Fizika 10 klas - Goncharenko S.U
..pdf
-
Підручник для 10 класу середньої загальноосвітньої школи
Затверджено Міністерством освіти і науки України
КИЮ «ОСВІТА» 2002
ББК 22.3я721
Г65
Затверджено Міністерством освіти і науки України
(Рішення Колегії Міністерства освіти і науки України, протокол № 8/1 —19 від 26 липня 2001 р.)
Права авторів та видавничі права ДСВ «Освіта» захищені Законом України «Про авторське право і суміжні права» від 23.12.1993 р.
Друковане копіювання книги або її частини, будь-які інші контрафактні видання тягнуть за собою відповідальність згідно зі ст. 44 п. 1.3 цього Закону.
Гончаренко С. У.
Г65 Фізика: Підруч. для 10 кл. серед, загальноосв. шк.—
К.: Освіта, 2002.— 319 с.
І8ВИ 966-04-0389-5.
ББК 22.3я721
І8ВМ 966-04-0389-5 |
© С. У. Гончаренко, 2002 |
|
© Видавництво «Освіта», |
художнє оформлення, 2002
Ви починаєте вивчати важливий розділ фізичної науки — молекулярну фізику, яка розглядає будову і властивості речовин у твердому, рідкому й газоподібному станах і залежність фізичних властивостей тіл від їх будови та особливостей молекулярного руху. Стосовно будови і властивостей речовин молекулярна фізика виходить з так званих молекуляр- но-кінетичних уявлень. Згідно з цими уявленнями будь-яке тіло — тверде, рідке чи газоподібне — складається з величезної кількості молекул, що перебувають у невпорядкованому (хаотичному) русі, інтенсивність якого залежить від температури.
Властивості тіл визначаються насамперед їх внутрішньою будовою, властивостями частинок, з яких вони складаються, силами, що діють між частинками, тощо. Тому питання про будову речовини основне для фізики та інших наук про природу.
Звичайно, молекулярна фізика не може дати вичерпної відповіді на всі питання про будову речовини. Багато надзвичайно важливих і цікавих відомостей про структуру тіл ви дістанете під час вивчення хімії, астрономії тощо. Мета молекулярної фізики — пояснити властивості тіл, що їх безпосередньо спостерігають на досліді (тиск, температура, пружність, теплопровідність тощо) як вияв сумарної дії величезної кількості молекул. Іншими словами, молекулярна фізика, виходячи з внутрішньої будови тіл, розглядає мікроскопічні (мікрофізичні) фізичні процеси і явища. При цьому вона користується так званим статистичним методом, який дає змогу визначати середні величини, що характеризують рух і взаємодію величезної сукупності молекул. Тому молекулярну фізику часто називають статистичною фізикою.
З
Дослідженням різних властивостей тіл і змін стану речовини займається також термодинаміка. На відміну від молекулярної фізики вона розглядає макроскопічні (макрофізичні) властивості тіл і явищ природи без урахування особливостей їх внутрішньої будови. Такий метод вивчення властивостей тіл і їх змін називають термодинамічним. В основі термодинаміки лежать кілька фундаментальних законів (начал термодинаміки), встановлених у результаті узагальнення великої кількості спостережень і дослідів над досить великими (макроскопічними) тілами.
Особливо ефективним виявилося застосування термодинамічного методу в теплотехніці, газодинаміці та ракетній техніці.
Розглядаючи властивості тіл і їх зміни з двох різних точок зору — мікроскопічної і макроскопічної, молекулярна фізика і термодинаміка взаємно доповнюють одна одну.
Досягнення молекулярної фізики широко використовуються в інших науках про природу. Зокрема, з її успіхами нерозривно пов'язаний розвиток хімії і біології.
