкоряються як об’єкти макросвіту, так і об’єкти мікро- та мегасвіту, ці закони справджуються під час будь-якої взаємодії. Тривалий час у чені інтуїтивно здогадувалися, що кожен закон збере-
збереження імпульсу є наслідком однорідності простору
перенесення в просторі. Одним із наслідків законів
навіть без детальної інформації. Наприклад,
створення
збереження і перетворення енергії. Ви знаєте
нічна
Енергія
руху та
взаємодії
тіл або
частин
тіла
теплова хімічна ядерна
Енергія
хаотичного
руху та
взаємодії частинок речовини
Енергія
хімічних
зв’язків
Енергія, «схована»
в ядрах атомів
Розглянемо процеси перетворення
електрична магнітна
Енергія
електричного струму
Енергія
постій-
них магнітів і
електромагнітів
випромінювання
Енергія електромагнітних хвиль
перетворення сонячної енергії в техніці (рис. 39.4, б).
ції (рис. 39.5). Гребля
рівень води в якому вищий за рівень
має потенціальну енергією.
Падаючи з висоти, вода втрачає
кінетичної.
Потрапляючи на лопаті турбіни, вода віддає їй свою кінетичну енергію, і турбіна отримує кінетичну енергію обертання.
Турбіна обертає ротор електричного
гія обертання
(енергія зберігається). Якщо ми додамо всі значення, які відповідають різним видам енергії, то сума завжди буде однаковою.
підбиваємо підсумки Усю доступну для спостереження частину матеріального світу називають Всесвітом. Усі об’єкти Всесвіту та властиві їм явища наука поділяє на три якісно різні рівні: мікросвіт, макросвіт і мегасвіт. Усі фізичні явища та існування об’єктів Всесвіту можна пояснити на основі фундаментальних видів взаємодій: гравітаційної, електромагнітної, сильної, слабкої.
Всесвіт існує в просторі та часі, властивостями яких пояснюється існування фундаментальних законів збереження законів, яким підкоряються всі процеси будь-якого структурного рівня Всесвіту. До таких законів належать, наприклад, закон збереження і перетворення енергії та закон збереження імпульсу. Кожна фізична теорія
теорія переважно описує мікросвіт? макросвіт? мегасвіт? 3.
кожна фізична теорія має межі застосування? 4. Які фундаментальні
5. З якою властивістю простору або часу пов’язаний
імпульсу? 6. Які існують види енергії? 7. Наведіть
збереження та перетворення енергії.
вправа № 39
1. Серед корисних господарських порад є така: якщо ви взимку зберігаєте картоплю на лоджії, то, щоб картопля не замерзла, в ящику, де вона зберігається, слід прилаштувати електричну лампу розжарення та періодично її вмикати. Навіщо? Хіба в темряві холодніше, ніж на світлі?
2. На рис. 1 подано декілька прикладів
3. Які перетворення енергії
5. У ході об’єднання двох частинок виникла складніша частинка, при цьому виділилася певна енергія E (рис. 3, а). Складну частинку зруйнували, тобто відновили початковий стан (рис. 3, б ). Вивільнилася чи поглинулася при цьому енергія? Скільки енергії вивільнилося або поглинулося?
6. Скориставшись радіоактивним рядом Торію (див. рис. 23.9), запишіть одну реакцію β-розпаду та одну реакцію α-розпаду. Доведіть, що під час цих реакцій виконується закон збереження електричного заряду. E а б Рис. 3
Експериментальне завдання Скориставшись гімнастичним обручем, мотузкою, вимірювальною стрічкою та секундоміром, доведіть правдивість закону збереження механічної енергії.
1. Виміряйте довжину обруча й підвісьте його так, щоб точки підвісу були у вершинах правильного трикутника (рис. 4).
2. Закрутіть обруч так, щоб мотузка у верхній частині мала круту скрутку.
3. Виміряйте висоту h, на яку при цьому піднявся обруч.
4. Відпустіть обруч він почне обертатися. Коли швидкість обертання обруча наближатиметься до максимальної (мотузка майже повністю розкрутиться), визначте швидкість руху точок обруча. Для цього виміряйте час п’яти повних обертів, обчисліть період обертання T і скористайтеся формулою v = l/T, де l довжина обруча.
5. Знайдіть відношення кінетичної енергії руху точок обруча до потенціальної енергії піднятого обруча. Зробіть висновок.
Фізика і техніка
картина світу вчення, відповідно до якого Сонце розташоване в центрі Всесвіту, а всі тіла, в тому числі планети (і зокрема Земля), обертаються навколо Сонця. За останні 100 років знання людства про Всесвіт значно поглибилися. Загальна теорія відносності Альберта Ейнштейна пояснила існування багатьох загадкових об’єктів Всесвіту, наприклад чорних дір. Завдяки радіотелескопам, які працюють в багатьох діапазонах електромагнітних хвиль, розширилися можливості отримання інформації про космічний простір. Космічні а парати пролетіли повз усі планети Сонячної системи, сфотографували
Первісні уявлення про будову
виникли приблизно 2,5 тисячі років тому. Вони були умоглядними та ґрунтувалися тільки на логічних міркуваннях філософів Давньої Греції. У XIX ст. з’явилися непрямі докази атомарної будови матерії, які базувалися, зокрема, на унікальних (але непрямих) експериментах (рис. 40.3).
