Фізика. 7 клас. Головко

Цей підручник можна завантажити у PDF форматі на сайті тут.

§ 2. Фізичні тіла. Початкові відомості про будову речовини

  • Фізичні тіла. Речовина і поле. Матерія
  • Молекули. Початкові відомості про будову атома
  • Становлення атомно-молекулярного вчення про будову речовини

Важливим завданням фізики як фундаментальної природничої науки є спостереження та опис явищ природи. Але людину завжди цікавили питання, чому саме таким чином ці явища протікають. Чому яблуко падає донизу, а повітряна кулька підіймається вгору? Чому шматочком алмазу можна надрізати скло, а такий же шматочок льоду легко розламати? Чому сенсорний екран мобільного телефона можна легко пошкодити, а залізнична рейка витримує важкий потяг? Знайти відповіді на питання щодо тих чи інших властивостей тіл можна лише за умови, якщо знати особливості їх внутрішньої будови.

Фізичні тіла. Речовина і поле. Матерія. Коли ми вивчаємо різноманітні фізичні явища, то звертаємо увагу на те, що всі вони розглядаються відносно різних предметів або їх утворень (наприклад, танення льоду, свічення монітора, рух футбольного м’яча). Для позначення всіх цих об’єктів у фізиці використовують науковий термін «фізичне тіло». Фізичними тілами є Земля, Місяць, Сонце та зорі, вода, лід, комп’ютер, велосипед і т. ін.).

У природі спостерігається величезна розмаїтість фізичних тіл, так само як і фізичних явищ. Зображені на малюнку тіла відрізняються за формою та об’ємом (рис. 1.11). Тіла можуть мати однаковий об’єм та різну форму (наприклад, шматки свинцю та виплавлений з них свинцевий брусок) (рис. 1.12). Тіла можуть мати однакову форму, але різний об’єм (наприклад, повітряна куля та кулька для прикрашання свят) (рис. 1.13). Форма та об’єм тіл можуть змінюватися під дією інших тіл. Так, розплавивши мідний дріт, отримаємо шматок міді неправильної форми. Повітряна кулька на морозі зменшується в об’ємі. Пояснити особливості перебігу фізичних явищ та властивості тіл можливо лише тоді, коли відомо, з чого вони складаються і як внутрішня будова тіл впливає на їх властивості.

Рис. 1.11. Фізичні тіла відрізняються формою та розмірами

Рис. 1.12. Шматки свинцю та виплавлений з них свинцевий брусок мають різну форму, але однаковий об’єм

Рис. 1.13. Повітряна куля та кулька для прикрашання свят мають однакову форму, але різний об’єм

Таким чином, тілами у фізиці називають предмети й об’єкти, які нас оточують. Але людину цікавлять не тільки самі фізичні тіла, а й те, з чого вони складаються. Речовиною у фізиці називають те, з чого складаються фізичні тіла. Знання про будову речовини необхідні людині для того, щоб уміти їх якнайкраще використовувати.

Так, люди помітили, що для полегшення оброблення заліза його слід добре нагріти. До цього часу ковалі в кузнях розігрівають металеві заготовки в спеціальних печах і лише потім виковують з них потрібні деталі. Щоб надати міцності глиняному посуду, його обпалюють, а потім покривають поливою - спеціальним склоподібним сплавом. Для виготовлення автомашин і літаків використовують легкі та міцні матеріали, а для виробництва реактивних двигунів, атомних реакторів використовують жаростійкі матеріали, які не змінюють своїх властивостей за високих температур. Потреба у речовинах зі спеціально заданими властивостями постійно зростає. Якщо у природному стані потрібних речовин немає або їх недостатньо, вони створюються штучно. Широке застосування в техніці та побуті знайшли такі речовини як пластмаса, гума, капрон, лавсан. Колись гумові вироби виготовляли з каучуку, який отримували із соку спеціальних дерев. Але потреби в цій речовині з часом настільки зросли, що була створена спеціальна технологія виробництва штучного каучуку.

Для означення всього, що є у Всесвіті, використовують термін «матерія». Матерія - це все те, що існує в оточуючому світі: Місяць, Сонце, Земля, зорі, рослини і тварини, світло і радіохвилі. Теплове випромінювання, яке ми не бачимо, але відчуваємо, наближаючись до радіатора водяного опалення в квартирі, теж є матеріальним, або реально існуючим. Матеріальними є також і радіохвилі, випромінювання мобільного телефона. Людина не відчуває їх за допомогою органів чуттів, але вони існують: їх сприймають радіоприймачі, телевізори, мобільні телефони.