У процесі розвитку в молекулярній фізиці виділився ряд самостійних розділів, наприклад: фізична хімія, фізична кінетика, молекулярна біологія, фізика твердого тіла. Основні уявлення молекулярної фізики використовуються у таких спеціальних галузях науки, як фізика металів, полімерів і плазми, кристалофізика, фізико-хімічна механіка. Молекулярна фізика становить наукову основу сучасного матеріалознавства, вакуумної технології, порошкової металургії тощо. Саме за її допомогою створені нові матеріали із заданими фізичними (механічними, тепловими, електричними, магнітними, оптичними) властивостями. Такими матеріалами є різні сплави, пластмаси, кераміка, бетон, напівпровідникові матеріали, скло тощо. Великий успіх сучасної фізики — синтезування штучного алмазу та інших надтвердих матеріалів.
Досягнення молекулярної фізики і термодинаміки покладені в основу створення сучасних теплових двигунів, холодильних установок і апаратів для одержання рідких газів; вони сприяють дальшому розвитку метеорології — науки про погоду.
основи
МОЛЕКУЛЯРНО-КІНЕТИЧНОЇ ТЕОРІЇ
§ 1. Основні положення молекулярно-кїнетичної теорії
З курсів фізики 7-го і хімії 8-го класів ви вже дістали деякі уявлення про атоми, молекули та їх рух. Коротко повторимо ці відомості.
Тіла, з якими ми маємо справу в повсякденному житті, на виробництві (особливо тверді і рідкі тіла), майже завжди здаються нам суцільними і однорідними. Між тим багато явищ свідчать про те, що ці уявлення помилкові. Так, добре відомо, що тіла в результаті нагрівання плавляться і випаровуються, причому випаровування має місце у випадку і рідких, і твердих тіл (пригадайте випаровування нафталіну, твердих шматочків йоду, льоду тощо). Якщо вважати, що речовина має суцільну будову, то ці явища не можна зрозуміти і пояснити. Те саме можна сказати про добре відомі факти зміни об'єму тіла, скажімо, під час нагрівання, охолодження.
Здатність газів необмежено розширюватися, пружність газів, рідин і твердих тіл, взаємне проникнення тіл внаслідок дифузії можна пояснити, якщо припустити, що тіла складаються з величезної кількості найдрібніших частинок речовини — молекул, розташованих не щільно, а на деякій відстані одна від одної, що проміжки між молекулами змінюються під дією зовнішніх впливів, зі зміною температури або внаслідок змішування речовин. Саме зміною розмірів проміжків між частинками твердого тіла і пояснюється зміна об'ємів тіл. (До речі, проміжки між молекулами речовини не можна плутати із звичайними порами, які є в деревині, цеглі, папері та інших матеріалах.)
Цікаві і переконливі явища, які свідчать про наявність проміжків між молекулами, можна спостерігати на виробництві. Придивіться уважно (якщо випаде така нагода) до поверхні циліндра потужного гідравлічного преса, який розвиває тиск у кілька мільярдів паскалів (десятки тисяч атмосфер).
5
Ви помітите, що ззовні циліндр покритий краплями гліцерину, який просочився крізь його товсті стінки міжмолекулярними проміжками.
У металургійній промисловості широко застосовують прокатування металів і металевих сплавів — обтискання їх між обертовими валками (мал. 1). Тиск валків на метал може досягати 1,5 • 109 Па. Внаслідок цього зменшуються проміжки між молекулами, метал стає щільнішим і якіснішим.
Під час випробувань оболонок космічних кораблів на герметичність було виявлено, що гази завдяки міжмолекулярним проміжкам проникають крізь товсті шари металу. Тому метал, з якого виготовляють оболонки, обов'язково піддають попередньому прокатуванню і куванню.
Отже, |
основні положення молекулярно-кінетичної теорії |
|||
|
|
|
будови речовини такі: |
|
|
|
|
1. Будь-яка речовина склада- |
|
|
|
|
ється з найдрібніших частинок — |
|
|
|
|
молекул чи атомів. |
|
Смужка |
) |
Напрям |
2. Атоми і молекули перебува- |
|
ють у безперервному хаотичному |
||||
металу |
^^ |
руху |
(тепловому) русі. |
|
|
Мал. 1 |
3. Між молекулами |
(атомами) |
|
|
існують сили взаємодії, |
які зале- |
||
|
|
|
||
жать від відстані між ними і можуть бути силами притягання і відштовхування.