Тільки наприкінці XIX на початку XX ст. з’явилися незаперечні докази атомно-ядерної структури матерії (рис. 40.4). За допомогою новітніх надчутливих мікроскопів, які було створено наприкінці минулого століття (тонельний, а втоелектронний, автойонний, електронний), удалося сфотографувати окремі атоми (рис. 40.5).
2 Знайомимося з розвитком уявлень про природу світла
Від часів давньогрецького філософа Арістотеля до наших днів фізична наука намагається створити цілісну картину світу. Із самого початку
дослідники прагнули знайти єдину теорію, яка
вала і мега-, і макро-, і мікросвіт. Перша єднальна ланка з’явилася на межі XVII–XVIII ст. у ході вивчення природи світла. Майже одночасно два видатні фізики створили дві абсолютно різні теорії світла. Ідеться про корпускулярну теорію І. Ньютона і хвильову теорію К. Гюйґенса. Згідно з корпускулярною теорією Ньютона світло — це потік частинок (корпускул), що випус-
каються світними тілами, причому рух світлових корпускул підпорядковується за конам механіки. Так, відбиття світла Ньютон пояснював відбиванням корпускул від поверхні, на яку падає світло, а за-
ломлення світла зміною швидкості руху корпускул унаслідок їх взаємодії з частинками середовища. «Трактат про світло» Гюйґенса, опублікований у 1690 р., увійшов в історію науки як
праця з хвильової оптики
малюнка французького
Жана Батиста Перрена (1870–1942), на якому відтворено результати спостереження в мікроскоп броунівської частинки — дрібної частинки речовини, завислої
рис. 40.5. Електронний
лише хвилям: огинання світлом перешкод (дифракція) та посилення й послаблення світла в разі накладання світлових пучків (інтерференція). З того часу в науці стала переважати хвильова теорія Гюйґенса. У 60-х роках XIX ст. Дж. Максвелл створив теорію електромагнітного поля, одним із наслідків якої було встановлення можливості існування електромагнітних хвиль. За розрахунками, швидкість поширення електромагнітних хвиль дорівнювала швидкості світла. На основі теоретичних досліджень Максвелл дійшов висновку, що світло — це електромагнітні хвилі. Після дослідів Г. Герца жодних сумнівів щодо електромагнітної природи світла не за лишилось. Електромагнітна теорія світла дозволила пояснити багато оптичних явищ, однак уже на кінець XIX ст. з’ясувалося, що цієї теорії недостатньо для пояснення явищ, які виникають під час взаємодії світла з речовиною. Так, процеси випромінювання та поглинання світла, явище фотоефекту та ін. змогли
тільки в першій половині XX ст. з
теорії світла,
з якою світло
поширюється та поглинається речовиною не
рервно, а скінченними порціями квантами. Кожен окремий квант світла має властивості частинки, а сукупність квантів поводиться подібно до хвилі. Така двоїста природа світла (та й будь-якої частинки) отримала назву корпускулярно-хвильовий дуалізм. Таким чином, через кілька сотень р оків дві абсолютно різні т еорії «об’єдналися». Паралельно з’являлися й інші єднальні ланки. Коли вчені почали вивчати фізичні процеси, що відбуваються в зорях, то виявилося, що «світіння» цих гігантських скупчень пов’язане зі структурою й властивостями найменших із відомих на той час об’єктів атомних ядер. Тож гігантські прискорювачі, створені для вивчення мікроструктури матерії, дали відповідь не тільки на запитання «Якою є структура атомного ядра?», а ле й на інше: «Чому світить Сонце?». Учені впевнені: ще більше загадок Всесвіту буде розгадано після
Архімед) постійно намагалися науково обґрунтувати застосування тих чи інших технічних пристроїв і прийомів. У ХІХ ст. з’явилася нова тенденція: фізичні закони почали не тільки застосовуватися для пояснення (і поліпшення) вже винайдених інженерами конструкцій, але й бути «поживою для розуму» в процесі створення нових напрямків розвитку техніки. Наведемо кілька прикладів. До ХІХ ст. електрика слугувала здебільшого для салонних розваг (рис. 40.6). Приблизно в середині XIX ст., після встановлення фізичних законів, пов’язаних із поширенням і дією електричного струму (закону Ома, закону електромагнітної індукції та ін.), починає розвиватися телеграфний зв’язок, а потім і телефонний. Винайдення й широке розповсюдження радіо стали можливими після створення теорії електромагнітного поля Максвелла. У ХІХ ст. встановлення нових фізичних законів відбувалося, як правило, випадково. Відповідно поява пов’язаних із цими законами нових технічних винаходів ішла самопливом, і лише у ХХ ст. цей процес було певним чином упорядковано. Ціла низка проектів (найвідоміший із них так званий «Урановий проект» програма робіт зі створення атомної зброї) здійснювалася на пряме замовлення урядів країн. У рамках кожного проекту вели наукові дослідження, за результатами яких виконували інженерні розробки (розрахунки, виготовлення конструкцій). Сучасний етап розвитку фізики характеризується її тісним зв’язком із виробництвом і бізнесом. Для вирішення кожного нового технічного завдання залучають не тільки інженерів, технологів, а й науковців. Приклад такого співробітництва мініатюризація мобільних телефонів. Фізика вплинула також на розвиток інших наук. Насамперед це пов’язане із глибоким розумінням структури матерії, яке ґрунтується на теоретичному описі мікросвіту за допомогою квантової механіки. Застосування цієї теорії для вирішення завдань хімії та біології дозволило за короткий термін досягти суттєвого прогресу в розвитку цих галузей знань. Практично всі сучасні вимірювальні прилади й методи вимірювання, застосовувані в астрономії, медицині, археології і т. д., «виросли» з відповідних законів фізики.
