Фізичні явища навколо нас. 7 клас. Годована

Дорогий друже!

Ти вперше перегорнув кольорову обкладинку цього видання, а можливо, переглянув і декілька його сторінок. Спантеличений? Ще не таке буде!

Озирнись навколо:

• у тебе вдома є холодильник і мікрохвильова піч — слід подякувати фізикам та інженерам;
• тобі подобається смартфон та інші ґаджети — однозначно спасибі фізикам, а також інженерам і програмістам;
• ти носиш контактні лінзи для корекції зору або сонячні окуляри — за це теж маємо подякувати фізикам та інженерам;
• тобі роблять нетравматичне ультразвукове або рентгенівське обстеження — і за це спасибі фізикам, інженерам і лікарям;
• ти рухаєшся на велосипеді чи скейтборді, ідеш або сидиш — усе це фізика.

Світ неозорний, але пізнаваний. Прямуй на вітрилах своєї фантазії в цей світ, вивчай фізичні явища та закони. Проходь через рифи механічного руху; чини опір «шкідливим» силам; завзято використовуй корисну виштовхувальну силу; уперто виконуй повсякденну роботу на всі 100 відсотків потужності.

Ця книга написана завдяки нашим учням. Саме вони ставили питання, яких ми не очікували, пропонували нові досліди, брали участь в експериментах, робили фотографії, знімали відеоролики й урешті-решт змусили нас написати цю книгу. Нам хотілося зробити її захопливою, щоб фізика стала для тебе такою ж цікавою, як і для них.

Фізика як природнича наука

Μікро, макро, мега

Якщо ти замислишся й назвеш фізичні тіла, що тебе оточують, то майже напевно це будуть меблі, прилади, книжки тощо. Усі ці тіла взаємодіють одне з одним, з ними відбуваються різноманітні природні явища, які люди намагаються дослідити, виміряти та пояснити.

Учені умовно поділили Всесвіт на три рівні: макро-, мікро- та мегасвіт.

Макросвіт — це звичний нам світ, у якому розміри всіх тіл співвідносні з розмірами людини. Досліджуючи його, людина створила зручну систему одиниць фізичних величин СІ (метр, кілограм, секунда). Саме в макросвіті ми можемо не тільки спостерігати явища, а й втручатися в них. Проте існує багато чого поза межами макросвіту.

Мегасвіт — світ зоряних скупчень і галактик, пульсарів і чорних дір. У Всесвіті все велике — маси, розміри, час тощо. Щоб уявити такі масштаби, треба мати неабияку фантазію.

А от об’єкти мікросвіту людина змогла спостерігати тільки після винайдення мікроскопа. Тоді стало відомо про існування мікроорганізмів, удалося довести, що найдрібніші частинки речовини перебувають у неперервному русі. Для дослідження молекул та атомів створено електронний мікроскоп та інші складні пристрої.

Дослідження фізичних процесів у макро-, мікро- та мегасвітах — складна задача. Чи можна «побачити» або сфотографувати атом або електрон? Як виміряти температуру зорі й відстань до неї? Які процеси відбуваються в глибині Сонця?

Які проблеми постають перед дослідниками? Одна з них — це фізичні вимірювання й розрахунки.

Наприклад, розмір атома менший від розміру яблука приблизно в мільярд разів. Мабуть, ти пам’ятаєш, що в цьому числі дев’ять нулів. А маса такої частинки, як електрон, менша від маси яблука приблизно в десять октальонів разів. У цьому числі цілих 28 нулів! Маса Сонця, навпаки, набагато більша за масу яблука. У цьому числі вже 31 нуль! Дуже незручно користуватися такими числами. Назви чисел більше мільйона та мільярда навіть складно запам’ятати. Простіше число так і називати: «два з 31 нулем». Але як проводити розрахунки з такими великими числами?

Як завжди, на допомогу приходить математика. Є така арифметична дія — піднесення до степеня, коли операція множення повторюється кілька разів. Зручно скористатися нею, подаючи такі великі числа, як розміри й маса Сонця, планет тощо. Щоб помножити число на 10, треба просто «дописати» справа від числа 0.