Молекули настільки малі, що розрізнити їх неозброєним оком і навіть у звичайний мікроскоп неможливо. Лише у 1974 р. за допомогою електронного мікроскопа були одержані фотографії окремих атомів і молекул, що, безумовно, стало найпереконливішим доказом їх існування. А що саме безпосередньо експериментально підтверджувало існування цих частинок раніше?
До найпереконливіших дослідів належать насамперед явища дифузії і броунівського руху. Можна здійснити багато спостережень і експериментів, які опосередковано підтверджують основні положення молекулярно-кінетичної теорії будови речовини — дискретність (подільність) і «вічний» рух.
Рух атомів і молекул, їх взаємодії підпорядковуються законам механіки. Це дає змогу використовувати закони механіки для з'ясування властивостей тіл, які складаються з величезної кількості маленьких частинок, що хаотично рухаються.
? 1. Наведіть факти, які свідчать про подільність речовин. 2. Сформулюйте основні положення молекулярно-кінетичної теорії будови речовини. 3. Які спостереження зі свого повсякденного життя ви можете навести, щоб підтвердити наявність міжмолекулярних проміжків?
я
ХОЧЕШ ЗНАТИ БІЛЬШЕ? ПРОЧИТАЙ!
З історії розвитку вчення про молекулярну будову речовин.
Думка про дискретну (переривчасту) будову речовини зародилася в глибоку давнину, близько двох з половиною тисяч років тому. Найпослідовніше атомне вчення розвинув давньогрецький філософ і природодослідник Д е м о к р і т (Уст. дон.е.). Він учив, що на вигляд суцільні тіла насправді складаються з розділених простором найдрібніших частинок — атомів (що в перекладі з грецької мови означає «неподільні»). Від форми атомів і їх розміщення залежать властивості всіх тіл природи. Взаємодіють атоми внаслідок тиску і удару. Кожен атом вічний, а тому вічна і вся природа, яка складається з цих частинок. Виходячи з уявлення про відмінність атомів і особливості їх рухів, Демокріт пояснив багато властивостей тіл, а також закономірності деяких явищ.
Погляди Демокріта поділяли у той час не всі вчені. Зокрема, проти атомістичного вчення виступав визначний філософ стародавнього світу А р і с т о т е л ь (384—322 рр. до н.е.), який вважав матерію суцільною, позбавленою будь-якої внутрішньої структури. Супротивники атомістичного вчення будували свої заперечення головним чином на тому, що атомів ніхто не бачив.
Атомістичне вчення було глибоко матеріалістичним. Стародавні філософи-атомісти прагнули пояснити всі явища природи природними причинами: об'єднанням і розділенням, переміщенням і змішуванням невидимих частинок — атомів. Значною мірою саме через матеріалістичну суть атомізму його протягом століть переслідувала церква, послідовники його зазнавали утисків, їхні книги спалювали. У 1626 р. вищий суд королівської Франції спеціальним законом заборонив поширення вчення про атоми під загрозою смертної кари.
Атомістичні уявлення відродилися у XVII ст. з початком розвитку сучасного природознавства. Французький філософ
П ' є р |
Г а с с е н д і , |
англійські фізики Р о б е р т Б |
о й л ь , |
І с а а к |
Н ь ю т о н |
та інші вчені прагнули на основі |
атоміс- |
тичної теорії пояснити різні явища.
Остаточного утвердження в науці атомно-молекулярних уявлень було досягнуто лише у XX ст. Вирішальну роль у цьому відіграли праці французького фізика Жана Перрена з експериментального доведення існування атомів і молекул. Нині атомно-молекулярне вчення підтверджене численними дослідами і дістало загальне визнання.
7
ЖАН БАТІСТ
ПЕРРЕН
(1870—1942)
Французький фізик і фізико-хімік. У 1908—1913 рр. здійснив цикл експериментальних досліджень броунівського руху, які остаточно довели реальність існування молекул, те, що броунівський рух є наслідком теплового руху молекул середовища. За допомогою дослідів обчислив значення числа Авогадро.