Матерія - це різноманітні речовини, з яких складаються фізичні тіла: вода, повітря, алюміній, мідь, залізо, пластилін. Матерією є також і електромагнітне поле, проявом якого є електромагнітне випромінювання. Ми не помічаємо випромінювання, що йде від пульта дистанційного керування, але підтвердженням його існування є те, що за його допомогою вмикається телевізор. А ще це випромінювання можна «побачити» за допомогою цифрової відеокамери (рис. 1.14).

Рис. 1.14. Інфрачервоне випромінювання пульта дистанційного керування, зняте цифровою видеокамерою

Таким чином, матерія існує у формі поля та речовини. Терміни «фізичне тіло», «речовина», «поле», «матерія» тісно пов’язані між собою і характеризують взаємозв’язок між фізичними явищами та процесами, в якому беруть участь фізичні тіла.

Молекули. Початкові відомості про будову атома. Для дослідження будови речовини фізики використовують спеціальні пристрої та обладнання. Але навіть і деякі прості досліди можуть дати певні уявлення про особливості будови речовини. Шматок крейди ви можете розламати навпіл, потім ще раз і ще. Зовсім маленький шматочок можна розтерти в руках - на пальцях залишаться дрібні частинки речовини, з якої складається крейда.

Якщо крапельку фарби помістити у склянку з водою, вона розчиниться і зафарбує воду. Відливши частину розчину в іншу склянку і доливши її чистою водою, помітимо, що розчин буде мати світліше забарвлення. Зробивши так декілька разів, переконаємося, що з кожним разом розчин стає світлішим.

Цей дослід, так само як і дослід зі шматочком крейди, свідчить про те, що частинки речовини є дуже малими, а сама речовина є подільною. Будь-яка речовина не є суцільною, вона складається з окремих частинок. Про те, яким чином розташовані частинки речовини, з якої складається тіло, можна дізнатися з таких дослідів.

Легенько затиснувши в руці резервуар побутового термометра будемо спостерігати, як стовпчик рідини піднімається вгору (рис. 1.15). Оскільки температура людського тіла зазвичай більша, ніж температура в кімнаті, то рідина стовпчика термометра нагрівається і її рівень збільшується. Отже, під час нагрівання рідина розширюються.

Рис. 1.15. Розширення рідини

Рис. 1.16. Поршневі кільця для двигунів автомобілів

Влітку під час нагрівання на сонці розширюються залізничні рейки, тому між ними залишають проміжки. Поршневі кільця для двигунів автомобілів виготовляють таким чином, щоби вони могли розширюватися під час роботи двигуна (рис. 1.16). Отже, при нагріванні залізо розширюється, а при охолодженні звужується. Яким чином можна пояснити ці явища? З попередніх дослідів ви знаєте, що речовини складаються з частинок дуже малих розмірів. Пояснити збільшення або зменшення об’єму тіла можна, припустивши, що між частинками речовини, з якої воно складається, є певні проміжки (подібні припущення у фізиці називають гіпотезами, від грецького hypothesis - припущення, основа). Коли частинки віддаляються одна від одної за певних умов (наприклад, під час нагрівання тіла), об’єм тіла збільшується. А коли частинки речовини зближаються, то об’єм тіла зменшується. Як дослідили фізики, величина проміжків між частинками визначає властивості фізичних тіл, які можуть перебувати у твердій, рідкій, газоподібній формі. У твердих тілах і рідинах відстані між частинками значно менші, ніж в газах.

Частинки, з яких складається більшість речовин, у фізиці називають молекулами (від латинського слова, що означає «маленька маса»). Вода складається з молекул води, а найменшими частинками цукру є молекули цукру.

Молекула - найменша частинка цієї речовини, що зберігає її хімічні властивості.

Молекули різних речовин мають різні розміри. Але всі вони надзвичайно малі. Якби молекули речовин, з яких складається яблуко, можна було би збільшити до розмірів яблука, то саме яблуко збільшилося би до розмірів Землі.

Навіть надзвичайно тонка наноплівка алмазоїда складається з декількох шарів молекул (рис. 1.17).

