Естествознание физика

Размещено на http://www.allbest.ru/

КУРСОВАЯ РАБОТА

ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ ФИЗИКА



Механическое движение - это изменение положения тела в пространстве относительно других тел.

Например, автомобиль движется по дороге. В автомобиле находятся люди. Люди движутся вместе с автомобилем по дороге. То есть люди перемещаются в пространстве относительно дороги. Но относительно самого автомобиля люди не движутся. В этом проявляется относительность механического движения. Далее кратко рассмотрим основные виды механического движения.

Поступательное движение - это движение тела, при котором все его точки движутся одинаково.

Вращательное движение - это движение тела вокруг некоторой оси. При таком движении все точки тела совершают движение по окружностям, центром которых является эта ось.

Упоминавшиеся нами колёса совершают вращательное движение вокруг своих осей, и в то же время колёса совершают поступательное движение вместе с кузовом автомобиля. То есть относительно оси колесо совершает вращательное движение, а относительно дороги - поступательное.

Колебательное движение - это периодическое движение, которое совершается поочерёдно в двух противоположных направлениях. Например, колебательное движение совершает маятник в часах. Поступательное и вращательное движения - самые простые виды механического движения.

Относительность механического движения Все тела во Вселенной движутся, поэтому не существует тел, которые находятся в абсолютном покое. По той же причине определить движется тело или нет, можно только относительно какого-либо другого тела.

Например, автомобиль движется по дороге. Дорога находится на планете Земля. Дорога неподвижна. Поэтому можно измерить скорость автомобиля относительно неподвижной дороги. Но дорога неподвижна относительно Земли. Однако сама Земля вращается вокруг Солнца. Следовательно, дорога вместе с автомобилем также вращается вокруг Солнца. Следовательно, автомобиль совершает не только поступательное движение, но и вращательное (относительно Солнца). А вот относительно Земли автомобиль совершает только поступательное движение. В этом проявляется относительность механического движения.

Относительность механического движения - это зависимость траектории движения тела, пройденного пути, перемещения и скорости от выбора системы отсчёта.

Материальная точка

Во многих случаях размером тела можно пренебречь, так как размеры этого тела малы по сравнению с расстоянием, которое походит это тело, или по сравнению с расстоянием между этим телом и другими телами. Такое тело для упрощения расчетов условно можно считать материальной точкой, имеющей массу этого тела.

Материальная точка - это тело, размерами которого в данных условиях можно пренебречь.

Многократно упоминавшийся нами автомобиль можно принять за материальную точку относительно Земли. Но если человек перемещается внутри этого автомобиля, то пренебрегать размерами автомобиля уже нельзя.

Как правило, решая задачи по физике, рассматривают движение тела как движение материальной точки, и оперируют такими понятиями, как скорость материальной точки, ускорение материальной точки, импульс материальной точки, инерция материальной точки и т.п.

Система отсчёта

Материальная точка движется относительно других тел. Тело, по отношению к которому рассматривается данное механическое движение, называется телом отсчёта. Тело отсчёта выбирают произвольно в зависимости от решаемых задач. С телом отсчёта связывается система координат, которая представляет из себя точку отсчёта (начало координат). Система координат имеет 1, 2 или 3 оси в зависимости от условий движения. Положение точки на линии (1 ось), плоскости (2 оси) или в пространстве (3 оси) определяют соответственно одной, двумя или тремя координатами. Для определения положения тела в пространстве в любой момент времени также необходимо задать начало отсчёта времени.

Система отсчёта - это система координат, тело отсчета, с которым связана система координат, и прибор для измерения времени. Относительно системы отсчёта и рассматривается движение тела. У одного и того же тела относительно разных тел отсчёта в разных системах координат могут быть совершенно различные координаты. Траектория движения также зависит от выбора системы отсчёта. Виды систем отсчёта могут быть различными, например, неподвижная система отсчёта,

Силы в природе: упругость, трение, сила тяжести. Мы узнали, что сила - это количественная мера взаимодействия тел и в международной СИ единица силы называется ньютон (Н).

1Н=силе, придающей телу массой в 1 кг ускорение 1м/с2 в направлении действующей силы.

Прибор для измерения силы называется динамометр.

По своей природе силы бывают:

- гравитационные: сила тяжести, сила тяготения

- электромагнитные: сила упругости, сила трения

- слабые и сильные взаимодействия на полевом уровне: сила Кулона, сила Ампера, сила Лоренца.

Рассмотрим более подробно силы упругости, трения и тяжести.

Сила тяжести.

Сила, с которой Земля притягивает к себе все тела, называется силой тяжести. Обозначается - F_тяж, приложена к центру тяжести, направлена по радиусу к центру Земли, определяется по формуле

F_тяж = mg.

Где: m - масса тела; g - ускорение свободного падения (g=9,8м/с²).

Сила трения.

Сила, возникающая при движении одного тела по поверхности другого, направленная в сторону противоположную движению называется силой трения.

Точка приложения силы трения под центром тяжести, в сторону противоположную движению вдоль соприкасающихся поверхностей. Сила трения делится на силу трения покоя, силу трения качения, силу трения скольжения. Сила трения покоя это сила, препятствующая возникновению движения одного тела по поверхности другого. При ходьбе сила трения покоя, действующая на подошву, сообщает человеку ускорение. При скольжении связи между атомами первоначально неподвижных тел, разрываются, трение уменьшается. Сила трения скольжения зависит от относительной скорости движения соприкасающихся тел. Трение качения во много раз меньше трения скольжения.

Сила трения определяется по формуле:

F = µN

Где: µ - коэффициент трения безразмерная величина, зависит от характера обработки поверхности и от сочетания материалов соприкасающихся тел (силы притяжения отдельных атомов различных веществ существенно зависят от их электрических свойств);

N - сила реакции опоры - это сила упругости, возникающая в поверхности под действием веса тела.

Для горизонтальной поверхности: F_тр = µmg

При движении твердого тела в жидкости или газе возникает сила вязкого трения. Сила вязкого трения значительно меньше силы сухого трения. Она также направлена в сторону, противоположную относительной скорости тела. При вязком трении нет трения покоя. Сила вязкого трения сильно зависит от скорости тела.

