Фізика і астрономія. Рівень стандарту. 11 клас. Головко

СЛОВО ДО УЧНЯ Й УЧЕНИЦІ

Шановні друзі! В 11-му класі ви продовжуєте вивчення предмета «Фізика і астрономія», в якому викладені основи фундаментальних наук про природу — фізики та астрономії.

Вивчаючи цей предмет, ви завершите 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. Намагайтеся не просто розширити свої знання з фізики та астрономії, а й спробуйте використовувати їх для вирішення різноманітних навчальних та життєвих практичних завдань: розв'язувати фізичні та астрономічні задачі, планувати й реалізовувати спостереження та експерименти, аналізувати їх результати, оцінювати ефективність побутових приладів та впроваджувати енергоощадні технології. Все це сприятиме успішній підготовці до незалежного зовнішнього 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 досягненні цих цілей та сприятиме формуванню цілісної природничо-наукової картини світу, розвитку фізичного мислення, 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, практикуми з розв'язування фізичних задач та лабораторний практикум. Ґрунтовне опанування фізики й астрономії передбачає системну самостійну роботу з матеріалом, виконання астрономічних і фізичних спостережень і дослідів. Розв'язуючи рекомендовані в підручнику завдання, пропонуйте власні оригінальні способи їх вирішення.

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 Інтернету, але пам'ятайте, що користуватися ними потрібно, насамперед, з метою розв'язання навчально-пізнавальних завдань.

Якщо наполегливо і творчо підійдете до виконання навчальних проектів, використовуючи знання та вміння з предмета, можливо, вам вдасться зробити й власні відкриття, що в майбутньому стануть основою новітніх технологій.

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

Автори

СЛОВО ДО ВЧИТЕЛЯ/ВЧИТЕЛЬКИ

Підручник є складовою навчально-методичного забезпечення базового предмета «Фізика і астрономія», вивчення якого передбачено Типовими навчальними планами 10—11-х класів закладів загальної середньої освіти (наказ Міністерства освіти і науки України №1541 від 24.11.2017).

Зміст підручника відповідає навчальній програмі з фізики й астрономії, затвердженій МОН України (наказ №1539 від 24.11.2017, режим доступу: http://mon.gov.ua/activity/education/zagalna-serednya/navchalni-programy.html), згідно з якою на вивчення предмета в 11-му класі відведено 4 години на тиждень.

Оскільки в старшій школі засвоєння фізичного й астрономічного компонентів освітньої галузі «Природознавство» Державного стандарту базової і повної загальної середньої освіти мають споріднений предмет навчання, методи дослідження та роблять 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. У підручнику для 11-го класу астрономічний складник подано самостійним модулем, який включає «Вступ» та розділи: «Основи практичної астрономії», «Фізика Сонячної системи», «Методи та засоби астрономічних досліджень», «Зорі та галактики», «Всесвіт».

Оскільки навчання фізики і астрономії здійснюється на компетентнісних засадах, методичний апарат підручника орієнтований на формування ключових та предметної компетентностей учнів. Згідно з авторською концепцією, у підручнику втілено спробу реалізувати компетентнісний та особистісний підходи 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 компетентнісно орієнтовані завдання, розв'язання яких передбачає використання набутих учнями знань та умінь із фізики й 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 вчителям помічником у реалізації авторських методичних систем та успішного навчання учнів.

Автори

Розділ 1. Електродинаміка

Упродовж тривалого часу електричні та магнітні явища вивчали відокремлено, і лише у другій половині XIX ст. Дж. Максвелл створив теорію єдиного електромагнітного поля. Теорія електромагнетизму є першою фізичною теорією поля, яка надає можливість здійснювати визначні відкриття, й становить основу сучасної техніки та технології.

Електромагнітна взаємодія є однією з фундаментальних у природі та обумовлює більшість явищ навколишнього світу. Завдяки їй притягуються негативно заряджені електрони до позитивно заряджених ядер, забезпечуючи стабільність атомів і молекул. До неї зводяться сили пружності, тертя, поверхневого натягу. Вона впливає на агрегатні стани речовини, оптичні явища та ін. Проявом електромагнітної взаємодії є поширення світла як потоку частинок.

Розділ фізики, що вивчає електромагнітні взаємодії, називають електродинамікою.

§ 1. Електромагнітна взаємодія. Закон Кулона

Опрацювавши цей параграф, ви зможете оперувати поняттями «електричний заряд», «електризація тіл», застосовувати закон Кулона та пояснювати природу електромагнітної взаємодії.

ЕЛЕКТРИЧНИЙ ЗАРЯД ЯК ДЖЕРЕЛО ЕЛЕКТРОМАГНІТНОГО ПОЛЯ. Електромагнітна взаємодія, так само, як і гравітаційна, є далекодіючою та проявляється і на мікро-, і на макрорівнях. Проте, якщо гравітаційна взаємодія властива всім матеріальним частинкам, то електромагнітна — лише зарядженим частинкам і тілам. Можуть існувати тіла та частинки без заряду, проте заряд без тіла чи частинки існувати не може. Тобто електромагнітна взаємодія частинок (або тіл) визначається їх електричними зарядами.

