Фізика. Повторне видання. 8 клас. Бар’яхтар
Дорогі друзі!
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, але 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 здобуті знання в повсякденному житті.
Зверніть увагу на те, що параграфи завершуються рубриками: «Підбиваємо підсумки», «Контрольні запитання», «Вправа». Для чого вони потрібні і як з 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, адже ви зможете застосувати отримані 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. 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.
Довідкові дані, необхідні для виконання завдань, ви знайдете в Додатку наприкінці підручника.
Фізика — наука насамперед експериментальна, тому в підручнику наявні експериментальні завдання та лабораторні роботи. Обов’язково виконуйте їх — і ви будете краще розуміти фізику. Радимо опрацьовувати завдання «із зірочкою», завдяки яким ви навчитеся подавати результати експериментів так, як це роблять справжні вчені. Впоратися із цими завданнями вам допоможе матеріал, поданий наприкінці Додатка.
Матеріали, запропоновані наприкінці кожного розділу в рубриках «Підбиваємо підсумки розділу», «Завдання для самоперевірки», а також матеріали «До практикумів із розв’язування задач» наприкінці підручника допоможуть систематизувати отримані знання, будуть корисними під час повторення вивченого та в ході підготовки до контрольних робіт.
Після кожного розділу підручника подано теми навчальних проектів, рефератів і повідомлень, експериментальних досліджень. Зазначимо, що ці теми є орієнтовними. Тож якщо ви не хочете зупинятися на досягнутому, то можете запропонувати власні теми, а потім якісно їх опрацювати.
В інтернет-підтримці підручника ви знайдете відеоролики, що показують у дії певний фізичний дослід або процес; інформацію, яка допоможе вам у виконанні завдань; тренувальні тестові завдання з комп’ютерною перевіркою. Працюючи над навчальними проектами, радимо уважно ознайомитися з деякими порадами щодо їх створення і презентації, поданими в матеріалі «Етапи роботи над навчальним проектом».
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».
Цікавої подорожі світом фізики, нехай вам щастить!
Розділ I. Теплові явища
- Ви багато разів спостерігали дію вітру, а тепер зможете пояснити, чому виникає вітер
- Ви неодноразово кип’ятили воду і знаєте температуру кипіння води, а тепер дізнаєтесь, як змусити воду закипіти за кімнатної температури
- Ви завжди надягаєте взимку теплі речі, а тепер з’ясуєте, чи завжди їх надягають, щоб захиститися від холоду
- Ви чули про існування наноматеріалів, а тепер дізнаєтеся про їхні властивості та перспективи застосування
- Ви знаєте, що більшість автомобілів має двигун внутрішнього згоряння, а тепер зможете пояснити, як цей двигун працює і як збільшити його ККД
Частина 1. Температура. Внутрішня енергія. Теплопередача
§ 1. Тепловий стан тіл. Температура та її вимірювання
Для всіх змалку є звичними слова: гаряче, тепле, холодне. «Обережно, чашка гаряча, обпечешся», — застерігали нас дорослі. Ми не розуміли, що означає «гаряча», торкалися чашки — і обпікалися. «Сніг холодний, не знімай рукавичок, пальчики змерзнуть», — умовляла бабуся. Нам дуже хотілося дізнатись, а як це — «холодний», ми знімали рукавички й невдовзі розуміли значення цього слова. «Доведеться побути в ліжку. Температура висока», — наполягав лікар... А що ж таке температура з погляду фізики?
1. Знайомимося з поняттям «температура»
Початкових уявлень про температуру людина набула за допомогою дотику. Характеризуючи, наприклад, тепловий стан дуже холодного тіла, можна сказати про нього «крижане», тобто порівняти свої відчуття від дотику до цього тіла з відчуттями, що виникають унаслідок дотику до криги.
З’ясовуючи, наскільки нагріті ті чи інші тіла, ми порівнюємо їхні температури. Коли говорять: «Сьогодні надворі тепліше, ніж учора», — це означає, що температура повітря на вулиці сьогодні вища, ніж учора; фраза «Сніг на дотик холодний» означає, що температура снігу нижча від температури руки. Таким чином, на інтуїтивному рівні ми визначаємо температуру тіла як фізичну величину, що характеризує ступінь нагрітості тіла.
Рис. 1.1. Досліди на підтвердження суб’єктивності наших відчуттів: а — гладенький папір здається холоднішим, ніж шорсткий килимок; б — якщо занурити ліву руку в теплу воду, праву — в холодну, а через деякий час обидві руки помістити в посудину з водою кімнатної температури, то виникне дивне відчуття: ту саму воду ліва рука сприйме як холодну, а права — як теплу
Однак, визначаючи ступінь нагрітості тіл на дотик, можна дати лише приблизну оцінку їхньої температури. Крім того, не завжди можна торкнутися тіла й оцінити, наскільки воно гаряче або холодне. Більш того, відчуття можуть нас обманювати. Справді, за тієї самої кімнатної температури металеві предмети здаються холоднішими, ніж дерев’яні або пластмасові, а шорсткі — теплішими, ніж гладенькі (рис. 1.1, а). І навіть одне тіло в той самий момент може мати на дотик різний ступінь нагрітості (рис. 1.1, б).
2. Вводимо поняття теплової рівноваги
Досліди показують: коли більш нагріте тіло контактує з менш нагрітим, то більш нагріте тіло завжди охолоджується, а менш нагріте — нагрівається. До того ж можуть змінюватися й інші властивості тіл: вони стають більшими або меншими за розмірами, можуть перейти в інший агрегатний стан, почати краще чи гірше проводити електричний струм, можуть почати випромінювати світло іншого кольору та ін. Натомість однаково нагріті тіла, контактуючи одне з одним, не змінюють своїх властивостей, і тоді кажуть, що ці тіла перебувають у стані теплової рівноваги (рис. 1.2).
Температура — це фізична величина, яка характеризує стан теплової рівноваги системи тіл.
Рис. 1.2. Однаково гарячі або однаково холодні тіла перебувають у стані теплової рівноваги: а — книжки перебувають у стані теплової рівноваги зі столом; б — дрова перебувають у стані теплової рівноваги з повітрям; в — іграшки перебувають у стані теплової рівноваги з водою
3. Дізнаємося про фізичний зміст температури
Температура тіла тісно пов’язана зі швидкістю хаотичного руху частинок речовини, з яких складається тіло (атомів, молекул, йонів). Цей рух так і називають — тепловий.
Частинки речовини завжди рухаються, отже, завжди мають кінетичну енергію. Чим швидше рухаються частинки, тим вища температура тіла.
Швидкість руху окремих частинок (а отже, їхня кінетична енергія) безперервно змінюється. Проте в стані теплової рівноваги в усіх тілах системи середня кінетична енергія частинок (тобто кінетична енергія, що припадає в середньому на одну частинку) є однаковою. З точки зору молекулярно-кінетичної теорії можна дати таке означення температури:
Температура — міра середньої кінетичної енергії хаотичного руху частинок речовини, із яких складається тіло.
Отже, є об’єктивний чинник для визначення температури тіла — це середня кінетична енергія його частинок. Цей чинник не залежить від наших відчуттів, проте він аж ніяк не допоможе виміряти температуру.
Як ви вважаєте, чому неможливо безпосередньо виміряти середню кінетичну енергію руху частинок, з яких складається тіло?
4. Вимірюємо температуру
Прилади для вимірювання температури називають термометрами.
Дія термометрів заснована на тому, що зі зміною температури тіла змінюються певні властивості цього тіла (рис. 1.3).
Розглянемо, наприклад, рідинний термометр, дія якого ґрунтується на розширенні рідини під час нагрівання (докладніше про це ви дізнаєтесь із § 2). Найпростіший рідинний термометр складається з резервуара, наповненого рідиною (зазвичай спиртом), довгої тонкої трубки, у яку виступає стовпчик цієї рідини, і шкали (рис. 1.4). Об’єм рідини є мірою температури: чим вища температура тіла, тим більшим є об’єм рідини й тим вищий стовпчик рідини в термометрі.
Рис. 1.3. Різні види термометрів: а — рідинний (мірою температури є довжина стовпчика рідини); б — металевий (біметалева пластинка, яка з’єднана зі стрілкою термометра, вигинається в результаті нагрівання); в — побутовий електронний термометр (зі зміною температури змінюються покази на цифровому табло); г — рідинно-кристалічний (унаслідок зміни температури змінюються колір відповідної ділянки термометра)
Рис. 1.4. Будова рідинного термометра: 1 — резервуар із рідиною; 2 — трубка; 3 — шкала
Рис. 1.5. Побудова температурної шкали Цельсія: а — температурі танення льоду приписують значення 0 °С; б — температурі кипіння води приписують значення 100 °С
Щоб за довжиною стовпчика рідини можна було визначати температуру, слід нанести шкалу, насамперед позначивши на ній так звані реперні точки, тобто точки, на яких ґрунтується температурна шкала. Вони мають бути пов’язані з якимись фізичними процесами, які відбуваються за незмінної температури та які легко відтворити. Так, для побудови найбільш використовуваної шкали Цельсія за реперні точки беруть:
0 °С — температуру танення чистого льоду за нормального атмосферного тиску. Для цього резервуар майбутнього термометра опускають у лід, що тане, і, дочекавшись, коли стовпчик рідини припинить рух, навпроти поверхні рідини в стовпчику ставлять позначку 0 °С (рис. 1.5, а);
100 °С — температуру кипіння води за нормального атмосферного тиску. Резервуар майбутнього термометра занурюють у киплячу воду і положення стовпчика рідини позначають як 100 °С (рис. 1.5, б).
Поділивши відстань між позначками 0 і 100 °С на сто рівних частин, отримаємо термометр, який проградуйовано за шкалою Цельсія, та одиницю температури за цією шкалою — градус Цельсія (°С).
1 °С дорівнює одній сотій частині зміни температури води під час її нагрівання від температури плавлення до температури кипіння за нормального атмосферного тиску.
Температуру, виміряну за шкалою Цельсія, позначають символом t:
[t] = 1 °C.*
У СІ за основну одиницю температури взято кельвін (К). Температура, виміряна за шкалою Цельсія (t), пов’язана з температурою, виміряною за шкалою Кельвіна (T), співвідношенням:
t = T - 273.
Зверніть увагу: термометр показує власну температуру, отже, вимірюючи температуру будь-якого тіла, слід дочекатися стану теплової рівноваги між тілом і термометром.
Чому для вимірювання температури лікарі радять тримати термометр кілька хвилин?
Підбиваємо підсумки
Якщо в будь-який спосіб створити контакт між тілами, через деякий час їхні властивості припинять змінюватися. Тоді говорять, що тіла перебувають у стані теплової рівноваги. Фізичну величину, яка характеризує стан теплової рівноваги, називають температурою. Температура — це міра середньої кінетичної енергії руху частинок речовини, із яких складається тіло. Прилади для вимірювання температури називають термометрами. Дія термометрів ґрунтується на тому, що зі зміною температури змінюються певні властивості тіл.
* Під час перевірки одиниць у ході розв’язування задач цифру 1 зазвичай опускають.
Контрольні запитання
1. Чому не завжди можна оцінити температуру тіла на дотик? 2. У чому полягає стан теплової рівноваги? 3. Наведіть два означення температури. 4. Чому хаотичний рух частинок речовини називають тепловим рухом? 5. Наведіть приклади різних термометрів. 6. Опишіть принцип дії рідинного термометра. 7. Назвіть реперні точки шкали Цельсія.
Вправа № 1
1. Наведіть приклади тіл, що перебувають у стані теплової рівноваги. Обґрунтуйте свою відповідь.
2. Згадайте будову й принцип дії рідинного термометра та поясніть, що більше розширюється під час нагрівання — скло чи рідина.
3. Чому розміри термометра мають бути невеликими порівняно з розмірами тіла, температуру якого вимірюють?
4. Скористайтеся додатковими джерелами інформації та дізнайтеся про історію створення термометрів і різних температурних шкал (Фаренгейта, Реомюра тощо). Підготуйте коротке повідомлення.
5. Визначте ціну поділки та покази термометрів на рис. 1.3, а, б.
Експериментальне завдання
Проведіть дослід із теплою та холодною водою, описаний у пункті 1 § 1. Опишіть послідовність своїх дій, зробіть висновок.
Фізика і техніка в Україні
Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б. І. Вєркіна НАН України (Харків) був заснований у 1960 р. для вивчення фізичних явищ за низьких температур. Ці дослідження були важливими для освоєння космічного простору.
Завдання, поставлені перед науковцями, передбачали дослідження теплових властивостей газів, рідин і твердих тіл в умовах космосу. Досвіду таких досліджень у світі не було, тому довелося починати з методів вимірювання температури, теплопровідності, вивчення особливостей конвекції та випромінювання. В усіх напрямах співробітники інституту досягли видатних наукових результатів. Про це свідчать і численні наукові премії, в тому числі міжнародні.
У 1991 р. інституту присвоєно ім’я його засновника та першого директора — академіка Бориса Ієремійовича Вєркіна (1919-1990).