Сила упругости

При деформации тела возникает сила, которая стремится восстановить прежние размеры и форму тела. Ее называют силой упругости.

Простейшим видом деформации является деформация растяжения или сжатия.

При малых деформациях (|x| << l) сила упругости пропорциональна деформации тела и направлена в сторону, противоположную направлению перемещения частиц тела при деформации: F_упр =kx

Это соотношение выражает экспериментально установленный закон Гука: сила упругости прямо пропорциональна изменению длины тела.

Где: k - коэффициент жесткости тела, измеряется в ньютонах на метр (Н/м). Коэффициент жесткости зависит от формы и размеров тела, а также от материала.

Закон всемирного тяготения

Каждый день вода уходит от берегов, а потом, как ни в чем не бывало, возвращается обратно.

Так вот вода в это время находится не неизвестно где, а примерно посредине океана. Там образуется что-то наподобие горы из воды. Невероятно, правда? Вода, которая имеет свойство растекаться, сама не просто стекается, а еще и образует горы. И в этих горах сосредоточена огромная масса воды.Но раз такое происходит, должна же быть какая-то причина. И причина есть. Причина кроется в том, что эту воду притягивает к себе Луна.

Вращаясь вокруг Земли, Луна проходит над океанами и притягивает к себе океанические воды. Луна вращается вокруг Земли, потому что она притягивается Землей. Но, выходит, что она и сама при этом притягивает к себе Землю. Земля, правда, для нее великовата, но ее влияние оказывается достаточным для перемещения воды в океанах.

А теперь пойдем дальше и подумаем: если два громадных тела, находясь неподалеку, оба притягивают друг друга, не логично ли предположить, что и тела поменьше тоже будут притягивать друг друга? Просто они намного меньше и сила их притяжения будет маленькой?

Оказывается, что такое предположение абсолютно верно. Абсолютно между всеми телами во Вселенной существуют силы притяжения или, другими словами, силы всемирного тяготения.

Первым такое явление обнаружил и сформулировал в виде закона Исаак Ньютон.

Закон всемирного тяготения гласит: все тела притягиваются друг к другу, при этом сила их притяжения прямо пропорциональна массе каждого из тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Импульс тела. Закон сохранения импульса. Реактивное движение

Импульс силы и импульс тела

Как было показано, второй закон Ньютона может быть записан в виде

Ft=mv-mv_o=p-p_o=Dp.

Векторную величину Ft, равную произведению силы на время ее действия, называют импульсом силы. Векторную величину р=mv, равную произведению массы тела на его скорость, называют импульсом тела.

В СИ за единицу импульса принят импульс тела массой 1 кг, движущегося со скоростью 1 м/с, т.е. единицей импульса является килограммметр в секунду (1 кг·м/с).

Изменение импульса тела Dp за время t равно импульсу силы Ft, действующей на тело в течение этого времени.

Понятие импульса является одним из фундаментальных понятий физики. Импульс тела является одной из величин, способных при определенных условиях сохранять свое значение неизменным (но модулю, и по направлению).

Сохранение полного импульса замкнутой системы

Замкнутой системой называют группу тел, не взаимодействующих ни с какими другими телами, которые не входят в состав этой группы. Силы взаимодействия между телами, входящими в замкнутую систему, называют внутренними. (Внутренние силы обычно обозначают буквой f).

Рассмотрим взаимодействие тел внутри замкнутой системы. Пусть два шара одинакового диаметра, изготовленные из разных веществ (т. е. имеющие разные массы), катятся по идеально гладкой горизонтальной поверхности и сталкиваются друг с другом. При ударе, который мы будем считать центральным и абсолютно упругим, изменяются скорости и импульсы шаров. Пусть масса первого шара m₁, его скорость до удара V₁, а после удара V₁'; масса второго шара m₂, его скорость до удара v₂, после удара v₂'. Согласно третьему закону Ньютона, силы взаимодействия между шарами равны по модулю и противоположны по направлению, т.е. f₁ =-f₂.

Согласно второму закону Ньютона, изменение импульсов шаров в результате их соударения равно импульсам сил взаимодействия между ними, т. е.

m₁v₁'-m₁v₁=f₁t (3.1)

m₂v₂'-m₂v₂=f₂t (3.2)

где t - время взаимодействия шаров. Почленно сложив выражения (3.1) и (3.2), найдем, что

m₁v₁'-m₁v₁+m₂v₂'-m₂v₂=0.

Следовательно,

m₁v₁'+m₂v₂'=m₁v₁+m₂v₂

или иначе

p₁'+p₂'=p₁+p₂. (3.3)

Обозначим р₁'+р₂'=р' и р₁+р₂=p.

Векторную сумму импульсов всех тел, входящих в систему, называют полным импульсом этой системы. Из (3.3) видно, что р'=р, т.е. р'-р=Dр=0, следовательно,

p=p₁+p₂=const.

Формула (3.4) выражает закон сохранения импульса в замкнутой системе, который формулируют так: полный импульс замкнутой системы тел остается постоянным при любых взаимодействиях тел этой системы между собой.

Иными словами, внутренние силы не могут изменить полного импульса системы ни по модулю, ни по направлению.

Изменение полного импульса незамкнутой системы

Группу тел, взаимодействующих не только между собой, но и с телами, не входящими в состав этой группы, называют незамкнутой системой. Силы, с которыми на тела данной системы действуют тела, не входящие в эту систему, называют внешними (обычно внешние силы обозначают буквой F).

Рассмотрим взаимодействие двух тел в незамкнутой системе. Изменение импульсов данных тел происходит как под действием внутренних сил, так и под действием внешних сил.

Согласно второму закону Ньютона, изменения импульсов рассматриваемых тел у первого и второго тел составляют

Dр₁=f₁t+F₁t (3.5)

Dр₂=f₂t+F₂t (3.6)

где t - время действия внешних и внутренних сил.

