Фізика. Рівень стандарту. 10 клас. Головко

Слово до учнів

Шановні друзі! У 10-му класі ви розпочинаєте вивчення предмета «Фізика і астрономія», в якому висвітлюються основи фундаментальних наук про природу — фізики та астрономії. Цей курс поглиблює та розширює зміст базового курсу фізики, опанування якого ви завершили в 9-му класі, а також подає цілісний астрономічний зміст, з елементами якого ви ознайомилися під час вивчення природознавства.

Вивчаючи цей предмет, ви продовжите більш ґрунтовне опанування наукових основ фізики і астрономії, поглибите уявлення про особливості перебігу природних явищ та процесів, а також методів їх дослідження, використання в побуті, техніці та технологіях.

Важливо, щоб у старших класах ви не просто розширили свої знання з фізики та астрономії, а й навчилися використовувати їх для вирішення різноманітних навчальних та життєвих практичних завдань: розв’язувати фізичні задачі, планувати та реалізовувати експеримент, аналізувати його результати, оцінювати ефективність побутових приладів та запроваджувати енергоощадні технології. Все це сприятиме і успішній підготовці до складання зовнішнього незалежного оцінювання з фізики, свідомому вибору напряму майбутньої навчальної та професійної діяльності, а також вступу до закладу вищої освіти.

Сподіваємося, що пропонований підручник допоможе вам у виконанні цих нелегких завдань та сприятиме розвитку фізичного мислення, формуванню сучасної науково-природничої картини світу, усвідомленню того, що кожна людина є невід’ємною частинкою природи і саме від нас залежить її майбутнє.

До підручника включено різноманітні творчі завдання на формування практичних умінь і навичок, практикум із розв’язування фізичних задач та лабораторний практикум. Якщо наполегливо й творчо підійдете до виконання навчальних проектів, використовуючи знання та вміння з предмета, можливо, вам вдасться зробити й власні відкриття, що в майбутньому утворять основу нових сучасних технологій.

Грунтовне опанування фізики і астрономії передбачає систематичну самостійну роботу з матеріалом, виконання астрономічних і фізичних спостережень та дослідів, розв’язування задач із використанням підручника. Виконуючи рекомендовані в підручнику завдання, пропонуйте власні оригінальні способи їх розв’язання.

Намагайтеся не тільки уважно прочитати матеріал параграфів, а й проаналізувати та усвідомити прочитане, записати основні моменти, накреслити графіки або схеми. Виконуйте вправи та завдання для самоконтролю, вміщені наприкінці кожного параграфа. Це допоможе закріпити вивчений матеріал. Якщо ви не знаходите в підручнику відповіді на всі свої запитання, скористайтеся додатковими джерелами, наприклад пошуковими системами, але пам’ятайте, що користуватися мережею Інтернет потрібно, насамперед, з метою розв’язання навчально-пізнавальних завдань.

Тож бажаємо вам творчого, цікавого та успішного вивчення фізики і астрономії.

Автори

Слово до вчителя

Підручник є складовою навчально-методичного забезпечення базового предмету «Фізика і астрономія», вивчення якого передбачено Типовими навчальними планами 10-11 класів закладів загальної середньої освіти (наказ Міністерства освіти і науки України від 24.11. 2017 №1541).

Зміст підручника відповідає навчальній програмі з фізики і астрономії, затвердженій МОН України (наказ від 24.11. 2017 р. №1539, режим доступу: http://mon.gov.ua/activity/education/zagalna-serednya/navchalni-programy.html), згідно з якою на вивчення предмета в 10-му класі відведено 3 години на тиждень.

Оскільки в старшій школі засвоєння фізичного і астрономічного компонентів освітньої галузі «Природознавство» Державного стандарту базової і повної загальної середньої освіти має споріднений предмет навчання, методи дослідження та робить спільний внесок у формування наукової картини світу, ці два компоненти об’єднано в єдиний навчальний предмет «Фізика і астрономія» зі збереженням своєрідності кожного з цих складників.

На базовому рівні ці складники можуть реалізовуватися як у вигляді відносно самостійних модулів, так і інтегровано. Основний астрономічний компонент віднесено до 11-го класу, а в підручнику 10 класу елементи астрономії включено до «Вступу» та розділу «Механіка».

