Учебник Физика 8 класс Сиротюк

На сайте Учебник-скачать-бесплатно.ком ученик найдет электронные учебники ФГОС и рабочие тетради в формате pdf (пдф). Данные книги можно бесплатно скачать для ознакомления, а также читать онлайн с компьютера или планшета (смартфона, телефона).
Учебник Физика 8 класс Сиротюк - 2014-2015-2016-2017 год:


Читать онлайн (cкачать в формате PDF) - Щелкни!
<Вернуться> | <Пояснение: Как скачать?>

Текст из книги:
ББК22.3я721 С40 Рекомендовано Министерством образования и науки Украины (приказ Министерства образования и науки Украины от 17марта 2008г., N9 179) Издано за счёт государственных средств. Продажа запрещена. Переведено с издания'. В. Д. Сиротюк. Ф1зика: пшруч. для 8 кл. загальноосв1т. навч. заклал1в. — К.: Зод1ак-ЕКО, 2008. Переводчик К. А. Лмитренко Ответственные за подготовку учебника к изданию: Е. В. Хоменко, главный специалист Министерства образования и науки Украины: И. А. Юрчук. методист высшей категории Института инновационных технологий и содержания образования Министерства образования и науки Украины ТВОРЧЕСКАЯ ГРУППА СОЗДАТЕЛЕЙ УЧЕБНИКА Юрий Кузнецов - руководитель проекта, автор концепций: структуры, дизайна; B.iaiuiMHp Сиротюк - автор текста и методического аппарата; Олег Костенко - заместитель руководителя проекта; Константин Лмитренко - редактор-организатор; Наталия Лемнденко — контрольное редактирование; .^ирей Внксенко — разработчик макета, художественного оформления, .художник обложки; Ва.1ентина Максимовская — организатор производственного процесса; Га.знна Кузнецова - экономическое сопровождение проекта; Роман Костенко — маркетинговые исследования учебника; -Андрей Кузнецов - мониторинг апробации учебника с Издательство «Зоиак-ЕКО». Все права заыишены. Никакие часть. а.-№мснт. ндея. конгкпнцнонный подход зтого изаания не могут быть скопированы или воспроизведены в любой форме н.1«1быми способами — ни э.лсктрониыми. ни фотомеханическими, а именно ксерокопирования, записи или компьютерного архивирования. — без письменного разрешения нзаате.тя. ISBN 978-966-7090-60-9 (укр.) ISBN 978-966-7090-63-0 (рус.) © в. Д. Сиротюк. 2008 О Псрсвол. К. А. Дмктренко. 2008 © Издательство 'Зошак-ЕКО». 2008 © Художественное оформление. Л. Н. Виксенко, 2008 © Коииепши: структуры, дизайна. Ю. Б. Кузнеиов, 2008 0ГЛА1Л1НИ1 Юные друзья!...............................6 МЕХАНИЧЕСКОЕ ~ ^ ДВИЖЕНИЕ § 1. § 2. § 3. I 4. § 5. § 6-§ 7. § 9. §11. §12. §13. Механическое движение ...................................... Относительность движения ................................... Поступательное движение. Траектория. Путь................... Равномерное и неравномерное движение........................ Скорость движения и единицы скорости........................ Средняя скорость неравномерного движения.................... Графическое изображение равномерного движения тела.......... Лабораторная работа № 1. Измерение скорости движения тела .. Задачи и упражнения......................................... Вращательное движение тела. Период обращения................ Лабораторная работа № 2. Изготовление механического стробоскопа и исследование с его помощью периодических процессов........ Колебательное движение. Амплитуда, период и частота колебаний .. Лабораторная работа № 3. Исследование колебаний маятника.... Задачи и упражнения......................................... Звук. Характеристики звука ................................. Лабораторная работа № 4. Изучение характеристик звука....... Скорость распространения звука.............................. Инфразвук и ультразвук...................................... Влияние акустических колебаний на живые организмы........... Задачи и упражнения......................................... Историческая справка........................................ Проверьте свои знания Контрольные вопросы ..................................... Что я знаю и умею делать................................. Тестовые задания .. I9 гг 15 26 29 29 И 54 55 58 ..41 ..46 Взаимодействие тел . Инерция ......................................... Масса тела ...................................... Задачи и упражнения.............................. Сила ............................................. Сила тяжести...................................... Сила упругости. Закон Гука. Вес тела. Невесомость. Задачи и упражнения............................... Динамометры. Измерение силы ..................... Лабораторная работа Ns 5. Конструирование динамометра .. _________________ОГЛАВЛЕНИЕ Лабораторная работа № 6. Измерение сил с помощью динамометра. Измерение веса тел................................72 § 21. Сила трения. Коэффициент трения скольжения......................73 Лабораторная работа № 7. Измерение коэффициента трения скольжения.77 § 22. Равнодействующая сила. Движение тела под действием нескольких сил.78 Задачи и упражнения............................................79 § 23. Давление и сила давления. Единицы давления......................81 Задачи и упражнения............................................84 § 24. Давление жидкостей и газов. Закон Паскаля.......................85 Задачи и упражнения............................................89 § 25. Гидравлические машины...........................................91 §26. Сообщающиеся сосуды.............................................93 §27. Атмосферное давление. Измерение атмосферного давления...........97 §28. Манометры......................................................101 § 29. Жидкостные насосы..............................................103 Задачи и упражнения...........................................104 § 30. Выталкивающая сила.............................................108 §31. Условия плавания тел...........................................Ill § 32. Гидростатическое взвешивание...................................116 Лабораторная работа № 8. Измерение плотности вещества методом гидростатического взвешивания.........................117 Задачи и упражнения...........................................118 Историческая справка..........................................121 Проверьте свои знания Контрольные вопросы.........................................124 Что я знаю и умею делать....................................124 Тестовые задания............................................126 § 33. Механическая работа. Единицы работы..................... §34. Мощность. Единицы мощности............................... Задачи и упражнения.................................... § 35. Кинетическая и потенциальная энергии.................... § 36. Закон сохранения механической энергии................... Задачи и упражнения.................................... §37, Машины и механизмы....................................... § 38, Простые механизмы....................................... § 39. Условие равновесия рычага. Момент силы.................. Лабораторная работа Ns 9. Выяснение условий равновесия рычага . § 40. «Золотое правило» механики.............................. § 41. Коэффициент полезного действия (КПД) механизмов......... Лабораторная работа 10. Определение КПД наклонной плоскости ... Задачи и упражнения.................................... Историческая справка....................................'... Проверьте свои знания Контрольные вопросы.................................. Что я знаю и умею делать............................. Тестовые задания..................................... . 130 . 131 . 132 . 134 . 138 . 152 . 153 . 154 . 157 . 159 . 159 . 160 ОГЛАВЛЕНИЕ__________________^_________________________________ КОЛИЧЕСТВО ТЕПЛОТЫ. ТЕПЛОВЫЕ МАШИНЫ §42. Тепловое движение. Температура тела. Измерение температуры .... Лабораторная работа №11. Измерение температуры разными термометрами ............................................. §43. Внутренняя энергия и способы её изменения. Теплообмен ... §44. Виды теплообмена ......................................... Задачи и упражнения....................................... § 45. Количество теплоты. Удельная теплоёмкость вещества...... §46. Тепловой баланс.......................................... Лабораторная работа № 12. Изучение теплового баланса, при смешивании воды разной температуры ................ Лабораторная работа № 13. Определение удельной теплоёмкости вещества............................................... Задачи и упражнения ...................................... § 47. Плавление и кристаллизация твёрдых тел. Удельная теплота плавления ............................... Задачи и упражнения....................................... § 48. Испарение и конденсация жидкостей. Удельная теплота парообразования.......................... Задачи и упражнения.................................... §49. Сгорание топлива. Удельная теплота сгорания топлива...... Задачи и упражнения....................................... § 50. Тепловые двигатели. Экологические проблемы использования тепловых двигателей....................................... § 51. Закон сохранения энергии в механических и тепловых процессах . § 52. Коэффициент полезного действия (КПД) нагревателя........ Лабораторная работа N9 14. Определение коэффициента полезного действия (КПД) нагревателя ..................... Задачи и упражнения ................................... Историческая справка .................................. Проверьте свои знания Контрольные вопросы.................................. Что я знаю и умею делать............................. Тестовые задания..................................... . 167 . 169 . 172 ,. 185 . 186 .. 187 .. 190 .. 195 .. 196 200 202 205 ..208 ..214 ..215 216 216 219 221 .. 221 .. 222 1Вспомогательные материалы Физические задачи вокруг нас................ Словарь физических терминов ................ Отпеты к задачам и упражнениям.............. Ответы к рубрике «Что я знаю и умею делать». Ответы к рубрике «Физические задачи вокруг нас» .. Предметно-именной указатель................. 225 229 232 234 234 237 ЮИЫ1 ДРУЗЫ1 Вы только что открыли книгу, с которой будете работать на протяжении учебного года. Надеемся, что она удовлетворит вашу любознательность ко всему богатству явлений в окружающем мире. Изучая физику в 7 классе, вы, конечно, узнали много нового и интересного о закономерностях окружающего мира, естественных явлениях, о том, как результаты физических исследований применяют в технике и быту, убедились в необходимости внимательной, вдумчивой и систематической работы с учебником. Вы научились работать с физическими приборами, выполнять опыты и проводить наблюдения. В учебнике, который вы держите в руках, рассматриваются основные закономерности механических и тепловых явлений. Теоретический материал поможет вам понять и объяснить эти явления. Обращайте внимание на слова, выделенные жирным шрифтом. Это физические термины, которые надо запомнить. Правила, определения или важные физические законы напечатаны жирным шрифтом. Их необходимо помнить и уметь применять. Учебник содержит много иллюстраций, в нём рассматриваются исследования, которые вы можете выполнить самостоятельно или с помощью учителя, приведены наблюдения, которые помогут глубже понять физический смысл изучаемых явлений. «Историческая справка» в конце каждой главы, без сомнения, расширит ваш кругозор. В рубрике «Задачи и упражнения» приведены образцы решений важнейших видов задач и упражнений. Учебник содержит задачи, упражнения и вопросы разных уровней сложности: А - на закрепление и Б -творческого характера. Проверить свои знания по каждой теме вам помогут «Контрольные вопросы», «Тестовые задания» и задачи «Что я знаю и умею делать», размещённые в конце каждой главы. «Физические задачи вокруг нас» научат вас применять приобретённые знания на практике. Выполненные вами лабораторные работы обогатят вас углубленным пониманием закономерностей физических явлений и умениями ставить опыты, пользоваться измерительными приборами. Тем, кто хочет знать больше, будет полезной информация, помещённая в рубрике «Это интересно знать». Если вы забыли какой-либо физический термин, воспользуйтесь «Словарём физических терминов» в конце учебника. Выполняя наблюдения и опыты по физике, будьте внимательны, придерживайтесь правил техники безопасности. Счастливого вам пути к знаниям! --------------------1|,||,- ГЛАВА МЕХАНИЧЕСКОЕ ДВИЖЕНИЕ 1 I Механическое движение • Относительность движения • Поступательное движение • Траектория • Путь • Равномерное движение • Скорость движения тела • Вращательное движение • Период обращения • Колебательное движение • Амплитуда, период и частота колебаний • Маятники • Математический маятник • Звук • Характеристики звука • Скорость распространения звука • Инфразвук и ультразвук • Влияние звуков на живые организмы [ID МЕХАНИЧЕСКОЕ ДВИЖЕНИЕ Одним из простейших физических явлений является механическое движение тел. Мы видим, что тела, которые нас окружают, движутся или находятся в покое. Движутся люди, летают птицы и самолёты, плавают рыбы и т. п. Неподвижны деревья, лома, столбы линий электропередачи. Каким образом мы определяем каждый раз, движется тело или нет, особенно, когда оно далеко от нас и мы, например, не слышим рабочего шума двигателя автомобиля и не видим, вращаются ли его колёса? • Наблюдение. Проследим за положением автомобиля на дороге относительно какого-то неподвижного предмета, например, дерева на обочине. Если расстояние автомобиля от него со временем изменяется, то приходим к выводу, что автомобш1ь движется. Если изменений в положении автомобиля относительно дерева нет, то говорим, что автомобиль не движется, т. е. находится в состоянии покоя. Так же определяем, движется или находится в состоянии покоя поезд, пароход или любое тело. I Изменение положения тела со временем относительно других тел Г называют механическим движением. Примерами механического движения являются движение планет вокруг Солнца, туч в небе, воды в реках и океанах, разных частей машин и станков, людей, животных, полёт птиц. А какую pojib играют размеры тела при описании его движения? В некоторых случаях без уточнения размеров тела и его частей обойтись невозможно. Например, когда автомобиль заезжает в гараж, то размеры гаража и автомобиля для водителя будут иметь наибольшее значение. Но бывает немало таких ситуаций, когда размерами тела пренебрегают. Если, например, упомянутый автомобиль движется из Киева в Полтаву и нужно рассчитать время его движения, то нам безразлично, каковы его размеры. Если размеры тела намного меньше расстояния, которое оно проходит за время движения, то для упрощения исследования этого движения размерами тела можно пренебречь, т. е. заменить реальное протяжённое тело на его физическую модель - материальную точку. Материальная точка — это объект без размеров подобно геометрической точке, который имеет массу исследуемого тела. В дальнейшем в зависимости от условий движения исследуемого тела будем считать его или материальной точкой, или состоящим из совокупности материальных точек. g> •ОПРОСЫ и ЗАДАНИЯ 1. Что называют механическим движением? 