Джеймс Максвелл (1831—1879), шотландський фізик, творець теорії єдиного електромагнітного поля

Електричний заряд є джерелом і мірою електромагнітної взаємодії.

Електромагнітна взаємодія поширюється в просторі зі швидкістю світла (с = 300 000 км/с), тому сила взаємодії між зарядженими частинками починає діяти не миттєво, а через деякий інтервал часу

Вираз «заряд» вживають для позначення невеликого зарядженого тіла чи зарядженої частинки. Досліди показали, що існують два види електричного заряду. Різнойменні заряди притягуються між собою, а однойменні — відштовхуються.

Тіла, заряджені різнойменно, притягуються, а однойменно — відштовхуються.

Заряд, що виникає на склі в результаті натирання його шовком, домовилися називати позитивним і позначати знаком «+», а заряд, що виникає в результаті натирання ебоніту хутром, — негативним і позначати його знаком «-». Такий поділ є досить умовним, оскільки заряди різних видів виявляють однакові властивості.

Електричний заряд позначається латинською літерою q (від англ. quantity — кількість). Одиницею електричного заряду в СІ є кулон (Кл), вона названа на честь французького вченого Ш. Кулона: [q] = 1 Кл.

ЕЛЕКТРИЗАЦІЯ. ЗАКОН ЗБЕРЕЖЕННЯ ЕЛЕКТРИЧНОГО ЗАРЯДУ. Тіла, які набули електричного заряду, називають наелектризованими, а процес набування тілом електричного заряду — електризацією. Скляна паличка, натерта об шовк, електризується, що виявляється в її здатності притягувати, наприклад, шматочки паперу та тонкі струмені води (рис. 1.1). При цьому шовк також електризується.

Рис. 1.1. Наелектризована скляна паличка притягує шматочки паперу та тонкі струмені води

Під час електризації тертям двох тіл електризуються обидва дотичні тіла.

Якщо доторкнутися наелектризованим тілом до тіла, що не має електричного заряду (до електрично нейтрального), частина заряду переходить з одного тіла на друге. Тобто електричний заряд може поділятися на частини, найменшою з яких є заряд електрона.

Носієм найменшого негативного заряду є електрон е = -1,6 · 10^-19 Кл.

Носієм найменшого позитивного заряду є протон. Заряд протона за модулем дорівнює заряду електрона.

Отже, наелектризувати тіло, що не має електричного заряду, можна тертям або доторканням до наелектризованого тіла. Електризація може відбуватися й за відсутності контакту між тілами. Якщо до нейтрального тіла піднести заряджене тіло, то негативно заряджені вільні електрони в нейтральному тілі накопичуються в ближчій до зарядженого тіла частині, залишаючи іншу позитивно зарядженою. Таке явище називають електростатичною індукцією. Існують й інші способи електризації тіл, наприклад, нагріванням, опромінюванням тощо.

Заряд, набутий тілом внаслідок електризації, можна визначити як добуток заряду електрона е та кількості електронів N, яких набуло чи втратило тіло внаслідок електризації: |q| = |е| · N

Процес електризації можна пояснити, розглянувши будову атома. Під час електризації заряди перерозподіляються між тілами. При цьому на скільки зменшиться кількість електронів в одному тілі, на стільки ж збільшиться в іншому. Повний заряд такої системи не зміниться і залишиться рівним нулю. Під час контакту зарядженого тіла з електрично нейтральним заряд перерозподілиться між тілами, проте сумарне його значення залишиться сталим.

Тобто для заряджених тіл, що утворюють замкнуту систему, виконується закон збереження електричного заряду:

Алгебраїчна сума зарядів у замкнутій системі лишається сталою:

q₁ + q₂ + ... + q_n = const,

де q₁, q₂, ..., q_n, — електричні заряди тіл або частинок.

ВЗАЄМОДІЯ ТОЧКОВИХ ЗАРЯДІВ. ЗАКОН КУЛОНА. Електричний заряд є властивістю тіл або їхніх частинок діяти одні на одних із електричною силою. Закон взаємодії точкових зарядів (заряджених тіл, розмірами яких в умовах даної задачі можна знехтувати) встановив французький учений Ш. Кулон у 1785 р.

Сила взаємодії двох нерухомих точкових зарядів прямо пропорційна чисельному значенню добутку модулів цих зарядів, обернено пропорційна квадрату відстані між ними та напрямлена вздовж прямої лінії, що з'єднує заряди (рис. 1.2):

де q₁, q₂ — модулі зарядів; r — відстань між точковими зарядами; k — коефіцієнт пропорційності.