Отже, розміри молекул є надзвичайно малими. Навіть розміри «гігантських» молекул, отриманих людиною, у тисячі разів менші від товщини людського волосся (рис. 1.18).

Рис. 1.17. Модель наноплівки з алмазоїда

Рис. 1.18. Розмір фулеренів (модифікація молекул вуглецю) не перевищує один нанометр (1 нм = 10-9 м)

Важливим науковим результатом, отриманим фізиками та хіміками під час вивчення молекулярної будови речовини, став висновок про те, що молекули однієї й тієї ж речовини є однаковими. Однакові властивості найменших частинок будь-якої речовини, яка не містить домішок, надають їй специфічних ознак, за якими вона відрізняється від інших речовин. Саме тому вода, виділена із солодкого чаю, апельсинового соку, мильного розчину не буде відрізнятися за основними властивостями від звичайної чистої води. Молекули води однакові у різних сполуках, і вони є характерними тільки саме для такої речовини.

Як ви побачили, молекули є надзвичайно маленькими частинками речовини. Але дослідження показали, що й вони також є подільними. Частинки, з яких складаються молекули, називають атомами. Щоб зобразити, наприклад, молекулу води, яка складається з двох атомів Гідрогену (частинок речовини, яку називають воднем) та одного атома Оксигену (частинки речовини, яку називають киснем), використовують кружечки різного кольору (рис. 1.19). На сьогодні відомо мільйони типів молекул, що складаються з різної кількості атомів (рис. 1.20).

Рис. 1.19. Молекула води

Рис. 1.20. Різні типи молекул

Атоми надзвичайно малі. Тому їх не можна побачити в оптичний мікроскоп. Найменша частинка, яку можна спостерігати в такий мікроскоп, має складатися з мільярда атомів. Фізики змогли «побачити» атом тільки після створення складних приладів - електронного мікроскопа та іонного проектора. Дослідження, виконані такими приладами, підтверджують подільність речовини. На фотознімку вістря голки з вольфраму, зробленому за допомогою іонного мікроскопа, видно окремі атоми (жовті крапки), між якими є проміжки, та групи атомів (жовті плями) (рис. 1.21).

Рис. 1.21. Фотографія вістря голки, виготовленої з вольфраму

Фізики встановили, що атоми також не є неподільними. Вони складаються з дрібніших частинок. Досліди англійського вченого Е. Резерфорда показали, що всередині атомів розташоване ядро, розміри якого в сто тисяч разів менші, ніж розміри всього атома. Незважаючи на такий малий розмір, в ядрі сконцентрована майже вся маса атома. Навколо ядра, яке має позитивний заряд, обертаються електрони - негативно заряджені частинки. Будова ядра теж виявилася складною. Ядро складається з протонів (позитивно заряджених частинок) та нейтронів (частинок, які не мають електричного заряду) і має позитивний заряд.

Найпростіший атом Гідрогену складається з позитивно зарядженого ядра, навколо якого обертається один електрон (рис. 1.22, а). Навколо ядра атома Гелію обертаються два електрони (рис. 1.22, б). Така модель отримала назву планетарної, за подібністю будови атома до Сонячної системи, в якій навколо нашої масивної Зорі обертаються значно менші за розмірами та масами планети.

Рис. 1.22, а. Будова атома Гідрогену (Н)

Рис. 1.22, б. Будова атома Гелію (Не)

Атом є електрично нейтральним, оскільки за величиною заряд ядра дорівнює сумарному заряду електронів (кількість протонів у ядрі дорівнює кількості електронів, які обертаються навколо нього). Якщо атом втрачає електрон внаслідок взаємодії з іншими атомами, він перетворюється в позитивний йон (має надлишок позитивного заряду). Атом, який отримує електрон, перетворюється в негативний йон (надлишок негативного заряду).

Становлення атомно-молекулярного вчення про будову речовини. Наукові погляди на внутрішню будову речовини розвивалися зусиллями багатьох поколінь учених. Давньогрецький філософ Левкіпп та його учень Демокріт вважали, що всі речовини у світі й сама людина складаються з дрібних частинок. За припущенням Демокріта ці частинки, названі ним атомами, є неподільними (від грецького atomos - неподільний). Стародавні вчені вважали, що в природі існує декілька видів атомів, з яких утворюються усі речовини.