Степінь числа 10 вказує на кількість нулів після одиниці. Можна уявити це як сходинки:

10² = 100

10³ = 1000

10⁴ = 10000

Отже, замість числа «2 з 28 нулями» досить записати 2 · 10²⁸. Порівняй, як простіше:

2 · 10²⁸ чи 20 000 000 000 000 000 000 000 000 000?

Тепер відстань від Землі до Місяця можна записати так:

384400 км = 3,844 · 10⁵ км.

«Переносимо» кому вліво на 5 позицій, залишаємо перед нею лише одну значущу цифру. Таку форму запису числа називають стандартною, а степінь числа 10 називають порядком числа.

Але що робити, коли число не велике, а дуже маленьке? Процесор смартфона складається з найменших елементів, які називають транзисторами. Розмір одного такого елемента дорівнює 0,0000014 см.

На цей випадок математики придумали від’ємний степінь. Знову скористаємося сходинками, але напишемо їх у зворотному порядку:

10⁴ = 10000

10³ = 1000

10² = 100

Кожен крок нагору — це множення на число 10. А тепер спробуємо спуститися цими сходинками. Що таке число в степені 0 або -3? Хіба можна перемножити числа 0 разів? Звісно, ні. Але можна зійти сходинками ще нижче: кожен крок — це ділення на 10. Ось що в нас вийшло:

Отже, число 10^-3 означає, що ми зробили 3 кроки вниз від одиниці, тобто поділили 1 на 10³. Довжина транзистора дорівнює 0,0000014 см = 1,4 · 10^-6 см.

Ми перенесли кому так, щоб перед нею стояла лише одна цифра, але не нуль.

Для зручності подання запису чисел цифри групують в класи по три розряди в кожному (тисячі, мільйони, мільярди). Тому і в Міжнародній системі одиниць СІ для запису використовують префікси, більшість з яких кратні тисячі: мета-, кіло-, мілі-, мікро-, а порядок кратний трьом.

ПРЕФІКСИ МІЖНАРОДНОЇ СИСТЕМИ ОДИНИЦЬ

Множник	Префікс	Українське позначення	Міжнародне позначення
1000000000000000000 = 1018	екса	Е	Е
1000000000000000 = 1015	пета	П	П
1000000000000 = 1012	тера	Т	Т
1000000000 = 109	гіга	Г	G
1000000 = 106	мега	М	М
1000 = 103	кіло	к	k
100 = 102	гекто	г	h
10 = 101	дека	да	da
0,1 = 10-1	деци	д	d
0,01 = 10-2	санти	с	c
0,001 = 10-3	мілі	м	m
0,000001 = 10-6	мікро	мк	μ
0,000000001 = 10-9	нано	н	n
0,000000000001 = 10-12	піко	п	Ρ
0,000000000000001 = 10-15	фемто	ф	f
0,000000000000000001 = 10-18	ато	а	a

Повернемося до трьох рівнів світів: макро-, мега- і мікро-. Кожен із них мас свої виміри.

Просторові величини макросвіту виражаються в мікрометрах, міліметрах, сантиметрах, метрах, кілометрах, астрономічних одиницях, світлових роках: 10^-8...10²⁴ м.

Відстані в мегасвіті вимірюються сотнями тисяч світлових років (більш ніж 10²⁶ м).

Просторові величини мікросвіту — від 10^-8 до 10^-18 м.

Цікавий факт

У давнину люди вимірювали відстань суб'єктивними одиницями, які неможливо було точно відтворити. Наприклад, у Японії одиницею вимірювання відстані був кінський черевик, тобто шлях, який проходив кінь, поки не зноситься солом'яна підошва, що заміняла підкову. Єгипетський стадій — це шлях, який людина пройшла за час між першим променем Сонця і появою на небі всього диска, тобто приблизно за дві хвилини.

У багатьох народів траплялися одиниці, пов'язані з розміром частин тіла. Вони були зручними для вимірювання довжини мотузки або тканини: у ліктях (відстань від кінця пальців до ліктьового суглоба), аршинах (від персидської «арш» — лікоть, приблизно 71 см), п'ядях (відстань між кінцями розставлених великого і вказівного пальців, близько 18 см).

