Фізика. Рівень стандарту. Повторне видання. 11 клас. Бар’яхтар

Дорогі друзі!

Цього року ви закінчуєте шкільний курс фізики. Сподіваємося, ви зуміли належно оцінити цю дивовижну науку про природу і намагаєтесь, використовуючи набуті знання, усвідомлювати й пояснювати явища та процеси, що відбуваються навколо. І знову з вами ваш помічник — підручник фізики. Нагадаємо його особливості.

Усі параграфи підручника завершуються рубриками: «Підбиваємо підсумки», «Контрольні запитання», «Вправа».

• У Рубриці «Підбиваємо підсумки» подано відомості про основні поняття та явища, з якими ви ознайомилися в параграфі. Отже, ви маєте змогу ще раз звернути увагу на головне.

• «Контрольні запитання» допоможуть з’ясувати, чи зрозуміли ви вивчений матеріал. Якщо ви зможете відповісти на всі запитання, то все гаразд; якщо ж ні, знову зверніться до тексту параграфа.

• Виявити свою компетентність і застосувати набуті знання на практиці допоможе матеріал рубрики «Вправа». Завдання цієї рубрики диференційовані за рівнями складності — від доволі простих, що потребують лише уважності, до творчих, розв’язуючи які, слід виявити кмітливість і наполегливість. Номер кожного завдання має свій колір (у порядку підвищення складності: синій, зелений, оранжевий, червоний, фіолетовий).

• Серед завдань є такі, що слугують для повторення матеріалу, який ви вже вивчали в курсах природознавства, математики або на попередніх уроках фізики.

• Фізика — наука насамперед експериментальна, тому в підручнику наявні експериментальні завдання. Обов’язково виконуйте експериментальні завдання та експериментальні роботи — і ви будете краще розуміти фізику.

• Чимало цікавого та корисного ви дізнаєтеся завдяки інтернет-підтримці. Це відеоролики, що показують у дії той чи інший фізичний дослід або процес; інформація, яка допоможе вам у виконанні завдань; тренувальні тестові завдання з комп’ютерною перевіркою; приклади розв’язування задач.

Матеріали, запропоновані наприкінці кожного розділу в рубриках «Підбиваємо підсумки розділу» і «Завдання для самоперевірки», будуть корисними під час повторення вивченого та в ході підготовки до контрольних робіт.

Рубрика «Фізика в цифрах» слугує містком, що пов’язує досягнення техніки з навчальним матеріалом параграфів.

Для тих, хто хоче більше дізнатися про розвиток фізичної науки й техніки в Україні та світі, знайдеться чимало цікавого й корисного в рубриках «Фізика і техніка в Україні» та «Енциклопедична сторінка».

Для тих, хто замислюється над вибором майбутньої професії та прагне знати більше про перспективи розвитку ринку праці, призначена рубрика «Професії майбутнього».

Цікавої подорожі світом фізики, нехай вам щастить!

Розділ 1. Електродинаміка

Частина 1. Постійний електричний струм

§ 1. Електричний струм

«Рух нематеріальної рідини» — напевно, так назвав би електричний струм американський фізик і політик, винахідник і вчений Бенджамін Франклін (1706-1790). Зараз ви добре знаєте, що електричний струм являє собою рух саме матеріальних частинок, а от порівняння з рідиною залишається слушним. Про те, що таке електричний струм, за яких умов він виникає та які фізичні величини його характеризують, згадаємо в цьому параграфі.

1. Умови існування електричного струму

Розглянемо металевий провідник. Метали — це полікристалічні речовини, у вузлах кристалічних ґраток яких розташовані позитивні йони; між йонами «мандрують» вільні електрони, здійснюючи рух, подібний до руху молекул газу (рис. 1.1). Якщо в металевому провіднику створити електричне поле, то вільні електрони, не припиняючи свого хаотичного руху, починають зміщуватись у бік, протилежний вектору напруженості електричного поля, тобто рух електронів стає напрямленим — у провіднику виникає електричний струм.

Рис. 1.1. За відсутності електричного поля електрони в металевому провіднику рухаються хаотично

Електричний струм — це напрямлений (упорядкований) рух частинок, які мають електричний заряд.

Зрозуміло, що створювати електричний струм можуть не тільки електрони. Так, в електролітах унаслідок дії електричного поля зміщуються позитивні й негативні йони, а в газах — електрони та позитивні й негативні йони.

• Чому позитивні йони зміщуються в напрямку напруженості електричного поля, а негативні — у протилежному напрямку?

Нагадуємо

Для виникнення та існування електричного струму є необхідними дві умови:

1) наявність вільних заряджених частинок — носіїв струму;

2) наявність електричного поля, дія якого створює та підтримує напрямлений рух вільних заряджених частинок.

Умовні позначення деяких елементів електричного кола

За створення електричного поля «відповідають» джерела струму — пристрої, які перетворюють різні види енергії на електричну енергію. У джерелах струму виконується робота з розділення різнойменних електричних зарядів, у результаті чого один полюс джерела набуває позитивного заряду, а другий — негативного; у такий спосіб створюється електричне поле.

Найпоширенішими джерелами струму є електромеханічні генератори, в яких механічна енергія перетворюється на електричну. Останнім часом широко застосовують сонячні батареї — джерела струму, в яких на електричну енергію перетворюється енергія світла.

• Які ще джерела електричного струму ви знаєте? Які перетворення енергії в них відбуваються?

2. Що таке електричне коло

Найпростіше електричне коло являє собою з’єднані провідниками в певному порядку джерело струму, споживач електричної енергії, замикальний (розмикальний) пристрій.

Креслення, на якому умовними позначеннями (див. таблицю) показано, з яких елементів складається електричне коло та в якій послідовності вони з’єднані між собою, називають електричною схемою.

Зверніть увагу:

• за напрямок струму в електричному колі прийнято напрямок, у якому рухалися б по цьому колу позитивно заряджені частинки, тобто напрямок від позитивного полюса джерела струму до негативного;
• в умовному позначенні гальванічного елемента довга риска позначає позитивний полюс джерела, а коротка — негативний.

3. Закон Ома для ділянки кола

Для кількісного опису струму в провіднику застосовують такі фізичні величини: сила струму (характеризує власне електричний струм), напруга (характеризує поле, яке створює струм), опір (характеризує провідник). Згадаємо їх.

* Тут і далі в дужках наведено міжнародні позначення одиниць СІ.

4. Учимося розв'язувати задачі

Задача. На рисунку подано вольт-амперну характеристику циліндричного провідника, який має довжину 250 м і площу поперечного перерізу 3,5 мм². Із якого металу виготовлений провідник?

Аналіз фізичної проблеми. Дізнатися, з якого металу виготовлений провідник, можна, якщо визначити його питомий опір і скористатися відповідною таблицею (див. Додаток 1).

Питомий опір металу знайдемо з формули для визначення опору циліндричного провідника. Опір обчислимо, скориставшись законом Ома та графіком залежності I(U). Відповідно до графіка за напруги, наприклад, 2 В сила струму в провіднику становить 10 А.

ПРОФЕСІЇ МАЙБУТНЬОГО

Безумовно, ви вже розумієте, що наш світ змінюється і багато професій, які є популярними зараз, зникнуть у майбутньому Тож яку професію обрати, щоб не помилитися? Чи потрібен шкільний курс фізики для оволодіння навичками майбутньої професії? Стислі відомості про деякі перспективні професії ви знайдете на сторінках підручника.

Фахівець з ремонту та обслуговування роботів

Навіть малюкам відомо про наближення ери роботів. Але роботи, як і інші механізми, потребують обслуговування: налаштування, заміни зіпсованих частин тощо. Для такої роботи треба бути фахівцем з електрики та електроніки, знавцем у програмуванні.

Кількість роботів буде зростати, відповідно зростатиме попит на їх обслуговування. Тож такі фахівці — одна із професій майбутнього.

Підбиваємо підсумки

• Електричний струм — це напрямлений (упорядкований) рух частинок, які мають електричний заряд. Для виникнення та існування електричного струму необхідна наявність вільних заряджених частинок (носіїв струму) та електричного поля. За напрямок струму в електричному колі прийнято напрямок, у якому рухалися б по цьому колу позитивно заряджені частинки (напрямок від позитивного полюса джерела струму до негативного).

Контрольні запитання

1. Що таке електричний струм? Якими є умови його виникнення та існування? 2. Які пристрої називають джерелами електричного струму? Наведіть приклади. 3. Відтворіть, як позначають на електричних схемах гальванічний елемент; резистор; реостат; амперметр; вольтметр; ключ. Для чого призначені ці пристрої? 4. Що прийнято за напрямок струму в колі? 5. Дайте характеристики фізичних величин: сила струму в колі; напруга на ділянці кола; опір провідника; питомий опір. 6. Сформулюйте закон Ома для ділянки кола.

Вправа № 1

1. Наведіть приклади споживачів електричного струму. Які перетворення енергії в них відбуваються?

2. Нагрівальним елементом праски, до кінців якого прикладено напругу 220 В, за 0,5 хв пройшов заряд 300 Кл. Визначте силу струму в нагрівальному елементі та опір елемента.

3. На рисунку подано вольт-амперну характеристику ніхромового дроту із площею поперечного перерізу 0,2 мм². Визначте довжину дроту.

4. Що, на вашу думку, спільне в плину рідини та електричного струму? Які фізичні величини, що характеризують рух рідини, є аналогічними силі струму; напрузі; опору; заряду?

5. Чому одиниці сили струму, напруги та опору у скороченому вигляді пишуть із великих літер? На честь кого вони названі? Які відкриття зробили ці вчені?

Фізика і техніка в Україні

Борис Євгенович Патон (1918-2020) — український учений, світову славу якому принесли дослідження в галузі електродугового зварювання. У 1953 р. Борис Євгенович став директором Інституту електрозварювання імені Є. О. Патона (Київ). Учений очолив дослідження, у результаті яких було створено електрошлаковий процес для підвищення якості іржостійких сталей. За ініціативи Б. Є. Патона започатковано зварювання в космосі. Він втілив у практику зварювання тканин людини під час хірургічних операцій. Ця методика зберегла життя тисячам хворих і зараз використовується в усьому світі.

У 1962-2020 рр. Б. Є. Патон був незмінним президентом Національної академії наук України. У 2018 р. з нагоди 100-річного ювілею вчений був нагороджений ЮНЕСКО Золотою медаллю Аристотеля, а також державними нагородами багатьох країн.