Оскільки навчання фізики й астрономії здійснюється на компетентнісних засадах, методичний апарат підручника орієнтований на формування ключових і предметної компетентностей учнів. Згідно з авторською концепцією, у підручнику втілено спробу реалізувати компетентнісний та особистісний підхід через побудову методичного апарату, диференційовану систему вправ, різноманітність завдань та вправ для самостійної роботи учнів, домашній фізичний експеримент, навчальні проекти, лабораторний практикум та практикум із розв’язування задач.

З цією метою до підручника включено практико- та компетентнісно орієнтовані завдання, вирішення яких передбачає використання набутих учнями знань та умінь із фізики і астрономії в практичних ситуаціях. Виокремлено спеціальну рубрику «Виявляємо предметну компетентність», в якій учням пропонуються завдання на виявлення рівня сформованості предметної компетентності у формі, максимально наближеній до формату зовнішнього незалежного оцінювання.

Сподіваємося, пропонований підручник стане вам у пригоді для успішного вивчення фізики і астрономії.

Автори

Вступ

§ 1. Світоглядний потенціал фізики та астрономії

• Фізика та астрономія у пізнанні речовини, поля, простору і часу
• Методи наукового пізнання природи
• Основні етапи розвитку фізики і астрономії в Україні та світі

ФІЗИКА ТА АСТРОНОМІЯ У ПІЗНАННІ РЕЧОВИНИ, ПОЛЯ, ПРОСТОРУ І ЧАСУ. У стародавні часи існувала єдина наука про природу — природознавство. Із часом обсяг наукових знань про навколишній світ неабияк збільшився, і природознавство розділилось на окремі науки: астрономію, географію, біологію, хімію, фізику та інші.

Фізика — наука про найбільш загальні та фундаментальні закономірності, що визначають структуру й еволюцію матеріального світу.

Астрономія — наука про небесні тіла, про закони їхнього руху, будови і розвитку, а також про будову й розвиток Всесвіту в цілому.

У фізиці вивчають фізичні явища і фізичні властивості матерії. Багато фізичних явищ мають спільні властивості і, залежно від цього, їх поділяють на механічні, теплові, світлові, електромагнітні та інші.

Саме завдяки загальності та фундаментальності законів фізики вони використовуються в усіх природничих науках. Виникли й успішно розвиваються нові напрями — астрофізика, геофізика, біофізика тощо.

МЕТОДИ НАУКОВОГО ПІЗНАННЯ ПРИРОДИ. Яким чином, якими способами здобувають наукові знання у фізиці та астрономії? Дослідження явищ починається зі спостереження за ними. Оскільки майже всі об’єкти, які вивчає астрономія, перебувають за межами земної атмосфери, то її основним методом є спостереження. Це її особливість порівняно з іншими природничими науками. Щоб зрозуміти і описати події, які відбуваються, вчені запроваджують фізичні величини, такі, наприклад, як швидкість, сила, тиск, температура тощо.

За допомогою емпіричних методів пізнання (спостереження, вимірювання, експерименти, досліди) накопичується великий фактичний матеріал про певну групу явищ природи. На основі цього матеріалу створюється припущення, обґрунтоване науковими фактами, яке пояснює хід явищ, — гіпотеза.

Справедливість гіпотези перевіряється новими експериментами. Якщо правильність гіпотези підтверджується, то на її основі формулюються закони і створюється теорія, яка повинна дати задовільні якісні й кількісні пояснення явищ, що відбуваються, а також передбачати нові явища.

Джерелом фізичного знання і критерієм¹ його істинності є дослід та експеримент.

¹ Від грец. kriterion - засіб для суджень, мірило оцінки.

Істинним є те знання, яке підтверджено дослідом, і цей дослід може бути відтворений (мал. 1.1)

Мал. 1.1. Експеримент — основне джерело знань про природу: а) члени Французької академії А. Ампер та Ф. Араго вивчають дію магнітного поля на провідник зі струмом; б) перший космонавт незалежної України Л. Каденюк проводить експеримент із вивчення впливу мікрогравітації на рослини в космосі; в) експерименти на адронному колайдері; г) експерименти на поверхні Марса виконує автоматична міжпланетна станція «К’юріосіті»

Дослід та експеримент, пов’язані зі спостереженням, але не тотожні йому: в науковому експерименті дослідники цілеспрямовано впливають на досліджуваний процес, аби виявити зв’язок причин і наслідків спостережуваного процесу. Експеримент є основою фізики.

