ЗАСЄКІНА Т.М., ГОЛОВКО М.В.

ФІЗИКА

Підручник для 11 класу

загальноосвітніх навчальних закладів

Профільний рівень

ЗМІСТ

Частина 1. МОЛЕКУЛЯРНА ФІЗИКА І ТЕРМОДИНАМІКА

Розділ 1. ВЛАСТИВОСТІ ГАЗІВ, РІДИН, ТВЕРДИХ ТІЛ

Вступ

§ 1. Молекулярно-кінетична теорія будови речовини

§ 2. Маси та розміри атомів та молекул

Вправа1

§ 3. Взаємодія молекул

§ 4. Пояснення будови твердих тіл, рідин і газів на основі атомно-молекулярного вчення про будову речовини

§ 5. Ідеальний газ в молекулярно-кінетичній теорії

§ 6. Основне рівняння молекулярно-кінетичної теорії ідеального газу

Вправа 2

§ 7. Термодинамічний зміст температури. Способи вимірювання температури.

§ 8. Молекулярно-кінетичний зміст температури

Вправа 3

§ 9. Рівняння стану ідеального газу. Об’єднаний газовий закон

Вправа 4

§ 10. Ізопроцеси

Вправа 5

§ 11. Вимірювання швидкості руху молекул газу

§ 12. Статистичні розподіли

§ 13. Реальні гази. Рівняння стану реального газу

§ 14. Випаровування

§ 15. Кипіння. Температура кипіння

§ 16. Зріджені гази. Критичний стан речовини

§ 17. Діаграма стану речовини

§ 18. Вологість повітря

Вправа 6

§ 19. Рідини. Поверхневий натяг рідин

§ 20. Змочування. Капілярні явища.

Вправа 7

§ 21. Будова і властивості твердих тіл

§ 22. Кристали

§ 23. Рідкі кристали. Полімери

§ 24. Наноматеріали

Найголовніше у розділі «Властивості газів, рідин, твердих тіл»

Розділ 2. ОСНОВИ ТЕРМОДИНАМІКИ

§26. Теплові явища

§27. Термодинамічний зміст температури. Способи вимірювання температури

§28. Внутрішня енергія. Способи зміни внутрішньої енергії тіла

Вправа 8

§29. Кількість теплоти. Рівняння теплового балансу

Вправа 9

§30. Робота термодинамічного процесу

§31. Закони термодинаміки

Вправа 10

§32. Принцип дії теплових двигунів

Вправа 11

§33. Теплові та холодильні машини

§34. Екологічні проблеми пов’язані з використанням теплових машин.

§35. Приклади розв’язування задач

Найголовніше у розділі «Основи термодинаміки».

Частина 2. ЕЛЕКТРОДИНАМІКА

Розділ 1. ЕЛЕКТРИЧНЕ ПОЛЕ

§36. Електричне поле. Напруженість електричного поля

§37. Силові лінії електричного поля

§38. Електричне поле точкових зарядів

§39. Накладання електричних полів

Вправа 12

§40. Речовина в електричному полі

§41. Провідники в електричному полі

§42. Діелектрики в електричному полі. Поляризація діелектриків

§43. Робота електричного поля

§44. Потенціал електричного поля. (Різниця потенціалів). Зв’язок напруженості електричного поля з різницею потенціалів

Вправа 13

§45. Електроємність

§46. Конденсатори

§47. Види конденсаторів. З’єднання конденсаторів

Вправа 14

§48. Енергія електричного поля. Використання конденсаторів у техніці.

