Фізика. Профільний рівень. 11 клас. Засєкіна

Основні фізичні сталі

Швидкість світла у вакуумі

с = 3 • 108м/с

Гравітаційна стала

G = 6,67 •10-11 м3/(кг • с2)

Прискорення вільного падіння

g = 9,8 м/с2

Атомна одиниця маси

1 а. о. м. = 1,6606 • 10-27кг

Число Авогадро

NА = 6,02 •10 23 моль-1

Універсальна газова стала

R = 8,314 Дж/(К • моль)

Стала Больцмана

k = 1,38 • 10-23Дж/К

Стала Фарадея

F = 9,648 • 104 Кл/моль

Елементарний заряд

е = 1,602 • 10-19Кл

Маса спокою електрона

те = 9,11 • 10-31кг

Маса спокою протона

тр = 1,672 • 10-27 кг

Маса спокою нейтрона

mn= 1,675 • 10-27кг

Електрична стала

ε0 = 8,85 • 10-12 Ф/м

Магнітна стала

μ0 = 1,672 • 10-6 Гн/м

Стала Планка

h = 6,63 • 10-34 Дж-с

Деякі астрономічні величини

Радіус і маса Землі

6,37 •106 м; 5,98 •1024 кг

Радіус і маса Сонця

6,95 •108 м; 1,98 •1030 кг

Радіус і маса Місяця

1,74 •106 м; 7,33 •1022 кг

Префікси для утворення десяткових одиниць

Множник

Найменування і позначення префікса

Множник

Позначення і найменування префікса

1018

екса (Е)

10-1

деци(д)

1015

пета (П)

10-2

санти (с)

1012

тера(Т)

10-3

мілі (м)

109

гіга (Г)

10-6

мікро (мк)

106

мега (М)

10-9

нано (н)

103

кіло (к)

10-12

піко(п)

102

гекто (г)

10-15

фемто(ф)

101

дека(да)

10-18

атто (а)

Діелектричні проникності речовин

Вода

81,0

Парафін

2,1

Скло

7,0

Гас

2,1

Слюда

6,0

Олія

2,5

Густина речовини

Тверді тіла, 103 кг/м3

Алюміній

2,71

Золото

19,3

Нікель

8,8

Цинк

7,1

Вольфрам

19,1

Корок

0,2

Свинець

11,3

Чавун

7,8

Граніт

2,2

Латунь

8,6

Скло

2,5

Ялина

0,6

Дуб(сухий)

0,8

Лід

0,9

Сосна

0,5

Залізо

7,8

Мідь

8,9

Срібло

10,5

Рідини, 103 кг/м3

Вода морська

1,03

Гас

0,8

Ефір

0,72

Ртуть

13,6

Гліцерин

1,26

Олія

0,9

Спирт етиловий

0,79

Вода чиста

1,00

Газ (за нормальних умов), кг/м3

Азот

1,25

Кисень

1,47

Водяна пара(при 100 °С)

0,88

Вуглекислий газ

1,95

Водень

0,09

Повітря

1,29

Гелій

0,18

Хлор

3,22

Питомий опір р (за 20 оС) і температурний коефіцієнт опору а металів та сплавів

Речовина

р, 10-8 Ом • м, або 10-2 Ом • мм2

а, К-1

Речовина

р, 10-8 Ом • м, або 10-2 Ом • мм2

а, К-1

Алюміній

2,8

0,0042

Ніхром

110

0,0001

Вольфрам

5,5

0,0048

Свинець

21

0,0037

Латунь

7,1

0,001

Срібло

1,6

0,004

Мідь

1,7

0,0043

Сталь

12

0,006

Нікелін

42

0,0001

Електрохімічні еквіваленти речовин, 10-6 кг/Кл

Алюміній (Al3+)

0,093

Нікель (Ni2+)

0,30

Водень (Н+)

0,0104

Срібло (Ag+)

1,12

Кисень (О2-)

0,083

Хром (Cr3+)

0,18

Мідь (Cu2+)

0,33

Цинк (Zn2+)