рис. 40.6. Дослід, що демонструє існування провідників і діелектриків (гравюра середини XVIII ст.). Жінка сидить на гойдалці, підвішеній на шовкових нитках. Чоловік, який стоїть праворуч,
За майже 2500 років свого існування фізична
загальне уявлення про природу, яке об’єднує знання
макро- і мікросвіт. Значні зусилля вчених-фізиків були спрямовані
тичне втілення результатів своїх досліджень.
Починаючи з ХІХ ст. фізики стали не тільки пояснювати відомі факти, але й установлювати нові закони і, спираючись на них, розвивати нові галузі техніки.
Особливістю сьогодення є «замовлення на розробку»: наукові дослідження здебільшого здійснюються спеціально для розв’язання конкретного практичного завдання.
Результати, отримані вченими-фізиками, застосовують в інших науках, зокрема в біології та хімії. Фізичні прилади й методи досліджень широко використовують у науці, промисловості, сільському господарстві.
Контрольні запитання 1. За допомогою яких приладів вивчають мегасвіт? 2 . Які методи й
використовують фізики для вивчення властивостей атомів? 3. Якими є сучасні уявлення
Енциклопедична сторінка
Освоєння космосу
в космос 4 жовтня 1957 р. радянські вчені вивели на навколоземну орбіту перший штучний супутник Землі, який відкрив космічну еру в історії людства (рис. 1).
2
3
Після відділення від ракетиносія його радіопередавач почав передавати перший штучний сигнал із космосу — і цей сигнал почув увесь світ. 12 квітня 1961 р. людина вперше полетіла в космос. Цей політ здійснив на космічному кораблі «Восток» радянський космонавт Юрій Олексійович Гагарін (1934–1968) (на рис. 2 ліворуч). «Восток» був розроблений видатним конструктором Сергієм Павловичем Корольовим (1907–1966) (на рис. 2 праворуч), уродженцем м. Житомира, випускником Київського політехнічного інституту. 21 липня 1969 р. американські астронавти Ніл Армстронг (1930–2012) і Базз (Едвін) Олдрін (народ. 1930) висадилися на Місяці (рис. 3). Зробивши перший крок місячною поверхнею, Н. Армстронг сказав: «Це маленький крок для однієї людини, але величезний стрибок для всього людства».
1
Рис. 4
Рис.
Рис.
Рис.
1.
Вивчаючи розділ V, ви згадали основні поняття механіки (механічний рух, траєкторія, шлях, переміщення, система відліку), дізналися про рівноприскорений прямолінійний рух, навчилися визначати фізичні величини, що його характеризують.
3. Ви поглибили свої знання про гравітаційну взаємодію, вивчили закон всесвітнього тяжіння й отримали формулу для визначення сили тяжіння.
4. Ви з’ясували, що рух тіла тільки
У замкненій системі тіл, які взаємодіють тільки силами пружності та силами тяжіння, повна механічна енергія зберігається: EE EE kp kp 00+= + У замкненій системі тіл векторна сума імпульсів тіл залишається незмінною після будь-яких взаємодій тіл цієї системи між собою:
Завдання 1–7 містять тільки одну правильну відповідь.
1. (1 бал) Тіло рухається вздовж осі OX.
На рис. 1 наведено графік залежності проекції швидкості руху цього тіла від часу спостереження. Яка ділянка
графіка відповідає рівномірному руху тіла?
а) ділянка AB; б) ділянка ВС; в) ділянка СD; г) ділянки AB і СD.
2. (1 бал) Яка з поданих фізичних величин є скалярною?
а) прискорення; б) швидкість руху; в) імпульс; г) енергія.
3. (1 бал) З яким тілом слід пов’язати систему відліку, щоб вона була інерціальною?
а) потяг набирає швидкість;
б) дівчинка гойдається на гойдалці;
в) хлопчик рухається дорогою прямолінійно з незмінною швидкістю; г) собака сповільнює свій рух.
4. (1 бал) Тіло, кинуте вертикально вгору, рухається лише під дією сили тяжіння. Прискорення руху тіла: а) найбільше в момент початку руху; б) однакове в будь-який момент руху; в) найменше в найвищій точці траєкторії; г) збільшується під час падіння.
5. (2 бали) З яким прискоренням рухається тіло, якщо протягом 2 с швидкість його руху збільшується від 3 до 6 м/с? а) 1,5 м/с2; б) 3 м/с2; в) 4,5 м/с2; г) 6 м/с2.
6. (2 бали) Автомобіль починає рух і протягом 5 с рухається з незмінним прискоренням 4 м/с2. Визначте переміщення автомобіля за цей час. а) 10 м; б) 20 м; в) 50 м; г) 100 м.
7. (2 бали) На рис. 2 зображено чотири ситуації взаємодії двох тіл. У якому випадку систему тіл не можна вважати замкненою?