Почленно сложив выражения (3.5) и (3.6), найдем, что

D(p₁+p₂)=(f₁+f₂)t +(F₁+F₂)t (3.7)

В этой формуле р=р₁+р₂ - полный импульс системы, f₁+f₂=0 (так как по третьему закону Ньютона (f₁=-f₂), F₁+F₂=F - равнодействующая всех внешних сил, действующих на тела данной системы. С учетом сказанного формула (3.7) принимает вид

Dр=Ft. (3.8)

Из (3.8) видно, что полный импульс системы изменяется только под действием внешних сил. Если же система замкнутая, т. е. F=0, то Dр=0 и, следовательно, р=const. Таким образом, формула (3.4) является частным случаем формулы (3.8), которая показывает, при каких условиях полный импульс системы сохраняется, а при каких - изменяется.

Реактивное движение

Значение работ Циолковского для космонавтики

Движение тела, возникающее вследствие отделения от него части его массы с некоторой скоростью, называют реактивным.

Все виды движения, кроме реактивного, невозможны без наличия внешних для данной системы сил, т. е. без взаимодействия тел данной системы с окружающей средой, а для осуществления реактивного движения не требуется взаимодействия тела с окружающей средой. Первоначально система покоится, т. е. ее полный импульс равен нулю. Когда из системы начинает выбрасываться с некоторой скоростью часть ее массы, то (так как полный импульс замкнутой системы по закону сохранения импульса должен оставаться неизменным) система получает скорость, направленную в противоположную сторону. Действительно, так как m₁v₁+m₂v₂=0, то m₁v₁=-m₂v₂, т. е.

v₂=-v₁m₁/m₂.

Из этой формулы следует, что скорость v₂, получаемая системой с массой m₂, зависит от выброшенной массы m₁ и скорости v₁ ее выбрасывания.

Основоположником теории космических полетов является выдающийся русский ученый Циолковский (1857 - 1935). Он дал общие основы теории реактивного движения, разработал основные принципы и схемы реактивных летательных аппаратов, доказал необходимость использования многоступенчатой ракеты для межпланетных полетов. Основоположником практической космонавтики является советский ученый академик Королев (1906 - 1966). Под его руководством был создан и запущен первый в мире искусственный спутник Земли, состоялся первый в истории человечества полет человека в космос. Первым космонавтом Земли стал советский человек Ю.А. Гагарин (1934 - 1968).

Энергия: потенциальная и кинетическая энергия

Энергия в физике

И если в жизни энергию человека мы можем оценивать в основном по последствиям его деятельности, то в физике энергию можно измерять и изучать множеством различных способов. Ваш бодрый друг или сосед, скорее всего, откажется повторить тридцать-пятьдесят раз одно и то же действие, когда вдруг вам взбредет на ум исследовать феномен его энергичности.

А вот в физике вы можете повторять почти любые опыты сколь угодно много раз, производя необходимые вам исследования. Так и с изучением энергии. Ученые-исследователи изучили и обозначили множество видов энергии в физике. Это электрическая, магнитная, атомная энергия и так далее. Но сейчас мы поговорим о механической энергии. А конкретнее о кинетической и потенциальной энергии.

Кинетическая и потенциальная энергия

В механике изучают движение и взаимодействие тел друг с другом. Поэтому принято различать два вида механической энергии: энергию, обусловленную движением тел, или кинетическую энергию, и энергию, обусловленную взаимодействием тел, или потенциальную энергию.

В физике существует общее правило, связывающее энергию и работу. Чтобы найти энергию тела, надо найти работу, которая необходима для перевода тела в данное состояние из нулевого, то есть такого, при котором его энергия равна нулю.

Потенциальная энергия

В физике потенциальной энергией называют энергию, которая определяется взаимным положением взаимодействующих тел или частей одного и того же тела. То есть, если тело поднято над землей, то оно обладает возможностью падая, произвести какую-либо работу.

И возможная величина этой работы будет равна потенциальной энергии тела на высоте h. Для потенциальной энергии формула определяется по следующей схеме:

A=Fs=Fт*h=mgh, или Eп=mgh,

где Eп потенциальная энергия тела,

m масса тела,

h - высота тела над поверхностью земли,

g ускорение свободного падения.

Причем за нулевое положение тела может быть принято любое удобное нам положение в зависимости от условий проводимых опыта и измерений, не только поверхность Земли. Это может быть поверхность пола, стола и так далее.

Кинетическая энергия

В случае, когда тело движется под влиянием силы, оно уже не только может, но и совершает какую-то работу. В физике кинетической энергией называется энергия, которой обладает тело вследствие своего движения. Тело, двигаясь, расходует свою энергию и совершает работу. Для кинетической энергии формула рассчитывается следующей образом:

A = Fs = mas = m * v / t * vt / 2 = (mv^2) / 2 , или Eк= (mv^2) / 2 ,

где Eк кинетическая энергия тела,

m масса тела,

v скорость тела.

Из формулы видно, что чем больше масса и скорость тела, тем выше его кинетическая энергия.

Каждое тело обладает либо кинетической, либо потенциальной энергией, либо и той, и другой сразу, как, например, летящий самолет.

Формула энергии в физике всегда показывает, какую работу совершает или может совершить тело. Соответственно, единицы измерения энергии такие же, как и работы джоуль (1 Дж).

Работа. Мощность. Закон сохранения механической энергии

Пространственной характеристикой действия силы является работа силы - произведение проекции силы на ось Х и перемещения тела вдоль этой оси:

A=(Fcosб)Дx

где F - модуль силы, Дx - модуль перемещения, б - угол между силой и перемещением. Единица работы - джоуль 1Дж=1кг?м2/с2

В механике силы делят на две группы: потенциальные и непотенциальные.

Потенциальная сила - сила, работа которой при перемещении материальной точки зависит только от начального и конечного положений точки в пространстве.

Для непотенциальной силы работа зависит от траектории движения материальной точки между начальным и конечным положениями точки.

Потенциальная энергия тела в данной точке - скалярная физическая величина, равная работе, совершаемой потенциальной силой при перемещении тела из этой точки в точку, принятую за нуль отсчёта потенциальной энергии.

Потенциальная энергия тела на высоте Н над поверхностью Земли

Ep=mgH

нуль отсчёта потенциальной энергии выбран на поверхности Земли.