Мал. 1.2. Напрям сили Кулона під час взаємодії однойменних та різнойменних зарядів

Фізичний зміст коефіцієнта пропорційності k полягає в тому, що він показує, з якою силою взаємодіють у вакуумі два точкові заряди по 1 Кл на відстані 1 м.

Замість коефіцієнта k використовують фундаментальну фізичну константу — електричну сталу

Відповідно, закон Кулона записують у вигляді:

Взаємодію нерухомих електричних зарядів називають електростатичною, або кулонівською, взаємодією.

Розглянемо приклади розв'язування задачі на використання закону Кулона.

Задача. Три точкові заряди розташовані вздовж прямої на відстанях r₁₂ = 4 см та r₂₃ = 6 см один від одного. Обчислити значення результуючих кулонівських сил, що діють на кожен із цих зарядів, якщо значення зарядів q₁ = -20 нКл, q₂ = 40 нКл, q₃ = 10 нКл.

Сили, прикладені до другого заряду, напрямлені в один бік, тому модуль рівнодійної сили також дорівнює сумі їх модулів:

F₂ = F₂₁ + F₂₃;

сили, прикладені до третього заряду, напрямлені в протилежні боки, тому модуль рівнодійної сили дорівнює різниці їх модулів, причому результуюча спрямована в бік більшої сили:

F₃ = F₃₂ - F₃₁.

Відповідно до закону Кулона перший і другий заряд притягуються із силою:

Другий і третій заряди відштовхуються із силою, модуль якої дорівнює:

Перший і третій заряди притягуються із силою, модуль якої дорівнює:

Запишемо рівнодійну сил, що діють на кожен із точкових зарядів. Сили, прикладені до першого заряду, напрямлені в один бік, тому модуль рівнодійної сили дорівнює сумі їх модулів:

сили, прикладені до другого заряду, напрямлені в один бік, тому модуль рівнодійної сили також дорівнює сумі їх модулів:

сили, прикладені до третього заряду, напрямлені в протилежні боки, тому модуль рівнодійної сили дорівнює різниці їх модулів, причому результуюча спрямована в бік більшої сили:

Відповідь: F₁ = 198 мкН; F₂ = 240 мкН; F₃ ≈ 42 мкН.

! Головне в цьому параграфі

Електричний заряд є джерелом і мірою електромагнітної взаємодії. Можуть існувати тіла та частинки без заряду, але заряд без тіла чи частинки існувати не може.

У процесі електризації тіло або втрачає частину електронів (позитивно заряджене тіло), або ж набуває надлишкових (негативно заряджене тіло). При цьому заряд перерозподіляється між тілами, проте сумарне його значення залишається сталим.

? Знаю, розумію, вмію пояснити

1. Що є джерелом електромагнітної взаємодії? 2. Які заряди називають точковими? 3. Сформулюйте закон Кулона. 4. Що називають кулонівською взаємодією? 5. Чи можна тілу надати заряд

Поясніть.

Домашній експеримент

1. Візьміть дві повітряні кульки та підвісьте їх на нитках на деякій відстані одна від одної. Одну з них наелектризуйте, потерши об папір, другу — об шерстяну тканину чи хутро. Проведіть спостереження, як залежить сила притягання між кульками від відстані між ними та від величини електричного заряду.

2. Наелектризуйте повітряну кульку та спробуйте «приклеїти» її до стіни. Перевірте та поясніть, чи залежить результат цього експерименту від того, чим електризувати кульку (наприклад, хутром або шовком), та як саме.

Вправа до § 1

• 1(с). Поясніть, як зміниться сила взаємодії двох точкових зарядів, якщо відстань між ними збільшити у 3 рази.
• 2(с). Поясніть, як зміниться сила взаємодії між двома зарядженими точковими тілами, якщо заряд кожного з них збільшити у два рази.
• 3(д). Дві дощові хмари мають електричні заряди 12 і 20 Кл. Хмари знаходяться на відстані 3 км одна від одної. Обчисліть силу кулонівської взаємодії між хмарами, вважаючи хмари точковими зарядами, оскільки розміри хмар значно менші за відстані між ними.
• 4(д). Обчисліть відстань між двома точковими зарядами 10 нКл і 3 нКл, якщо сила їх взаємодії становить 24 · 10^-5 Н.
• 5(д). Два однакові точкові позитивні заряди перебувають на відстані 10 мм один від одного. Заряди взаємодіють із силою 7,2 · 10^-4 Н. Визначте величини цих зарядів.
• 6(в). Дві однакові маленькі заряджені кульки знаходяться на відстані 40 см одна від одної. Заряд однієї з них 8 нКл, а заряд другої -2 нКл. Кульки привели в контакт, а потім повернули на початкову відстань. Знайдіть силу взаємодії кульок до і після контакту.
• 7(в). Точкові заряди 20 нКл і 40 нКл закріплені на відстані 10 см один від одного у вакуумі. Посередині між ними розміщують точковий заряд -5 нКл. Обчисліть модуль і напрямок результуючої сили, яка діє на цей заряд.