0,34

Робота виходу електронів, еВ

Вольфрам

4,5

Платина

5,3

Залізо

4,74

Калій

2,2

Срібло

4,3

Золото

4,68

Літій

2,4

Цинк

4,2

Мідь

4,47

Оксид барію

1,0

Нікель

5,0

Цезій

1,97

Передмова

Шановні старшокласники й старшокласниці! У цьому році ви завершуєте вивчення шкільного курсу фізики. Проте ця наука супроводжуватиме вас усе життя. Адже нині будь-яка галузь господарства (інформаційні технології, промисловість, медицина, сільське господарство) й навіть гуманітарна сфера життя суспільства використовує сучасне технологічне устаткування, автоматизовані пристрої. Сьогодні наукові дослідження здійснюються не лише в академічних установах, а й у компаніях та офісах сучасного виробництва товарів для промисловості, сільського господарства, медицини, сфери послуг, побуту. Сьогодні наша країна потребує молодих людей, які прагнуть успіху, здатні шукати способи вдосконалення того чи того процесу, вносити зміни, порівнювати й аналізувати різні підходи, вирішувати проблеми, працювати в команді. У пригоді вам стануть знання, здобуті в старшій школі на уроках фізики: ваше вміння глобально мислити, бачити проблему цілісно, пов’язувати та систематизувати факти й події.

А щоб вивчати ці науки було захопливо й зрозуміло, ми намагалися в тексті підручника наводити не лише наукові факти, теорії та пояснення, а й проблемні запитання, описи природних явищ чи технологічних процесів. Вони спонукатимуть вас шукати відповіді, аналізувати й пояснювати. Зважаючи на те, що нам часто доведеться пригадувати раніше вивчений матеріал як із фізики, так і з інших предметів, а також те, що ви маєте навчитися самостійного пошуку інформації, що розширить ваш світогляд і допоможе зрозуміти наш складний і таємничий світ, у підручнику є рубрика «Електронний додаток», яка містить необхідний додатковий матеріал. З «Електронним додатком» можна ознайомитися за посиланням https://bitly.su/BZMT0VKM або за допомогою QR-кодів, які містяться в тексті підручника.

  • 1. Для цього встановіть програму-розпізнавач на свій телефон і запустіть її.
  • 2. Наведіть об’єктив камери на картинку QR-коду. Код розпізнається автоматично або після натиснення на кнопку (Snapshot) для активації сканера.
  • 3. Інформація, зашифрована в QR-коді, з’явиться на екрані мобільного телефону.

Та не обмежуйте цим пошук потрібної інформації. Готуючись до уроків, навчальних проєктів, ви маєте навчитися працювати з багатьма джерелами, уміти оцінювати її вірогідність і надійність джерел, аналізувати, опрацьовувати, інтерпретувати. Виконуючи роботи фізичного практикуму, ви матимете нагоду використовувати як сучасне фізичне обладнання, так і звичайні, а інколи й підручні засоби. Головне — навчитися застосовувати набуті природничо-наукові знання й методологію дослідницької діяльності щоб пояснювати світ природи через виявлення проблеми та пошук способів її розв’язання.

І першим серйозним випробовуванням міцності ваших знань і вмінь буде зовнішнє незалежне оцінювання, готуючись до якого, ви маєте насамперед навчитися розв’язувати фізичні задачі. Цьому виду діяльності радимо приділити особливу увагу! Підручник містить достатню кількість прикладів розв’язування задач, вправ із запитаннями й задачами різного виду. Особливу увагу варто приділити комбінованим задачам, які потребують знань з усіх розділів фізики.

Сподіваємося, що вивчення фізики за цим підручником буде для вас цікавим і нескладним.

Авторський колектив

Розділ 1. Електродинаміка

У 10 класі ми вивчали електричні явища, зумовлені нерухомими електричними зарядами. Але для практичної діяльності людини набагато цікавіші явища, пов’язані з рухомими електричними зарядами, зокрема електричний струм. Переконаймося, що між електричним і магнітним явищами існує тісний зв’язок, який має назву «явище електромагнітної індукції». Це явище стало основою для всієї електротехніки та радіотехніки.