Потенциальная энергия тела, находящегося в поле тяжести Земли на расстоянии г от её центра.

Ep(r)=?GmMЗr

где MЗ- масса Земли. Нулевой уровень потенциальной энергии в бесконечно удаленной точке. Потенциальная энергия упруго деформированной пружины жёстко- стью k, растянугой на величину х,

Ep=kx22

нулевой уровень потенциальной энергии - в положении равновесия.

Принцип минимума потенциальной энергии: любая замкнутая система стремится перейти а такое состояние, в котором её потенциальная энергия минимальна.

Кинетическая энергия тела скалярная физическая величина, численно равная половине произведения массы тела на квадрат его скорости:

Ek=mV22

Соответственно

Ek0=mV202

где V0 - скорость тела в начальный момент времени.

Теорема о кинетической энергии: изменение кинетической энергии материальной точки равно работе всех сил, действующих на эту точку

Ek?Ek0=A

Средняя мощность - скалярная физическая величина, равная отношению работы к промежутку времени, за который она совершена:

Pср=At

Мпювенная мощность силы, действующей на тело, равна произведению модуля скорости тела на проекцию силы на направление мгновенной скорости тела:

P=FxVx

Полная механическая энергия системы - сумма её кинетической и потенциальной энергий:

E=Ek+Ep

Консервативная система - механическая система, в которой действуют только потенциальные силы.

Закон сохранения механической энергии: в консервативной системе полная механическая энергия сохраняется (не изменяется со временем):

Ek+Ep=Ek0+Ep0

Кинетическая энергия может переходить в потенциальную и обратно в равных количествах.

Абсолютно неупругий удар столкновение тел, в результате которого тела движутся как единое целое. При таком ударе кинетическая энергия системы не сохраняется.

Абсолютно упругий удар - столкновение, при котором деформация тел оказывается обратимой, т. е. исчезает после прекращения взаимодействия. При абсолютно упругом ударе кинетическая энергия системы сохраняется.

Физика: Механические колебания

Колебания являются очень распространенным видом движения. Это покачивание веток деревьев на ветру, вибрация струн у музыкальных инструментов, движение поршня в цилиндре двигателя автомобиля, качания маятника в настенных часах и даже биения нашего сердца.

Рассмотрим колебательное движение на примере двух маятников - нитяного и пружинного.

Нитяной маятник изображен на рисунке 30. Он представляет собой шарик, прикрепленный к тонкой, легкой нити. Если этот шарик сместить в сторону от положения равновесия и отпустить, то он начнет колебаться, т. е. совершать повторяющиеся движения, периодически проходя через положение равновесия.

На рисунке 31 изображен пружинный маятник. Он представляет собой груз, способный колебаться под действием силы упругости пружины.

Колебательное движение характеризуют амплитудой, периодом и частотой колебаний:

А - амплитуда; Т - период; V - частота.

Амплитуда колебаний - это максимальное расстояние, на которое удаляется колеблющееся тело от своего положения равновесия. Амплитуда колебаний измеряется в единицах длины - метрах, сантиметрах и т. д.

Период колебаний - это время, за которое совершается одно колебание. Период колебаний измеряется в единицах времени - секундах, минутах и т. д.

Частота колебаний - это число колебаний, совершаемых за 1 с. Единица частоты в СИ названа герцем (Гц) в честь немецкого физика Г. Герца (1857-1894).

Если частота колебаний равна 1 Гц, то это означает, что за каждую секунду совершается одно колебание. Если же, например, частота v = 50 Гц, то это означает, что за каждую секунду совершается 50 колебаний.

Для периода Т и частоты v колебаний справедливы те же формулы, что и для периода и частоты обращения, которые рассматривались при изучении равномерного движения по окружности.

1. Чтобы найти период колебаний, надо время t, за которое совершено несколько колебаний, разделить на число п этих колебаний:

2. Чтобы найти частоту колебаний, надо число колебаний разделить на время, в течение которого они произошли:

При подсчете числа колебаний на практике следует четко понимать, что представляет собой одно (полное) колебание. Если, например, маятник начинает двигаться из положения 1 (см. рис. 30), то одним колебанием является такое его движение, когда он, пройдя положение равновесия 0, а затем крайнее положение 2, возвращается через положение равновесия 0 снова в положение 1.

Сравнивая формулы (17.1) и (17.2), мы видим, что период и частота колебаний - величины взаимно обратные, т. е.

В процессе колебаний положение тела непрерывно меняется. График зависимости координаты колеблющегося тела от времени называют графиком колебаний. По горизонтальной оси на этом графике откладывают время t, по вертикальной - координату х. Модуль этой координаты показывает, на каком расстоянии от положения равновесия находится колеблющееся тело (материальная точка) в данный момент времени. При переходе тела через положение равновесия знак координаты меняется на противоположный, указывая тем самым, что тело оказалось по другую сторону от среднего положения.

Механические волны. Длина волны, скорость распространения волны и соотношения между ними. Звуковые волны и их свойства.

Механические волны -- это распространяющиеся в упругой среде возмущения (отклонения частиц среды от положения равновесия). Если колебания частиц и распространение волны происходят в одном направлении, волну называют продольной, а если эти движения происходят в перпендикулярных направлениях, -- поперечной.

Продольные волны, сопровождаемые деформациями растяжения и сжатия, могут распространяться в любых упругих средах: газах, жидкостях и твердых телах. Поперечные волны распространяются в тех средах, где появляются силы упругости при деформации сдвига, т. е. в твердых телах.

При распространении волны происходит перенос энергии без переноса вещества.

Скорость, с которой распространяется возмущение в упругой среде, называют скоростью волны* Она определяется упругими свойствами среды. Расстояние, на которое распространяется волна за время, равное периоду колебаний в ней (Г), называется длиной волны l (ламбда).

Звуковые волны -- это продольные волны, в которых колебания частиц происходят вдоль ее распространения. Скорость звука в различных средах разная, в твердых телах и жидкостях она значительно больше, чем в воздухе.

