Фізика і астрономія. Профільний рівень. 10 клас. Засєкіна

Основні фізичні сталі

Швидкість світла у вакуумі с = 3 • 10⁸ м/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^-27 кг

Число Авогадро N_А = 6,02 • 10²³ моль^-1

Універсальна газова стала R = 8,314 Дж/(К • моль)

Стала Больцмана k = 1,38 • 10^-23 Дж/К

Стала Фарадея F = 9,648 • 10⁴ Кл/моль

Елементарний заряд е = 1,602 • 10^-19 Кл

Маса спокою електрона m_е = 9,11 • 10^-31 кг

Маса спокою протона m_р = 1,672 • 10^-27 кг

Маса спокою нейтрона m_n = 1,675 • 10^-27 кг

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 • c

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

Густина речовини

Тверді тіла, 103 кг/м3
Алюміній Вольфрам Граніт Дуб (сухий) Залізо	2,71 19,1 2,2 0,8 7,8	Золото Корок Латунь Лід Мідь	19,3 0,2 8,6 0,9 8,9	Нікель Свинець Скло Сосна Срібло	8,8 11,3 2,5 0,5 10,5	Цинк Чавун Ялина	7,1 7,8 0,6
Рідини, 103 кг/м3
Вода морська Вода чиста	1,03 1,00	Гас Гліцерин	0,8 1,26	Ефір Олія	0,72 0,9	Ртуть Спирт етиловий	13,6 0,79
Газ (за нормальних умов), кг/м3
Азот Водень Гелій	1,25 0,09 0,18	Кисень Повітря Хлор	1,47 1,29 3,22	Водяна пара (при 100 °С)	0,88	Вуглекислий газ	1,95

Границя міцності на розтяг (σ_м) і модуль пружності (Е), Па

Речовина	σм, 106 Па	Е, 109 Па	Речовина	σм, 106 Па	Е, 109 Па	Речовина	σм, 106 Па	Е, 109 Па
Алюміній	100	70	Олово	20	50	Срібло	140	80
Мідь	400	120	Свинець	15	15	Сталь	500	200

Теплові властивості речовин

Тверді тіла

Речовина	Питома теплоємність, 103 Дж/(кг • К)	Температура плавлення, °С	Питома теплота плавлення, кДж/кг
Алюміній	0,88	660	380
Залізо	0,46	1803
Латунь	0,38	1173
Лід	2,1	0	330
Мідь	0,38	1083	180
Олово	0,23	232	59
Свинець	0,13	327	25
Срібло	0,23	960	87
Сталь	0,46	1400	82

Рідини

Речовина	Питома теплоємність, 103 Дж/(кг • К)	Температура кипіння, °С (за нормального тиску)	Питома теплота пароутворення, МДж/кг
Вода	4,2	100	2,3
Гас	2,1	—	—
Ртуть	0,12	357	0,29
Спирт	2,4	78	0,85

Гази

Речовина	Питома теплоємність, 103 Дж/(кг • К) (за сталого тиску)	Температура конденсації, °С (під нормальним тиском)
Азот	1,05	-196
Водень	14,20	-253
Кисень	0,92	-183
Повітря	1,005	—

Коефіцієнт поверхневого натягу рідин, 10^-3 Н/м (при 20 °С)

Анілін Нафта

43 30

Мильний розчин Гас

40 24

Спирт Ртуть

22 510

Вода

73

Питома теплота згорання палива, МДж/кг

Бензин Порох Дизельне паливо

46 3,8 42

Нафта Дерево Умовне паливо

43 10 29

Гас Спирт Кам’яне вугілля

46 29 29

Залежність тиску p та густин ρ насиченої водяної пари від температури t

t, °С	p, 103 Па	ρ, 10-3 кг/м3	t, °С	p, 103 Па	ρ, 10-3 кг/м3
-5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9	0,40 0,61 0,65 0,71 0,76 0,81 0,88 0,93 1,0 1,06 1,14	3,2 4,8 5,2 5,6 6,0 6,4 6,8 7,3 7,8 8,3 8,8	10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20	1,23 1,33 1,40 1,49 1,60 1,71 1,81 1,93 2,07 2,20 2,33	9,4 10,0 10,7 11,4 12,1 12,8 13,6 14,5 15,4 16,3 17,3