§49. Приклади розв’язування задач

Найголовніше у розділі «Електричне поле»

Розділ 2.ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ

§50. Електричний струм

§51. Закон Ома для ділянки кола. Опір провідників. Послідовне та паралельне з’єднання провідників

§52. Електрорушійна сила. Закон Ома для повного кола

§53. Правила Кірхгофа. Розрахунок складних роз­галужених кіл

Вправа 15

§54. Робота та потужність електричного струму. Теплова дія струму

Вправа 16

§55. Міри та засоби безпеки під час роботи з електричними пристроями

§56. Електричний струм в металах металах та його використання. Носії електричного струму в металах

§57. Електричний струм в рідинах та його використання

§58. Електричний струм в газах

§ 59. Плазма та її властивості. Практичне застосування плазми

§60. Струм у вакуумі та його застосування

§61. Електропровідність напівпровідників та її види. Власна і домішкова провідність напівпровідників

§62. Електронно-дірковий перехід

§63. Приклади розв’язування задач

Вправа 17

Найголовніше у розділі «Електричний струм»

ВСТУП

У механіці мають справу з механічним рухом макроскопічних тіл (тіл, що складаються з дуже величезної кількості атомів або молекул). Механіка вивчає рух тіл у просторі, але вона не може пояснити, чому існують тверді, рідкі чи газоподібні тіла. Досліджуючи сили в механіці, як причини зміни стану руху тіла, не можна пояснити природу цих сил.

Невичерпна різноманітність більшості явищ природи (теплових, електричних, магнітних, оптичних, ядерних тощо) пояснюється саме внутрішньою будовою речовини, рухом та взаємодією її складових частинок. Уточнимо деякі відомості про будову речовини, отримані на уроках природознавства, фізики та хімії.

Речовина складається з молекул.

Молекула – частинка речовини, яка здатна самостійно існувати і зберігати хімічні властивості цієї речовини.

Молекули складаються з атомів, зв’язаних між собою хімічними зв’язками. Кількість атомів у молекулі може бути від двох (N₂, O₂, H₂, KCl) до тисячі і більше (полімери). Багатоатомні молекули (тисяча і більше атомів) називають макромолекулами.

Речовину, яка побудована з атомів лише одного виду, називають хімічним елементом (Гідроген, Оксиген тощо).

Атом - найменша частинка хімічного елемента, що є носієм його властивостей.

Кожному хімічному елементу відповідають атоми, які мають певне місце (певний номер) у таблиці хімічних елементів Д.І.Менделєєва. У природі є 92 хімічні елементи. Разом зі штучними наразі налічується 118 елементів.

Якщо при яких-небудь змінах у природі склад молекули залишається незмінними, то речовина зберігає свої хімічні властивості, якщо ж молекули змінюють свій склад або розпадаються на окремі атоми, то виникають нові види речовини з іншими хімічними і фізичними властивостями.

Властивості речовини залежать також від внутрішнього розміщення атомів один відносно одного. Наприклад, графіт і алмаз складаються з атомів Карбону і з точки зору їх внутрішньої будови відрізняються лише відносним розміщенням цих атомів. Тим часом, фізичні властивості цих речовин різко відрізняються: алмаз має велику твердість, прозорий для променів світла, добрий електроізолятор, а графіт – м’який і непрозорий матеріал, провідник.

Молекули різних речовин по-різному взаємодіють одна з одною. Ця взаємодія залежить від типу молекул і відстані між ними. Залежно від характеру руху і взаємодії молекул розрізняють основні агрегатні стани речовини: твердий, рідкий, газоподібний.

Молекули безперервно хаотично рухаються. Хаотичний рух молекул називають тепловим рухом, бо він тісно пов'язаний з поняттям температури.

Дослідження структури речовини на відстанях, менших за атомарні, уможливили відкриття нових найпростіших «цеглинок» світобудови.

У 1911 р. була створена планетарна модель атома: англійський фізик Ернест Резерфорд показав, що у центрі атома знаходиться ядро, навколо якого обертаються електрони. (мал.1).

Електрон – стабільна елементарна¹ частинка, яка є носієм елементарного від’ємного електричного заряду.

Мал. 1. Планетарна модель атома

Наступні дослідження показали, що атомне ядро складається з позитивно заряджених протонів та електронейтральних нейтронів. За сучасними уявленнями, протони і нейтрони є складними частинками, які складаються з трьох елементарних частинок - кварків.

Електричний заряд протона за величиною дорівнює заряду електрона, але протилежний за знаком. У цілому атом електронейтральний, бо число протонів у ядрі дорівнює числу електронів у атомі. Число протонів у ядрі визначає хімічні властивості атома та його місце у періодичній таблиці хімічних елементів Д. І. Менделєєва.

