Фізика і астрономія. Рівень стандарту. 11 клас. Засєкіна

Основні фізичні сталі

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

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

Діелектричні проникності речовин

Вода

81,0

Парафін

2,1

Скло

7,0

Гас

2,1

Слюда

6,0

Олія

2,5

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)

Питомий опір ρ (за 20 оС) і температурний коефіцієнт опору α металів та сплавів

Речовина

ρ, 10-8 Ом · м, або 10-2 Ом · мм2

α, К-1

Речовина

ρ, 10-8 Ом · м, або 10-2 Ом · мм2

α, 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 (Сu2+)

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

Показник заломлення (середній для видимого світла)

Алмаз

2,4

Повітря

1,00029

Скло

1,6

Вода

1,3

Сірковуглець

1,63

Спирт етиловий

1,36

Передмова

Шановні старшокласники і старшокласниці! У цьому році ви завершуєте вивчення шкільних курсів фізики й астрономії. Проте ці науки супроводжуватимуть вас усе життя. Адже нині будь-яка галузь господарства (інформаційні технології, промисловість, медицина, сільське господарство) й навіть гуманітарна сфера життя суспільства використовують сучасне технологічне устаткування, автоматизовані пристрої. Сьогодні наукові дослідження здійснюються не лише в академічних установах, а й у компаніях і 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 й астрономії: 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.

Підручник не є єдиним джерелом інформації. Готуючись до уроків, навчальних проектів, ви маєте навчитися працювати з багатьма джерелами інформації, вміти оцінювати її достовірність і надійність джерел, аналізувати, опрацьовувати, інтерпретувати.

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.

Виконуючи роботи фізичного й астрономічного практикумів, 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 й астрономії за цим підручником буде для вас цікавим і нескладним.

Авторський колектив

Розділ 1. Електродинаміка

Електромагнітна взаємодія — це не лише електрика й магнетизм, без чого неможливе життя сучасної цивілізації. Ця взаємодія була так само потрібна печерній людині, як і нам з вами. Саме електромагнітна взаємодія зв’язує електрони і ядра в атомах і молекулах. Зникне вона — зникне життя.

Як змінилося життя людини з використанням електрики й магнетизму? Як вдалося вченим дослідити й використати електромагнітну взаємодію? Чи є ще не досліджені електромагнітні явища? Про це — у розділі «Електродинаміка»

§ 1. Електромагнітна взаємодія. Закон Кулона

Електричний заряд. У 8 і 9 класах ми вивчали електромагнітні явища. Узагальнимо відомі нам факти. Електромагнітна взаємодія є найбільш дослідженою із чотирьох фундаментальних фізичних взаємодій, адже нею зумовлено більшість явищ у нашому світі. Саме електромагнітна взаємодія зв’язує електрони і ядра в атомах і молекулах. Саме вона відповідальна за всі хімічні реакції, зокрема й за реакції, що протікають у живих організмах. Зникне вона — зникне життя.

Електромагнітна взаємодія зумовлена тим, що в природі існують частинки, для яких електричний заряд є їх невіддільною особливістю.

Електричний заряд q — це фізична величина, яка кількісно характеризує електромагнітну взаємодію.

Бувають частинки без електричного заряду, але не існує електричного заряду без частинки. У 1911 р. було створено планетарну модель атома (мал. 1). Її автор — англійський фізик Ернест Резерфорд — показав, що в центрі атома розташоване ядро, навколо якого обертаються електрони.

Мал. 1. Планетарна модель атома

Подальші дослідження довели, що атомне ядро складається з позитивно заряджених протонів і електронейтральних нейтронів. Електричний заряд протона за величиною дорівнює заряду електрона, але протилежний за знаком. У цілому атом електронейтральний, оскільки кількість протонів у ядрі дорівнює кількості електронів в атомі. Кількість протонів у ядрі визначає хімічні властивості атома та його місце в періодичній системі хімічних елементів.

Електричний заряд дискретний: існує елементарний електричний заряд, що дорівнює за абсолютним значенням заряду електрона е = 1,6 · 10-19 Кл.

Одиниця електричного заряду — кулон, 1 Кл.

Чітке визначення одиниці електричного заряду буде встановлено згодом. Зараз зазначимо, що числове значення електричного заряду 1 Кл дорівнює сумі зарядів 6,25 · 1018 електронів.

Наявність електричного заряду q в макротіл пояснюється нерівномірним перерозподілом позитивних і негативних дискретних елементарних зарядів. Електричний заряд q = nе, де n — кількість елементарних нескомпенсованих електричних зарядів.

Як відомо, однойменно заряджені тіла відштовхуються, різнойменно заряджені — притягаються. Наелектризувати тіло можна тертям або дотиком до електрично зарядженого тіла.

Явище нерівномірного перерозподілу позитивних і негативних електричних зарядів у макротілах називається електризацією (електростатичною індукцією).

Існують й інші способи електризації тіл. Наприклад, метал можна зробити позитивно зарядженим, якщо його освітити відповідним світловим потоком. У результаті взаємодії світла з металом відбувається виривання електронів з поверхні металу. Втрачаючи електрони, метал стає позитивно зарядженим. Але за будь-якого способу електризації тіл електричні заряди не виникають і не зникають, а лише перерозподіляються між усіма тілами, які беруть участь у тому або тому процесі. Це твердження називають законом збереження електричного заряду. Математично він формулюється так.

Алгебраїчна сума електричних зарядів тіл, що утворюють замкнену систему за будь-яких взаємодій, залишається сталою:

q1 + q2 + ... + qn = const.

Закон Кулона. В електростатиці, як і в будь-якому розділі фізики, використовують певні моделі. Однією з моделей електростатики є точковий електричний заряд.

Точкові електричні заряди — це заряджені тіла, розміри яких малі порівняно з відстанню між ними.

Інколи для спрощення вживають тільки термін «заряд». Варто пам’ятати, що цим терміном можуть називати як точкове електрично заряджене тіло, так і значення електричного заряду на ньому.

Кількісно взаємодію точкових електричних зарядів описує закон, експериментально встановлений Шарлем Кулоном у 1785 р.

Закон Кулона формулюється так: сила взаємодії F двох точкових зарядів q1 і q2 прямо пропорційна добутку абсолютних величин їх зарядів, обернено пропорційна квадрату відстані між ними, напрямлена вздовж прямої, що сполучає заряди, і відповідає притяганню для різнойменних зарядів та відштовхуванню — для однойменних (мал. 2).

Мал. 2. Сили взаємодії між точковими електричними зарядами

Модуль цієї сили:

де ε0— електрична стала (її величина та розмірність залежать від вибраної системи одиниць), ε — відносна діелектрична проникність середовища.

Відносна діелектрична проникність середовища ε показує, у скільки разів сила взаємодії електричних зарядів у цьому середовищі менша, ніж у вакуумі. Її числове значення для багатьох речовин визначено дослідним шляхом і занесено до таблиць. Отже, для вакууму ε = 1.

Підтверджено, що два точкові заряди по 1 Кл на відстані 1 м один від одного у вакуумі взаємодіють із силою 9 · 109 Н. Із закону Кулона можна визначити електричну сталу:

У фізиці, як ви знаєте, потрібно враховувати межі виконання законів. Правильність закону Кулона підтверджено численними перевірками. Установлено, що він діє між зарядженими частинками, відстань між якими може становити від 10-15 м до десятків кілометрів.

ЗНАЮ, ВМІЮ, РОЗУМІЮ

1. Як на досліді можна виявити електромагнітну взаємодію? 2. Сформулюйте й поясніть закон збереження електричного заряду. 3. У скільки разів зміниться сила взаємодії між двома точковими зарядами, якщо відстань між ними збільшити у два рази, а значення електричного заряду одного з них збільшити у три рази? 4. Чим подібні й чим відрізняються закон всесвітнього тяжіння та закон Кулона?

Приклади розв'язування задач

Задача. Однойменні точкові заряди, модулі яких q1 = q2 = q3 = 1 · 10-6 Кл, розміщені у вершинах рівностороннього трикутника зі стороною а = 20 см. Визначте силу, що діє в повітрі на один із цих зарядів з боку двох інших.

Мал. 3

Вправа 1

1. З якою силою взаємодіють два заряди 0,66 · 10-7 і 1,1 · 10-5 Кл у воді на відстані 3,3 см? На якій відстані їх слід розмістити у вакуумі, щоб сила взаємодії залишилась такою самою?

2. Два заряди, один з яких у три рази більший за інший, перебуваючи у вакуумі на відстані 0,3 м, взаємодіють із силою 30 Н. Визначте ці заряди. На якій відстані у воді заряди будуть взаємодіяти із силою, у три рази більшою?

3. Однакові кульки масою по 0,2 г підвісили на нитці так, як зображено на малюнку 4. Відстань між кульками |ВС| = 3 см. Визначте силу натягу нитки на ділянках АВ і ВС, якщо кулькам надали однакових зарядів по 10 нКл. Розгляньте такі випадки: а) заряди однойменні; б) заряди різнойменні.

Мал. 4

4. Тонка шовкова нитка витримує силу натягу 9,8 · 10-3 Н. Підвішена на цій нитці кулька масою 0,67 г має заряд q1 = 1,1 · 10-9 Кл. Знизу в напрямку лінії підвісу на відстані 1,8 см до неї підносять іншу кульку із зарядом q2 протилежного знаку. За якого заряду q2 нитка може розірватись?

5. Дві однакові металеві кульки зарядили так, що заряд однієї з них у 5 раз більший від заряду іншої. Кульки доторкнули одну до одної та розсунули на ту само відстань. Як змінилася (за модулем) сила взаємодії, якщо кульки мали однойменні заряди; різнойменні заряди?

6. Заряди 10 і 16 нКл розташовані на відстані 7 мм один від одного. Яка сила діятиме на заряд 2 нКл, розміщений у точці, що віддалена на 3 мм від меншого заряду й на 4 мм — від більшого?

Попередня
Сторінка
Наступна
Сторінка

Зміст