Коефіцієнт лінійного розширення твердих тіл, 10^-5 К^-1

Алюміній Залізо

2,40 1,20

Латунь Мідь

1,90 1,70

Свинець Скло

2,90 0,90

Сталь

1,10

Коефіцієнт об’ємного розширення рідин, 10^-4 К^-1

Вода Гас

1,8 10,0

Нафта Ртуть

10,0 1,8

Сірчана кислота Спирт

5,6 11,0

Передмова

Шановні старшокласники і старшокласниці! Ви розпочинаєте вивчення систематичних курсів фізики й астрономії. Нині будь-яка галузь господарства (інформаційні технології, промисловість, медицина, сільське господарство й навіть гуманітарна сфера життя суспільства) використовує сучасні технологічні установки, автоматизовані пристрої, які нібито зроблять за вас усю роботу, і вам не потрібно знати, як вони працюють. Але якщо ви хочете досягти успіху, то будете шукати способи вдосконалення того чи іншого процесу, вносити зміни, порівнювати й аналізувати різні підходи, вирішувати проблеми, працювати в команді, і тоді в пригоді вам стануть знання, здобуті в старшій школі на уроках фізики й астрономії: ваше вміння глобально мислити, бачити проблему цілісно, пов’язувати й систематизувати факти й події. Застосовуючи базові знання, здобуті в основній школі, ви навчитеся застосовувати математичний апарат для опису природних явищ і процесів, будувати моделі для опису складних процесів і, навпаки, — застосовувати теоретичні закономірності до реальних об’єктів.

Ще однією особливістю курсу, який ви починаєте вивчати, є те, що він об’єднує в собі дві найдавніші фундаментальні науки: фізику й астрономію. Фізика — це теоретична основа сучасної техніки й виробничих технологій, астрономія дає змогу отримати уявлення про будову Всесвіту в цілому. Разом вони вивчають загальні закономірності перебігу природних явищ, закладають основи світорозуміння на різних рівнях пізнання природи й дають загальне обґрунтування природничо-наукової картини світу. Взаємозв’язок астрономії й фізики є особливим — астрономія містить у собі весь діапазон понять сучасної фізики й значною мірою спирається на її закони. Тому, вивчаючи ті чи інші фізичні закони, ми будемо звертатися до прикладів їх прояву у Всесвіті. Астрономічним питанням будуть присвячені окремі параграфи й розділи, які можна вивчати як окремі модулі.

А щоб вивчення цих наук стало для вас захопливим і зрозумілим, ми намагалися в тексті підручника наводити не лише наукові факти, теорії й пояснення, а й спонукати вас проблемними запитаннями до пошуку відповіді, описом природного явища чи технологічного процесу — до аналізу й пояснення. У тексті параграфів вам буде траплятися рубрика «Зверніть увагу», де зазначено умови, які слід враховувати задля вирішення конкретної ситуації, яку не завжди можна розв’язати загальноприйнятими методами.

Зважаючи на те, що нам часто потрібно буде використовувати знання з математики, для цього в нагоді стане рубрика «Математична довідка». Невеликі рубрики «Цікаво знати» спонукатимуть вас до самостійного пошуку інформації, що розширить ваш світогляд і допоможе зрозуміти наш складний і таємничий світ.

Підручник містить достатню кількість завдань, приклади їх розв’язування й відповіді. Проте у пригоді вам стануть і збірники задач, які ви будете використовувати на уроках-практикумах з розв’язування задач. Цьому виду діяльності ви маєте приділити особливу увагу! Знання стають вашим здобутком, якщо ви їх можете використати у практичній діяльності: розв’язуючи задачі, виконуючи досліди й навчальні проекти! Проектна робота може бути теоретичною або експериментальною, індивідуальною й груповою. Тривалість проекту різна: від уроку (міні-проект), кількох днів (короткотерміновий проект) до року (довготерміновий). Результати досліджень ви можете оформити у вигляді мультимедійної презентації, доповіді (у разі необхідності — з демонстрацією дослідів), моделі, колекції, буклету, газети, статистичного звіту, тематичного масового заходу, дебатів тощо. Вміщені у підручнику проблемні запитання й теми навчальних проектів є орієнтовними. Також ви можете самостійно (або з допомогою вчителя чи вчительки) сформулювати тему й планувати виконання навчального проекту.

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

Авторський колектив

Вступ

Фізика й астрономія — найдавніші науки про природу. Пам’ятки людської культури, знайдені в різних куточках земної кулі, є свідченнями давнього інтересу людини до природних явищ. Спостерігати за природними явищами змушували людину життєві потреби, а також відома кожному з нас допитливість. Особливо людей притягало зоряне небо, яке й до сьогодні залишається таємничим.