Рис. 1.23. Демокріт (прибл. 460-370 рр. до н.е.) - давньогрецький мислитель, засновник атомістичного вчення

Рис. 1.24. Михайло Ломоносов (1711-1765) - російський учений-натураліст

Рис. 1.25. Ернест Резерфорд (1871-1937) - англійський фізик

Атомно-молекулярне вчення про будову речовини розвивали видатні мислителі Середньовіччя французький філософ П. Гассенді (1592-1655) та англійський дослідник Р. Бойль (1627-1691). У XVIII ст. видатний російський учений М. В. Ломоносов (1711-1765) узагальнив тогочасні уявлення і запропонував науково обґрунтоване вчення про будову речовини, за яким речовини складалися з корпускул (частинок, молекул), що, в свою чергу, складаються з хімічних елементів (атомів).

Шотландський ботанік Р. Броун отримав дослідне підтвердження руху молекул, вивчаючи під мікроскопом спори рослин у рідині.

На початку XX ст. Е. Резерфорд запропонував планетарну модель будови атома, яка з доповненнями та уточненнями використовується й до цього часу. За цією моделлю в центрі атома розміщується позитивно заряджене ядро, навколо якого обертаються електрони. За подібністю до будови Сонячної системи таку модель атома Е. Резерфорд назвав планетарною. Якщо атом втрачає електрони, він перетворюється в позитивний йон, а якщо отримує - в негативний. Ядро атома складається з протонів і нейтронів, які теж мають складну структуру.

Важливу роль у дослідженнях внутрішньої будови речовини відіграли експериментальні та теоретичні праці українських науковців, виконані в Українському фізико-технічному інституті (м. Харків). На початку 1930-х рр. фізики К. Д. Синельников, О. Е Лейпунський, А. К. Вальтер, Г. Д. Латишев здійснили другу в світі штучну реакцію з розщеплення ядер літію. Д. Д. Іваненко створив протонно-нейтронну модель ядра, а разом з L Є. Таммом розробив обмінну теорію, яка дала можливість пояснити особливості будови ядра атома.

У другій половині минулого століття вчені виявили складну будову протона й нейтрона. Для сучасних досліджень внутрішньої будови речовини створюються спеціальні експериментальні установки, однією з яких є, наприклад, адронний колайдер в Швейцарії.

Головне у цьому параграфі

Предмети й об’єкти, які оточують людину, називаються фізичними тілами. Речовиною у фізиці називають те, з чого складаються фізичні тіла. Вчені створюють речовини із заданими властивостями. Матеріальними є не тільки об’єкти, які людина сприймає за допомогою органів чуттів. Матерією є і електромагнітне поле, проявом якого є електромагнітне випромінювання, тобто, матерія існує у формі поля та у формі речовини.

Будь-яка речовина не є суцільною, вона складається з окремих частинок, які називають молекулами. Молекули однієї й тієї ж речовини є однаковими. Молекули складаються з частинок, які називаються атомами. В центрі атома розміщується позитивно заряджене ядро, навколо якого обертаються електрони. Така модель атома, запропонована, Е. Резерфордом, називається планетарною. Якщо атом втрачає електрони, він перетворюється в позитивний йон, а якщо отримує - в негативний. Ядро атома складається з протонів і нейтронів, які теж мають складну структуру.

Запитання для самоперевірки

  • 1. Наведіть приклади фізичних тіл. З яких речовин складаються повітряна кулька, електричний дріт, мірний циліндр?
  • 2. Що у фізиці означає термін «матерія»?
  • 3. Наведіть приклади існування матеріальних об’єктів у формі речовини та у формі поля.
  • 4. Які досліди підтверджують подільність речовини?
  • 5. Що таке молекула? З яких дослідів видно, що між молекулами є проміжки?
  • 6. З чого складаються молекули? Які атоми входять до складу молекули води?
  • 7. Чому модель атома Е. Резерфорда називають планетарною? З чого складається атом? Атомне ядро?

* Завдання для допитливих

  • 1. Знайдіть в довідковій літературі або мережі Інтернет значення лінійних розмірів атома водню та молекули кисню. Порівняйте їх.
  • 2. Створіть модель молекули води (з використанням кольорового пластиліну або об’ємної графіки). Продемонструйте модель у класі.