§ 1. Електричний струм. Закон Ома для однорідної ділянки кола

Електричний струм. Рухомі носії зарядів у провіднику переміщуються під дією зовнішнього електричного поля доти, доки не вирівняються потенціали всіх точок провідника. Проте якщо у двох точках провідника якимось чином штучно підтримувати різні потенціали, то це поле забезпечуватиме безперервний рух зарядів: позитивних — від точок з більшим потенціалом до точок з меншим потенціалом, а негативних — навпаки. Коли ця різниця потенціалів не змінюється із часом, то в провіднику встановлюється постійний електричний струм.

Пригадаймо з курсу фізики 8 класу деякі відомості про електричний струм.

Упорядкований рух вільних зарядів у провіднику називається електричним струмом провідності, або електричним струмом.

Основними умовами існування електричного струму є:

  • наявність вільних заряджених частинок;
  • наявність джерела струму, що створює електричне поле, дія якого зумовлює напрямлений рух вільних заряджених частинок;
  • замкненість електричного кола, що забезпечує циркуляцію вільних заряджених частинок.

Залежно від величини питомого опору, який речовини чинять постійному струму, вони поділяються на провідники, напівпровідники, діелектрики.

Залежно від середовища розрізняють особливості проходження електричного струму, зокрема в металах, рідинах і газах, де носіями струму можуть бути вільні електрони, позитивні й негативні йони.

Повне електричне коло (мал. 1) містить джерело і споживачі електричного струму, пристрій для замикання (розмикання) електричного кола. За напрямок струму в колі умовно обирають напрямок від позитивного полюса джерела струму до негативного (реальний рух носіїв струму — електронів — відбувається у зворотному напрямку).

Мал. 1. Схема електричного кола й умовні зображення елементів електричних кіл: 1 — гальванічний елемент або акумулятор; 2 — батарея гальванічних елементів або акумуляторів; 3 — з’єднання провідників; 4 — перетин провідників (без з’єднання); 5 — затискачі для під’єднання споживача електричного струму (клеми); 6 — вимикач (електричний ключ); 7 — розетка; 8 — електрична лампа; 9 — електричний дзвоник; 10 — провідник, що має деякий опір (резистор); 11 — реостат; 12 — плавкий запобіжник; 13 — електровимірювальний прилад (амперметр); 14 — електровимірювальний прилад (вольтметр)

Основними фізичними величинами, що характеризують електричний струм, такі.

Сила струму1 I — фізична величина, яка характеризує швидкість перерозподілу електричного заряду в провіднику й визначається відношенням заряду q, що проходить через будь-який переріз провідника за час t, до величини цього інтервалу часу,

Одиниця сили струму — ампер,

1 А дорівнює силі струму, який, проходячи у двох паралельних прямолінійних провідниках нескінченної довжини та малої площі поперечного перерізу, розташованих у вакуумі на відстані 1 м один від одного, викликав би на кожній ділянці провідників довжиною 1 м силу взаємодії, що дорівнює 2 • 10-7 Н.

Для організму людини вважається безпечною сила струму, значення якої не перевищує 1 мА; сила струму 100 мА може призвести до серйозних уражень.

Силу струму в колі вимірюють за допомогою спеціального приладу — амперметра, котрий вмикають послідовно з провідником, у якому вимірюють силу струму (мал. 2, с. 8). Не можна приєднувати амперметр до кола, де немає споживача струму.

1 Термін «сила струму» запропонували задовго до встановлення положень електродинаміки. Він дещо невдалий, оскільки жодного стосунку до «сили» не має.

Мал. 2. Вмикання амперметра в електричне коло

Електричний опір R — це фізична величина, яка характеризує властивість провідника протидіяти проходженню електричного струму.

Одиниця електричного опору — ом, 1 Ом.

Опір провідника залежить від його фізичних параметрів — довжини l, площі поперечного перерізу S та від питомого опору речовини ρ, з якої його виготовлено:

Питомий опір характеризує електричні властивості речовини. Значення питомого опору речовини зумовлене хімічною природою речовини та істотно залежить від температури. Одиниця питомого опору в СІ — ом-метр, 1 Ом • м.

Виникнення струму в провіднику зумовлює наявність різниці потенціалів ф1 — ф2, яку ще називають напругою.

Напруга U — це фізична величина, яка визначається роботою електричного поля з переміщення одиничного позитивного заряду між двома точками поля,

Одиниця напруги — вольт, 1 В.