8. (3
9. (3 бали) За графіком, наведеним на рис. 1,
за весь час спостереження. Вважайте, що в обраній системі відліку тіло рухалося вздовж осі OX.
10. (3 бали) Тіло кинули вертикально вгору зі швидкістю 30 м/с. Через який інтервал часу тіло опиниться на відстані 25 м від точки кидання? Якою буде швидкість руху тіла через цей інтервал часу?
11. (3 бали) На підлозі ліфта стоїть валіза масою 20 кг. Ліфт починає рухатися з прискоренням 2 м/с2. Чому дорівнює вага валізи? Розгляньте два варіанти.
12. (4 бали) Тіло масою 2,5 кг рухається вздовж осі OX. Рівняння руху тіла
має вигляд: xt t =+ 15 3 2 . Установіть для цього випадку відповідність між фізичною величиною та її значенням в СІ.
1 Сила, яка діє на тіло
2 Імпульс тіла на початок спостереження
3 Кінетична енергія тіла через 1,5 с після початку спостереження
4 Час руху тіла до зупинки А 0 Б 1,5 В 4,5 Г 5
13. (4 бали) Брусок масою 500 г під дією підвішеного до нього тягаря масою 150 г подолав від початку руху шлях 80 см за 2 с (рис. 3). Знайдіть коефіцієнт тертя ковзання.
14. (4 бали) Із точки, розташованої на висоті 2,8 м над поверхнею землі, вертикально вгору кинули тіло 1 зі швидкістю 12 м/с. У момент, коли тіло 1 досягло найвищої точки підняття, з поверхні землі зі швидкістю 10 м/с кинули вгору тіло 2. Визначте час і висоту зустрічі тіл.
15. (4 бали) Скориставшись даними рис. 4, ви-
значте висоту h, на яку піднімуться два тіла однакової маси після зіткнення. Внутрішню поверхню циліндра вважайте і деально гладенькою.
Звірте ваші відповіді з наведеними
орієнтовні теми проектів
1. Закони збереження у природі, техниці, побуті.
2. Фізика в житті сучасної людини.
3. Сучасний стан фізичних досліджень в Україні та світі.
4. Україна космічна держава.
5. Застосування закону збереження імпульсу в техніці.
теми рефератів і
1. Роль законів Ньютона в розвитку фізики.
2. Сила тяжіння на планетах Сонячної системи та їхніх супутниках.
3. Чи існує відцентрова сила.
4. Як рухається тіло, кинуте під кутом до горизонту, якщо опором повітря знехтувати не можна.
5. Реактивний рух у природі.
6. Історія космонавтики.
7. Перший український космонавт.
8. Життєвий шлях і наукова діяльність С. П. Корольова.
9. Міжнародний космічний проект «Ґа лілео».
10. Закони збереження у Всесвіті.
11. Енергія фізичного вакууму.
12. Чому масу називають мірою енергії.
теми
експериментальних досліджень
1. Експериментальна перевірка другого закону Ньютона.
2. Експериментальна перевірка третього закону Ньютона.
3. Вивчення умови рівномірного прямолінійного руху тіла під дією декількох сил.
4. Дослідження додавання сил.
5. Вивчення дальності польоту тіла.
6. Створення і спостереження реактивного руху.
7. Дослідження пружного та непружного ударів.
8. Виготовлення приладів, дія яких ґрунтується на законі збереження енергії.
1
речний плюс. Але, на жаль, є й мінус. Швидкий розвиток техніки, яка потребує все більше й більше енергії, виснаження запасів корисних копалин, повсюдне використання синтетичних матеріалів, будівництво споруд і магістралей із залізобетону та ін. — усе це призводить до значного погіршення екологічної ситуації. Фізика і проблеми екології — тема нашого останнього
Дізнаємося про різні типи і види
забруднення довкілля Існують два типи забруднень: природні й антропогенні.
Спробуйте навести 2–3 приклади кожного типу забруднень.
У кожному із зазначених типів можна виділити такі види забруднень: хімічне, біологічне, механічне (рис. 1, 2), фізичне забруднення. Зрозуміло, що негативний вплив речовин-забруднювачів, а також випромінювань залежить від їхньої концентрації, стійкості (часу їхнього існування), хімічної та радіаційної активності.
Ми зупинимося на антропогенному фізичному забрудненні довкілля, а саме на тепловому, шумовому, радіоактивному та електромагнітному забрудненнях. Зазначимо, що на кожну з цих форм забруднень ми вже звертали увагу під час вивчення відповідних тем.
2
Згадуємо про теплове забруднення Теплове забруднення передусім пов’язане з парниковим ефектом.
вості, транспорту,
рис. 3. За даними супутникових радарів, кожні 10 років висота шельфових льодовиків у морях Беллінсгаузена та Амундсена (Антарктида) зменшується в середньому на 740–1920 см
рис. 4. Синьо-зелені водорості, що розростаються в теплій воді, активно поглинають кисень
рис. 5. Вимірювання рівня
поверхні Землі підвищилася на 0,7 °С. Таке нагрівання вже спричинило глобальні зміни клімату, які супроводжуються великими зливами та посухами. Із глобальним потеплінням пов’язане танення льодовиків в Арктиці й Антарктиці (рис. 3), підвищення рівня Світового океану тощо. Джерелами теплового забруднення є також теплотраси, підземні газопроводи, теплоелектростанції, які для зливу гарячої води використовують водойми. Нагрівання водойм, у свою чергу, призводить до зменшення в них розчиненого кисню (адже зі збільшенням температури розчинність газів зменшується), що спричиняє ріст синьо-зелених водоростей (рис. 4), які, до речі, також поглинають кисень. А от на запитання «До чого приводить недостатність кисню у водоймі?» спробуйте відповісти самостійно.