Експериментом у фізиці називають спеціально поставлені досліди чи спостереження.

Фізичний експеримент має задовольняти таким вимогам:

1. Відтворюваність експериментальних результатів у разі виконання будь-якої кількості незалежних вимірювань (зокрема й таких, що проводяться на різних установках, різними експериментаторами, у різних місцях і за різних умов).

2. Максимальна точність вимірювання.

3. Повний контроль за всіма чинниками, які визначають перебіг досліджуваного явища.

Поміркуйте і наведіть приклади наукового експерименту і наукового спостереження.

У сучасній фізиці крім експериментального важливе значення має теоретичний метод пізнання. Вивчення фізичних явищ на мікро- та нанорівнях спершу моделюється, досліджується методами математики, і лише потім перевіряється експериментом.

ОСНОВНІ ЕТАПИ РОЗВИТКУ ФІЗИКИ І АСТРОНОМІЇ В УКРАЇНІ ТА СВІТІ. Фізика і астрономія — одні з найдавніших наук про природу. Найперші астрономічні знання — це не та астрономія, як ми її розуміємо нині. Ці знання були лише засобом для задоволення потреб господарського життя.

У II ст. н. е. Клавдій Птолемей створив геоцентричну систему світу — відносно складну математичну модель, яка для свого часу задовільно пояснювала видимі рухи планет і, що було тоді важливо, давала змогу визначати їхнє положення на небесній сфері наперед, у майбутньому. Хоча вона не відображала справжньої будови Сонячної системи її використовували упродовж майже 1500 років.

Вважають, що сучасна фізика почала свій розвиток із праць Галілея, який став основоположником експериментально-математичного методу вивчення природи та зробив фізику наукою про універсальні закони природи. Він сформулював найважливіші принципи механічного світу. Його дослідження кардинально вплинули на розвиток наукової думки. Саме від нього бере початок фізика як наука Найважливішим внеском Галілео Галілея в науку була свідома й послідовна заміна пасивного спостереження активним експериментом. Галілей першим використав телескоп для вивчення небесних тіл. Результатами цих спостережень і експериментів стали зроблені вченим наукові відкриття.

Потужним поштовхом до формування фізики як науки стали наукові праці Ісаака Ньютона. На основі сформульованих ним законів було побудовано так звану ньютонівську механіку, на базі якої розвинулася класична фізика, а в астрономії виник новий розділ — небесна механіка.

Експерименти класичної фізики проводилися виключно з макроскопічними тілами (тобто, з тілами, що складаються з величезної кількості атомів і молекул), які рухалися порівняно повільно (зі швидкістю набагато меншою ніж 300 000 км/с).

У XIX ст. М. Фарадей та Д. Максвелл сформулювали основні закони електромагнетизму, які спричинили подальший розвиток електродинаміки. Наукові відкриття, зроблені цими вченими лягли в основу розроблення електростанцій, засобів теле- і радіозв’язку тощо.

На початку XX ст. А. Ейнштейн переформулював основні рівняння механіки так, щоб їх можна було застосовувати до вивчення рухів зі швидкостями, наближеними до швидкості світла, та заклав основи теорії гравітації (всесвітнього тяжіння). Але найважливішими науковими здобутками цього періоду стали відкриття закономірностей мікросвіту. Наукові дослідження XX ст. спричинили виникнення нових галузей фізики: квантово-механічної а потім і квантово-релятивістської фізики. Наразі квантово-релятивістська фізика є найбільш загальною та універсальною формою подання сучасного тлумачення навколишнього світу. Але з появою квантової релятивістської фізики класична фізика не зникла. Визначилися лише рамки, у межах яких вона діє.