2. Приведите примеры механических движений. 3. В каких случаях тело можно рассматривать как материальную точку? 4. Можно ли считать материальной точкой земной шар? МЕХАНИЧЕСКОЕ ДВИМ^Иб [ID 01Н0СИТЕЛЬН0СТЬ ДВИЖЕНИЯ Вы уже знаете, что механическое движение - это изменение пазожения тела со временем относительно других тел. Лодка, например, движется относительно берега реки или озера, автомобиль - относительно дороги, человек - относительно деревьев или ломов, резец токарного станка - относительно основания станка. Движение тел всегда относительно. Все тела природы находятся в движении, поэтому любое движение или покой является относи* тельным, т. е. состояние тела зависит от того, относительно какого тела это состояние рассматривают. • Наблюдение 1. Представим пассажира, едушего в вагоне поеада. Что можно сказать о механическом состоянии пассажира? Его сосед по вагону скажет, что он неподвижен, так как сидит на месте, а пешеход, мимо которого движется поезд, уверяет, что пассажир движется мимо него. Каждый из них прав: сосед по вагону рассматривает положение пассажира относительно предметов в вагоне, а пешеход — относительно железнодорожного полотна. В связи с тем, что оба наблюдателя рассматривали положение пассажира относительно разных предметов, они и пришли к разным выводам. • Наблюдение 2. Пассажир сидит в закрьггом вагоне, где он видит только его стены и закрытое окно. Сможет ли он сказать, в каком состоянии находится вагон? Если вагон будет медленно двигаться без толчков, поворотов и грохота, то невозможно определить, движется вагон или нет. Надо подойти к окну и посмотреть, изменяется ли со временем положение вагона относительно зданий или других неподвижных предметов вдоль железнодорожного полотна, только после этого можно сказать, движется вагон или стоит на месте. • Наблюдение 3. Вы сидите в пассажирском вагоне во время остановки. Рядом стоит соседний поезд, который заслоняет от вас станционные сооружения. Каждый может припомнить, что когда вдруг окна соседнего поезда начнут «проплывать» мимо вас, в первый момент кажется, что это тронулся ваш вагон, только со временем, когда увидите, что вокзал стоит на месте, осознаете свою ошибку: на самом деле пошёл соседний поезд. Эта ошибка естественна, причина её состоит в относительности движения и покоя: относительно Земли ваш вагон находится в покое, соседний поезд—движется, если же считать, что он находится в покое, то из-за изменения относительного положения кажется, что тронулся ваш вагон. Таким образом, чтобы определить, движется тело или нет, мы должны указать, относительно какого тела рассматриваем движение, 1 Тело, относительно которого рассматривают движение, называют Г телом отсчёта. Тела отсчёта избирают произвольно. При изучении разных движений за тело отсчёта будем принимать Землю, пароход, дом, поездили любое другое тело, неподвижное относительно Земли, например стол физического кабинета, на котором будем выполнять опыты. 10 IT-.— ".-'_________Глава 1 Итак, чтобы говорить о том, движется тело (например, грузовой автомобиль) или находится в состоянии покоя, нужно сначала выбрать тело отсчёта, а потом посмотреть, изменяется ди относительно него положение рассматриваемого тела. Свойства механического движения, в частности относительность движения и покоя, изучал знаменитый итальянский учёный Галилео Галилей. ВОПРОСЫ и SiMUHNB 1. Какое движение называют относительным? 2. Какое тело называют телом отсчёта? Приведите примеры. 3. Как определить, движется тело или находится в состоянии покоя? 4. Кто находится в движении; пассажир, едущий в автобусе, или человек, стоящий на автобусной остановке? 5. Что на самом деле движется: Земля вокруг Солнца или Солнце - вокруг Земли? 1> Г§3) ПОСТУПАТЕЛЬНОЕ ДВИЖЕНИЕ. ТРАЕКТОРИЯ. ПУТЬ В природе, технике, быту существует много видов механического движения тел. Простейшим из них является поступательное движение. Движение автомобиля на прямолинейном участке дороги, движение поршня в цилиндре двигателя автомобиля, движение ящика, который мы выдвигаем из стола — это примеры поступательного движения. Во время поступательного движения любое выделенное направление в движущемся теле, например планка в выдвижном ящике, остаётся параллельным своему исходному положению. На рисунке 1 показано поступательное движение карандаша — видим, что в разные моменты движения карандаши параллельны. Если непрерывно фиксировать в пространстве положения определённой материальной точки подвижного тела, то получим линию, которую называют траекторией движения. I Траектория - это мнимая линия, которую описывает материа-Г льная точка во время движения. На рисунке 1 показаны траектории трёх точек карандаша при поступательном движении — видим, что все они имеют одинаковые форму и длину. Поэтому чтобы изучить поступательное движение тела, достаточно изучить --------------, движение одной из его точек. Ш Когда материальная точка движется вдоль прямой, то такое движение назы-Ш вают прямолинейным, а если траектория Ш точки кривая, - криволинейным. Ш Частотраекториютела можно наблю- Ш дать наглядно — карандаш во время Ш письма оставляет след на бумаге—траек- ^ ^ торию движения кончика грифеля (рис. 2). Траекторию полёта самолёта определяем по его следу в небе (рис. 3). Рис. 1 Рис. 2 МЕХДНИЧЕСКОеДВИЖЕНИЕ Форматраектории зависит от выбора тела отсчёта. Например, относительно Земли траектория движения Луны является окружностью, а относительно Солнца — линией сложной формы. В дальнейшем, если не указаны другие тела отсчёта, будем рассматривать движение тел относительно Земли. Когда тело движется по своей траектории, то длина её пройденного участка со временем увеличивается. (Длину траектории, которую тело описывает во время движения за определённый интервал времени, 3 называют путём. Путь обозначают малой латинской буквой /*. Единицей пути в СИ является один метр (1 м). На практике пользуются также другими единицами пути: 1 м = 100 см = 1000 мм; 1 км = 1000 м = 100 000 см = 1 000 000 мм; 1 см = 0,01 м; 1 мм = 0,001 м. g> ВОПРОСЫ и ЗАДАНИЙ 1. Какое движение называют поступательным? Приведите примеры поступательного движения. 2. Что такое траектория? 3. Что такое путь? Какие едини1д>1 пути вы знаете? Г§4) РАВНОМЕРНОЕ И НЕРАВНОМЕРНОЕ ДВИЖЕНИЕ Если тело за первую секунду прошло путь 5 м, за вторую — снова 5 м, за третью — 5 м и т. д., т. е. за каждую любую секунду тело проходит одинаковый путь, то такое движение является равномерным. ФОпыт. Возьмём стеклянную трубку длиной 1 м и диаметром 1 см (рис. 4). Закроем её с обеих сторон пробками, предварительно налив в неё воды так, чтобы в ней остался воздушный пузырёк. Теперь установим трубку вертикально или с наклоном так, чтобы в начальный момент воздушный пузырёк был расположен в нижнем конце трубки. Пузырёк начнёт медленно всплывать, и будет удобно наблюдать за характером его движения. В результате опыта убеждаемся, что пузырёк воздуха будет проходить одинаковые отрезки пути за одинаковые интервалы времени. Итак, движение пузырька является равномерным. * В научной и учебной литературе путь ещё обозначают малой латинской буквой s. Равномерным движением называют такое движение, при котором тело за любые одинаковые интервалы времени прохода1т одинаковый путь. Примером равномерного движения является движение точки земной поверхности при обращении Земли вокруг своей оси. Равномерным можно считать движение точек часовых стрелок, равномерно может двигаться автомобиль по прямой и ровной дороге. Большинство движений в природе являются неравномерными. Например, автобус, отходя от остановки, за одинаковые интервалы времени проходит всё больший путь, а приближаясь к остановке, — наоборот. Бегун, принимая участие в соревнованиях, затрачивает на прохождение одинаковых кругов разное время. Движение автобуса и бегуна - это примеры неравномерного движения. I При неравномерном движении тело за одинаковые интер-Г валы времени проходит неодинаковый путь. Rs. ЮПРОСЫ И ЗАДАНИа [щу' 1. Какое движение называют равномерным? Приведите примеры движения, близкого к равномерному. 2. Какое движение называют неравномерным? Приведите примеры неравномерного движения. \~§5) СКОРОСТЬ ДВИЖЕНИЯ и ЕДИНИЦЫ СКОРОСТИ Лодку, равномерно движущуюся по поверхности моря, обгоняют дельфины, плывущие также равномерно. Чем различаются эти равномерные движения: лодки и дельфинов? Их отличие состоит в том, что дельфины движутся быстрее лодки. Самолёт движется быстрее поезда, но медленнее, чем искусственный спутник Земли. А это означает, что на протяжении одинакового интервала времени дельфины проплывают больший путь, чем лодка, самолёт пролетает больший путь, чем проходит поезд, а спутник - больший путь, чем самолёт. Движения лодки, дельфинов, поезда, самолета и спутника различаются их скоростью. Говорят, что то тело, которое за единицу времени проходит больший путь, движется с большей скоростью. I Скорость равномерного движения тела - это физическая величина, I которая показывает, какой путь проходит тело за единицу времени. Например, если за каждый час автомобиль проезжает 60 км, а самолет пролетает 600 км, то говорят, что скорость движения автомобиля равняется 60 км в час, а скорость движения самолёта — 600 км в час. Скорость движения тела обозначают малой латинской буквой в. Единицей скорости в СИ является один метр в секунду (1 МЕХАНИЧЕСКОЕ ДВИ)Ш4ИЕ 13 I 1 - ЭТО скорость движения тела, при котором оно за 1 с проходит путь 1 м. Применяют ешё такие единицы скорости движения тела: |^-лп1-. 1—-1ППП-- , JiM. 1000м тс м I с ~ 1 с . i с ~ 1UUU с , ' ч “ 36(Ю с ~ и,2о с - Чтобы определить скорость равномерного движения тела, нужно » путь, пройденный телом за определённый интервал времени, разделить на этот интервал: где у — скорость движения тела; / - путь, пройденный телом; ( — время движения тела. В отличие от других физических величин значения скоростей лежат в определённых пределах: от 0 (когда тело находится в покое) до скорости распространения света в безвоздушном пространстве, которая равна 300 000 Скорость обычной ходьбы человека равна I Во время бега на длинные дистанции спортсмен развивает скорость до 7 '5^, а на короткие — до 10 с'. Велосипедист может ехать со скоростью 14 В воде пловец движется со скоростью 2 Эти значения скоростей незначительны по сравнению со скоростью представителей животного мира. Если бы ноги спортсмена-бегуна двигались так же быстрю, как ноги муравья, то он развил бы скорюсть до 1500 • Наибольшая скорость движения человека втрое меньше скорости движения гепарда. В воде человек плавает в 18 раз медленнее, чем самый быстроходный житель океана - меч-рыба. Голубой кит, масса которого равна 130 т, может развивать в воде скорость до 37 . Для сравнения укажем, что моторная лодка может двигаться со скоростью 30 Однако человек создал транспортные средства, развивающие значительные скорости. Гепард уже не может соревноваться с ___________ легковым автомобилем, поездом или мотоциклом. Специальные гоночные автомобили развивают скорость до 284 -у (1022,4 ). Вертолёты и самолёты значитель- но опережают золотистого орла - самую быструю из птиц. Космическим ракетам, летяшим к другим планетам, сообщают скорости от 10 до 17 “. Рис. 5 Скорость движения тела характеризуется не только числовым значением, но и направлением. Например, чтобы узнать, где будет находиться через 5 ч путешествия турист, вышедший из Киева, нужно знать не только с какой скоростью он движется, айв каком направлении (направление скорости). Величины, зависящие от направления в пространстве, называют векторными величинами, или векторами. ^ Скорость движения тела является векторной величиной. На рисунках вектор скорости изображают стрелкой, направление которой совпадает с направлением скорости, а длина равна числовому значению скорости в опредёленном масштабе (рис. 5). Зная скорость равномерного движения тела, можно определить путь, который оно проходит за определённое время. Пусть, например, велосипедист движется со скоростью 5 Это означает, что за каждую секунду он проезжает 5 м. Поскольку движение велосипедиста равномерное, то за 10 с он преодолеет путь, в 10 раз больший, т. е. 5 умножим на Юс и получим 50 м. Чтобы определить путь, который тело проходит при равномерном > движении, нужно скорость движения тела умножить на время его движения: га- Зная путь и скорость равномерного движения тела, можем определить время его движения. Например, за какое время пловец переплывёт озеро шириною 200 м, если он движется со скоростью 2 За I с он проплывает 2 м. Чтобы определить, сколько секунд он затратит на то, чтобы проплыть 200 м, нужно узнать, сколько раз в 200 м содержится 2 м. Для этого 200 разделим на 2 и получим 100. Время, за которое пловец переплывёт озеро, равно 100 с, или 1 мин 40 с. I Чтобы определить время движения тела, нужно пройденный телом Г путь разделить на скорость движения тела: • Американская ящерица бегает по воде, как по твёрдой земле, со ' скоростью 11-!