3
боремось із шумовим забрудненням
Шум у 20–30 децибелів (дБ) є майже нешкідливим для людини. А от шум більшої потужності призводить до погіршення слуху, збільшує кров’яний тиск, негативно впливає на серцево-судинну систему, може викликати нервові та психічні розлади. Найбільш потужним і поширеним джерелом шуму є транспорт, на який припадає
60–80 % усіх шумів у місцях перебування людей. Рівень шуму, створюваний автомобільним транспортом, може становити 75–85 дБ, залізничним та авіаційним понад 100 дБ.
Ураховуючи, що для людини не є шкідливим шум лише 20–30 дБ, можна усвідомити, якого негативного впливу зазнають люди, котрі мешкають, наприклад, біля великих магістралей, залізниць, аеропортів. Таким чином, боротьба з транспортним
(заборона польотів літаків над великими містами, обов’язкова наявність глушників, заборона звукових сигналів тощо).
Які ще джерела шуму, крім транспорту, ви знаєте? Як від цього шуму можна себе захистити?
4
Згадуємо про радіаційне й електромагнітне забруднення Із розділу III ви дізналися про електромагнітне забруднення, із розділу IV про радіаційне. Згадаємо основні джерела цих забруднень, наслідки негативного впливу радіоактивного та електромагнітного випромінювань на людину, визначимо, як запобігти цим наслідкам. Радіаційне забруднення Електромагнітне забруднення
Джерела
забруд-
нення
Негативний
вплив
Аварії на атомних електростанціях.
Рентгенівські та γ-дослідження.
Лікування γ-випромінюванням (хіміотерапія).
Теригенне (земне) випроміню-
вання (щебінь, керамзит, граніт; радон, який виходить із
надр Землі та накопичується
в підвалах)
Руйнує клітини організму.
Впливає на спадковість.
Ушкоджує молекули ДНК, що призводить до злоякісних
пухлин.
Спричиняє променеву хворобу
Засоби
боротьби
Проходити рентгенівське дослі-
дження не частіше ніж один
раз на рік.
Не перебувати в зоні радіаційного забруднення.
Регулярно провітрювати приміщення.
Менше часу перебувати в закритих приміщеннях, поблизу гранітних доріг
рис. 6. Шумозахисні екрани, встановлені біля трас, зменшують рівень шуму в декілька разів
Високовольтні лінії електропередачі.
Теле- і радіостанції.
Мобільні телефони.
НВЧ-печі.
Електростанції.
Трансформаторні станції.
Комп’ютери
Збільшує стомлюваність.
Спричиняє нервові порушення.
Збільшує ймовірність
безпліддя.
Може призвести до пухлини мозку.
Знижує імунітет
Зменшувати час використання безпровідних мереж. Використовувати переважно проводовий зв’язок. Не тримати мобільний телефон поблизу голови (використовувати навушники). Не носити мобільний телефон у кишені
5
Дізнаємося про альтернативні джерела енергії
Протягом багатьох століть вуглеводневе паливо (дрова, вугілля, торф, газ, нафта) було майже єдиним джерелом енергії для людства, причому воно майже не за вдавало шкоди довкіллю. А ле за останнє сторіччя різко збільшилося використання теплових машин, які перетворюють енергію палива на механічну й електричну енергії. Це призвело, поперше, до виснаження природних викопних ресурсів, по-друге, до глобальної зміни клімату Землі. На нинішньому етапі свого розвитку людство не може знизити кількість енергії, що споживає, навпаки, ця кількість неухильно зростає, і, як і раніше, більша частина
палива
енергії вітру й Сонця, енергію припливів і відпливів, геотермальну енергію Землі. Наведемо декілька прикладів.
Атомна енергетика Франції має найбільший рівень використання атомної енергії в Європі: 78 % електроенергії, що виробляється в країні, походить саме з атомних електростанцій (рис. 8). У багатьох країнах світу починає розвиватися сонячна енергетика. На енергії
вітрогенератори виробляють лише 1 % електроенергії у світі, є країни, в яких частка вітроенергетики досить висока. Так, 42 % електроенергії Данії виробляється з використанням енергії вітру (рис. 11).
Потужним і практично невичерпним джерелом енергії є енергія припливів і відпливів. Першу припливну електростанцію було побудовано у Франції ще в 1966 р., вона мала
потужність 240 МВт. Ця електростанція працює і нині. Сьогодні припливні електростанції
є майже в усіх куточках нашої планети.
Країни, розташовані в районах вулканіч-
ної а ктивності, можуть використовувати геотермальну енергію (енергію гарячої води, сухої та вологої пари, що піднімаються з надр Землі близько до поверхні). Геотермальну енергію
активно використовують, наприклад, в Ісландії (рис. 12), на Філіппінах (27 % виробництва електричної енергії країни), у Мексиці, США.