Дослід. «Вимірюємо відстань»

Разом із друзями проведіть такий експеримент: виміряйте кроками відстань в 1 милю (це 2000 кроків римських легіонерів на марші). Кількість кроків можна порахувати за допомогою мобільного застосунку «Крокомір». Відстань (у СІ) визначте за Google-мапою. Чи однакові результати у вас вийшли? Чи дорівнюють вони 1 милі? 1 миля — це 1,609 км.

Спробуйте виміряти в такий же спосіб інші фізичні величини (лікоть, п’ядь). Чи співпали результати?

Розбір досліду

Результати точно співпали? Не може того бути! Повинна бути похибка вимірювань. Крім того, довжина кроку, ліктів та пальців у людей різні — ми ж не роботи!

Задачі

1. До яких рівнів Всесвіту належать бактерії, галактика Мала Магелланова Хмара, атом?

2. Переведи в СІ (метр, кілограм, секунда) і подай у стандартній формі такі величини:

• діаметр лейкоцита — 4 мкм;
• радіус Місяця — 1,737 тис. км;
• довжина хвилі червоного світла — 700 нм;
• 1 світова хвилина — відстань, яку світло проходить за 1 хвилину; швидкість світла дорівнює 300000 км/с;
• час, за який електрон робить один оберт навколо ядра в атомі водню, — 1,52 фс;
• час навчання людини в середній школі — 11 років;
• час існування Сонячної системи — 4,6 млрд років;
• маса літака АН-140 (випуск Харківського авіаційного заводу) — 12,81 тонни;
• маса бактерії — 42 мкг;
• загальна маса води на Землі — 1460000000 мільярдів тонн.

Цікаві факти

Міжнародне бюро мір і ваг — міжнародна організація з визначення еталонів, розташована в західному передмісті Парижа. У 1799 році у Франції були виготовлені два еталони — для одиниці довжини (метр) і для одиниці маси (кілограм). Ці еталони мають зараз історичну цінність, бо замінені на інші, пов'язані з фізичними явищами. Наприклад, метр — це відстань, яку світло проходить у вакуумі за 1/299792458 секунди.

Усе різноманіття фізичних явищ: механічних, теплових, електромагнітних, хімічних, оптичних тощо — можна описати всього чотирма видами фундаментальних взаємодій. Будь-які сили: тяжіння, пружності, опору, тертя, сила Архімеда — зводяться до цих взаємодій. Це гравітаційна, слабка, електромагнітна та сильна, або ядерна, взаємодії. І в кожної з них є своя «зона відповідальності».

Електромагнетизм

Гравітація

Ядерний синтез

Ядерний розпад

Гравітаційна взаємодія

Наприклад, за утворення планет, зорь, галактик відповідає гравітація: усі тіла притягаються одне до одного тим сильніше, чим більша їхня маса. Це дуже слабка взаємодія, але речовину в зорях та галактиках утримує саме вона.

Електромагнітна взаємодія

За «хімію», тобто утворення атомів і молекул, а з них речовин, відповідає електромагнітна взаємодія. Електрична сила значно більша, ніж гравітаційна. Але, на відміну від маси, заряди бувають двох видів — позитивні та негативні. Вони можуть як притягатися, так і відштовхуватися. Тому на великих відстанях ці сили можуть «екранувати» одна одну.

Ядерна взаємодія

За стабільність атомного ядра відповідає сильна взаємодія. Як протони утримуються разом у ядрі, якщо мають позитивний заряд? Адже однойменні заряди відштовхуються! Між частинками в ядрі (протонами і нейтронами) діють ще й сили притягання. Ядерні сили більші за електромагнітні і, відповідно, набагато більші за гравітаційні. Але чому ж усі частинки у Всесвіті не «зліпилися» в один великий ком? У сильної взаємодії «руки короткі»: вони діють лише на дуже малих відстанях — 10^-14 м. Тому існування дуже великого атомного ядра неможливе.

Слабка взаємодія

Нарешті, слабка взаємодія відповідає за розпад елементарних частинок. Її вплив можна «помітити» лише на відстані 2 · 10^-18 м. «Слабкі» сили менші за ядерні та електромагнітні, але набагато більші за гравітаційні.