Прилад для вимірювання напруги називають вольтметром. Вольтметр приєднують до електричного кола паралельно ділянці кола, на якій необхідно виміряти напругу (мал. 3).

Мал. 3. Вмикання вольтметра в електричне коло

Закон Ома для однорідної ділянки кола. Закон Ома встановлює з алежність сили струму від різниці потенціалів (електричної напруги) між двома фіксованими точками електричного кола. Відкритий у 1826 р. Георгом Омом. Відповідно до особливостей електричних кіл, закон Ома має кілька формулювань.

Коло постійного струму можна розбити на окремі ділянки. Ті ділянки, що не містять джерел струму, називають однорідними. Ділянки, що включають джерела струму, називають відповідно неоднорідними. Для однорідної ділянки кола сила струму І прямо пропорційна напрузі на даній ділянці кола U й обернено пропорційна її опору R:

Послідовне і паралельне з’єднання провідників. Пригадаймо співвідношення між струмами й напругами на ділянках кола з послідовним і паралельним з’єднанням провідників (табл. 1).

Таблиця 1

Еквівалентні схеми. Розв’язування задач на обчислення опорів складних з’єднань провідників варто починати з аналізу схеми та пошуку в ній якихось двох або більше провідників, з’єднаних один з одним. Якщо в схемі вдалося відшукати ділянку з такими провідниками, то її замінюють одним провідником, опір якого еквівалентний цим кільком і може бути легко розрахований за простою формулою. У результаті дістають простішу схему. Цей прийом повторюють доти, поки не залишиться лише один провідник, опір якого еквівалентний опору всього кола. Хід такого спрощення відображено на малюнку 5. Після визначення еквівалентного опору можна визначити силу струму в нерозгалуженій частині кола, коли задано напругу, підведену до схеми.

Мал. 5. Обчислення загального опору складного з’єднання шляхом послідовних спрощень

Часто в задачах треба визначити розподіл струмів і напруг в окремих вітках і на ділянках кола. Для цього потрібно розгорнути найпростішу (останню) схему малюнку 5 у вихідну і, переходячи в зворотному напрямку від однієї схеми до іншої, визначити за законами послідовного й паралельного з’єднань розподіли струмів між вітками та напруг на ділянках та окремих елементах кола.

Розширення меж вимірювальних приладів. Для вимірювання сили струму, що перевищує значення, на яке розрахований прилад, тобто для розширення меж його вимірювання, до амперметра підключають шунт, який на малюнку 6 позначено RШ .

Мал. 6. Схема під’єднання шунта

Шунт — це звичайний резистор, який під’єднують до приладу паралельно.

Визначимо опір шунта, який необхідно підключити до амперметра у випадку, якщо потрібно виміряти силу струму, що в n разів перевищує силу струму, на яку розрахований прилад, тобто

Опір амперметра позначимо RА. У цьому разі сила струму I, яку вимірюють, дорівнює сумі струмів, що проходять через шунт й амперметр: I = IА + IШ. Оскільки IА менша від вимірюваної I в n разів, то ціна поділки амперметра (якщо шкала приладу рівномірна) зросте також в n разів. Тобто відхиленню стрілки амперметра на одну поділку відповідатиме в n разів більша сила струму.

За законом Ома для ділянки кола:

Ураховуючи, що ІШ = І - ІА та U = UА = IАRА, отримаємо:

Оскільки I = nIА, остання формула набуде вигляду

А струм, який тече через шунт, дорівнюватиме:

IШ = nIА - IА = (n - 1)IА.

Мал. 7 Схема під’єднання додаткового опору

Розширення меж вимірювання вольтметра здійснюють за допомогою підключення до приладу резистора (який називають додатковим опором). Додатковий опір RД під’єднують до вольтметра послідовно (мал. 7), тому сила струму в ньому та на приладі — однакові: I = IД = IV.

Напруга, яку вимірює вольтметр U, дорівнює сумі напруг на вольтметрі UV (UV — максимальна напруга, яку може виміряти вольтметр) та на додатковому опорі UД: U = IR + IRV, звідки

де I — максимально допустима сила струму для вольтметра, яку розраховують за формулою

Якщо позначити збільшення межі вимірювання вольтметра через n

і підставити значення I та n у формулу додаткового опору, отримаємо:

Тоді напруга на додатковому опорі дорівнює UД = U - UV = UV (n - 1). Використовуючи резистори для розширення меж вимірювання вольтметра й амперметра, можна досить легко й економічно вигідно збільшити межу їх вимірювання, що дає змогу використовувати дані прилади в колах, параметри яких перевищують межу вимірювання цих пристроїв.

ЗНАЮ, ВМІЮ, РОЗУМІЮ

1. Сформулюйте умови виникнення та існування електричного струму. 2. Схарактеризуйте такі фізичні величини: сила струму, напруга, електричний опір. 3. Які співвідношення справджуються в разі послідовного й паралельного з’єднання провідників? 4. Як можна збільшити верхню межу вимірювання вольтметра; амперметра?

Експериментуємо

  • 1. Як, використовуючи два вольтметри, шкали яких розраховані до 150 В, виміряти напругу на ділянці колю, якщо чиню перевищує 200 В?
  • 2. До двох послідовно з’єднаних ламп під’єднано вольтметри так, як показано на малюнку 8. Показання першого вольтметра — 6 В, другого — 20 В. Опір першого вольтметра 4000 Ом. Визначте опір другого вольтметра.

Мал. 8

  • 3. Маємо: електричну лампу, реостат, ключ, вольтметр, джерело струму. Накресліть схему з’єднання елементів кола, щоб за допомогою реостата можна було регулювати силу струму, що проходить через лампу, а за допомогою вольтметра — вимірювати сумарну напругу на реостаті та лампі.

Приклади розв’язування задач

Задача. У схемі, наведеній на малюнку 9, а, R1 = 3 Ом, R2 = 9 Ом, R3 = R4 = 6 Ом, R5 = 4 Ом, R6 = 6 Ом. Визначте опір цього кола.

Мал. 9. Схеми: а — до умови задачі; б — еквівалентна

Відповідь: 3 Ом.

Вправа 1

  • 1. Чотири провідники опором по 1,5 Ом кожний необхідно з’єднати так, щоб отримати опір 2 Ом. Як це здійснити?
  • 2. Два провідники за послідовного з’єднання мають опір 27 Ом, за паралельного — 6 Ом. Визначте опір цих провідників.
  • 3. Коло складене з дев’яти однакових провідників за схемою, показаною на малюнку 10. Загальний опір дорівнює 1,5 Ом. Визначте опір одного провідника.
  • 4. Визначте розподіл струмів і напруг електричного кола (мал. 11), якщо напруга U=48 В, а опір резисторів R1 =R3 = 3 Ом, R2 = 6 Ом, R4 = 5 Ом, R5 = 10 Ом, R6 = 30 Ом.

Мал. 10

Мал. 11

Мал. 12

  • 5. Електричну лампу опором 240 Ом, розраховану на напругу 120 В, треба живити від мережі напругою 220 В. Якої довжини ніхромовий провідник перерізом 0,55 мм2 треба ввімкнути послідовно з лампою?
  • 6. До кола, зображеного на малюнку 12, підведено напругу 90 В. Опір лампи 2 дорівнює опорові лампи 1, а опір лампи 3 — у 4 рази більший за опір лампи 1. Сила струму, яка споживається від джерела, дорівнює 0,5 А. Визначте опір кожної лампи, напругу на лампах 2 і 3, а також силу струму в них.
  • 7. Кабель складається з двох сталевих провідників перерізом 0,6 мм2 кожний і чотирьох мідних провідників перерізом 0,85 мм2 кожний. Визначте спад напруги на кожному кілометрі кабелю, якщо сила струму дорівнює 0,1 А.
  • 8. Який додатковий опір необхідно під’єднати до вольтметра, опір якого 1,5 кОм, щоб ціна поділки його шкали збільшилась у п’ять разів?
  • 9. У скільки разів збільшиться верхня межа шкали вольтметра, опір якого 1 кОм, якщо приєднати до нього послідовно додатковий опір 9 кОм?
Попередня
Сторінка
Наступна
Сторінка

Зміст