підбиваємо підсумки
Швидкий розвиток техніки, повсюдне використання синтетичних матеріалів, спалювання величезної кількості вуглеводневого палива призводять до того, що екологічна
ситуація на нашій планеті погіршується. Найбільше забруднення довкілля відбувається завдяки людині (антропогенне забруднення).
Діяльність людини призводить до утворення островів сміття в океані (механічне забруднення), додаткового викидання тепла в атмосферу й водойми (теплове забруднення), суттєвого підвищення радіаційного фону (радіаційне забруднення). На здоров’я людини впливає також збільшення рівня шуму (шумове забруднення) і концентрації електромагнітного випромінювання (електромагнітне забруднення).
рис. 10. Одна з найбільших сонячних електростанцій у світі «Айванпа» (США, Каліфорнія). 173 тис. дзеркал відбивають сонячне світло та спрямовують його на вершини трьох веж, де встановлено котли з водою. Гаряча пара надходить на лопаті турбін, установлених усередині веж
рис. 11. Вітрогенератори, встановлені вздовж узбережжя Данії, повністю задовольняють
№ 1. 1. Зліва південний, справа північний. 2. Два полюси. 4. Підказка: провідники, в яких течуть струми одного напрямку, притягуються. № 2. 1. Для рис. а: 1) однорідне, 2) A і B вгору, 3) однакова в точках A і B; для рис. б: 1) однорідне, 2) A і B до нас, 3) однакова в точках A і B; для рис. в: 1) неоднорідне, 2) А наліво вгору, B зліва направо. 3. 1) Так; 2) B уліво вгору, C уліво вниз; 3) у точці C; 4) від S до N. № 3. 1. Від B до A. 2. 1) проти ходу годиникової стрілки; 2) від нас; 3) а однакове, б у точці А. 3. Південним; так. 4. Опуститься. 5. Зліва «+», справа «–». № 4. 1. а) угору; б) зліва направо; в) зліва направо; г) FA = 0 . 2. 1,08 Н; 0. 3. а) унизу північний; б) ліворуч позитивний. 4. а) 1,2 м; б) 30 мН. 6. а) зліва направо, б) 0,25. № 5. 1. Магнітожорстка. 2. а) властивості парамагнетиків; б) властивості феромагнетиків. 3. Незначно зменшилось. 5. Помістити в потужне магнітне поле.
№ 6. 1. Він залишиться намагніченим після вимкнення струму; буде витрачатися додаткова енергія на перемагнічення. 2. Зліва північний полюс. 3. До B і C. 4. Збільшиться. № 7. 1. За ходом годиникової стрілки. 2. Опір вольтметра є величезним. 3. Прилад вийде з ладу.
№ 8. 1. Якщо струм у зовнішній котушці змінюється. 2. 1) а) віштовхнеться від магніту; б) притягнеться; в) відштовхнеться; 2) Струм напрямлений по передній стінці: а) униз; б) угору; в) угору. Напрямок індукції
поля: а) зліва направо; б) справа наліво; в) справа наліво; 3) Кільце залишиться
3.
1) униз, 2) угору, 3) униз, 4) угору. Завдання для самоперевірки до розділу І 1. а. 2. в. 3. 1—В, 2—Б, 3—А, 4—Д. 4. а, в. 5. в. 6. б. 7.
9.
13.
іі «світлові явища»
№ 9. 1. 1—Г, 2—В, 3—Б. 2. а) Місяць; б) екран комп’ютера; в) радіолярія. 3. 8 хв 20 с. 4. б, в. 5. 9,46 · 1012 км.
№ 10. 3. 1—Г, 2—В, 3—Б. 4. 67 см. 9. c = 10 см, b = 87 , см.
№ 11. 1. 3 м. 4. 40° . 5. 60 см; 80 см. 6. 8 км/год; на 4 м. 7. 18° .
№ 14. 1. Перша лінза розсіювальна, друга збиральна. 2. Перша. 3. 62,5 см, розсіювальна. 6. Збиратиме. 7. SA11 = 12 , см; OF = 37 5, см.
№ 15. 2. 40 см. 3. –3 дптр, розсіювальна. 5. 1) 5 дптр; 2) 10 см. 7. 25 дптр.
№ 16. 1. 40 см, короткозорість. 2. 12,5 см. 5. –1 дптр.
Завдання для самоперевірки до розділу ІІ 1. а. 2. б. 3. г. 4. б. 5. в. 6. в. 7. а. 8. в. 9. 4 м/с. 10. 20° . 11. 1,4. 12. 1 м. 13. 1—А, 2—В, 3—Г. 14. Збиральна, 50 см, +2 дптр. 15. Абсолютні показники склери людини та риби майже однакові, але в око риби світло потрапляє з води, тому заломлюється менше. 16. 5 см. розділ ііі. «Механічні та електромагнітні хвилі»
№ 17. 1. а) 2,5 см; б) 4 см. 2. 20 м/с. 3. Ні. 4. Не виникають сили пружності. 5. 45 км. 6. а) уліво; б) управо. 7. Для рис. а: 1) 40 см, 0,067 с, 1,6 м; 2) А і С угору, В не рухається; 3) 450. Для рис. б: 1) 20 см, 0,05 с, 2 м; 2) А угору, В униз, С не рухається; 3) 600. 8. 3,2 м/с.