Електрони в атомах розміщені шарами (на орбітах). Вивчення розміщення електронів в атомах різних елементів показало, що коли порядковий номер орбіти позначити n, то максимальна кількість електронів на ній дорівнює Отже, на першій заповненій орбіті має бути 2 електрони, на другій – 8, на третій – 18 і т.д. Ці орбіти часто позначають великими літерами K, L, M і т.д. На мал. 2 схематично зображено атоми Гелію, Нітрогену, Алюмінію.

Мал. 2. Схематичне зображення електронних орбіт

Електрони, розміщені на зовнішній орбіті, тобто найбільше віддалені від ядра атома, називаються валентними. Таких електронів більше восьми не буває. Валентні електрони порівняно слабко зв’язані з атомом і внаслідок зовнішніх впливів можуть відриватись від атомів або переходити від одного атома до іншого. Атоми і молекули, що мають надлишок, або нестачу електронів порівняно із звичайним станом, називаються йонами.

Йони – це частинки, які утворилися з молекул або атомів. Вони мають надлишок або недостачу електронів, тобто заряджені позитивно або негативно.

Електрон, що перебуває в атомі або молекулі називають зв’язаним. Якщо електрон, який відірвався, не приєднався до інших молекул або атомів, і існує як самостійна частинка, то його називають вільним.

Таким чином ми з’ясували, що речовина – вид матерії, з якої побудовані фізичні тіла, має складну будову:

Речовина → (молекули, атоми, йони)

ядро і електрони

протони і нейтрони

кварки

???

У сучасній фізиці існують спеціальні теорії, завданням яких є дослідження фізичних властивостей речовини на певному структурному рівні.

При вивченні молекулярної фізики ми ознайомимось із молекулярно-кінетичною теорією будови речовини, яка пояснює будову і властивості тіл на основі закономірностей руху і взаємодії атомів та молекул.

Вивчення явищ електродинаміки ґрунтується на дослідженні властивостей електрично заряджених частинок (електронів, йонів тощо) та електромагнітного поля.

МОЛЕКУЛЯРНА ФІЗИКА І ТЕРМОДИНАМІКА

Молекулярна фізика та термодинаміка – це по суті дві різні за своїми підходами, але тісно пов’язані науки, які займаються одним і тим же – вивченням макроскопічних властивостей тіл (систем), але різними методами.

Молекулярною фізикою називається розділ фізики, в якому вивчаються будова, фізичні властивості і агрегатні стани речовини на основі їх мікроскопічної (молекулярної) будови. Молекулярна фізика користується так званим статистичним методом, який дає змогу визначити середні величини, що характеризують рух і взаємодію величезної сукупності молекул. Тому молекулярну фізику часто називають статистичною фізикою.

Дослідженням різних властивостей тіл і змін стану речовини займається також термодинаміка, яка користується термодинамічним методом - вивчення макроскопічних властивостей тіл і явищ без урахування їх внутрішньої будови.

Обидва методи доповнюють один одного. Спільне їх використання дає найбільш повну характеристику властивостей систем, що складаються із величезної кількості частинок.

Розділ 1.

ВЛАСТИВОСТІ ГАЗІВ, РІДИН І ТВЕРДИХ ТІЛ

§ 1. Молекулярно-кінетична теорія будови речовини

• Становлення атомної теорії будови речовини

• Основні положення молекулярно-кінетичної теорії

• Дифузія та броунівський рух

Становлення атомної теорії будови речовини. Гіпотеза про існування атомів як найменших неподільних частинок речовини була висунута понад 2500 років тому. Засновниками учіння про атомну будову речовини вважаються старогрецькі філософи Левкіп та його учень Демокріт, що жили у V ст.до н.е. Гіпотезу про те, що всі речовини складаються з окремих часток – атомів давньогрецькі філософи висловили на основі аналізу причин таких природних явищ, як здатність води до випаровування і конденсації із пари, здатність до розширення і розчинення твердих тіл, поширення запахів. Відмінність запахів, смаків різних речовин і механічних властивостей тіл давньогрецькі атомісти пояснювали відмінностями форм і розмірів атомів, їх здатностей до з’єднань.

Незважаючи на те, що основні положення атомної теорії речовини були сформульовані ще філософами Стародавньої Греції, широкого визнання вона ще довгий час не отримувала. Такі учені, як Г. Галілей, Р. Декарт, І. Ньютон хоч і вважали що речовина складається із дрібних частинок (вони їх називали корпускулами або атомами), проте у своїх працях вони не наводять ґрунтовного доведення їх існування.

Перше наукове обґрунтування існування атомів було дано у 1803 році Джоном Дальтоном (Англія). Ним було розроблено спосіб визначення відносних мас атомів: він запропонував за одиницю маси атома прийняти масу одного атома Гідрогену. Д. Дальтон показав, що кожному хімічному елементу відповідає свій тип найдрібніших невидимих атомів, а всі речовини складаються з хімічних сполук атомів.

Багато учених присвятили свою діяльність дослідженню будови речовини: англійський фізик і хімік Роберт Бойль встановив, що всі речовини можна розділити на два класи: хімічні елементи і хімічні сполуки; російський учений Д.І.Менделєєв класифікував всі відомі йому хімічні елементи і створив періодичну систему хімічних елементів (див. форзац); англійський ботанік Роберт Броун, розглядаючи у мікроскоп пилок квітів, розведений у воді, помітив як швидко і безладно рухається пилок у воді; французький фізик Жан Батист Перен зумів пояснити дане явище, і довів існування молекул, розрахував їх розміри; німецький фізик О.Штерн визначив швидкості руху молекул. Значний внесок у створення основ теорії будови речовини зробили у другій половині ХІХ ст. німецький фізик Р. Клаузіус (1822 – 1888), російський фізик (студент Києво-Могилянської академії) М. В. Ломоносов (1711 – 1765), австрійський фізик Л. Больцман (1844 – 1906). Вагомим також є внесок учених України: М. П. Авенаріуса (1835 – 1895), М. О. Умова (1846 – 1915), М. М. Бекетова (1827 – 1911), М. М. Шіллера (1848 – 1910), І. П. Пулюя (1845 – 1918) та інших.

На основі досліджень цих та багатьох інших учених у ХХ ст. було створено теорію будови речовини, так звану молекулярно-кінетичну теорію.

Молекулярно-кінетичною теорією (МКТ) називають теорію, яка пояснює будову і властивості тіл на основі закономірностей руху і взаємодії атомів та молекул.

Молекулярно-кінетична теорія пояснює теплові явища у макроскопічних тілах на основі уявлень, що всі тіла складаються з окремих частинок, які рухаються хаотично та взаємодіють між собою. У цій теорії ставиться завдання пов’язати закономірності поведінки окремих атомів і молекул з величинами, які характеризують властивості макротіл.

Основні положення молекулярно-кінетичної теорії речовини. В основу молекулярно-кінетичної теорії речовини покладено три положення, сучасне формулювання яких:

1. Будь-які речовини мають дискретну (переривчасту) будову. Вони складаються з найдрібніших частинок – молекул або атомів (йонів).

2. Молекули знаходяться у стані безперервного хаотичного (невпорядкованого) руху, що називається тепловим і у загальному випадку є сукупністю поступального, обертального і коливального рухів.

3. Молекули взаємодіють одна з одною із силами електромагнітної природи, причому на відстанях більших за два – три діаметри молекули вони притягуються, а на відстанях менших за діаметр молекули – відштовхуються. Сили притягання і відштовхування між молекулами діють постійно і одночасно. Гравітаційна взаємодія між частинками дуже мала.

Можна навести безліч прикладів, які підтверджують ці положення. У 1974 році вперше вдалося сфотографувати окремі атоми і молекули за допомогою електронного мікроскопа. Пружність газів, твердих тіл і рідин, здатність рідин змочувати тверді тіла, процеси фарбування, склеювання, деформації твердих тіл тощо – свідчать про існування сил притягання і відштовхування між молекулами.

Дифузія та броунівський рух. Значна роль у становленні молекулярно-кінетичної теорії належить явищам дифузії (осмосу) та броунівського руху, які, зокрема, вважають першими дослідними її обґрунтуваннями.

Дифузія (від лат. diffusio – розливання) – процес спонтанного взаємного проникнення молекул однієї речовини в міжмолекулярні проміжки іншої. Осмос - дифузія, що відбувається через напівпроникні перегородки. Тобто осмос – одностороння дифузія.

Причиною дифузії є тепловий рух молекул і наявність проміжків між молекулами речовин, що змішуються.

Приклад дифузії в газах – це швидке поширення запахів навіть у спокійному повітрі: аромат парфумів за кілька хвилин відчувається в усій кімнаті; у рідинах – перемішування рідин різної густини (мал.3). З підвищенням температури швидкість дифузії зростає внаслідок зростання швидкості частинок.

Мал. 3. Дифузія розчину мідного купоросу

У рідинах дифузія відбувається значно повільніше, ніж у газах, але швидше ніж у твердих тілах. Це пояснюється відмінністю характеру теплового руху атомів і молекул.

Дифундують і молекули (атоми) твердих тіл, але за низьких температур це відбувається досить повільно.

У природі дифузія сприяє живленню рослин з ґрунту. Значною є роль дифузії у живленні організмів тварин і людини. Через стінки шлунка і кишок організм «всмоктує» тільки ті розчинені в страві речовини, які потрібні для побудови його клітин. Насичення крові киснем і відведення шкідливих речовин – теж дифузія (осмос).

Підтримання однорідного складу атмосферного повітря поблизу поверхні Землі, змішування різнорідних рідин, процес розчинення твердих тіл у рідинах, зварювання металів як шляхом їх плавлення, так і в результаті стиснення, пояснюються явищем дифузії, яке підтверджує правильність основних положень молекулярно-кінетичної теорії.

Броунівський рух названий на честь англійського ботаніка Р. Броуна (1773 – 1858), який у 1827 р. відкрив хаотичний рух спори плауна у воді.

Броунівський рух – неперервний хаотичний рух частинок, завислих у рідині чи газі.

Спочатку Броун вважав, що рух частинок відбувається через те, що вони живі. Однак частинки продовжували хаотично рухатися і після кип’ятіння суміші. Пізніше Броун спостерігав такий самий хаотичний рух дрібних частинок з інших речовин. Однак він не зміг пояснити відкритого ним явища.

Вивченням броунівського руху займалося багато учених. Повне молеку­лярно-статистичне пояснення цього явища дали в 1905-1906 рр. А. Ейнштейн і М. Смолуховський.

Уявімо собі таку маленьку пилинку, що її можна побачити лише у мікроскоп. Зависла пилинка перебуває серед молекул рідини (наприклад, води), які хаотично рухаються і вдаряються об неї. Ці удари створюють тиск на поверхню пилинки і у будь-який момент часу середнє значення тиску на один бік пилинки може бути більшим, ніж на інший, тому пилинка здійснює безладний рух в об'ємі рідини. Отже, причиною броунівського руху є флуктуація імпульсу², що передається від молекул частинці.

Спостерігати можна за рухом частинок, завислих у рідинах або газах, якщо їх розміри не перевищують . Броунівські частинки рухаються незалежно одна від одної. Рух броунівських частинок не припиняється за жодних обставин. Його інтенсивність тим більша, чим вища температура і менша в’язкість рідини, менша маса завислих частинок, і не залежить від їх природи.

Дайте відповідь на запитання

1. Що таке молекулярно-кінетична теорія?

2. Сформулюйте основні положення молекулярно-кінетичної теорії.

3. Наведіть факти, що підтверджують положення молекулярно-кінетичної теорії.

4. Про що свідчить броунівський рух? Чи є безладний рух порошин у повітрі броунівським рухом?

5. Що називають дифузією? Приведіть приклади дифузії в газах, рідинах і твердих тілах.