На границе сред с упругими свойствами звуковая волна отражается. С явлением отражения звука связано эхо. Это явление состоит в том, что звук от источника доходит до какого-то препятствия, отражается от него и возвращается к месту, где он возник, через промежуток времени не менее 1/15 с. Через такой интервал времени человеческое ухо способно воспринимать раздельно следующие один за другим звуки.

Тепловая

Абсолютная температура

T - температура кельвина

t - температура по цельсию

Температура фаренгейта

F - температура фаренгейта

C - температура по цельсию

Количество тепла (теплоты)

Q - количество тепла

c - удельная теплота

m - масса

T_1 - начальная температура

T_2 - конечная температура

Горение топлива

Q - количество тепла

q - удельная теплота сгорания

m - масса

Теплота плавления

Q - количество тепла

л - удельная теплота плавления

m - масса

Испарение и количество тепла

Q - количество тепла

L - удельная теплота испарения

m - масса



Физические явления, которые происходят при нагревании или охлаждении физических тел, называются тепловыми явлениями.

1. Теплообмен и теплопроводность

1.1. Что такое теплопередача и теплопроводность?

Вспомни к уроку: * Температура * Термометр * Молекулы

Попробуй опустить в горячую воду, налитую в небольшой сосуд, кусочек льда. Через некоторое время температура льда начнет повышаться и он растает, а температура окружающей воды понизится.

Если опустить горячую ложку в холодную воду, то окажется, что температура ложки начнет понижаться, температура воды повышаться и через некоторое время температура воды и ложки станет одинаковой (рис. 133).

Рис. 133

Процесс передачи теплоты от более нагретых тел менее нагретым называется теплопередачей.

Опусти холодную металлическую ложку в горячую воду. Через некоторое время ложка нагреется. При этом можно убедиться, что передача теплоты происходит не сразу всем частям ложки одновременно, а постепенно. Сначала нагревается та часть ложки, которая находится непосредственно в горячей воде, а затем постепенно и вся ложка.

Процесс передачи теплоты от более нагретых участков тела менее нагретым в результате теплового движения и взаимодействия частиц, из которых состоит тело, называется теплопроводностью.

А теперь опусти в горячую воду деревянную палочку. Можно сразу заметить, что деревянная палочка нагревается значительно медленнее металлической ложки (рис. 134). Отсюда можно сделать вывод, что тела, сделанные из разных веществ, обладают разной теплопроводностью.

Рис. 134

Наибольшей теплопроводностью обладают металлы -- теплота по ним передается значительно быстрее, чем по жидкости. Наименьшую теплопроводность имеют газы.

Наблюдай и объясняй. Определи вид теплопередачи, с помощью которой передается теплота при нагревании металлического прута на костре (рис. 135).



Рис. 135

1.2. Какие материалы можно использовать, чтобы не обжечься?

Вещества с низкой теплопроводностью используют в качестве теплоизоляторов. Теплоизоляторы -- это вещества, плохо проводящие тепло. Воздух является хорошим теплоизолятором, поэтому оконные рамы делают с двойными стеклами, для того чтобы между ними был слой воздуха. Хорошими теплоизолирующими свойствами обладают дерево и различные пластмассы. Можно обратить внимание на то, что ручки чайников делают именно из этих материалов (рис. 136), для того чтобы не обжечь руки, когда чайник горячий.

Рис. 136 Рис. 137

Для создания теплой одежды широко используют вещества, плохо проводящие тепло, такие как войлок, мех, вата, перья и пух различных птиц. Такая одежда помогает сохранять тепло тела. Войлочные и ватные рукавицы (рис. 137) используют при работе с горячими предметами, например для того, чтобы снимать с плиты горячие кастрюли.

Все металлы, стекло, вода хорошо проводят тепло и являются плохими теплоизоляторами. Тряпкой, смоченной в воде, ни в коем случае нельзя снимать горячие предметы. Вода, содержащаяся в тряпке, мгновенно нагреется и обожжет руку. Знания о способности разных материалов по-разному передавать тепло помогут в походе. Например, чтобы не обжечься о горячую металлическую кружку, ее ручку можно обмотать изоляционной лентой, которая является хорошим теплоизолятором. Для того чтобы снять с костра горячий котелок, можно воспользоваться войлочными, ватными или брезентовыми рукавицами.

Выполни задание. Над костром висит горячий котелок (рис. 138). Рядом с костром лежат: войлочная рукавица, лист фольги и мокрая тряпка. Каким из этих предметов можно снять котелок с костра. Объясни свой ответ.

Рис. 138

Процесс передачи теплоты от более нагретых тел менее нагретым называется теплопередачей.

2. Конвекция и тепловые излучения

2.1. Какие еще виды теплопередачи существуют помимо теплопроводности?

Вспомни к уроку: * Теплообмен * Теплопроводность

Теплопередача может совершаться не только теплопроводностью. Давай рассмотрим, как происходит передача теплоты в колбе, которую подогревают пламенем горелки. Положим в колбу с водой небольшое количество марганцово-кислого калия -- марганцовки, чтобы вода у дна колбы окрасилась в розовый цвет. Затем начнем подогревать колбу над пламенем горелки. Можно заметить, что со дна колбы вверх начинает подниматься горячий поток воды, а у холодных стенок колбы менее прогретая вода будет опускаться вниз (рис. 139). Устанавливается непрерывный круговорот жидкости, при котором происходит передача теплоты от нагретых участков жидкости к холодным. Непрерывная циркуляция жидкости, при которой происходит перенос теплоты, называется конвекцией. Конвекция -- это передача теплоты потоками жидкости или газа. Конвекцией осуществляется обогрев квартир в домах от отопительных батарей. Теплый воздух поднимается к потолку и распределяется по комнате. После охлаждения воздух опускается вниз. Затем вновь нагревается и поднимается (рис. 140).

Рис. 139



Рис. 140

Еще один способ теплопередачи мы наблюдаем ежедневно. Лучи от Солнца, которое находится на расстоянии 150 млн км от Земли, проходят через ледяное космическое пространство и нагревают Землю (рис. 141). Такой способ теплопередачи называют тепловым излучением.