№ 18. 1. Так. 2. Частота помахів крил метелика менша від 20 с–1. 3. 8,5 см; 37,5 см; 1,25 м. 5. 3 км. 6. 1700. 7. На 2,6 с. 10. 72 мкс.
№ 19. 1. 1) б; 2) а, б. 2. Провід: l = 6000 км, v =⋅310 8 м/с; радіопередавач: ν= 310 9 Гц; v =⋅310 8 м/с; випромінювач: ν= 21014 Гц; v =⋅310 8 м/с. 3. а) 750 нм, 400 нм; б) 457 нм, 240 нм. 5. 0,5 с–1, 2 с.
Завдання для самоперевірки до розділу ІІІ 1. б. 2. г. 3. а. 4. б. 5. г. 6. в. 7. а. 8. б. 9. 300 м. 10. 1—В, 2—Б, 3—Г. 11. Угору. 12. На 2 с. 13. Тон звуку стає більш високим. 14. 4 м; 17,6 м. 15. 2,4 с; 0,42 Гц; 48 м. 16. 4 м; 50 МГц.
розділ іV «Фізика атома та атомного ядра. Фізичні основи атомної енергетики»
№ 22. 1. Z = 18, N = 22. 2. Кількістю нейтронів. 3. 5; 11. 4. Sb. 5. 2 104 Н.
№ 23. 1. а) β- і γ-випромінювання; б) γ-випромінювання. 2. 12 ⋅ 1018 Гц. 4. На ядро 89 228 Ac . 5. 6,8 10–27 кг; 7,7 10–13 Дж. 7. 12,04 1023.
№ 24. 1. Уран-235; Радон-220. 2. ≈ 7,2 1017. 3. У 8 разів. 4. 0,6 с. 5. 3,7 1020 Бк.
№ 25. 2. 7,2 ⋅ 10 мкГр. 3. 16,6 Зв. 4. 90 мкЗв.
№ 26. 1. 234 МДж; 2,34 кг. 2. 82 ГДж. 3. ≈17 %.
№ 27. 1. 32 %. 2. 69 106 кВт год. 3. 432 ТДж. 4. ≈16 кг.
Завдання для самоперевірки до розділу ІV
1. б. 2. б. 3. г. 4. а. 5. б. 6. б. 7. г. 8. б. 9. 1—Д, 2—Г, 3—В, 4—Б. 10. в. 11. 84 214 Po . 12. 2 109.
13. 1644. 14. 10,4 мГр (безпечно). 15. 88 225 Ra . 16. 8,4 кг.
розділ V «рух і взаємодія. Закони
№ 28. 1. Так. 2. 1,5 м/с2. 3. 1 м/с; 0; –1 м/с. 4. 0. 5. 20 с. 6. а) 2 м/с, 1 м/с2, ні; б) –20 м/с, 5 м/с2, 4 с; в) 10 м/с, –3 м/с2, ≈3,3 с. 7. 1) vt x =− + 42 ; 2) vt x =−84 . 8. 1) vt x =+21 ; 2) vt x =− + 3 ; 3) vx = 1 ; vt x =−52 . 9. За 4 с до початку спостереження. 10. 30 м.
№ 29. 1. 35 м. 2. 100 м. 3. 1,8 с; ≈ 4,4 м/с2. 4. 1) б) x01 = 8 м, x02 = –2 м; в) v x 01 2=− м/с, v x 02 5=− м/с; 2) a x1 2 = м/с2, a x 2 4 = м/с2; 2) 5 с, 23 м; 3) vt x1 22=− + , vt x 2 54=− + ; s1x = –2t + t2 , s2x = –5t + 2t2 . 5. l = 40 м, s = 0 ; xt t =− +−2020 5 2 . 6. 40 с. 7. Так, якщо рухатиметься ескалатором униз зі швидкістю 2,5 м/с; так.
№ 30. 1. На стілець Fтяж , P , N ; на людину Fтяж , N ; дії скомпенсовані. 2. Води, весел, Землі. 3. Так; так; ні. 4. 2) 0; 18 м/с; 3) 2 м/с2, 2 м/с2. 6. а) 2 Н; б) 0.
№ 31. 1. 2,5 кН. 2. За напрямком руху; проти напрямку руху. 3. 5 м/с2, на схід. 4. 2,5 т. 5. 3 м/с2. 7. Обидва; дівчинка.
№ 32. 1. 10 Н. 2. Однаково. 3. 0,5 м/с2. 4. Ні, Fнат = 200 Н; так, Fнат = 400 Н.
№ 33. 1. 4,7 кг; 47 Н. 2. Ні. 3. Збільшиться в 2 рази. 4. 6 ⋅ 1024 кг. 5. 0,625 м/с2. 6. 4,9 м/с2. 7. 5 м/с, 10 м/с2; 0,5 с.
№ 34. 1. Прискорення однакові. 2. Усі тіла рухаються з однаковим прискоренням g ; а) траєкторія руху вітка параболи; б) тіло рухається вертикально вгору, потім змінює напрямок руху на протилежний; в) тіло рухається вертикально вниз. 3. а) 10 м/с, 15 м; б) 2 с, 20 м. 4. 3 с, 60 м, 75 м. 5. 0,4 с. 6. 10 м/с2; 7. 35 м. 8. Тіло 1 120 м; тіло 2 —25 м. 9. 1 А, 2 Д, 3 В, 4 Б.
№ 35. 1. 3,5 кН. 2. 0,5. 3. 48 Н/м. 4. 110 Н, якщо прискорення напрямлене вгору, 70 Н якщо вниз. 5. 15 Н; 0,025. 6. 0,9 м/с2. 7. ≈ 0,06.
№ 36. 1. а) 18 кг м/с; б) 0; в) 40,5 кг м/с. 2. 25 м/с. 4. а) 4 м/с; б) 1 м/с; в) 1,75 м/с. 5. 1,4 м.
№ 39. 1. У лампі розжарення лише 5 % електричної енергії перетворюється на енергію світла, решта на внутрішню енергію. 4. 15 %. 5. Поглинулася та сама кількість енергії. Завдання для самоперевірки до розділу V 1. б. 2. г. 3. в. 4. б. 5. а. 6. в. 7. а. 8. 100 м/с2. 9. 30 м. 10. t1 2 = с, t2 1 = с; 20 м/с. 11. 240 Н, 160 Н. 12. 1 Г, 2 Д, 3 А, 4 Б. 13. ≈ 0,25. 14. 1 с; 5 м. 15. hR = /4
а Адаптація ока 100 Акомодація 101 Активність радіонукліда 158
б Бекерель 158
в Взаємодія
— гравітаційна 209, 245
— електромагнітна 245
— сильна 149, 245
— слабка 245
Випромінювання
— альфа (α) 153
— бета (β) 153
— гамма (γ) 133, 153
— інфрачервоне 132
— рентгенівське 133
— ультрафіолетове 133
Відлуння 121
Вільне падіння 212
Всесвіт 243
г Гіпотеза Ампера 26 Грей 163 Гучність звуку 120
Гучномовець електродинамічний 37
Д Джерело світла 56
— точкове 58 Дисперсія 86 Діамагнетики 24 Довжина хвилі 115
Доза йонізуючого випромінювання
— еквівалентна 164
— поглинута 163
Дозиметр 166
Дослід(и)
— Ампера 7
Ерстеда 7
Резерфорда 146
— Фарадея 39
Е Електричний двигун 35
Електромагніт 29
Електромагнітна індукція 41
Електромеханічний генератор 42
Енергія 235
— механічна 235
Ехолокація 122
З Закон
— відбивання світла 68
— всесвітнього тяжіння 210
— заломлення світла 76
— збереження енергії 247
— збереження імпульсу 228
збереження механічної енергії 236
— інерції 199
— Ньютона
— другий 203
— перший 201
— третій 206
прямолінійного поширення світла 62
Зв’язок стільниковий 135
Зиверт 164
Зображення
— в лінзі 94, 95
— в плоскому дзеркалі 69
і Ізотопи 149
Імпульс тіла 227
Індукційний струм 41 Інерціальна система відліку 200 Інфразвук 121
§ 37. Реактивний рух. Фізичні основи ракетної техніки. Досягнення космонавтики .......................................... 231
§ 38. Застосування законів збереження енергії та імпульсу в механічних явищах ... 235 Лабораторна робота № 7 .......................................... 241
§ 39. Фундаментальні взаємодії в природі. Межі застосування фізичних законів і теорій. Фундаментальний характер законів збереження
§ 40. Еволюція фізичної картини світу. Фізика і науково-технічний прогрес
фізики НАНУ (92); О. Т. Смакула (103); Б. П. Грабовський (123); І. П. Пулюй (156); ННЦ «Харківський фізико-технічний інститут» (162); Інститут ядерних досліджень НАНУ (173); Одеський національний політехнічний університет (214); А. Ф. Йоффе (220); К. Д. Синельников (230); С. П. Корольов (234); В. М. Глушков (249); Б. І. Вєркін (254).
1 2 3 4 5
для 9 класу загальноосвітніх навчальних закладів За редакцією В. Г. Бар’яхтара, С. О. Довгого Рекомендовано Міністерством освіти і науки України Видано за рахунок державних коштів. Продаж заборонено
Провідний редактор I. Л. Морева. Редактор О. В. Костіна. Художнє оформлення В. І. Труфен. Технічний редактор А. В. Пліско Комп’ютерна верстка С. В. Яшиш. Коректор Н. В. Красна
В оформленні підручника використані зображення, розміщені в мережі Інтернет для вільного використання Підписано до друку 21.06.2017. Формат 70×100/16. Папір офсетний. Гарнітура Шкільна. Друк офсетний. Ум. друк. арк. 22,10. Обл.-вид. арк. 28,73. Тираж 368 141 прим. Зам. № 263-06
ТОВ Видавництво «Ранок», вул. Кібальчича, 27, к. 135, Харків 61071. Свідоцтво суб’єкта видавничої справи ДК № 5215 від 22.09.2016. Адреса редакції: вул. Космічна, 21а, Харків, 61145. E-mail: office@ranok.com.ua. Тел. (057) 701-11-22, тел./факс (057) 719-58-67. Надруковано у друкарні ТОВ «ТРІАДА-ПАК», пров. Сімферопольський, 6, Харків, 61052. Свідоцтво суб’єкта видавничої справи ДК № № 5340 від 15.05.2017. Тел. +38 (057) 703-12-21. Е-mail: sale@triada.kharkov.ua