§ 2. Дослідне обґрунтування молекулярно-кінетичної теорії
Дифузія. Дифузією називають явище, при якому речовини самі по собі змішуються одна з одною. Найпростіший приклад дифузії в газах — це швидке поширення запахів навіть у спокійному повітрі: аромат парфумів уже через кілька хвилин відчувається в усій кімнаті. Дифузію в газах можна спостерігати також на досліді з парою брому. Для цього у скляний циліндр висотою близько 50 см вливають кілька крапель брому і відразу ж закривають циліндр скляною пластинкою (щоб задушлива пара брому не виходила назовні). Під час випаровування брому його пара досить швидко дифундує вгору, що добре видно з поступового забарвлення повітря в циліндрі в коричневий колір.
Змішування газів у даному випадку не може бути здійснене силою тяжіння, оскільки густина пари брому значно більша за густину повітря. Це явище легко пояснюється на основі молекулярно-кінетичної теорії: молекули обох газів, рухаючись невпорядковано і стикаючись одна з одною, потрапляють / проміжки між сусідніми молекулами, що приводить до проникнення одного газу в інший і, отже, поступового виникнення однорідної суміші газів.
У рідинах дифузія відбувається значно повільніше. Наллємо у скляний циліндр до половини його висоти концентрованого розчину мідного купоросу, а потім обережно доллємо чистої води. На початку досліду видно чітку межу поділу між розчином мідного купоросу і водою. З часом вона стає розпливчастою; блакитне забарвлення піднімається вгору, і через кілька днів обидві рідини повністю перемішуються, утворю-
8
ючи однорідний розчин світло-блакитного кольору. Швидкість дифузії невелика і залежить від температури рідини. Оскільки дифузія виникає внаслідок теплового руху молекул, то прискорення цього явища з підвищенням температури свідчить про зростання швидкості частинок.
Дифундують і молекули твердих тіл, але за звичайних температур дуже повільно. Було проведено такий дослід. На золоту пластинку ставили свинцевий циліндр із ретельно очищеною від оксидів основою і залишали їх у такому положенні за кімнатної температури (20 °С) на кілька років. Виявилося, що за 4 роки свинцевий циліндр «спаявся» із золотою пластинкою, а хімічний аналіз показав, що невелика кількість золота проникла в свинець (а свинець — у золото) на глибину близько 5 мм.
Виникає запитання: як можна пояснити дифузію в твердих тілах рухом молекул, якщо їх частинки лише коливаються навколо положення рівноваги? Треба мати на увазі, що частинки твердих тіл зрідка покидають свої місця і переходять на інші. Ось ці «мандруючі» молекули чи атоми і зумовлюють дифузію в твердих тілах.
Осмос. Важливий різновид дифузії — взаємне проникнення речовин крізь пористі перегородки — дістав назву осмос. Розглянемо такий дослід. З'єднаємо патрубок пористої посудини гумовою трубкою з коліном водяного манометра (мал. 2). Помістимо цю посудину під склянку, заповнену воднем від приладу Кіппа. Манометр покаже збільшення тиску в посудині. Пояснюється це тим, що молекули водню, які мають меншу масу і рухаються швидше, ніж молекули кисню й
азоту, що входять до складу |
|
|||||
повітря, проходять крізь пори в |
|
|||||
посудину |
швидше, |
ніж |
молекули |
|
||
кисню й азоту з цієї посудини в |
|
|||||
склянку. Якщо прийняти склянку з |
|
|||||
воднем, то тиск у посудині змен- |
|
|||||
шується — водень виходить крізь |
|
|||||
пори з посудини швидше, ніж у |
|
|||||
нього проникає повітря. |
|
|
|
|||
Дифузію |
рідин |
крізь |
пористу |
|
||
перегородку |
можна |
спостерігати на |
|
|||
такому простому досліді. Затягнемо |
|
|||||
широкий отвір лійки целофаном або |
|
|||||
пергаментом, наповнимо її розчи- |
|
|||||
ном мідного купоросу й опустимо в |
|
|||||
посудину |
з |
водою |
(мал. |
3). |
Через |
|
і мчи і ий |
час |
побачимо, що |
рівень |
Мал. 2 |
||
р< кіч її ну в лійці підвищився. Отже, |
||||||
9