Із середини XVI ст. настає якісно новий етап розвитку фізики — у фізиці починають застосовувати експерименти й досліди. Потужним поштовхом до формування фізики й астрономії як наук стали наукові праці Ісаака Ньютона. У своїй праці «Математичні начала натуральної філософії» (1687 р.) він розробляє математичний апарат для пояснення й опису механічних явищ. На сформульованих ним законах було побудовано так звану класичну (ньютонівську) механіку. А знаменитий закон всесвітнього тяжіння заклав основи небесної механіки. Геніальність Ньютона полягає в тому, що він довів універсальність сили тяжіння, або гравітації, тобто та сама сила, яка діє на яблуко під час його падіння на Землю, притягує також Місяць, що обертається навколо Землі. Сила тяжіння керує рухом зір і галактик, а також впливає на еволюцію цілого Всесвіту.

Геоцентрична «система світу»

Принцип інерції, відкритий Галілео Галілеєм, закон всесвітнього тяжіння Ісаака Ньютона й загальна теорія відносності Альберта Ейнштейна — усі ці відкриття були підтверджені на підставі астрономічних даних. Сміливцем, який «зрушив Землю, зупинивши Сонце», був поляк Миколай Коперник (1473-1543). До того часу, понад чотирнадцять століть існувала (під заступництвом церкви) система світобудови Птолемея, згідно якої Земля перебувала у центрі, а планети і Сонце оберталися навколо неї.

Геліоцентрична «система світу»

Швидкий прогрес у вивченні природи, відкриття нових явищ і законів природи сприяли розвитку суспільства. Починаючи з кінця XVIII ст., розвиток фізики спричиняє бурхливий розвиток техніки. У цей час з’являються і вдосконалюються парові машини. У зв’язку з широким їх використанням у виробництві та на транспорті цей період часу називають «віком пари». Одночасно поглиблено вивчаються теплові процеси, у фізиці виокремлюється новий розділ — термодинаміка. Безліч нових відкриттів відбуваються і в галузі електрики та магнетизму, які сприяли розробці так званої класичної електродинаміки, що пояснювала властивості електромагнітних полів, електромагнітну природу світла. У кінці ХІХ і на початку ХХ ст. з’являються і вдосконалюються електричні машини. Завдяки широкому використанню електричної енергії цей час називають «віком електрики». У фізиці виокремлюються нові розділи — електродинаміка, електротехніка, радіотехніка та ін.

На початку ХХ ст. фізики отримали численні експериментальні результати, які не можна було узгодити з положеннями класичної механіки та електродинаміки. У фізиці починається новий етап розвитку — створення квантової та релятивістської теорій. Люди навчилися добувати й широко застосовувати ядерну енергію, освоювати космічний простір, конструювати нові автоматизовані пристрої та механізми. ХХ ст. називають «атомним віком», «віком космічної ери». У фізиці інтенсивно проводяться дослідження атомного ядра, плазми, керованих термоядерних реакцій, напівпровідників тощо. Інтенсивно розвивається астрономія завдяки застосуванню фізичних досліджень.

Альберт Ейнштейн (1879-1955) створив загальну теорію відносності, яка стала фундаментом наукової космології.

Початок ХХІ ст. супроводжується величезним проривом у галузі інформаційних технологій, супутникового зв’язку, нанотехнологій. Але підґрунтям будь-якої галузі техніки й технологій є закони фізики. Астрономія тісно пов’язана з іншими фундаментальними та природничими науками. В астрономічних дослідженнях застосовують усі фундаментальні закони фізики, широко використовують методи фізики, математики, хімії та інших суміжних наук. Особливістю астрономії в порівнянні з іншими природничими науками є те, що вона — переважно спостережна наука. Її ще можна назвати і споживачем фізичних надбань і комп’ютерних технологій. Водночас астрономія — прогресивна наука, що збагачує фізику й хімію результатами досліджень речовини за таких фізичних умов (температура, тиск, магнітне поле тощо), які неможливо відтворити в земних лабораторіях.

Світоглядний потенціал природничих наук. Фізика й астрономія — це не просто результат кропіткої й допитливої праці вчених, а й велике надбання людської цивілізації, важлива складова культури людства. Насамперед фізика дає систематизовану інформацію про навколишній світ разом з умінням здобувати таку інформацію. Тому її методи й теорії широко використовують інші природничі науки, і чи не найбільше — астрономія. До речі, Нобелівська премія за відкриття з астрономії присуджується в номінації фізика.

Виконуємо навчальні проекти

• Що ви знаєте про визначні природничі дослідження й відкриття українських учнів і учениць?

• «Великі відкриття» (упорядкування хронологічної шкали (таблиці); створення ментальної карти; фотоальбому тощо).

• Природа — джерело творчого натхнення діячів мистецтв.

• Нобелівські лауреати.

• Знайдіть відомості про видатних українок, що присвятили своє життя вивченню фізики й астрономії.