^. Если бы это мог сделать человек, то его ступни разме- • 11 рами напоминали бы раскрытые зонтики, а за секунду он должен был бы ; делать 20 шагов. ■' || • В Австралии каждый год проводятся соревнования, в которых принимают |t участие необычные бегуны - земляные червяки - самые быстрые безногие I i' I' бегуны (ползуны), перемещающиеся со скоростью 15, МЕХАНИЧЕСКОЕ ДВИ)№Н№ . 15 I g> ШОПЮСЫ Ш SigtANNf 1. Чем отличаются один от другого равномерные движения пловца, гепарда, орла и самолёта? 2. Что показывает скорость равномерного движения тела? 3. Как определить скорость, зная пройденный путь и время движения тела? 4. Назовите единицы скорости движения тела. 5. Скорость движения тела является векторной величиной. Что это означает? Г§6) СРЕДНЯЯ СКОРОСТЬ ИЕРДВИОМЕРНОГО ДВИЖЕНИЯ Если тело движется неравномерно, то за одинаковые интервалы времени оно проходит неодинаковые пути. Из этого можем сделать вывод, что скорость движения тела за каждый интервал времени изменяется. Значения скоростей движения в живой и неживой природе лежат в широком интервале, некоторые из них приведены в таблице I. „ Таблица 1 Скорости движения в природе, 'с' Улитка 0,0014 Звук в воздухе (приО°С) 331 Муха 5 Луна вокруг Земли 1 000 Скворец 26 Земля вокруг Солнца 30 000 Страус 22 Свет в вакууме 300 000 000 Не все указанные в табл. I движения являются равномерными. Лишь звук и свет при определённых условиях распространяются с постоянной скоростью. Скорости остальных тел изменяются во время движения. Поэтому для них указаны средние или максимально достижимые значения. Во время неравномерного движения тела его скорость может значительно изменяться в разных точках траектории, но для упрощения часто пользуются средней скоростью неравномерного движения на определённом участке пути или за определённое время движения, условно полагая его равномерным. I Средняя скорость движения тела определяется отношением Г пройденного им пути к полному времени движения: где Ус — средняя скорость движения тела; / — весь пройденный телом путь; I - полное время движения тела. Конечно, полученные при этом значения средней скорости могут не совпадать со скоростью движения тела на отдельных участках траектории. При неравномерном движении тело на одних участках имеет меньшую скорость, на других - большую. Например, самолёт, начиная взлёт, увеличивает свою скорость, потом летит с определённой постоянной скоростью, перед посадкой уменьшает скорость движения. |>»оинппсиотт Если двигаться равномерно по прямой (скорость указана в скобках), то путешествие на Луну продолжалось бы: •пешком (5-^) —8лет280дней; • на велосипеде (30 — 1 год 163 дня; • на автомобиле (100 — 160 дней; • на космическом корабле (28 000 -^) — 13 ч 43 •РПРОСЫ N ЗДДММ1 1. Какую скорость движения тела имеют в виду, когда говорят, что скорость .. „л км п движения самолета равна 700 -ц" • 2. Как определить среднюю скорость неравномерного движения тела? 3. Как определить пройденный телом путь, зная скорость и время его движения? 4. Как определить время движения тела, зная пройденный им путь и скорость движения? Объясните на примере. ГР) ГРАФИЧЕСКОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ РАВНОМЕРНОГО ДВИЖЕНИЯ ТЕЛА Как известно, все тела природы находятся в механическом движении. Они могут двигаться равномерно или неравномерно по множеству разных траекторий, которые могут быть очень сложными. Далее будем рассматривать простейший для исследования и описания вид механического движения тел -прямолинейное равномерное движение. Прямолинейное движение — это движение тела, траекторией которого является прямая линия. Примером прямолинейного движения может быть движение автомобиля на участке шоссе, где нет подъёмов, спусков и поворютЬв. Прямолинейным равномерным движением называют такое движение, при котором тело за любые равные интервалы времени проходит одинаковые пути по прямолинейной траектории. Прямолинейное равномерное движение тела очень удобно представлять и изучать в виде графиков зависимости пройденного телом пути от времени его движения (график движения) и зависимости скорости тела от времени его движения (график скорости). Рассмотрим пример. Пусть автомобиль движется из Киева в Одессу со ско-рюстью 100 ^. а мотоциклист — со скоростью 50 . Для того чтобы постро- ить график зависимости пройденного автомобилем пути от времени движения, нужно воспользоваться формулой /= уГ и составить такую таблицу. Время, Путь, 1, км t,4 Автомобиль Мотоцикл 0 0 0 1 100 50 2 200 100 3 300 150 — Автомобиль Мотоцикл 2 3 ч О 1 2 3 /, ч Рис. 6 Рис. 7 Далее на вертикальной оси откладываем в масштабе значения пути /, а на горизонтазьной оси - соответствующие им значения времени движения /, наносим точки на плоскость и строим графики движения {рис. 6). Как видно из рисунка, график зависимости пройденного телом пути от времени, или график движения, - это прямая линия, которая проходит через начало координат и направлена под углом к оси времени, причём угол наклона к оси времени тем меньший, чем меньше скорость движения тела. Скорость движения автомобиля больше скорости движения мотоциклиста, поэтому угол наклона графика движения автомобиля к оси времени больший. Чтобы построить график зависимости скорости движения тела от времени движения, или график скорости, нужно на вертикальной оси отложить значения скорости у, а на горизонтальной оси — соответствующие значения времени движения I, нанести точки на плоскость и провести через них сплошную линию. Для автомобиля и мотоциклиста получим две прямые линии, параллельные оси-времени (рис. 7). Это наглядно показывает, что равномерное движение является движением с постоянной (неизменной во времени), скоростью. Теперь рассмотрим другой случай. Пусть велосипедист двигался 5 с со скоростью 10 а следующие 5 с - со скоростью 5 Построим графики зависимости пройденного велосипедистом пути и скорости его движения от времени движения. Построение выполняем, как и в предыдущем примере, составив таблицу: Время, t, с 0 5 10 Путь, /, м 0 50 75 Из графика движения (рис. 8) видно, что на пятой секунде велосипедист уменьшил скорость движения, поэтому и наклон прямой уменьшился. Графиком такого движения является ломаная. График зависимости скорости движения от времени (рис. 9) имеет вид ступенчатой линии — «ступеньки», которая образовалась также из-за уменьшения вдвое скорости движения велосипедиста на пятой секунде. Рассмотрим заштрихованную фигуру под графиком скорости: она состоит из двух прямоугольников. Оказывается, что, определяя плошадь этих прямоугольников как произведение их высоты и длины, мы умножаем скорость движения велосипедиста на время его движения и определяем пройденный им путь на обоих участках: /= Ют -5с + 5т-5с = 75м. Из расчётов видно, что результат совпадает с данными в таблице. Как видим, по графикам движения и скорости можно полностью определить вид, скорость, время и путь движения тела. Рассматривая графики движения, приведённые на рисунке 10, делаем вывод, что это графики прямолинейного равномерного движения двух тел 1 и II, причём скорость тела I больше скорости тела II. По графику определяем, что скорость движения тела I равна 20 Т’ ^^ела II — 10 ЮПРОСЫ И UAAHNl 1. Как изобразить равномерное движение тела? 2. Что можно определить с помощью графика зависимости скорости движения тела от времени? ИЗМЕРЕНИЕ СКОРОаИ ДВИЖЕНИЯ ТЕЛА Цель работы: научиться измерять скорость движения тела. Приборы измерительный цилиндр, резиновая пробка, пластилин,-и материалы: дистиллированная вода, секундомер. . Ход работы . Из пластилина изготовьте шарик диаметром чуть меньше внутреннего диаметра измерительного цилиндра. . Поместите шарик в измерительный цилиндр и налейте в него до самого верха дистиллированную воду. Плотно закройте цилиндр резиновой пробкой (см. рисунок И). . Переверните измерительный цилиндр, шарик будет медленно опускаться. По делениям на цилиндре зафиксируйте положение шарика в определённые моменты времени, которые вы измерите секундомером. Полученные результаты запишите в таблицу. . Определите скорость движения шарика. Укажите, какое это движение. . Измените наклон цилиндра. Измерьте скорость движения шарика в этих случаях. Укажите, как движется шарик. . Сделайте выводы. Дополнительное задание. Постройте графики движения шарика для разных положений цилиндра. Номер опыта Измеряемая величина /, см t, с см с 1 2 % 3 ^ Решдем вместе 1. Если велосипедист за первые 5 мин проехал 5 км, а за следующие 10 мин — 10 км, то можно ли считать такое движение равномерным? Ответ: да, так как велосипедист двигался с одинаковой скоростью— 1 2. Легковой автомобиль проходит расстояние 144 км за 2 ч. Определить скорость движения автомобиля, считая его движение равномерным. Дано: /= 144 км /=2ч Решение Для расчета скорости движения автомобиля используем формулу: у = т. Переведём километры в метры, а часы — в секунды: 144км* 144000м; 2ч = 7200с. • _ 144 000м м Тогда 1)= 7200с =20j. Ответ: скорость движения автомобиля равна 72 или 20 Уровень Д) Дополните предложение: • Изменение положения тела относительно других тел со временем называется ... движением. • Тело, относительно которого рассматривается движение, называется ... отсчёта. • ... движением называется такое движение, при котором тело за любые ... интервалы времени проходит одинаковые пути. Из описанных явлений выберите те, которые являются примерами механического движения: ласточка ловит насекомых в воздухе; светится электрическая лампа; ветер поднял вверх лист бумаги. ■ Пассажир сидит в движущемся вагоне. Относительно каких тел пасажир находится в покое: а) вагона; б) Земли; в) колёс вагона; г) других пассажиров, которые неподвижно сидят в вагоне? 4. Лодка плывёт по реке. Почему в тумане, когда не видно берегов, нельзя определить направление движения лодки? 5. Движется или стоит автомобиль, изображённый на рисунке 12? ' Для транспортировки зерна в хранилищах, угля и руды — в шахтах и во многих других случаях используют ленточные транспортёры. В каком состоянии находится уголь относительно ленты транспортёра? Относительно катков? Какова траектория движения отдельных кусков угля? Какова траектория движения подводной лодки по поверхности моря (рис. 13)? Какие движения можно считать равномерными, а какие — неравномерными: движение эскалатора метро; движение самолёта по полосе аэродрома: движение электропоезда от станции и на перегоне; движение автомобиля по шоссе; падение капель дождя? Автомобиль за I ч проходит 60 км, за 30 мин — 30 км, за 15 мин - 15 км. Как движется автомобиль? Земля движется вокруг Солнца со скоростью 108 ООО . Выразите эту скорость в метрах в секунду. Рис.13 МЕХАНИЧЕСКОЕ 11. На прямолинейном участке пути товарный тл км поезд движется со скоростью 72 —, а пассажирский — 20 Одинаково ли движутся поезда? 12. Кальмар (рис. 14} быстро движется в толще воды подобно ракете, с силой выбрасывая изо рта набранную воду. Какую скорость он развивает, если проплывает 160 м за 10 с? 13. С какой средней скоростью двигался автомобиль, если за 20 мин он проехал по улицам города 12 км? Почему в данном случае говорим о средней скорости автомобиля? 14. Какова цена деления шкалы спидометра -прибора для измерения скорости движения автомобиля, изображённого на рисунке 15? Какую скорость движения он фиксирует? OfpOBgHr^ Рис.15 в книге «В звездные миры» В. Бережного так описан выход астронавта из космического корабля для ремонта антенны: «Ему показалось, что ракета висит на одном месте совсем неподвижно!.. Но как же это так — ракета мчится со скоростью 12 километров в секунду — только подумать! — а движения незаметно». Почему астронавт не замечал движения ракеты? В каком состоянии относительно ракеты находился астронавт? I(j. На столе в вагоне движущегося поезда лежит книга. В движении или в состоянии покоя находится книжка относительно: а) стола; б) рельсов; в) моста через реку? Как изменятся ответы на вопрос, если поезд будет стоять на станции? Какова траектория движения шарика, выпушенного из руки? Какова траектория этого шарика, брошенного вертикально вверх? [ л Прямолинейным или криволинейным является движение: маятника в часах; ящика по доске, поставленной под углом к горизонту; груза на ленте транспортёра; поршня автомобильного двигателя; Земли вокруг Солнца; космического корабля, летящего по направлению к Марсу? 19, Какой вид имеет траектория движения конца стрелки часов? 20. Трубка длиной 100 см наполнена водой. В ней может свободно пере.мешаться пузырёк воздуха. Скорость движения пузырька зависит от наклона трубки. В первом случае пузырёк проходит 10 см за 1 с, 20 см - за 2 с, 40 см — за 4 с, 60 см - за 6 с; во втором — 8 см за 2 с, 20 см — за 5 с, 85 см — за 25 с. В каком случае движение пузырька является равномерным? Автобус, двигаясь равномерно, проехал 4,5 км за 5 мин, а легковой автомобиль — 300 м за 10 с. Какой транспорт двигался быстрее? Определите собственную среднюю скорость во время ходьбы. Для этого пройдите спокойным шагом 60 или 100 м и зафиксируйте время движения. 21 23. В 1985 году на самолёте «Вояджер» (рис. 16) впервые был осуществлён полёт вокруг Земли без посадки и дозаправки горючим. Самолёт преодолел расстояние с крейсерской скоростью 126 . На протяже- нии какого времени самолёт находился в воздухе? 