Рис. 141

Тепловое излучение -- это передача теплоты от одного тела другому с помощью электромагнитных волн (электромагнитного излучения), которые излучает любое нагретое тело. Подробно свойства электромагнитных волн мы изучим в разделе «Колебания и волны». Темные тела лучше нагреваются таким видом излучения, чем светлые.

Наблюдай и объясняй. Посмотри на рисунок 142 и определи способ теплопередачи, который на нем изображен.

Рис. 142

2.2. Как называется сосуд, в котором сохраняется постоянная температура?

Таким образом, теплопередача происходит тремя способами. Теплообменом, если между телами находится вещество: жидкость, газ, твердое тело. Конвекцией, если между нагретыми телами находится жидкость или газ. Тепловым излучением, которое может происходить как в веществе, которое прозрачно для данного вида излучения, так и в вакууме, где практически нет вещества.

Для того чтобы сохранить постоянную температуру тела, используют сосуд, который называется термосом (рис. 143). Термос устроен таким образом, чтобы предотвратить все виды теплопередачи. Чтобы предотвратить тепловое излучение, стенки сосудов, в которых жидкость должна сохранять постоянную температуру, делают блестящими. Внутри термоса находится блестящая металлическая или стеклянная колба. Колба делается с двойными стенками для того, чтобы предотвратить не только тепловое излучение, но и просто теплообмен между жидкостью, заключенной в сосуде, и окружающим воздухом. Внутреннее устройство термоса показано на рисунке 144.



Рис. 143 Рис. 144

Наверное, ты обратил внимание на то, что жарким летом люди предпочитают носить светлую одежду, а зимой -- темную. Причина этого проста: светлая одежда отражает солнечные лучи, препятствуя лучистому теплообмену, и меньше нагревается.

Закопченный котелок быстрее закипит на огне, так как темная поверхность нагревается при помощи теплового излучения.

Возникновение ветра происходит в результате другого способа теплообмена -- конвекции. Воздух нагревается над одними участками земной поверхности, в результате возникающей разницы давления переносится на другие, где остывает и опускается вниз. Вместе с нагретым воздухом переносится и влага. Конечно, механизм переноса воздушных масс более сложен, но основной принцип его действия именно такой.

Сделай сам. Положи на солнечное место кусок темной материи и кусок светлой. Через некоторое время определи, какой из кусков нагрелся больше. Объясни почему.

Существует три вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и тепловое излучение. Сосуд, который предотвращает все виды теплообмена, называется термосом.



3. Зависимость объема от температуры

3.1. Как зависит объем тела от температуры?

Вспомни к уроку: * Термометр

Ты уже знаешь, что прибором для измерения температуры является термометр. Давай более внимательно рассмотрим устройство и принцип работы ртутного термометра. Он состоит из небольшой колбочки, в которой находится ртуть. Из колбочки выходит тонкая трубочка с запаянным концом. При нагревании столбик ртути поднимается вверх, следовательно, происходит увеличение объема ртути, содержащейся в колбочке.

Убедимся на опытах, что при изменении температуры происходит изменение объема тел.

Возьмем колбу с водой. Отверстие колбы заткнем пробкой, в которую вставлена тонкая стеклянная трубка (рис. 145). Подогревая колбу на плитке или горелке, можно убедиться, что при нагревании уровень воды в трубке поднимается, а при охлаждении опускается. Все жидкости увеличиваются в объеме при нагревании и уменьшаются в объеме при охлаждении.

Рис. 145

Такими же свойствами обладают и газы. Попробуем аккуратно подогреть воздух в колбе, которая закрыта пробкой с изогнутой трубочкой, а в трубочке находится капля воды (рис. 146). Можно увидеть, что при нагревании капля перемещается в сторону открытого конца трубки, следовательно, воздух внутри колбы расширяется. При охлаждении колбы капля внутри трубки перемещается в другую сторону, значит, воздух в трубке сжимается.

Рис. 146

Посмотрим, как изменяется при нагревании объем твердых тел. Для этого воткнем в доску булавки так, чтобы между ними еле-еле проходила монетка (рис. 147). Если подогреть монетку над пламенем горелки, держа ее щипцами, а затем поместить между булавками, то можно увидеть, что диаметр монетки увеличился и она повисла между булавками. После того как монетка остынет, она пройдет между булавками и упадет.

При нагревании все вещества увеличиваются в объеме, а при охлаждении -- уменьшаются.

Рис. 147

Наблюдай и объясняй. На рисунке 148 изображен нагретый шарик, который не может проскочить в кольцо. Через некоторое время, когда шарик остыл, он упал вниз. Объясни, почему так произошло.

Рис. 148

3.2. Как учитывается свойство тел изменять свой объем при изменении температуры?

Опыты, которые мы проводили раньше, показали, что при увеличении температуры все тела (жидкие, твердые, газообразные) увеличиваются в объеме, а при уменьшении температуры уменьшаются.

Это свойство тел обязательно учитывается в технике. Обращали ли вы когда-нибудь внимание на то, что провода, которые натянуты между столбами, провисают. Это сделано специально, иначе при сильных морозах длина проводов станет меньше и они могут лопнуть. При укладке железнодорожных рельсов между ними специально оставляют промежутки, так как при нагревании рельсы начнут расширяться, их длина увеличится, и если не будет этих промежутков, то железнодорожное полотно потеряет устойчивость.

О том, что газы при увеличении объема расширяются, необходимо помнить при хранении различных аэрозольных баллончиков. Их нужно хранить вдали от источников тепла (солнечных лучей, огня, отопительной батареи). Иначе при расширении газ, содержащийся в баллончике, может его разорвать (рис. 149). Нельзя бросать в костер такие баллончики, а также закрытые пластиковые или стеклянные бутылки. Воздух при расширении разорвет плотно закрытую стеклянную бутылку, и осколки могут нанести раны окружающим.

Рис. 149

Нельзя резко остужать раскаленные предметы, например камни, разогретые в костре. В результате резкого сжатия они могут лопнуть. Так в природе происходит разрушение горных пород. В горах днем температура может достигать +40 °С, а ночью опускаться ниже 0 °С. В результате горные породы трескаются и разрушаются. Такой процесс называется физическим выветриванием горных пород.

Выполни задание. Объясни, почему нельзя ставить на плиту кастрюлю, доверху наполненную водой (рис. 150).

Рис. 150

При увеличении температуры все тела увеличиваются в объеме, при уменьшении температуры все тела уменьшаются в объеме.

4. Внутренняя энергия тела

4.1. Что называется внутренней энергией тела?

Вспомни к уроку: * Атомы * Молекулы

Ты уже знаешь, что частицы вещества (атомы и молекулы) находятся в постоянном беспорядочном движении и скорость их движения зависит от температуры. Беспорядочное движение частиц называют тепловым движением. В твердых телах частицы вещества оставляют жесткую упорядоченную структуру, однако и они находятся в движении и колеблются около некоторого положения, которое называется положением равновесия. Молекулы и атомы обладают внутренней энергией. В этом легко убедиться на опыте. Нальем в пробирку немного воды и плотно закроем ее пробкой. Если подогревать пробирку над пламенем горелки, то вскоре под давлением пара, образовавшегося внутри пробирки, пробка вылетит (рис. 151). Это значит, что пар смог совершить работу, следовательно он обладает энергией. Но пар, в свою очередь, состоит из отдельных молекул. Суммарная энергия всех молекул пара и позволила ему совершить работу по выбиванию пробки.

Рис. 151

Энергия движения и взаимодействия частиц, из которых состоит тело, называется внутренней энергией тела.

Тепловое движение молекул никогда не прекращается, поэтому любое тело обладает некоторой внутренней энергией.

Внутреннюю энергию тела можно увеличить или уменьшить простым способом: подводя или отводя от него тепло. В случае с пробиркой пар, заключенный в ней, также обладал внутренней энергией, но ее не хватало на то, чтобы выбить пробку. Как только мы начали подогревать пробирку, то возросла скорость движения каждой молекулы. Энергия молекул увеличилась, следовательно, увеличилась и внутренняя энергия всего тела (паров воды, содержащихся в пробирке). Подводя тепло к телу, мы увеличиваем его внутреннюю энергию. Отводя тепло, т. е. охлаждая тело, мы уменьшаем его внутреннюю энергию. Увеличить или уменьшить внутреннюю энергию тела можно и другим способом -- совершая над ним работу. Например, сгибая и разгибая металлический прут, можно заметить, что он нагрелся, значит, его внутренняя энергия увеличилась.

Наблюдай и объясняй. Если ударять по гвоздю молотком, то гвоздь нагревается, т. е. его внутренняя энергия увеличивается. Объясни почему.

4.2. Как отапливают жилые дома?

Внутреннюю энергию горячей жидкости используют для обогрева домов. При этом жидкость сначала подогревают, увеличивая ее внутреннюю энергию, и направляют по трубам в жилые дома. При прохождении через систему труб и батарей вода расходует внутреннюю энергию на разогрев отопительных батарей, а следовательно, и на отопление воздуха в жилых помещениях.

Нагрев воды для центрального отопления в крупных городах осуществляется или в котельных, или на теплоэлектроцентралях (ТЭЦ). От нагревателя горячая вода по трубам (трубопроводу) поступает в здания (рис. 152). Затем по центральному стояку вода поднимается вверх и распределяется по батареям отопления. Охлаждаясь, вода проходит по отопительной системе и вновь поступает к нагревателю. Для того чтобы предотвратить разрыв труб, так как вода расширяется при нагревании, в верхней части здания устанавливается расширительный бак.

Рис. 152

Для отопления загородных домов вместо воды часто используют незамерзающие жидкости (антифризы). Они не замерзают даже при очень низких температурах. В таких домах используется автономная система отопления.

Выполни задание. Посмотри на рисунок 153 и объясни, почему батареи отопления располагаются у пола, а кондиционеры около потолка.

Рис. 153

Частицы вещества, из которых состоит тело (молекулы и атомы), находятся в постоянном беспорядочном движении, которое называется тепловым. Энергию движения и взаимодействия частиц, из которых состоит тело, называют внутренней энергией тела.

5. Тепловые машины

5.1. Как работают тепловые машины?

Вспомни к уроку: * Внутренняя энергия

Ты уже знаешь, что при увеличении температуры происходит расширение газов и увеличение их внутренней энергии. Этот принцип положен в основу работы различных тепловых машин, основное назначение которых преобразовывать внутреннюю энергию топлива в механическую энергию.

Посмотрим, как это происходит. Возьмем шприц и установим поршень шприца на половине его длины. Закупорим носик шприца так, чтобы в него больше не попадал внешний воздух. Опустим шприц в горячую воду (рис. 154).

Рис. 154

Воздух внутри шприца начнет расширяться (его внутренняя энергия увеличится), и поршень шприца начнет передвигаться (внутренняя энергия расходуется на совершение работы). Если опустить шприц в холодную воду, то поршень вернется в исходное положение.

По похожей схеме работают наиболее распространенные тепловые машины -- двигатели внутреннего сгорания (рис. 155). Независимо от предназначения этих машин в их устройстве обязательно имеется цилиндр 1, в котором передвигается поршень 2. Поршень, в свою очередь, соединен с шатунным механизмом 3, который передает движение поршня на различные агрегаты, обеспечивающие работу самой машины в зависимости от ее предназначения.

Рис. 155

Рассмотрим, как происходит вращение колес автомобиля.

Движение поршня передается на коленчатый вал двигателя. Движение коленчатого вала передается сначала в коробку передач и через систему шестерен на ведущие колеса автомобиля.

В тепловой машине происходит преобразование внутренней энергии топлива в механическую энергию, которая расходуется на совершение работы.

Наблюдай и объясняй. Рассмотри механизмы, изображенные на рисунке 156, и попробуй определить, на что расходуется их механическая энергия.

Рис. 156

5.2. Как работают наиболее распространенные тепловые машины -- двигатели внутреннего сгорания?

Наиболее распространенными тепловыми машинами являются двигатели внутреннего сгорания, которые подразделяются на бензиновые и дизельные. Основное различие этих двигателей в том, что в бензиновом двигателе топливом служит бензин и его воспламенение происходит с помощью свечи зажигания. Дизельные двигатели работают на дизельном топливе, а его воспламенение происходит в результате резкого сжатия в цилиндре.

Эти типы двигателей используются в современных автомобилях, автономных электростанциях, бензопилах и т. д.

Устройства, которые обеспечивают работу двигателя, практически одинаковы для всех бензиновых двигателей. Они изображены на рисунке 157. Основными устройствами, обеспечивающими работу бензинового двигателя, являются: бензобак, бензопровод, бензонасос, система впрыска топлива, цилиндр, поршень, система зажигания горючей смеси и система охлаждения двигателя. Из бензобака через бензопровод топливо подается в систему впрыска топлива. Бензонасос обеспечивает необходимое давление и бесперебойную подачу топлива. Через систему впрыска топливо поступает в камеру сгорания цилиндра. Когда поршень находится в верхней точке, происходит поджог горючей смеси свечой зажигания. Мгновенное расширение газа при взрыве толкает поршень. Система охлаждения двигателя обеспечивает отвод от него тепла и поддержание необходимой рабочей температуры. Если этого не делать, то детали двигателя будут перегреваться, что приведет к его поломке.

Рис. 157

При работе с двигателями внутреннего сгорания необходимо помнить, что топливо очень ядовито, и не допускать его попадания в рот или глаза. Проводить ремонтные работы механизмов автомобиля при работающем двигателе категорически запрещается.

Сделай сам. Рассмотри любой двигатель внутреннего сгорания и объясни назначение устройств, из которых он состоит.

Предназначение любой тепловой машины -- в преобразовании внутренней энергии топлива в механическую энергию.



6. Плавление и кристаллизация

6.1. В чем разница между плавлением и кристаллизацией?

Вспомни к уроку: * Внутренняя энергия * Теплообмен

Изучим, как происходит превращение льда в воду (рис. 158). Для этого возьмем лед, который имеет температуру -10 °С, положим его в колбу с термометром и оставим в тепле. Постепенно лед превратится в воду.

Рис. 158

Процесс перехода вещества из твердого состояния в жидкое называется плавлением.

Наблюдая за таянием льда, можно заметить, что сначала температура на термометре начнет подниматься, пока не достигнет 0 °С. Затем лед начнет таять, но пока он не растает полностью температура изменяться не будет. Температура, при которой вещество начинает плавиться, называется температурой плавления. Когда лед полностью растает, температура вновь начнет подниматься, пока не достигнет комнатной.

Если вынести пробирку с водой на мороз, то можно наблюдать обратный процесс. Температура на термометре начнет понижаться до тех пор, пока не достигнет температуры 0 °С. При достижении этой температуры вода начнет превращаться в лед. До тех пор пока вся вода не обратится в лед, температура подниматься не будет. После превращения всей воды в лед, температура в пробирке вновь начнет опускаться, пока не достигнет температуры окружающего воздуха.

Процесс перехода вещества из жидкого состояния в твердое называется кристаллизацией.

На основании наблюдений можно сделать вывод о том, что температуры плавления и кристаллизации одинаковы. Для каждого вещества она своя. Например, температура плавления воды (которую мы определили в результате опытов) -- 0 °С, температура плавления олова -- 232 °С, температура плавления железа -- 1539 °С и т. д.

Наблюдай и объясняй. Внеси в теплое помещение два куска льда. Один из них накрой мехом (рис. 159). Какой из кусков растает быстрее? Объясни почему.

Рис. 159

6.2. Как процессы плавления и кристаллизации проявляются в природе?

Для того чтобы происходил процесс плавления, необходимо постоянно подводить теплоту, до тех пор, пока не расплавится все вещество. Если теплоту не подводить, то плавление вещества остановится. В процессе кристаллизации, наоборот, теплота передается от вещества в окружающую среду, и его необходимо отводить.

Процессы плавления и кристаллизации играют очень важную роль в формировании климата на Земле.

Смена времен года происходит постепенно, а не сразу. Это связано с тем, что в начале зимы при наступлении холодов большие массы воды переходят в твердое состояние (идет процесс кристаллизации), но при этом они отдают тепло, т. е. энергию в окружающую среду.

Весной же при плавлении льда много тепла, т. е. энергии, от окружающей среды расходуется на этот процесс, пока лед весь не растает. Большое скопление льда на полюсах Земли предотвращает чрезмерный разогрев планеты под солнечными лучами.

Зимой, при наступлении морозов, можно обратить внимание, что многие птицы сидят на льду водоемов (рис. 160), а не на ветках деревьев. Это происходит потому, что при кристаллизации воды (образовании льда) выделяется тепло и температура воздуха вблизи ледяного покрова оказывается на несколько градусов выше. Летом на берегу водоема температура окружающего воздуха всегда несколько ниже, чем вдалеке от него. При нагреве большой массы воды окружающий воздух отдает тепло, т. е. энергию, воде, и температура воздуха понижается.

Рис. 160

Выполни задание. Почему нельзя наливать воду, температура которой 95 °С, в пластиковый стакан, температура плавления которого 80 °С?

Процесс перехода вещества из твердого состояния в жидкое называется плавлением. Обратный процесс -- переход вещества из жидкого состояния в твердое -- называется кристаллизацией. Процессы плавления и кристаллизации происходят при одной и той же температуре.

7. Испарение и конденсация

7.1. Какое явление называется конденсацией?

Вспомни к уроку: * Молекула * Пар

Мы уже знаем, что процесс отрыва молекул от поверхности жидкости называется испарением. Испарение с поверхности жидкости происходит при любой температуре. Однако в одних случаях испарение может происходить быстрее, а в других -- медленнее (рис. 161).

Рис. 161

Попробуем определить, при каких условиях испарение будет происходить быстрее, а при каких -- медленнее. Это можно сделать даже с помощью обычной кастрюли с водой (желательно с прозрачной крышкой), поставленной на горячую плиту.

Нагревая кастрюлю, обрати внимание на то, что чем больше увеличивается температура воды, тем больше образуется влаги на крышке кастрюли. Крышка имеет меньшую температуру, чем образовавшийся под ней пар, и на ней оседают капли воды.