Отже, на кожному історичному етапі конкретний зміст фізики, як і астрономії, визначався тодішнім рівнем знань про природу. Нині об’єктами дослідження у фізиці є найдрібніші частинки речовини (аж до так званих кварків), віддалені від Землі на тисячі світлових років таємничі квазари та «чорні діри» а також Світ (Всесвіт) у його цілісному розвитку.

В історії розвитку фізичної та астрономічної науки українські вчені посідають вагоме місце поруч із всесвітньо відомими дослідниками природи. Одним із перших українських середньовічних філософів та астрономів був Юрій Котермак із Дрогобича, ректор Болонського університету, автор книги «Прогностична оцінка» (1483 р.).

Юрій Котермак (Юрій Дрогобич)

(1450-1494)

Біля витоків одного із найвизначніших досягнень людства — відкриття «Х»-променів, за яке В. Рентген був удостоєний Нобелівської премії, стояв Іван Пулюй. Український фізик отримав перші високоякісні знімки з їх застосуванням. У другій половині XIX — на початку XX ст. учений був відомий в Європі своїми фундаментальними працями з молекулярної фізики, дослідження властивостей та природи катодних променів.

Іван Павлович Пулюй

(1845-1917)

Наша держава має значний науковий та технологічний потенціал. Його утворюють потужні науково-дослідні установи та виробничі об’єднання. Києва, Дніпра, Одеси, Харкова, в яких зароджувалися та функціонують й сьогодні наукові школи фізики та астрономії, всесвітньо відомі своїми результатами. Провідну роль у становленні фізики і астрономії в нашій країні відіграють наукові установи Національної академії наук України (НАН України), яка була заснована у 1918 р. як Всеукраїнська академія наук.

Борис Євгенович Патон, президент НАН України, всесвітньо відомий учений у галузі електрозварювання

Однією з перших вітчизняних науково-дослідних установ, де упродовж багатьох років років здійснюються фундаментальні дослідження в галузі механіки, є Інститут механіки ім. С. П. Тимошенка НАН України. Це — один із перших науково-дослідних інститутів у складі Всеукраїнської академії наук, директором-засновником якого став видатний фахівець із теорії міцності, академік С.П. Тимошенко.

Степан Прокопович Тимошенко (1878—1972), академік Всеукраїнської академії наук, всесвітньо відомий вчений у галузі механіки, директор-засновник Інституту технічної механіки

Сучасні дослідження з фізики конденсованого стану, м’яких речовин, нанофізики та наноелектроніки, фізики лазерів, нелінійної та сингулярної оптики, голографії, фізики поверхні, емісійної та плазмової електроніки здійснюються в Інституті фізики НАН України.

Олександр Генріхович Гольдман (1884—1971), академік Академії наук УРСР, директор-засновник Інституту фізики у Києві (1929 р.)

В Інституті магнетизму НАН України досліджуються проблеми магнетизму, створюються нові магнітні матеріали (магнітні носії з надвисокою щільністю запису інформації, матеріали з ефектом магнітної пам’яті), розробляються заходи з ліквідації наслідків таких екологічних катастроф світового масштабу, як аварія на Чорнобильській АЕС.

Віктор Григорович Бар’яхтар, директор-засновник, почесний директор Інституту магнетизму НАН України, академік, Герой України, видатний учений у галузі теоретичної фізики, фізики твердого тіла та магнітних явищ

В Інституті ядерних досліджень НАН України здійснюються дослідження з ядерної фізики, фізики конденсованого стану речовини, матеріалознавства, атомної енергетики, радіоекології, виробництва радіоізотопів. На унікальному приладі — ізохронному циклотроні «У-240» виконуються експерименти з просторово-змінними магнітними полями, в яких утримуються на заданих орбітах прискорені частинки, незалежно від зміни їхніх мас завдяки релятивістським ефектам, досліджується поділ важких ядер (мал. 1.2).

Мал. 1.2. Ізохронний циклотрон У-240

Перші професійні астрономічні обсерваторії в Україні було засновано в університетах, які нині є провідними закладами вищої освіти, — Львівському, Київському, Одеському і Харківському. Окрему історію має обсерваторія в Миколаєві. Її створили в 1821 р. для потреб Чорноморського флоту — забезпечення його точним часом і морехідними картами, а також для налагодження навігаційних приладів та навчання штурманів астрономічних методів орієнтування.

Університетські обсерваторії дотепер продовжують свою науково-освітню діяльність. З ними пов’язана левова частка історії астрономічної науки в Україні, адже тут працювали чи здобували професійну освіту майже всі українські астрономи.

Астрономічні обсерваторії в Україні мають не лише провідні (класичні) університети, а й НАН України. Це відносно молоді наукові установи, але великі наукові центри. Дві з них, Радіоастрономічний інститут та Полтавська гравіметрична обсерваторія, є спеціалізованими установами, де виконують дослідження з радіоастрономії та гравіметрії.

Зінаїда Миколаївна Аксентьєва (1900-1969), українська фізик і астроном, член-кореспондент НАН України, багаторічна директорка Полтавської гравіметричної обсерваторії, під керівництвом якої установа стала однією з провідних у Європі

Натомість Головна астрономічна обсерваторія (ГАО) НАН України (м. Київ, Голосіїв) виконує широкий спектр астрономічних досліджень — позиційна астрономія та космічна геодинаміка, фізика Сонця і тіл Сонячної системи, фізика й еволюція зір та галактик, фізика комет та космічної плазми, астрономічне й космічне приладобудування. Її науковці створили Атлас зворотного боку Місяця, зоряний каталог ФОНАК, оригінальні спектральні, фотометричні й поляриметричні прилади, з допомогою яких визначили фізичні властивості атмосфер Марса, Юпітера й Сатурна.

Ярослав Степанович Яцків, директор ГАО, академік НАН України, відомий фахівець із космічної геодинаміки, фундаментальної астрометрії та зоряної астрономії

У ГАО також розроблено низку фотометричних моделей комет та фізична теорія ядер комет, оригінальні методи і програмне забезпечення для спостережень за космічними та астрономічними об’єктами і для обробки отриманих даних.

Українська астрономія має кілька унікальних телескопів. Одним із кращих у світі за спектральною роздільною здатність є горизонтальний сонячний телескоп АЦУ-5 Ернеста Гуртовенка, встановлений у ГАО НАН України (мал. 1.3).

Мал. 1.3. Целостатна група (а) та об’єкти горизонтального сонячного телескопа (б) АЦУ-5 ГАО НАН України

В Україні під Харковом працює найбільший у світі радіотелескоп декаметрового діапазону — УТР-2 (український Т-подібний радіотелескоп-2) (мал. 1.4.), призначений для спостережень у діапазоні 8-33 МГц (довжина хвиль 10-20 м). Його ефективна площа (площа, якою він сприймає випромінювання) становить 150 тисяч кв. м, що перевищує сумарну ефективну площу всіх інших радіотелескопів у світі.

Мал. 1.4. Антени радіотелескопа УТР-2

Українські астрономи мають змогу також виконувати спостереження з допомогою найбільших у світі телескопів, наприклад, Космічного телескопа імені Габбла чи Дуже великого телескопа Європейської південної обсерваторії. Або брати дані астрономічних спостережень з Міжнародної віртуальної обсерваторії.

Клим Іванович Чурюмов (1937-2017), член-κορ. НАН України

Українські вчені долучаються до найсучасніших астрономічних експериментів. 12 листопада 2014 р. вперше в історії людства космічний зонд було висаджено на поверхню комети Чурюмова-Герасименко (67Р) та отримано унікальні фізичні, астрономічні, хімічні дані (мал. 1.5). У межах космічної місії «Розета» упродовж 12 років здійснювалися дослідження комети, відкритої в 1969 році вітчизняним астрономом К. І. Чурюмовим та аспіранткою С. І. Герасименко.

Мал. 1.5. Ядро комети Чурюмова-Герасименко та космічний зонд «Розета»

Запитання для самоперевірки

• 1. Що є предметом вивчення у фізиці та астрономії?
• 2. Якою є роль фізики та астрономії в життєдіяльності людини та суспільному розвитку?
• 3. Які методи пізнання використовують фізична та астрономічна науки?
• 4. Що таке наукова гіпотеза?
• 5. Охарактеризуйте основні етапи розвитку фізико-астрономічного знання.
• 6. Висвітліть внесок українських учених у розвиток фізики та астрономії у світі.