24. Первый космонавт Юрий Гагарин облетел Землю на космическом корабле «Восток» за 89 мин 6 с со средней скоростью 7,8 . Какой путь преодолел космический корабль во время полёта? 2> Зная среднюю длину шага, определите скорость вашего движения. Для этого подсчитайте, сколько шагов вы сделаете на протяжении 1 мин. 2f). Во время движения автомобиля стрелка спидометра занимает постоянное положение на отметке «45» его шкалы. Как движется автомобиль в этом случае? В каких единицах измеряет спидометр скорость движения автомобиля? 27 Скорость движения Земли вокруг Солнца равна 30^. Какой путь пройдёт Земля за один урок (45 мин)? 2х, Радиосигналы распространяются со скоростью 300 000 Через какое время наблюдательна Земле примет радиосигнал, который он послал на Луну и принял после отражения от неё, если расстояние до Луны равно 384 400 км? 29 Из Львова в направлении Киева выехали грузовой и легковой автомобили со скорюстями соответственно 90 и 120 Постройте графики зависимости пройденного ими пути и скорости движения от времени, если они двигались в течение 5 ч. По графику движения тела (рисунок 17) определите: 1) время движения тела; 2) пройденный телом путь; 3) скорость движения тела на каждом из участков. Постройте график зависимости скорости движения тела от времени движения. Рис. 18 ГР^ ВРАЩАТЕЛЬНОЕ ДВИЖЕНИЕ ТЕЛА. ПЕРИОД ОВРАЩЕНИЯ До сих пор мы изучали прямолинейное движение тел, хотя в природе и технике часто совершаются более сложные движения тел — криволинейные, когда траекторией тела является кривая линия. Любую кривую линию всегда можно представить как совокупность дуг окружностей разных радиусов (рис. 18). Поэтому, изу-чивдвижение материальной точки по окружности, сможем в дальнейшем изучать и любые другие криволинейные движения. Кроме того, из всех возможных криволинейных движений в технике широко применяется вращательное движение деталей машин и механизмов, например вращение шестерён машин и станков, деталей, обрабатываемых на токарных станках, валов двигателей, колес машин, фрез, свёрл и т. п. Любая точка этих деталей движется по окружности. Эти две особенности и обусловили обязательное изучение движения по окружности, а именно — равномерное движение тела по окружности. Движение материальной точки по круговой лраекто-рии с постоянной по значению, но изменяющейся по направлению скоростью, называют равномерным движением по окружности. Предположим, что тело равномерно движется по окружности из точки А в точку В (рис. 19). Тогда пройденный им путь — это длина дуги /, а значение скорости определим по формуле; ___ где V — скорость движения тела по окружности; / — пройденный телом путь (длина дуги); t — время движения тела. Направление скорости проще всего определить на опыте. ♦Опыт 1. К вращающемуся точильному кругу, прикоснемся железным стержнем. Увидим, что искры из-под стержня летят по касательной к окружности этого круга (рис. 20). Результат будет таким же в любой точке этого круга. Но каждая искра — это раскалённая частичка, оторвавшаяся от круга и летящая с такой же скоростью, какую она имела в последний момент движения вместе с кругом. Итак, скорость материальной точки при движении по окружности направлена по касательной к ней в любой точке круга (рис. 21), а с учётом представления кривой на Рис. 22 Рис. 23 _____________Глава 1 рисунке 18 этот вывод можно распространить на любые криволинейные движения (рис. 22). ♦ Опыт 2. Закрепим на горизонтальной оси О фанерный диск (рис. 23), на котором проведен радиус ОА. Напротив точки А поставим указатель В и будем медленно и равномерно врашать диск. Увидим, что точка А с каждым оборотом диска снова появляется напротив указателя В. т. е. совершает движение, повторяющееся через определенный интервал времени. I Движения, при которых определенные положения материальной I точки повторяются через одинаковые интервалы времени, I называютпериодическими движениями. Равномерное движение по окружности - это периодическое движение. Периодическое движение характеризуют такими величинами, как период обращения и частота обращения. I Период обращения - это интервал времени, в течение L которого материальная точка совершает один оборот при I равномерном движении по окружности. Обозначается период обращения большой латинской буквой Т. Если за время t материальная точка при равномерном движении по окружности совершает У оборотов, то период обращения определяется формулой Единицей периода обращения в СИ является одна секунда (1 с). Если период обращения равняется I с, то материальная точка при равномерном движении по окружности осуществляет один оборот за 1 с. I Частота обращения определяется числом оборотов, кото-Ь рое материальная точка совершает за единицу времени при равно-I мерном движении по окружности Обозначается частота обращения малой латинской буквой п*. Если за время / материальная точка совершила N оборотов, то. чтобы определить частоту обращения п, нужно У поделить на 1, т. е.: а так как г* ГУ, то Из последней формулы видно, что частота обращения и период обращения связаны обратно пропорциональной зависимостью, а для * В научной и учебной литературе частоту обращения еще обозначают малой греческой буквой у(ню). определения единицы частоты обращения нужно единицу разделить на единицу периода обращения, т. е. на секунду. , Единицей частоты обращения в СИ является единица, разделённая на секунду (1 —). 1 — — это частота обращения, при котором за 1 с материальная точка совершает 1 полный оборот, двигаясь равномерно по окружности. В технике такую единицу иногда называют одним оборотом в секунду (1 часто применяют также единицу один оборот в минуту (1 ‘sns)- ВОПРОСЫ и ЗАДАНИЯ 1. Какое движение называют равномерным движением по окружности? 2. Как направлена скорость тела при равномерном движении по окружности? 3. Какое движение называют периодическим? Приведите примеры. Какими величинами его характеризуют? 4. Что называют периодом обращения? Какова его единица в СИ? 5. Что показывает частота обращения? Какова её еданица в СИ? ЛАБОРАТОРИЙ ИЗГОТОВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКОГО СТРОБОСКОПА РАБОТА №2 ) И ИССЛЕДОВАНИЕ С ЕГО ПОМОЩЬЮ ^ ПЕРИОДИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ Цель работы: изготовить механический стробоскоп и исследовать периодические процессы. Приборы и материалы: деревянный стержень, кнопка, лист плотного картона, ножницы, карандаш, циркуль, стробоскопический диск на валу микродвигателя и вентилятор с пометкой. Шш Ход работы I Стробоскоп - прибор для исследования периодических процессов. Изготовьте простейший стробоскоп, показанный на рис. 24. а. Врашая стробоскоп, наблюдайте через его прорези за вращением вентилятора с пометкой на лопасти (рис. 24, б). Опишите наблюдаемую картину. Когда вентилятор будет казаться неполвиж-ным? Когда его наблюдаемое вращение I будет происходить по часовой стрелке? I Против часовой стрелки? Исследуйте вращение стробоскопического диска (рис. 24, в). Опишите наблюдаемое явление. По частоте вращения микродвигателя оцените максимальную частоту вращения изготовленного стробоскопа. Объясните наблюдаемые вами стробоскопические эффекты. Рис.24 Г§9) КОЛЕБАТЕЛЬНОЕ ДВИЖЕНИЕ. АМПЛИТУДА, ПЕРИОД И ЧАПОТА КОЛЕБАНИЙ Колебательное движение (колебания) — один из наиболее распространённых процессов в природе и технике. • Наблюдение. Под действием ветра колеблются высотные дома и высоковольтные линии электропередачи, совершают колебания маятник заведённых часов, автомобиль на рессорах во время движения. Землетрясения i-это колебания земной коры, приливы и отливы — колебания уровня воды в морях и океанах, обусловленные притяжением Луны, удары пульса — результат периодических сокращений сердечной мышцы человека. Колебательные явления изучает специальный раздел физики - теория колебаний. Знания о колебательных процессах нужны судо- и самолётостроителям, специалистам промышленности и транспорта, конструкторам радиотехнической и звуковой аппаратуры и др. ♦Опыт 1. Для наблюдения и изучения колебаний, а также для применения в разнообразных приборах используют маятники. Простейший маятник — это шарик, подвешенный на нити к какой-либо опоре. Если шарик отклонить от исходного положения равновесия и отпустить, то он начнёт двигаться слева направо, справа налево до тех пор, пока колебания не прекратятся (рис. 25). В физике маятник подобной конструкции называют математическим маятником. Каковы же самые характерные признаки колебательных движений? Проведённый опыт даёт возможность сделать вывод, что во время колебаний определённые состояния движения тела повторяются или почти повторяется. Сделав одно полное колебание, т. е. пройдя путь от крайнего левого положения к крайнему правому и назад, тело, подвешенное на нити, и в дальнейшем будет повторять такое же движение. Мы уже знаем, если движение тела повторяется со временем, то его называют периодическим. I Механические колебания - это такое движение, при кото-I ром положение и скорость движения тела точно или приблизи-I тельно повторяются через определённые интервалы времени. Повторяются движения поршня в двигателе автомобиля, лодок на волнах, стержня отбойного молотка, сита сортировочной установки. Всё это примеры механических колебаний. Математический маятник состоит из нескольких тел, взаимодействующих между собой: Земля и шарик, шарик и нить, нить и опора в точке подвеса. Если действием других тел на маятник можно пренебречь, то говорят, что тела в составе маятника образуют колебательную систему. Если вывести колебательную систему из состояния равновесия - отклонить шарик из Рис. 25 мЕХДничЕСКоеДВИЖЕНИЕ .. г 27 исходного положения и отпустить, то далее колебания будут продолжаться без внешнего вмешательства за счёт взаимодействия между телами системы. I Колебания, происходящие в колебательной системе за счёт взаимо-I действия между образующими её телами, называют свободными. Рассмотренные нами колебания шарика на нити являются примером свободных колебаний. А какой вид имеют колебания и какими физическими величинами они характеризуются? ^Опыт 2. Возьмём маятник, в котором вместо шарика подвешен грузик со сквозным отверстием. С помощью такого устройства можно записывать колебания (рис. 26). Установим в отверстие грузика фломастер, выведем грузик из положения равновесия и отпустим. Маятник колеблется, а фломастер, касаясь листа картона, который мы равномерно протягиваем во время колебаний, оставляет на нём след. В результате опыта получаем график колебаний , маятника в виде начерченной линии (рис. 27), т. е. ' зависимость отклонения маятника от времени, i Позже будем подробно изучать эту важную волнистую линию, называемую синусоидой. Как видно из рисунка 27, маятник в определенный момент отклоняется от положения равновесия на некоторое максимальное расстояние. Это отклонение маятника назвали амплитудой колебаний. ^ Амплитуда колебаний - это наибольшее отклонение тела от положения равновесия. Рис. 27 Амплитуду колебаний обозначают большой латинской буквой А. Её единицей в СИ является один метр (1 м). Значение амплитуды зависит только от того, на какое расстояние тело было отведено от положения равновесия до начала колебаний. Маятник выполняет одно полное колебание за определённое время. Продолжительность одного полного колебания называют периодом колебаний. I Период колебаний - это наим^ьший интервал времени, через ко-I торый определённое состояние движения тела полностью повторяется. Период колебаний обозначают большой латинской буквой Т. Его единицей в СИ является одна секунда (1 с). Если за время t произошло N полных колебаний, то, чтобы определить период Т, нужно t поделить на N, т. е.: \ик ] ФОпыт 3. Возьмём маятник, как в опыте 2, но подвесим грузик на нить большей длины. Потом Т6К же запишем |рафик колебаний нового маятника и сравним его с графиком в опыте 2. Увидим, что чем больше длина маятника, тем больше период его колебаний (рис. 28). Рис. 28 1 Период колебаний маятника зависит от его длины. Чем длиннее Г маятник, тем больше период его колебаний. Если выполнить опыты с пружинным маятником, который состоит из пружины и подвешенного к нему тела, то окажется, что чем больше масса подвешенного к пружине тела, тем больше период колебаний пружинного маятника. Колебания характеризуются также частотой колебаний, которая обозначается греческой буквой v (ию). I Частота колебаний определяется числом колебаний, выполнен-I ных системой за единицу времени. Если за время t произошло N колебаний, то, чтобы определить частоту v, нужно N разделить на /, т. ej_ Частота и период колебаний связаны обратно пропорциональной зависимостью, поэтому; ■ J. где Г — период колебаний: v - частота колебаний. Единицей частоты в СИ является один герц (I Гц). 1 Гц = 1 “с . Она названа гак в честь известного немецкого физика Генриха Герца. Если частота колебаний v = 1 Гц, то это означает, что происходит одно колебание в секунду. Приблизительно с такой частотой бьётся человеческое сердце. Если V = 50 Гц, то происходят 50 колебаний в секунду. по ИНПРКНО ЗНАТЬ _1 ZI- ' ‘ ~ , Исследования показали, что сердце мыши совершает 600 ударов в , минуту, а кита - 15 ударов в минуту. Тем не менее оба сердца [ сокращаются за время жизни животного около 750 млн раз. ^ ■ОПРОСЫ и ЗАДАНИЙ 1. Что такое колебания? Приведите примеры механических колебаний. g> 2. Что называют периодом колебаний? 3. Как практически определить период колебания? 4. Что показывает частота колебаний? 5. Какая связь существует между периодом и частотой колебаний? ИССЛЕДОВАНИЕ КОЛЕБАНИИ МАЯТНИКА Цель работы: определить исследовательским путем, от каких условий зависит период колебаний маятника. Приборы шарики разной массы, нити, секундомер, ипатив. и материалы: Ход работы 1. Подвесьте шарик на нить длиной 30-40 см. Отклоните его от положения равновесия. Подсчитайте количество колебаний шарика и время, в течение которого эти колебания происходили. Определите период колебаний маятника. Результаты запишите в таблицу. 2. К этой же нити подвесьте шарик другой массы. Повторите предыду-ший опыт. Результаты запишите в таблицу. Сделайте вывод. 3. Измените длину нити и выполните предыдушие опыты. Результаты запишите в таблицу. Сделайте выюды. 4. Проверьте, изменится ли период колебаний маятника, если нить с шариком отклонять на разные углы. Номер опыта Длина нити, /, см Масса шарика, т, г Количество колебаний, N Время колебаний, t, с Период колебаний, Г, с 1 /1- mi = 2 Ш2 = 3 /2- mi = 4 тг = ^ Решаем вместе Если при вращении шлифовального круга скорость движения точек на его краю равна 95 то возникает опасность разрыва круга. Можно ли этот круг радиусом 20 см врашать с частотой 100 ■j'? Дано: Решение Ур = 95 По условию задачи Ур — значение скорости, г— 20 см = 0,20 м при которой возникает опасность разрыва круга; V — значение скорости, которую будут иметь точки на краю круга, определяем по формуле Для одного оборота путь I = 2пг, где тс = 3,14; _2лг _ I t = T,a 7* п- J, тогда и = 2тсг«. Подставив значения, получим: к = 2 -3,14 0,20 м ■ 100 4-= 125,6-J-. Ответ: полученное значение скорости больше того, при котором возникает опасность разрыва. Значит, шлифовальный частотой 100 круг нельзя вращать с с ( Ypowb А ) 31. Период обращения круга равен 14 с. Как вы это понимаете? 32. Частота обращения тела равен 10Что это означает? 33. По какой траектории полетит камень, вращающийся на нити, если нить внезапно оборвётся? 34. Определите период вращения вала токарного станка, если его частота вращения равна 125-L. с 35. Определите значение скорости точки земной поверхности вследствие суточного вращения Земли, если радиус Земли равен 6400 км. Точка размешается на экваторе. 36. Период колебаний зубила пневматического молотка равен 0,02 с. Какова частота колебаний зубила? ( Ypoiawb I) 37. Шкив диаметром 16 см совершает 300 оборотов за 3 мин. Определите частоту обращения шкива и скорость равномерного движения то»{ек обода этого шкива. 38. Определите радиус равномерно обращающегося колеса, если скорость точек обода колеса равна 10 а частота обращения колеса — 4 39. С какой скоростью относительно Земли движутся нижняя точка велосипедного колеса, центр колеса и верхняя его точка, если велосипед перемещается со скоростью 5 -^? *40 Определите скорость равномерного движения конца секундной стрелки своих часов. Какова частота обращения этой стрелки? 41, Охарактеризуйте физические величины «период обращения», «частота обращения». ЗВУК. ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗВУКА Мы живём в мире звуков: слышим голоса людей, пение птиц, звучание музыкальных инструментов, шум леса, гром во время грозы и т. п. Что такое звук ? Как он возникает ? Чем одни звуки отличаются от других? Раздел физики, в котором изучают звуковые явления, называют акустикой. С помошью глаза, воспринимающего свет, мы можем наблюдать волны на поверхности воды как движущиеся последовательные горбы и впадины. Волны, распространяющиеся в газе, внутри жидкости или твердого тела, человек при определённых условиях воспринимает с помощью уха. Ухо человека — прекрасный приёмник звуковых колебаний {рис. 29). Оно состоит из трёх частей: внешнего, среднего и внутреннего уха. Элементами внешнего уха являются ушная раковина / и внешний слуховой проход 2. Они служат для того, чтобы направить звуковые волны к барабанной перепонке 4. Барабанная перепонка и соединённые с ней три слуховые косточки — это среднее ухо. Они передают звуковые колебания к элементу внутреннего уха являются: через перепонку овального окна - жидкости, заполняющей улитку 3. Здесь звуковые колебания с помошью слуховых рецепторов превращаются в последовательность нервных импульсов, которые передаются в мозг слуховым нервом. ♦ Опыт 1. Закрепим длинную стальную линейку в тисках или плотно прижмём её к краю стола. Отклонял свободный конец линейки от положения равновесия, заставим её колебаться (рис. 30). Если линейка довольно длинная, мы ничего не услышим. Укоротим выступающий конецлинейки - она начнет «звучать». Колеблющаяся стальная линейка сжимает слои прилегающего к ней с одной из сторон воздуха л одновременно создаёт разрежение с другой стороны (рис. 31). Эти сжатия и разрежения чередуются во времени и распространяются в обе стороны в виде звуковой волны подобно расходящимся волнам на водной поверхности озера от места, где упал камень. Звуковая волна достигает нашего уха и вызывает колебания барабанной перепонки 4 в среднем ухе. Человеческое ухо воспринимает в виде звука колебания, частота которых лежит в пределах от 16—17 до 20 000 Гц. Такие колебания называют звуковыми, или акустическими. В предыдущем опыте мы наблюдали, что чем короче конец линейки, тем выше частота колебаний. Поэтому мы и начинали слы^шать звук, укоротив конецлинейки. Рис. 32 Любое твёрдое, жидкое или газообразное тело, совершающее ко’ лебания со звуковой частотой, создаёт в окружающей среде звуковую волну. Звуки, которые мы ежедневно слышим, очень разнообразны. Они делятся на музыкальные звуки и шумы, к первым относятся пение, звучание натянутых струн скрипки, гитары или виолончели (рис. 32), духовых или других музыкальных инструментов, свист и т. п. Шумы возникают во время грозы, создаются работающими двигателями, шелестящей листвой, с помощью органов речи люди могут воссоздавать музыкальные звуки и шумы. Но почему с точки зрения физики музыкальные звуки могут быть такими различными и чем они отличаются от шума? ♦ Опыт 2. Возьмём камертон (от немецкого: камм — гребень) и ударим шариком по одной из его ножек (рис. 33). Мы услышим музыкальный звук «ля» с частотой 440 Г и. Постепенно вследствие затухания колебаний ножек звук слабеет. Итак, звуковая волна возбуждается ножками камертона, совершающими колебания. Характер этих колебаний можно определить, если прикрепить к ножке камертона грифель карандаша и, возбудив колебания камертона, равномерно провести им по поверхности листа бумаги. На бумаге появится волнистая ' линия (рис. 34), подобная уже знакомой нам синусоиде. В этом случае говорят, что ножки камертона совершают гармонические колебания. ^ Звук, производимый гармонически колеблющимся телом, называют музыкальным тоном, или тоном. Музыкальные тоны отличаются на слух громкостью и высотой. Громкость звука зависит от амплитуды колебаний. Чем сильнее удар Рис. 33 МЕХАНИЧЕСКОЕ ДВИЖЕНИЕ молоточка по камертону, тем громче он звучит, поскольку сильный улар вызывает колебания большей амплитуды. Громкость звука зависит от ■ амплитуды колебаний в звуковой волне. Озвукахразличной громкости говорят, что один громче другого не во столько-то раз, а на столько-то единиц. Единицей громкости в СИ является один децибел (1 дБ). Она названа в честь американского учёного Александера Грейама Белла - изобретателя теле-4юна и слуховых аппаратов для глухих. Громкость звука измеряют специальным прибором - сонометром (рис. 35). Громкость шелеста листвы составляет 10 дБ, шёпота — 20 дБ, уличного шума — 70 дБ и т. п. (рис. 36) Чувствительность уха зависит от частоты звука. Звуковые колебания одинаковых амплитуд кажутся неодинаково громкими, если их частоты разные. Человеческое ухо наиболее чувствительно к колебаниям с частотой около 3500 Гц. ♦ Опыт 3. Возьмём несколько камертонов разных размеров. Поочерёдно заставим их звучать и каждый раз грифелем, прикреплённым к ножке камертона, будем проводить вдоль листа бумаги. Сравнивая полученные результаты, увидим, что чем выше звук камертона, тем меньше период колебаний и, соответственно, тем больше частота колебаний ножек камертона. ^ Высота звука зависит от частоты колебаний. То же самое можно наблюдать на примере колеблюшейся струны. Натягивая сильнее струну гитары или скрипки, мы увеличиваем частоту колебаний, высота звука возрастает. Звуковые колебания, производимые камертонами (например, у камертона «ля» частота колебаний — Рис. 37. б 440 Гц) или музыкальными инструментами, можно наблюдать с помощью компьютера или осциллографа (рис. 37 а, б). А что же такое шум? Шум отличается от музыкального тона тем, что у него нет определённой частоты колебаний, а значит — определённой высоты звука. 1 Ш у м - это хаотическая смесь многих звуковых колебаний разных Г частот и амплитуд. Какой вид имеют эти колебания, также можно увидеть, используя микрофон и компьютер или осциллограф. ЭТО ИНПГКНО ЗНАТЬ Наиболее «громким» в мире животных является голубой кит. Он может издавать ^ ^ звуки громкостью 188 дБ, которые слышны на расстоянии до 850 км от кита. |> ВОПРОСЫ и ЗАДАНИЯ 1. Что изучает акустика? 2. Какие колебания называют звуковыми, или акустическими? 3. Какие основные виды звуков вы знаете? Приведите примеры. 4. Что такое тон? Что такое шум? 5. От чего зависят громкость и высота звука? ? ИЗУЧЕНИЕ ХАРАКТЕРИаИК ЗВУКА • Цель работы: на опытах ознакомиться с характеристиками звука. • Приборы столовая ложка, нитки, стеклянная банка вмести* и материалы: мостью 3 л, механические часы, резиновый шнур, штатив, кусок картона (плотная бумага, открытка), стеклянная бутылка, сосуд с водой. Ход работы 1. Возьмите нитку длиной 70—80 см и привяжите к её середине столовую | ложку, а концы смотайте в небольшие мотки. Вложите их в ушные J раковины и прижмите пальцами. Немного наклонившись, раскачивай- | те ложку так, чтобы она ударялась об край стола. Сделайте вывод на | основе ваших ощущений. • 2. Поставьте на стол стеклянную банку вместимостью 3 л, на её дно положите механические часы. Разместите свою голову так, чтобы уши , находились ниже краёв банки. Удерживайте лист картона или фанеры | над отверстием банки и, изменяя его наклон относительно отверстия и | ушей, сделайте вывод на основе ваших ощущений. ' Резиновый шнур прикрепите вертикально к лапке штатива. Ударяйте “ по шнуру пальцем, как по струне, изменяя его натяжение. Сделайте “ выводы на основе ваших ошушений. .. Подготовьте расчёски с разной густотой зубчиков. Куском плотной— бумаги или открытки по очереди проводите по зубчикам вдоль -расчёсок. Сделайте выводы на основе ваших ощущений. - Осторожно ударяйте ложкой по пустой бутылке. Постепенно--заполняйте бутылку водой, постукивая по ней. Сделайте выводы на _ основе ваших ошушений. --[ - |§Ш скороаьРАСПРоаРАНЕниязвука Звуковые волны подобно всем другим волнам распространяются с определённой скоростью. • Наблюдение 1. Каждый замечал, что на поверхности волы в озере от места падения камня с определённой скорюстью расходятся волны в виде колец из горбиков и впадин, а через некоторое время они достигают берега и набегают на него. Что же такое волна? Удар камня возбуждает колебания частичек воды, они передаются соседним участкам жидкости, которые в свою очередь начинают колебаться и передавать колебания дальше. I Механической волной называют распространение колеба-Г ний в упругой среде. За время, равное периоду колебаний Т, горбик волны, двигаясь со скоростью у, пройдёт путь, который обозначают греческой буквой X и называют длиной юлны, т. е. _____ =!>Т' I Длина волны - это расстояние, на которое распространяется ^ данное состояние колебания (горбик, впадина) за время, равное периоду колебания. На воде длину волны нетрудно измерить; она равна расстоянию между соседними горбиками или соседними впадинами (рис. 38, о). Чтобы определить скорость распространения волны и, надо длину волны X разделить на период колебаний /"(или умножить на частоту v. поскольку v = и =-т — Яу • Наблюдение 2. Вы, наверное, замечали, что вспышка молнии предшествует удару грома. Если гроза далеко, то запаздывание грома может достигать десятков секунд. Это запаздывание обусловлено тем. что звуковой волне нужно время, чтобы достигнуть уха от места вспышки молнии. Звуковая волна - это распространение слоёв сгущённого и разрежённого воздуха, которые чередуются в пространстве и вызываются колебаниями источника, например ножек камертона. На рис. 38, 6 видно, что длина волны X в этом случае равна расстоянию между соседними участками сгущений или разрежений воздуха. Так же, как в случае волн на воде, скорость звуковой волны можно определить по формуле: где DjB — скорость распространения звуковой волны в среде; X — длина волны; Т — период колебаний; v — частота колебаний. Скорость звука зависит от среды, в которой он распространяется. С помощью опытов Д. Ф. Араго, Прони и Ж. Гей-Люссак в 1822 г. установили, что в воздухе при температуре 10 °С скорость распространения звуковых волн равна 337,2 . Зная скорость распространения звука, можно по приведённым формулам определить длины волн в воздухе, соответствующие границам слыщимости человеческого уха: для v„ =20 Гц длина волны Х„ * 17 м; для V,, = 20 000 Гц длина волны Хв = 1,7см. В воде скорость распространения звука больше, чем в воздухе. Впервые её измерили в 1827 г. на Женевском озере в Швейцарии. На одной лодке зажигали порох и синхронно ударяли в подюдный колокол (рис. 39). Вторая лодка быта на расстоянии 14 км от первой. Звук улавливали с помощью опушенного в воду рупора. По интервалу времени между вспышкой света и поступлением звукового сигнала определили скорость распространения звука. При температуре 8 скорость распространения звука в воде равна 1435 -у . В твёрдых телах скорость распространения звука еще больше, чем в жидкостях. В таблице 2 приведены значения скорости распространения звуковых волн в разных средах. МЕХДНИЧЕСКОЕДВШЙЕШЕ " Скорость распространения звука в разных средах Твёрдое тело м o' Жидкость (при 20 °С) с- Газ (при 0 °С) м с Алюминий 6260 Ацетон 1192 Азот 334 Железо 5850 Бензин 1170 Водород 1284 Лёд 3980 Вода 1460 Воздух 331 Резина 1040 Вода морская 1451 Гелий 965 Стекло 5990 Глицерин 1923 Кислород 316 Фарфор 5340 Ртуть 1451 Метан 429 Эбонит 2405 Спирт 1180 Углекислый 259 В таблице 2 указаны значения скорости распространения звука в разных средах при определённой температуре, поскольку скорость распространения звука в среде зависит от её температуры. Например, скорость распространения звука в жидкостях (за исключением воды) с повышением температуры уменьшается, а в газах скорость распространения звука при неизменном давлении с повышением температуры увеличивается. Современная техника даёт возможность измерить скорость распространения звука с высокой точностью (рис. 40). I Скорость распространения звука в среде зависит от её темпера* Г туры. ♦ Опыт. Разместим источник звука под колпаком воздушного насоса (рис. 41), и начнём выкачивать из него воздух. По мере того, как количество воздуха под колпаком уменьшается, звук слабеет, а потом вообще исчезает. Такой опыт впервые выполнил в 1660 г. Роберт Бойль, показав, что в безвоздушном пространстве, которое называют вакуумом, звук совсем не распространяется. Тем самым он доказал необходимость среды для существования звуковых волн. Есть материалы, которые плохо проводят звук, поскольку колебания в них быстро затухают. Например, пористые панели, пенопласт используют для звукоизоляции, т. е. дня защиты помещений от проникновения в них посторонних звуков. Если звуковая волна распространяется в некоторой среде (например, воде), то со временем она достигнет её границы, к которой примыкает другая среда (например, воздух). Эта вторая среда состоит из других частиц и отличается строением, поэтому скорость распространения звука в ней иная. На границе двух различных сред происходит отражение звуковой волны подобно отражению света на границе воздуха и зеркала. Почему отражается звуковая волна? Происходит это потому, что колебания звуковой волны передаются частицам другой среды. Эти частицы сами становятся источниками новой (вторичной) звуковой волны. Вторичная волна распространяется не только во второй среде, но и в первой, откуда поступила первичная волна. Это и есть отражённая волна. С отражением звука связано известное всем ЯЕшение — эхо. Оно заключается в том. что звук от источника доходитдо некоторого препятствия (а препятствием и есть вторая, отличная от возг^тса среда — стена дома, край леса и т. п.), отражается от его поверхности и возвращается к месту, где возникли звуковые колебания. Если первичный звуки звук отражённый доходят к слушателю неодновременно, то он слышит звук дважды. Бывают случаи многократных отражений звука, тогда и услышать его можно несколько раз (например, раскаты грома). Явление отражения звуковых волн от препятствий используют для определения расстояний до разных предметов и их местонахождения. Предположим, что в определённый момент времени источник звука создаёт звуковые колебания. Звук распространяется, и, встретив препятствие, отражается от него. Если возле источника звука разместить ешё и приемник, то через определённый интервал времени он может зафиксировать отражённый звук. Измерив этот интервал времени и зная скорость распространения звука в данной среде, определяют расстояние до препятствия, учитывая, что звук \ дважды проходит искомое расстояние (до препятствия и обратно) по формуле; где / — расстояние до препятствия; — скорость распространения звука в среде; t — интервал времени, за которое звук дошел от источника до препятствия и возвратился к приемнику звука. 1> ■ОПРОСЫ и МДАНИ1 1. Как можно определить скорость распространения звуковых волн? 2. От чего зависит скорость распространения звуковых волн? 3. Пользуясь таблицей 2, определите, в каком веществе скорость распространения звука наименьшая; наибольшая. 4. Что такое эхо? 5. Как определить расстояние до препятствия с помощью звука? Вы уже знаете, что колебания с частотой от 16 до 20000 Гц воспринимает человеческое ухо, поэтому их называют звуковыми. Колебания с частотами, которые меньше чем наинизшая звуковая частота называют инфразвуком (от латинского слова инфра - ниже, под). МЕХАНИЧЕСКОЕ ДВИ»Ш^ 1 Инфразвуковые колебания (инфразвук) - это колебания, часто-Г та которых меньше 16 Гц - самой низкой частоты эв^овых колебаний. Человеческое ухо инфразвук не воспринимает. Он возникает во время штормов, гроз, землетрясений. Человеческий организм в целом ошушает на себе вредное действие инфразвука, человек очень страдает от морской и воздушной болезней, возникающих вследствие укачивания в инфразвуковом диапазоне колебаний. Медицинские исследования влияния на человека продолжительного воздействия инфразвука от специальных генераторов свидетельствуют, что оно может привести к непоправимым последствиям. Инфразвук слабо поглощается средой и может распространяться на большие расстояния. Инфразвук используют в приборах, которые называют сейсмографами. Они предназначены для прогнозирования землетрясений, изучения строения Земли, разведки полезных ископаемых (рис. 42). Колебания с частотами, которые больше, чем наивысшая звуковая частота, называют ультразвуком (отлатинского слова улб/пр£3 - дальше, больше, над). Ультразвуковые колебания (ультразвук) - это колебания, частота которых больше 20 000 Гц - самой высокой частоты звуковых колебаний Ультразвуковые колебания применяют для обработки твёрдых и сверхтвердых материалов. К обрабатываемым деталям подаётся смесь воды с мелким порошком-абразивом, частички которого под действием ультразвукового излучателя колеблются с большой частотой, бомбардируя обрабатываемую поверхность, благодаря чему в ней можно делать отверстия сложной формы. Так получают изображения на камне, металле, фарфоре и т. п. Мы уже знаем, что с помощью звукового эха можно определить расстояние до препятствия, на практике также нужно знать, в каком направлении оно расположено. Обычный звук для этого непригоден, поскольку он распространяется по всем направлениям от источника, поэтому и отражённые сигналы поступают с разных сторон, С целью определения местонахождения объектов методом эха используют не обычный звук, а ультразвук. Он имеет значительно высшую частоту колебаний, чем звук, т. е. очень малую длину волны, что даёт возможность сформировать узкие ультразвуковые пучки, подобные световым, и определить кроме расстояния до объекта ещё и направление на него. Рис.44 Этот принцип положен в основу действия эхолота и эхолокатора — приборов для измерения глубины морей, океанов или поиска различных предметов под водой. На днищах судов устанаачиваютультразвуковые излучатели, которые периодически посылают импульсы в направлении дна (рис. 43, а). Отражённые колебания принимаются (рис. 43, б), и на экране компьютера появляется рельеф дна. Когда на пути ультразвука возникает, например, косяк рыбы, он также отображается на экране. Для многих технических целей нужны смеси жидкостей, которые не смешиваются в обычных условиях (например, ртуть и вода). Но если колбу с водой и ртутью облучать на протяжении определенного времени ультразвуком, то образуется устойчивая смесь, которая может сохраняться в течение продолжительного времени. На промышленных предприятиях с помощью ультразвуковых колебаний смешивают воду и масло. Учёные установили, что простейшие живые существа быстро гибнут под действием ультразвука. Это свойство используют для стерилизации воды, молока и других пищевых продуктов. Ультразвук является причиной паралича и гибели холоднокровных животных — рыб, жаб, головастиков. В медицине ультразвук используют с лечебной (рис. 44, а) и диагностической целями (рис. 44. б). i^HOMHTiPECHO ЗНАТЬ • Свыше 80 леттомуназадфранцузский учёный Поль Ланжевен получил патент на первый в мире ультразвуковой локатор. Но природа опередила его. Летучие мыши и китообразные, ориентируясь а пространстве, действуют как живые эхолокаторы, так как способны излучать и воспринимать ультразвук в широком диапазоне. Дельфин чётко отличает скалу от косяка рыб. Собаки слышат ультразвук, поэтому им можно подавать неслышные для людей команды с помощью специальных свистков. И ЗАДАНИЯ 1. Что такое инфразвук? Как он влияет на человеческий организм? 2. [де используют инфразвук? 3. Что такое ультразвук? Приведите примеры применения ультразвука. МЕХАНИЧЕСКОЕ flBtCKEfettIfe.. ВЛИЯНИЕ АКУСТИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИИ НА ЖИВЫЕ ОРГАНИЗМЫ Среди физических факторов, отрицательно влияющих на здоровье человека, одним из наиболее вредньпс является звуковой шум. Он воспринимается как неприятные, нежелательные звуки, мешающие нормально работать, получать нужную информацию, отдыхать. Учёные установили, что шум даже малой интенсивности приводит к снижению трудоспособности, остроты слуха, изменению функциональных возможностей коры главного мозга, сердечнососудистой и центральной нервной систем. Шум действует на человека возбуждающе, вызывает выделение в кровь большого катичества гормонов, вызывающих чувство страха, опасности, агрессии и т. п. Шум - сложное физическое явление: он образуется вследствие наложения колебаний различных частот, то есть состоит из звуков разной высоты. Он является одной из форм физического (волнового) загрязнения окружающей среды, адаптация организмов к которому практически невозможна. Поэтому шум относится к серьёзным загрязнителям, которые должны быть под контролем государства на основе специальных законов. Правовую основу зашиты населения от шума представляют Законы Украины «Об обеспечении санитарного и эпидемического благополучия населения», «Об охране естественной окружающей среды», «Об охране атмосферного воздуха», «Об экологической экспертизе» и др. Борьба с шумом состоит в создании шумоулавливаюших экранов, поглощающих фильтров, бесшумных механизмов, в изменении технологии производства и динамики транспортных потоков. Даже озеленение территории снижает уличный шум на 25 % и более. Уровень шума, его сила (интенсивность) измеряется в децибелах (дБ), Интенсивность всех звуков диапазона слухового восприятия выражают в относительных единицах от О до 130 дБ (болевого порога). Измеряют шум специальной аппаратурой — шумомерами. Допустимые границы силы звука в разных условиях составляют 45—85 дБ. В случае постоянного шума до 70 дБ возникают нарушения эндокринной и нервной систем, при 90 дБ нарушается слух, при 120 дБ возникает физическая боль, становящаяся невыносимой. Рекомендованные диапазоны шумов внутри помещений разного назначения такие: • для сна, отдыха - 30—40 дБ; • для умственного труда - 40—50 дБ; • для лабораторных исследований, работы с ЭВМ и т. п. - 50-60 дБ; • для производственных цехов, гаражей, магазинов и т. п. - 50—70 дБ. Источниками шумов являются все виды транспорта, промышленные объекты, громкоговорящие устройства, лифты, телевизоры, радиоприёмники, музыкальные инструменты, собрания людей и отдельные лица (табл. 3). Чрезмерный шум влияет на организм человека подобно яду. который ворганизме медленно накапливается. Он сокращает продолжительность жизни на 8-12 лет. Медицинские исследования свидетельствуют, что у лиц. имеющих «шумные» профессии, желудочные заболевания (гастриты, язвы и т. п.) возникают в четыре раза чаще, чем у других. Среди них также намного больше глухих. От продолжительного сильного шума производительность у людей умственного труда снижается на 60 %, физического - на 30 %. Оказалось, что молодежь до 27 лет вьшерживает намного более интенсивный шум, чем люди возрастом более 40—50 лет. Однако со временем, как свидетельствует статистика, у молодых людй. увлекающихся громкой музыкой (на концертах и дома), после 30 лет возникают расстройства слуха, нервной системы и другие болезни. Таблица 3 Влияние на здоровье человека шума разной интенсивности Источник шума Интенсивность звука, дБ Влияние на организм Порог слышимости 0 Шелест листвы 10 Тихий шёпот на расстоянии 1 м 15 Тиканье часов 30 Не мешает сну Город ночью, городская ю^тира 35 Допустимая санитарная норма Замедленный разговор 40 Шум воды из-под крана 45 Эффективный умственный труд Шум печатной машинки 50 Звук громкоговорителя 55 Шум легкового автомобиля на расстоянии 1 м 60 Снижение трудоспособности Громкий разговор 65 Шум трамвая, уличное движение 70 Вредно для психики, вегетативной нервной системы; аритмия Крик на расстоянии 1 м; мопед 80 Стиральная машина, мотоцикл с глушителем 85 Повреждение слуха, расстройства эндокринной и нервной систем Фортиссимо оркестра ■ 100 Агрессия, язвенная болезнь, гипертония Автомобильная сирена, шум вертолёта 110 Рок-концерт 115 Отбойный молоток (на расстоянии 1 м) 120 Прямое повреждение клеток мозга Пушечный выстрел 125 Самолёт на старте 130 Болевой порог Старт ракеты 150 Наблюдение специалистов свидетельствуют, что в концертных залах, где выступают современные рок-ансамбли, в первых рядах интенсивность звука достигает 118-120 дБ, в последних — 100-110 дБ. Врачи считают, что после каждого такого концерта почти у 10 % слушателей возникают необратимые повреждения внутреннего уха (нервных окончаний), которые не восстанавливаются. Установлено, что очень громкая музыка негативно влияет на вегетативную нервную систему человека, сердце, кровообращение, органы дыхания. Положительное влияние гармонической, спокойной, мягкой музыки было известно с давних времён. Существует так называемая музыкальная терапия, когда различные оздоровительные процедуры сопровождаются нежными монотонными напевами, спокойным журчаньем воды, мягким шумом морских волн, птичьим пением, спокойной симфонической музыкой. 1> ВОПРОСЫ и ЗАДАНИЯ 1. Что такое шум? Приведите примеры шумов. 2. Объясните, как влияет шум на здоровье человека? 3. Какие звуки положительно влияют на нервную систему человека? С 1ДДАЧНIIУПРДЖНЯННГ) у Решаем вместе I. Услышим ли взрыв, который произошёл на Луне? Ответ: нет, так как на Луне отсутствует атмосфера. Звук в безвоздушном пространстве не распространяется. 2. Выпишите названия музыкальных инструментов в порядке возрастания высоты тона (в скобках указана частота звуковых колебаний): скрипка (640 Гц), виолончель (216 Гц), контрабас (196 Гц), альт (415 Гц). Ответ: контрабас (196 Гц), виолончель (216 Гц), альт (415 Гц), скрипка (640 Гц). 3. Эхо услышали через 2 с после вскрика мальчика перед лесом. На каком расстоянии от леса был мальчик? Дано: г= 2 с Решение Используем формулу: / = 2 ■ Подставим значения: 1~ Ответ: /= 331 м. ( Уровень А ) 42 Объясните, как образуются звуки в скрипке, рояле, трубе, барабане. Как музыкант может изменить характер этих звуков? Любое ли тело может быть источником звука? 44. Почему журчат ручьи? 4' Как проверяют наличие трещин в колёсах вагонов, стеклянной или фар>форовой посуде? 46- Осмотрщики вагонов на железнодорожных станциях, проверяя состояние колёс вагонов, ударяют по ободу колеса молоточком. Для чего они это делают? На что обращает внимание осмотрщик в момент удара молоточком по ободу колеса? 47. Человек может слышать звуки, которые распространяются от источников. производящих не менее 16 и не более 20 000 колебаний в 1 с. Определите периоды колебаний, соответствующие этим частотам. 48- Кто чаще машет крылышками - шмель или комар? 49. Почему гром всегда слышим после того, как увидим молнию? На каком расстоянии от наблюдателя возникла молния, если -гром от неё он услышал через 10 с? 50. Почему, приложив ухо к железнодорожному рельсу, можно услышать стук колёс поезда, находящегося на большом расстоянии? 51. Объясните, почему плохо слышно, когда уши закрыты ватой. 52. Почему в читальных залах пол всегда застилают мягкими дорожками? 53. Почему шум от поезда становится оглушительным при входе в туннель? 54. Где легче определить местоположение источника звука: на ровной местности или в горах, в поле или в селе? 55. Может ли человек слышать инфразвуки? Почему? 56. К каким звукам относятся колебания с частотой 9 Гц? Каков период этих колебаний? 57. Почему летучие мыши (рис. 45) даже в полной темноте не налетают на препятствия? 58. Глубина проникновения ультразвука с частотой 1 МГц в стальном слитке составляет 6 м. Какое время необходимо для этого? Рис.45 ( Ураииь В ) 59. Для выявления в автомобильном двигателе неисправности автомеханик прикладывает ухо к концу какого-либо металлического стержня, касаясь другим его концом тех или иных частей работающего двигателя. Для чего он это делает? 60. Объясните, почему люди, поднявшись высоко в горы, должны громче говорить, чтобы слышать друг друга. \ 61. Для чего слабослышащие люди прикладывают к уху рупор? О дефектах какого органа чувств человека говорится в задаче? Припомните его строение. 62. За 1 с муха совершает 330 взмахов крыльями, а мотылек - 2. Кто из них вследствие этого является источником звука? Каков период колебаний крыльев мухи и мотылька? 63. Сколько времени распространяется звук от стола учителя до последней парты? МЕХАНИЧЕСКОЕ ДВИ?№<ИЁ i 45 1 64. Расстояние между двумя железнодорожными станциями равно 16,6 км. За какое время распространяется звук от одной станции до другой по воздуху; по рельсам? Температура воздуха О "С. Скорость распространения звука в стали равна 5500 ^. 65. Для чего стены и потолок помещений радио- и телестудий покрывают материалами, которые хорошо поглощают звук? 66. Гром - это звук, возникающий во время молнии. Почему мы долго слышим гром, хотя разряд молнии длится очень короткое время? 67. Струйка воды во время наполнения бутылки (рис. 46) вызывает шум, в котором можно уловить некоторый тон. По мере заполнения бутылки высота тона изменяется. Повыщается он или понижается? Почему это происходит? 68. Послушайте, как звонит будильник в комнате и на улице. Объясните различие. 69. Рыболовецкое морское судно, которое плывёт ночью или втумане близ берегов с высокими скалами, время от времени даёт короткие |удки. Для чего это делается? 70. Почему в небольшой комнате не слышно эха? Почему в лесу тяжело ориентироваться по голосу? 71. Специалисты-пчеловоды по звуку определяют, летят пчёлы на взяток или возвращаются с мёдом. Как они об этом узнают? 72. Часто уровень заполнения закрытых цистерн, баков и бочек определяют по звуку. Почему слышатся разные звуки от уларов в местах, заполненных и незаполненных жидкостью? 73. Приятная мелодия благотворно действует на организм человека, он освобождается от усталости, отдыхает. Звуки, возникающие от работы двигателей, вредны, и с ними ведут борьбу, устанавливая глушители. Зачем? 74. Чем объяснить, что кошки и другие животные перед землетрясением покидают здания, а киты и дельфины заплывают далеко в море? 75. Пользуясь эхолотом - прибором для измерения глубины моря с помошью отражения звука, определили, что с момента подачи звукового сигнала до приёма отражённого прошло 3 с. Какова глубина моря, если скорость распространения звука в воде равна 1450 7? 76. Почему на кораблях устанавливают не звуковые, а ультразвуковые гидролокаторы (см. рис. 43)? 77. С помошью ультразвука проводится дезинсекция зерна. Чем объяснить действие ультразвука на насекомых? Почему многие насекомые гибнут при облучении их ультразвуком? Рис. 46 ИСТ0РИЧ1СКАЯ СПРАВКА Свыше двух тысяч лет тому назад Аристотель писал: «Посколысу природа является началом движения и изменения, а предметом нашего исследов«№ия является природа, то нельзя оставить нетыясненным, что такое движение, так как незнание движения приведёт к незнанию природы». Под движением Аристотель понимал изменения, которые происходят с телом, т. е. изменения места или положения тела относительно других тел. Волее сложное движение, по словам философа, включает в себя предыдущее, менее сложное. Приведём примеры к этим высказываниям Аристотеля. Простейшее — это механическое движение, т. е. изменение со временем положения тела относительно других тел. Кроме механического движения существуют более сложные движения: тепловое, электрическое, атомное. И эти движения уже включают в себя простейшие движения (частищр! при тепловом движении двигаются по законам механики). Итальянский физик и астроном Галилео Галилей (1564-1642) основательно исследовал механическое движение. Галилей сформулировал принцип относительности для равномерного прямолинейного движения. Изучая свободное падение тел, он пришёл к выводу, что тело падает на Землю с постоянно возрастающей скоростью. Но для подтверждения этих теоретических гипотез нужны были эксперименты. Изучая свободное падение тел, Галилей столкнулся со сложной задачей измерения времени. Галилей придумал способ замедления процесса падения, заставляя тело двигаться по наклонной плоскости с небольшим уклоном. Галилей знал теоретически, что при этом должны изменяться лишь масштаб движения, и провёл такой эксперимент. В брусе из твёрдого дерева он прорезая строго прямолинейный жёлоб с хорошо отполированными стенками. Установив жёлоб под углом к горизонту, Галилей скатывал по нему бронзовый шар, измеряя время, за которое тот проходил отрезки пути разной длины. Поскольку точных часов в те времена ещё не было, то Галилей взвешивал воду, вытекавшую из большого резервуара через тонкую трубку за время перемещения шара от одной точки жёлоба к другой. Он установил, что время движения точно равно корню квадратному из пройденного расстояния согласно гипотезе о падении тел с возрастающей скоростью. ПРОВЕРЬТЕ СВОИ ЗНАНИЯ ( Ко1проя||Им> вмросы 1 Какие виды механического движения вы знаете? В чём состоит их отличие? 2. Известно, что в густом тумане легко заблудиться, так как не видно предметов, относительно которых мы движемся. Почему же тогда в лесу, где много деревьев, тоже легко заблудиться? ' 3. Чем могут отличаться равномерные прямолинейные движения двух тел, если тела прошли одинаковые расстояния? 4. Как определить среднюю скорость движения тела, скатывающегося по наклонной плоскости? Какие величины вы при этом должны определить практически и какими приборами? 5. Приведите примеры криволинейных движений, в частности движений тел по окружности. 6- Все ли тела могут колебаться? 7. Назовите величины, которые характеризуют колебательные процессы, в. Как связаны между собой скорость распространения звука, длина и частота звуковой волны? 9. В каких средах скорость распространения звука больше, чем в других? 10. В каких средах возникают инфразвуковые колебания? - 11. В каких средах не распространяется ультразвук? 12. Какие вы знаете способы защиты помещений от шумов? (Что я анаю и умею долот!^ я знаю, каковы единицы пути, времени, скорости движения тела. 1 Вместо точек вставьте пропущенные числа: 1 км = ... м; 1 см = ... м; 1 м = ... мм; 100 м = ... см = ... мм; 1 ч = ... с; 30 с = ... ч; 15 мин = ... с; 3 ч = ... мин = ... с; 18 * 20 — “ км . 2Q см _ М' 9 км _ м Я умею описывать и строить графики равномерного движения тела. 2. Два мотоциклиста из одного пункта у одновременно начали двигаться в км одинаковом направлении по прямолинейной траектории. Их графики скоростей представлены на рисунке 47. 1. Каковы скорости движения каждого мотоциклиста через 1 ч? 2 ч? 3 ч? 4 ч? 5 ч? 2. У кого из мотоциклистов скорость была наибольшей? Наименьшей? В какой момент? 3. Какой из мотоциклистов останавливался в пути? Когда это было? 4. Какой путь пройдет каждый мотоциклист за 1, 2, 3, 4 и 5 ч? 5. Постройте графики зависимости пройденного мотоциклистами пути от времени движения. 6. Какова сре,дняя скорость движения каждого мотоциклиста за всё время двихсения? Я знаю, как определить физические величины. 3. Определите глубину шахты, в которую бросили шарик, если звук от момента удара шарика об дно шахты достигнул её края через 6 с. Скорость распространения звука считать равной 340 4. Период колебаний зубила пневматического молотка равен 0,02 с. Какова частота колебаний зубила? 5. На каком расстоянии находится препятствие, если отражённый от него звук вернулся к источнику через 5 с? 6. Человеческое ухо наиболее чувствительно к колебаниям с частотой около 3500 Гц. Какова длина волны в воздухе для этих колебаний? я знаю, где на практике применяются физические явления. 7. Как работает сейсмограф? 8. Где применяются ультразвуковые колебания? 9. ГЪчему npi прсеерке колес вагонов на стоянке поезда по ним постукивают молотком? Я умею выполнять опыты. 10. Выполните такой опыт; положите металлическую линейку длиной 40-50 см одним концом на край стола и прижмите её сверху деревянным бруском или книгой. Свободный конец линейки оттяните вниз или вверх и отпустите. Повторяйте опыт, уменьшая длину свободной части линейки до тех пор, пока услышите её гудение. Когда быстрее колебалась линейка - когда она была длиннее или короче? Когда было слышно звук - при редких или частых колебаниях? Как называют наибольшее расстояние, на котррое смещается конец линейки во время колебаний? Я умею конструировать. 11. Придумайте прибор для измерения пути во время криволинейного движения тела. Я умею выполнять лабораторные работы. 12. Выполняя лабораторную работу, ученик определил, что маятник совершил 50 колебаний за 45 с. Каков период колебаний маятника? (Теоовые заданна^ Вариант I 1. Какие из перечисленных частей велосипеда, спускающегося с горки, находятся в движении относительно его рамы? A. Педали во время их вращения. 6. Педали во время «свободного хода* велосипеда. B. Оси колёс. Г. Цепь во время вращения педалей. 2. Относительно каких тел пассажир, сидяший в движущемся вагоне, находится в покое? A. Вагона. Б. Земли. B. Других пассажиров, сидящих в вагоне. Г. Колёс вагона. 3. Пассажирский поезд за каждые полчаса проходил расстояние 60 км, за 15 мин - 30 км, за 1 мин - 2 км. Какое это движение? A. Равномерное. Б. Неравномерное. . B. Криволинейное. Г. Движение по окружности. 4. Один самолёт летит со скоростью 540 а второй — 130 У какого самолёта скорость движения больше? A. У первого. Б. У второго. B. Одинаковые. 5. Автомобиль проехал расстояние 2 км со скоростью 20 а потом 4.5 км — со скоростью 15-^. Какова средняя скорость движения автомобиля на всём пути? А, 17 Б. 16,35 В, 16.25 Г. 16,00 6. Тело совершает за 5 с 20 оборотов. Каков период обращения тела? А. 0.20 с. 6. 4 с. В. 0,25 с. Г. 100 с. 7. Зависит ли период колебаний маятника от длины нити? A. Зависит. Б. Не зависит. B. Зависит только в определенных случаях. 8. Длина одного маятника 2 м, а второго - 4 м. У какого маятника период колебаний больше? А. У первого. Б. У второго. В. Одинаковые. 9. Кто чаще машет крылышками во время полёта: комар или муха? А. Муха. Б. Комар. В. Одинаково. 10. На камертоне есть надпись «440». Каков период колебаний ножек камертона? А.О.ООЗОс. Б.400С. В. 0,00227 с. • Г. Правильного ответа здесь нет. 11. Во время грозы человек услышал гром через 15 с после вспышки молнии. На каком расстояния от человека произошёл разряд? А. 5000 м. Б. 4965 м. В. 15 000 м. Г. Правильного ответа здесь нет. 12. Самолет на старте создает шум 130 дБ. Как человек это воспринимает? A. Возникают приятные ощущения. Б. Возникают болевые ощущения. B. Никак. Вариант II 1, Яблоко, лежащее на столе йагона движущегося поезда, движется относительно... А^ Пассажира, который идет по вагону. Б. Тепловоза. В. Земли. Г. Пассажира, который сидит в вагоне. 2, Какое из перечисленных тел находится в покое относительно Земли в данный момент времени? ^^Гусеницы трактора, касающиеся Земли во время его движения Б. Верхние части гусениц подвижного трактора. В. Солнце. ' Г. Оси велосипедных колёс во время движения. 3, Автомобиль за полчаса прошёл 30 км, причём за первые 15 мин - 20 км, а за следующие - 10 км. Какое это движение? А. Равномерное. Б. Неравномерное. В. Криволинейное. Г. Движение по окружности. 4. Один автомобиль движется со скоростью 72 —, У какого из автомобилей скорость движения больше? А. У первого. Б; У второго. В. Одинаковая. второй • 25 5. Спидометр автомобиля в течение 0,2 ч показывал скорость 60 —, потом в течение 0,1 ч — 80 и снова в течение 0,2 ч — 40 . Определите среднюю скорость движения автомобиля на всём пути. А. 60 . Б. 62 . В. 59,5 . Г Правильного ответа здесь нет. 6. Какова частота обращения тела, если оно за 10 с делает 100 оборотов? A. 100 Гц. Б. 10 Гц. В. 1 Гц. Г. Правильного ответа здесь нет. 7. Зависит ли период колебаний маятника от частоты колебаний? Зависит. Б. Не зависит. B. Зависит только в определённых случаях. 8. Один маятник колеблется с частотой 5 Гц, а второй • 2 Гц. Какой из маятников длиннее? А. Первый. Б. Одинаковые. В. Второй. 9. Пчела вылетела на сбор пыльцы. Будет ли изменяться частота колебаний её крылышек во время этой работы? А. Не будет изменяться. Б. Уменьшится. В. Увеличится. 10. Период колебаний ножек камертона равен 0,002 с. Какова его частота? А. 500 Гц. Б. 440 Гц. В. 450 Гц. Г. Правильного ответа здесь нет. 11. Измеряя глубину моря под кораблем с помощью эхолота, определили, что время между моментом отправки и приёмом сигнала равно 0,6 с. Какова глубина моря под кораблем? А. 435,3 м. Б. 870,6 м. В. 600 м. Г Правильного ответа здесь нет. 12. Легковой автомобиль на расстоянии 1 м создаёт шум 60 дБ. К чему это приводит? А. К доброму расположению духа. Б. К снижению работоспособности. В. Ни к чему. [ГЛАВА ВЗАИМ0Д1ИСТВИЕ ТЕЛ • Взаимодействие тел. Инерция • Масса тела • Сила и единицы силы • Сила упругости • Закон Гука • Динамометры • Сила тяжести - Вес тела. Невесомость • Измерение сил » Сила трения • Коэффициент трения скольжения « Давление и сила давления • Давление жидкостей и газов • Закон Паскаля • Гидравлические машины • Сообщающиеся сосуды • Атмосферное давление • Манометры • Жидаостные насосы • Выталкивающая сила • Условия плавания тел • гидростатическое взвешивание взаимодействие тел 8 предыдущей главе мы рассмотрели равномерное и неравномерное движения, каждое из которых потраеюории может быть прямолинейным и криволинейным. Во время равномерного прямолинейного движения тело движется с постоянной по значению и направлению скоростью. Скорость неравномерного движения изменяется со временем. Рассмотрим теперь явления, вследствие которых тело изменяет собственную скорость движения или её направление. : .<юдение. Из повседневного опыта следует: чтобы тело пришло в движение (т. е. набрало скорость), на него должно подействовать другое тело. Например, лежащий на футбольном поле мяч, придёт в движение только тогда, когда на него налетит другой мяч или по нему ударят ногой (рис. 48). Но если на мяч не действуют другие тела, то он сам по себе не изменит собственную скорость, не придёт в движение относительно Земли. •V- f ■: Наоднуиздвухтележек, стоящих на рельсах, положили магнит, а налругую —стальной брусок (рис. 49). Пол рельсами перекинута нить, которая своими концами закреплена позади каждой яз тележек и не позволяет им сблизиться. Если нить пережечь, то тележки начинают двигаться навстречу друг другу, изменяя свою скорость от нуля до некоторого значения. Причиной изменения скорости тележек является притяжение между магнитом и железным бруском, т. е. взаимодействие между ними. ♦ Опыт 2. Толкнём шарик, лежащий на горизонтальном столе, — он начнет равномерно двигаться по прямолинейной траектории. Положим на стол магнит перед шариком на расстоянии от линии его движения. Шарик вследствие взаимодействия с магнитом начнёт увеличивать свою скорость и отклоняться в сторону магнита, т. е. он изменит направление движения (рис. 50). ♦ Опыт 3. Один конец пружины прикрепим к игрушечному автомобилю (рис. 51), другой — к стойке на краю стола. Потянем за автомобиль в сторону от стойки — начнётся взаимодействие руки с автомобилем и пружиной, в результате чего их скорости изменяются, а пружина растягивается. Отпустим машинку — теперь взаимодействуют пружина и автомобиль — пружина начинает сжиматься и двигаться с ним в обратном направлении. Во всех этих опытах взаимодействие тел приводит к изменению их скоростей. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЕЛ Рис. 51 Рис. 52 При взаимодействии тел может изменяться скорость движения не только тел в целом, но и отдельных их частей. Это происходит, например, если мы сжимаем в руке теннисный мяч (рис. 52). Вследствие неодинакового перемещения отдельных частей мяч сжимается и деформируется (изменяет свою форму). Также изменяют свою форму и пальцы руки. На фотографии (рис. 53) показано, как пуля пробивает стальной лист. В этом случае произошло взаимодействие пули с листом, в результате чего они деформировались, а пуля ещё и изменила свою скорость движения. J Вследствие взаимодействия тел они изменяют скорость и налрав-Г ление своего движения, а также деформируются. Рис. 53 1> ВОПРОСЫ и ЗАДАНИЯ 1. Приведите примеры, показывающие, что вследствие взаимодействия тел изменяется их скорость движения. 2. Опишите опыты, из которых видно, что тела при взаимодействии деформируются. 3. Пуля пробила доску. Подействовала ли доска на пулю? Почему? 4. Стоя на ледяной дорожке, конькобежец бросает вперёд крупный кусок льда. Что при этом произойдёт с конькобежцем? Почему? [§П) ИНЕРЦИЯ Повседневный опыт подтверждает вывод, сделанный нами из предыдущих опытов: скорость и направление движения тела могут изменяться лишь при взаимодействии его с другим телом. Рассмотрим случаи, когда тело в начале наблюдения уже находцгся в движении. Увидим, что уменьшение скорости движения и остановка тела не могут происходить сами по себе, а обусловлены действием на него другого тела. • Наблюдение 1. Вы, наверное, неоднократно наблюдали, как пассажиры, едущие в транспорте, вдруг наклоняются вперёд во время торможения или прижимаются к стенке на крутом повороте. • Наблюдение 2. Когда на уроке физкультуры вы пробегаете дистанцию 60 м, то стараетесь развить максимальную скорость. На финише уже можно не бежать, но вы не можете резко остановиться и пробегаете ешё несколько метров. Подобно этому автомобиль не может остановиться мгновенно, а движется ешё определённое время при отключённом двигателе или даже во время торможения. Поэтому нельзя перебегать улицу перед приближающимся автомобилем: водитель не сможет етх) резко остановить. , Тележку с бруском на нём поставим на наклонную плоскость и отпустим (рис. 54, а). Она будет двигаться вниз, набирая скорость, но достигши преграды, резко остановится. Видим, что брусок, не связанный жёстко с тележкой, будет продолжать свое движение дальше (рис. 54. б). Из приведённых примеров видим, что все тела имеют свойство сохранять скорость и направление движения и не могут мгновенно их изменить в результате действия на них другого тела. Можно предположить, что при отсутствии внешнего воздействия тело будет сохранять скорость и направление движения как угодно долго. 1 Явление сохранения скорости движения тела при отсутствии Г действия на него других тел называют инерцией. Явление инерции открыл итальянский учёный Галилео Галилей. На основе своих опытов и размышлений он утверждал: если на тело не действуют другие тела, то оно или находится в покое, или движется прямолинейно и равномерно. В этом случае говорят, что тело движется по инерции. Инерция — это латинское слово, которое означает «недвижимость», «бездеятельность». Явление инерции широко используют в технике и быту. Например, чтобы насадить молоток на ручку (рис. 55), нужно другим молотком ударять по торцу ручки или торцом ручки — по массивному неподвижному предмету. Примером движения по инерции является также движение молекул газа — каждая молекула в интервале времени между двумя последовательными столкновениями с другими молекулами движется по инерции. 10ПРОСЫ И ЗАДАНИЯ 1. Что такое инерция? Кто открыл это явление? 2. Как двигалось бы тело, если бы отсутствовало сопротивление движению? 3. Почему нельзя мгновенно остановить движущийся поезд, автомобиль, мотоцикл? ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЕЛ МАССА ТЕЛА • Наблюдение 1. Мяч падает на поверхность Земли, а потом отскакивает от неё -это пример взаимодействия двух тел. Мы уже знаем, что результатом взаимодействия тел является изменение их скорости и направления движения. Мяч после столкновения отскакивает почти с той же скоростью, что и падал, но в обратном направлении. В состоянии Земли практически не заметно никаких изменений, хотя на самом деле они есть, но бесконечно малые. В приведённом примере наглядно видно, что результаты взаимодействия тел для каждого из них будут разными и зависят от свойств этих тел. Ежедневный опыт и специальные исследования свидетельствуют, что в результате взаимодействия разные тела получают определённое изменение скорости за неодинаковые интервалы времени: одни за большие, другие — за меньшие. Движение того тела, которое в результате взаимодействия медленнее изменяет собственную скорость, более напоминает движение по инерции, поэтому говорят, что оно более инертно. Инертность - это свойство тела, заключающееся в том, что для изменения его скорости при взаимодействии с любыми другими телами нужно определённое время. Свойством инертности обладают все тела. Количественной мерой инертности тела является масса тела. 1 Масса тела — это физическая величина, характеризующая Г инертность тела. Чем больше масса тела, тем более оно инертно. Существуют разные методы определения массы тела. Все они базируются на использовании свойств, присущих всем без исключения телам, например на свойстве инертности тел. На практике наиболее удобным оказался метод измерения массы, связанный с хорошо известным явлением взаимодействия всех тел с Землей. • Наблюдение 2. Вы. наверное, неоднократно наблюда;1и. как падают капли дождя, снежинки, как оседают мелкие пылинки, как любое тело, поднятое над Землей и отпущенное, стремительно летит к Земле. Эти явления объясняются тем, что все физические тела притягиваются Землей, т. е. взаимодействуют с ней. Опыты показывают, что значение этого взаимодействия тем больше, чем больше масса тела. • Опыт. Возьмём в одну руку спи- чечный коробок, а в другую — кусок I дерева (рис. 56). Оба тела вследствие притяжения их Землёй давят на удерживающие их руки. Ббльшую нагрузку ощущаем в руке, держащей | кусок дерева, т. е. он тяжелее спичечного коробкй и соответственно его • масса больше, чем у корюбкй. Рис. 56 Рис.57 Рис.58 Если массы тел близки по значению, если тела очень малы или слишком велики, то сравнить их массу на руках уже невозможно. Как можно измерить массу тела с достаточной точностью? Для определения массы тела используют специальные приборы — весы. В магазинах, аптеках, на почте с помошью весов разных конструкций взвешивают продукты, лекарства, посылки и пр. Определение массы тела с помощью весов называют взвешиванием. Массу тела обозначают малой латинской буквой т. За единицу массы в СИ принят один килограмм (I кг). Международный образец (эталон) (рис. 57, а) килограмма сохраняется во Франции (г. Севр близ Парижа). Он изготовлен из платиноиридиевого сплава и имеет форму цилиндра диаметром и высотой 39 мм (рис. 57, б). По этому образцу с большой точностью изготовлены копии для всех стран мира. На практике применяют также кратные и дольные единицы массы: тонну (т), грамм (г), миллиграмм (мг): I т = 1000 кг; 1 г = 0,001кг; 1 мг = 0,000001 кг; 1 кг = 0,001 т; 1кг = 1000 г; 1кг = 1 000 000 мг. Основной частью учебных весов (рис. 58) является стержень (коромысло весов), который может свободно поворачиваться вокруг оси, размешенной посреди стержня (в следующей главе вы узнаете, что такой механизм называют рычагом). К его концам подвешены чашки весов. Определение массы тела с помошью весов основано на том, что коромысло находится в равновесии при условии, что массы тел, лежащих на разных чашках, одинаковы. При этом коромысло весов располагается горизонтально, а стрелка прибора указывает на нулевую отметку. Таким образом, взвешивая тело на весах, сравнивают его массу с массой эталона. Пример. На одну чашку весов положим тело, массу которого нужно измерить, а на другую — гири с известными массами (рис. 59). Гири подбираем такие, чтобы установилось равновесие. Определяем общую массу гирь, уравновесивших тело. Масса тела равна сумме масс гирь, т. е. 370 г. Результат записывают так: т = 370 г = 0,370 кг. Рис. 60 Для взвешивания используют специальный набор гирь разной массы. На рисунке 60 изображён набор гирь к учебным весам. В нём есть 9 гирь массой 100, 50, 20, 20, 10, 5, 2, 2 и 1 г. С их помощью можно подобрать любую массу от 1 до 210 г. Гири, масса которых меньше 1 г, изготавливают из алюминия в виде пластинок массой 500, 200, 200, 100, 50, 20, 20, 10 мг. С помощью специальных весов можно измерять как большие, так и малые массы. В таблице 4 приведены массы тел живой природы, а также массы тел, созданных человеком. Таблица 4 Живая природа Масса тела 1Ьла,созданные человеком Масса тела Комар 7 мг Микросхема 900 мг Зерно 30 мг Первый спутник 83 кг Человек 70 кг Автмюбиль ЗАЗ «Таврия» 710 кг Страус 100 г Трактор К-700 11т Зубр 1000 кг Электровоз 200 т Слон 7т Самолёт «Мрия» с космическим кораблём «Буран» 560 т Кит 150т • Кроме системных существуют и другие единицы массы. Например, j массу драгоценных камней измеряют в каратах; 1 карат * 0.2 г. В Киев' ской Руси единицей массы была 1 гривна, которая составляла приблизи-тельно410г. Позднее эта единицу стали называть фунтом: 1 фунт = 0,025 пуда = 32 лота = 96 золотников = 9216 долей * 0,4 кг. Распространённой I была и такая единица массы, как пуд (около 16 кг). Для взвешивания I] лекарств используются граны: 1 гран = 0,6 г. По традиции ещё применяют унцию, значение которой в зависимости от области применения лежит в пределах 28-31 г. ООПРОСЫ и ЗАДДНИ! 1. Что такое масса тела? 2. Расскажите, как можно измерить массу тела. 3. Что такое взвешивание? 4. