из электронной библиотеки / 264554655877873.pdf

50

Конденсацию водяного пара в атмосфере мы постоянно наблюдаем в виде облаков, дождей и выпадающей по утрам росы; именно испарение и конденсация обеспечивают круговорот воды в природе, поддерживая жизнь на Земле.

Поскольку испарение – это уход из жидкости самых быстрых молекул, в процессе испарения средняя кинетическая энергия молекул жидкости уменьшается, т. е. жидкость остывает. Вам хорошо знакомо ощущение прохлады и порой даже зябкости (особенно при ветре), когда выходишь из воды: вода, испаряясь по всей поверхности тела, уносит тепло, ветер же ускоряет процесс испарения. Ту же прохладу можно почувствовать, если провести по руке кусочком ваты, смоченным в летучем растворителе (скажем, в ацетоне или жидкости для снятия лака). В сорокаградусную жару благодаря усиленному испарению влаги через поры нашего тела мы сохраняем свою температуру на уровне нормальной; не будь этого терморегулирующего механизма, в такую жару мы бы попросту погибли.

Наоборот, в процессе конденсации жидкость нагревается: молекулы пара при возвращении в жидкость разгоняются силами притяжения со стороны находящихся поблизости молекул жидкости, в результате чего средняя кинетическая энергия молекул жидкости увеличивается (сравните это явление с выделением энергии при кристаллизации расплава!).

Вотличие от испарения, которое происходит только со свободной поверхности жидкости, кипение – это парообразование, происходящее по всему объёму жидкости.

Кипение оказывается возможным потому, что в жидкости всегда растворено какое-то количество воздуха, попавшего туда в результате диффузии. При нагревании жидкости этот воздух расширяется, пузырьки воздуха постепенно увеличиваются в размерах и становятся видимы невооружённым глазом (в кастрюле с водой они осаждают дно и стенки). Внутри воздушных пузырьков находится насыщенный пар, давление которого, как вы помните, быстро растёт с повышением температуры.

Вотличие от испарения, происходящего при любой температуре, жидкость начинает кипеть только при достижении температуры кипения – именно той температуры, при которой пузырьки воздуха оказываются в состоянии всплыть и добраться до поверхности. При температуре кипения давление насыщенного пара становится равно внешнему давлению на жидкость (в частности, атмосферному давлению). Соответственно, чем больше внешнее давление, тем при более высокой температуре начнётся кипение.

4. Коротко говоря, тепловые машины преобразуют теплоту в работу или, наоборот, работу в теплоту.

Тепловые машины бывают двух видов – в зависимости от направления протекающих в них процессов.

Тепловые двигатели преобразуют теплоту, поступающую от внешнего источника, в механическую работу. Тепловой двигатель – это устройство, которое извлекает полезную работу из «хаотической» внутренней энергии тела.

51

Автомобильный двигатель внутреннего сгорания – это пример теплового двигателя. В нём происходит преобразование тепла, выделяющегося при сгорании топлива, в механическую энергию автомобиля.

Показателем эффективности превращения энергии сгорающего топлива в механическую работу служит коэффициент полезного действия теплового двигателя.

КПД теплового двигателя – это отношение механической работы к количеству теплоты, поступившему от нагревателя.

КПД теплового двигателя, как видим, всегда меньше единицы. Например, КПД паровых турбин приблизительно 25%, а КПД двигателей внутреннего сгорания около 40%.

Житейский опыт и физические эксперименты говорят нам о том, что в процессе теплообмена теплота передаётся от более нагретого тела к менее нагретому, но не наоборот. Никогда не наблюдаются процессы, в которых за счёт теплообмена энергия самопроизвольно переходит от холодного тела к горячему, в результате чего холодное тело ещё больше остывало бы, а горячее

Ключевое слово здесь – «самопроизвольно». Если использовать внешний источник энергии, то осуществить процесс передачи тепла от холодного тела к горячему оказывается вполне возможным. Это и делают холодильные машины.

Холодильные машины передают тепло от менее нагретого тела к более нагретому за счёт механической работы внешнего источника.

Бытовой холодильник, который стоит у вас в квартире, служит примером холодильной машины. В нём тепло отводится от холодильной камеры и передаётся в окружающее пространство.

Тема 2.4. Основы электродинамики

План:

1.Электрические заряды и их взаимодействие.

2.Электрический ток.

3.Магнитное поле тока и действие магнитного поля на проводник с

током.

4.Электромагнитная индукция.

Список рекомендуемой литературы:

1.Горелов, А.А. Концепции современного естествознания: учебное пособие / А.А. Горелов. – М.: Центр, 2003. – 208 с.

2.Естествознание 10-11классы: профильное обучение: учебное пособие / Л.Н. Харченко. – М.: Дрофа, 2007. – 223 с.

3.Игнатова, В.А. Естествознание: учебное пособие для студ. гуманитарных фак. вузов / В.А. Игнатова. – М.: Академкнига, 2002. – 256 с.

4.Мякишев, Г.Я. Физика: учеб. для 11 классов, общеобразоват. учреждений / Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев. – 11-е изд. – М.: Просвещение,

2003. – 336 с.

52

5. Рузавин, Г.И. Концепции современного естествознания: учебник для студ. высших учебных заведений, обучающихся по гуманитарным специальностям / Г.И. Рузавин. – 3-е изд., стер. – М.: ИНФРА-М, 2012. – 270 с.

1. Электродинамика – это наука о свойствах и закономерностях поведения особого вида материи – электромагнитного поля, осуществляющего взаимодействие между электрически заряженными телами или частицами.

Раздел электродинамики, посвященный изучению покоящихся электрически заряженных тел, называют электростатикой.

Все тела простроены из мельчайших частиц, которые неделимы на более простые и поэтому называются элементарными. Все элементарные частицы имеют массу и поэтому притягиваются друг к другу согласно закону Всемирного тяготения. Если частицы взаимодействуют друг с другом силами, которые убывают с увеличением расстояния так же, как и силы всемирного тяготения, но превышают силы тяготения во много раз, то говорят, что эти частицы имеют электрический заряд. Сами частицы называют заряженными. Бывают частицы без заряда, но не бывает заряда без частицы.

Взаимодействия между заряженными частицами носят название электромагнитных. Электрический заряд определяет интенсивность электромагнитных взаимодействий, подобно тому, как масса определяет интенсивность гравитационных взаимодействий.

Заряженные частицы могут притягиваться и отталкиваться друг от друга. Это объясняется тем, что в природе есть частицы с электрическими зарядами противоположных знаков; при зарядах одинаковых знаков частицы отталкиваются; а при разных – притягиваются. При этом М. Фарадей установил, что электрические заряды не действуют друг на друга непосредственно. Каждый из них создает в окружающем пространстве электрическое поле. Поле одного заряда действует на другой заряд, и наоборот. По мере удаления от заряда поле ослабевает.

Заряд элементарных частиц – протонов, входящих в состав атомных ядер, называют положительным, а заряд электронов – отрицательным. Между положительными и отрицательными зарядами внутренних различий нет.

Электрический заряд во Вселенной сохраняется. Полный электрический заряд Вселенной, скорее всего, равен нулю; число положительно заряженных элементарных частиц равно числу отрицательно заряженных элементарных частиц.

Открытие взаимодействия неподвижных друг относительно друга электрических зарядов было сделано под влиянием идей Ньютона и, в частности, его законов всемирного тяготения. В середине 18 века уже высказывались предположения, что закон взаимодействия зарядов аналогичен закону всемирного тяготения. Первым доказал это экспериментально англичанин Кевендиш. Но этот выдающийся ученый отличался странностями. Своих работ по электричеству Кевендиш не печатал. Более ста лет рукописи пролежали в библиотеке Кембриджского университета, пока их не извлек Максвелл и не опубликовал. К этому времени закон взаимодействия зарядов

53

был установлен во Франции Шарлем Кулоном и с тех пор носит его имя. Его открытие было сделано в 1785 году.

Опыты Кулона привели к открытию закона, поразительно напоминающего закон тяготения. Сила взаимодействия неподвижных заряженных тел прямо пропорциональна произведению их зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Единицей заряд является Кулон. Один кулон (1 Кл) – это заряд, проходящий за 1 секунду через поперченное сечение проводника при силе ток 1 Ампер.

Минимальный заряд, существующий в природе, - это заряд элементарных частиц. В единицах СИ модуль этого заряда равен: е = 1,6·10-19 Кл.

2. Неподвижные электрические заряды редко используются на практике. Для того, чтобы использовать электрические заряды на практике, необходимо привести их в движение – создать электрический ток.

Электрический ток – упорядоченное движение заряженных частиц (свободных электронов или ионов). Сила тока равна отношению заряда, переносимого через поперечное сечение проводника за интервал времени к этому интервалу. Силу тока измеряют в амперах. Она представляет собой отношение заряда, перенесенного через поперечное сечение проводника за интервал времени к этому интервалу.

Электрический ток имеет определенное направление. За положительное направление тока принимают направление движения положительно заряженных частиц. Если ток образован движением отрицательно заряженных частиц, то направление тока считают противоположным направлению движения частиц.

Движение частиц в проводнике мы непосредственно не видим. О наличии электрического тока приходится судить по тем действиям или явлениям, которые его сопровождают:

проводник, по которому течет ток, нагревается;

электрический ток может изменять химический состав проводника (на электродах выделяются вещества, входящие в состав электролита)

ток оказывает силовое воздействие на соседние токи и намагниченные тела. Это действие тока называется магнитным.

Постоянный ток – электрический ток, у которого сила тока со временем не меняется.

Условия, необходимые для существования электрического тока 1) Наличие свободных электрически заряженных частиц;

2) Наличие внутри проводника электрического поля, действующего с силой на заряженные частицы для их упорядоченного движения (свободные электроны по инерции, без действия силы, перемещаться не могут из-за тормозящего воздействия на них кристаллической решетки).

Если в проводнике существует электрическое поле, то между концами проводника есть разность потенциалов. Если разность потенциалов постоянна во времени, в проводнике течет постоянный ток.

54

Согласно закону Ома для участка цепи сила тока прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника. Сопротивление – основная электрическая характеристика проводника. По закону Ома эта величина постоянна для данного проводника.

М. Фарадей обнаружил химическое действие электрического тока, взаимосвязь между электричеством и магнетизмом, магнетизмом и светом. Доказал тождественность различных видов электричества.

3.С открытием электрического поля впервые за всю историю науки появилась глубокая идея: существуют различные виды материи и каждому из них присущи свои свойства.

В пространстве, окружающем неподвижные электрические заряды, возникает электрическое поле, в пространстве, окружающем токи, возникает поле, называемое магнитным. Магнитное поле представляет собой особую форму материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися электрически заряженными частицами. Его основные свойства: оно порождается электрическим током (направлено движущимися зарядами); оно обнаруживается по действию на электрический ток (на движущиеся заряды).

Д. Максвелл доказал, что изменяющееся магнитное поле создает не только в окружающих телах, но и в вакууме вихревое электрическое поле, которое, в свою очередь, вызывает появление магнитного поля. Система уравнений для электрических и магнитных полей, разработанная Максвеллом, состоит из 4-х уравнений, которые эквивалентны 4-м утверждениям: 1) Электрическое поле, соответствующее какому-либо распределению заряда, определяется из закона Кулона (сила взаимодействия двух точечных зарядов друг с другом в вакууме пропорциональна произведению этих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними), 2) Магнитные заряды не существуют, 3) Переменное магнитное поле возбуждает электрический ток, 4) Магнитное поле возбуждается токами и переменными электрическими полями.

4.В 1831 г. М. Фарадей обнаружил, что в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного поля возникает так называемый индукционный ток. Индукционный ток в катушке возникает:

при перемещении постоянного магнита относительно катушки;

при перемещении электромагнита относительно катушки;

при перемещении сердечника относительно электромагнита, вставленного в катушку;

при регулировании тока в цепи электромагнита;

при замыкании и размыкании цепи

Появление тока в замкнутом контуре при изменении магнитного поля, пронизывающего контур, свидетельствует о действии в контуре сторонних сил. Явление возникновения электрического поля при изменении магнитного поля (потока), и называется электромагнитной индукцией.

55

ЭДС индукции в замкнутом контуре прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока через площадь, ограниченную этим контуром.

Основные применения электромагнитной индукции: генерирование тока (индукционные генераторы на всех электростанциях, динамомашины), трансформаторы.

Возникновение индукционного тока - следствие закона сохранения энергии! Поскольку источником магнитного поля является ток, поэтому возникающий в замкнутом контуре индукционный ток имеет такое направление, что созданный им поток магнитной индукции через площадь, ограниченную контуром, стремится компенсировать то изменение потока магнитной индукции, которое вызывает данный ток (правило Ленца).

Тема 2.5. Колебания и волны. Электромагнитная картина мира

План:

1.Механические колебания и волны.

2.Электромагнитные колебания и волны.

3.Свет как электромагнитная волна.

4.Основные принципы и положения электромагнитной картины мира.

Список рекомендуемой литературы:

1.Горелов, А.А. Концепции современного естествознания: учебное

пособие / А.А. Горелов. – М.: Центр, 2003. – 208 с.

2.Естествознание 10-11классы: профильное обучение: учебное пособие / Л.Н. Харченко. – М.: Дрофа, 2007. – 223 с.

3.Игнатова, В.А. Естествознание: учебное пособие для студ. гуманитарных фак. вузов / В.А. Игнатова. – М.: Академкнига, 2002. – 256 с.

4.Мякишев, Г.Я. Физика: учеб. для 11 классов, общеобразоват. учреждений / Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев. – 11-е изд. – М.: Просвещение,

2003. – 336 с.

5.Рузавин, Г.И. Концепции современного естествознания: учебник для студ. высших учебных заведений, обучающихся по гуманитарным специальностям / Г.И. Рузавин. – 3-е изд., стер. – М.: ИНФРА-М, 2012. – 270 с.

1.В технике и в окружающем нас мире часто приходится сталкиваться

спериодическими (или почти периодическими) процессами, которые повторяются через одинаковые промежутки времени. Такие процессы называютколебательными. Колебательные явления различной физической природы подчиняются общим закономерностям. Например, колебания тока в электрической цепи и колебания математического маятника могут описываться одинаковыми уравнениями. Общность колебательных закономерностей позволяет рассматривать колебательные процессы различной природы с единой точки зрения.

Механическими колебаниями называются периодические (или почти периодические) изменения физической величины, описывающей механическое движение (скорость, перемещение, кинетическая и потенциальныая энергия и т. п.).

56

Если в какой-либо точке среды, в которой близко расположенные атомы или молекулы испытывают силовое воздействие, возбужден процесс механических колебаний, то этот процесс будет с конечной скоростью, зависящей от свойств среды, распространяться от точки к точке. Так возникают механические волны. Примерами такого процесса являются звуковые волны в воздухе.

Как и колебания, волновые процессы различной физической природы (звук, электромагнитные волны, волны на поверхности жидкости и т. д.) имеют много общего. Распространение волн различной физической природы можно описывать с помощью одинаковых математических уравнений. В этом проявляется единство материального мира.

Наряду с поступательными и вращательными движениями тел в механике

повторяющиеся точно (или приблизительно) через одинаковые промежутки времени. Закон движения тела, совершающего колебания, задается с помощью некоторой периодической функции времени x = f (t). Графическое изображение этой функции дает наглядное представление о протекании колебательного процесса во времени.

Примерами простых колебательных систем могут служить груз на пружине или математический маятник.

Механические колебания, как и колебательные процессы любой другой физической природы, могут быть свободными и вынужденными. Свободные колебания совершаются под действием внутренних сил системы, после того, как система была выведена из состояния равновесия. Колебания груза на пружине или колебания маятника являются свободными колебаниями. Колебания, происходящие под действием внешнихпериодически изменяющихся сил, называются вынужденными.

Резонанс – это явление, при котором резко возрастает амплитуда вынужденных колебаний (происходит наиболее полная передача энергии от одной колебательной системы к другой )Чем меньше трение, тем больше возрастает амплитуда резонансных колебанийРезонанс наблюдается, когда частота собственных колебаний совпадает с вынужденной частотой.

Причины возникновения механических волн: упругая среда (частицы среды взаимодействуют за счет сил упругости), инертность частиц.

Вместе с колебаниями волной переносится энергия колебаний, хотя сами носители этой энергии, колеблющиеся частицы, с волной не переносятся. Волна является переносчиком энергии. Виды волн:

Поперечные – это волны, в которых частицы среды колеблются перпендикулярно направлению волны, Деформация сдвига в твердых телах, на поверхности жидкости

Продольные – это волны, в которых частицы среды колеблются вдоль направления распространения волны. Деформация сжатия в газах, жидкостях, твердых телах

58

теория электромагнитного поля Д. Максвелла;

электронная теория Г.А. Лоренца: всякое вещество состоит из положительных и отрицательных дискретных зарядов, движением и взаимодействием которых обусловлены электромагнитные явления, а также электрические, магнитные и оптические свойства вещества;

постулаты теории относительности А. Эйнштейна: Принцип относительности: все законы природы инвариантны по отношению к переходу от одной инерциальной системы отсчета к другой. Это означает, что во всех инерциальных системах физические законы (не только механические) имеют одинаковую форму. Таким образом, принцип относительности классической механики обобщается на все процессы природы, в том числе и на электромагнитные. Этот обобщенный принцип называют принципом относительности Эйнштейна. Согласно этому постулату, все инерциальные системы отсчета совершенно равноправны, т.е. явления (механические, электродинамические, оптические и др.) во всех инерциальных системах отсчета протекают одинаково.

Принцип постоянства скорости света: скорость света в вакууме не зависит от скорости движения источника света или наблюдателя и одинакова во всех инерциальных системах отсчета (равна 3×108 м/с). Согласно этому постулату Эйнштейна, постоянство скорости света – фундаментальное свойство природы, которое констатируется как опытный факт.

Основные положения электромагнитной картины мира:

1. Материя существует в двух формах – веществе и поле, между которыми существует непроходимая грань: вещество не превращается в поле и наоборот. Поля, в отличие от вещества, непрерывно распределяются в пространстве. Известны два вида поля – электромагнитное и гравитационное, соответственно – два вида фундаментальных взаимодействий. Электромагнитное взаимодействие объясняет не только электрические и магнитные явления, но и другие – оптические, химические, тепловые;

2. Взаимодействие между телами происходит посредством поля и распространяется с конечной скоростью равной скорости света в вакууме (принцип близкодействия);

3. Пространство и время связаны с процессами, происходящими в поле, т.е. они несамостоятельны и зависимы от материи, являются относительными;

4. Движение – это не только простое механическое перемещение, но, в первую очередь, распространение колебаний в поле, которые описываются законами термодинамики;

5. Волна – распространяющееся возмущение физического поля. Волна обладает следующими свойствами: интерференция (содействие или противодействие двух или большего числа волн), дифракция (отклонение волны от прямолинейного распространения при взаимодействии с препятствием), поляризация (нарушение симметрии распределения возмущений в поперечной волне);

59

6. В сложных динамических системах существенную роль играют вероятностные закономерности.

В 19 в. в физике возникло три проблемы, которые невозможно было объяснить в рамках электромагнитной картины мира: проблема теплового излучения, проблема теплоемкости твердого тела при низких температурах, проблема линейчатого спектра атомов, а также проблема структуры атома. Проблему теплового излучения решил Макс Планк 14.12.1900 г., высказав идею о том, что свет излучается и поглощается отдельными порциями или квантами. Таким образом, родилась квантовая механика. В дальнейшем открытие строения атома привело к решению и других проблем. Это привело к необходимости пересмотра основных положений научной картины мира.

Тема 2.6. Квантовая физика. Квантово-полевая картина мира

План:

1.Фотоэффект и корпускулярные свойства света.

2.Атомная физика.

3.Квантование энергии.

4.Принципы и основные положения квантово-полевой картины мира.

Список рекомендуемой литературы:

1.Горелов, А.А. Концепции современного естествознания: учебное

пособие / А.А. Горелов. – М.: Центр, 2003. – 208 с.

2.Естествознание 10-11классы: профильное обучение: учебное пособие / Л.Н. Харченко. – М.: Дрофа, 2007. – 223 с.

3.Игнатова, В.А. Естествознание: учебное пособие для студ. гуманитарных фак. вузов / В.А. Игнатова. – М.: Академкнига, 2002. – 256 с.

4.Мякишев, Г.Я. Физика: учеб. для 11 классов, общеобразоват. учреждений / Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев. – 11-е изд. – М.: Просвещение,

2003. – 336 с.

5.Рузавин, Г.И. Концепции современного естествознания: учебник для студ. высших учебных заведений, обучающихся по гуманитарным специальностям / Г.И. Рузавин. – 3-е изд., стер. – М.: ИНФРА-М, 2012. – 270 с.

1.В развитии представлений о природе света важный шаг был сделан при изучении одного замечательного явления, открытого Г. Герцем и тщательно исследованного выдающимся русским физиком Александром Григорьевичем Столетовым. Явление это получило название фотоэффекта.

Фотоэффект – это вырывание электронов из вещества под действием

света.

Наблюдение фотоэффекта. Для обнаружения фотоэффекта на опыте можно использовать электрометр с присоединенной к нему цинковой пластиной. Если зарядить пластину положительно, то ее освещение, например электрической дугой, не влияет на быстроту разрядки электрометра. Но если пластину зарядить отрицательно, то световой пучок от дуги разряжает электрометр очень быстро.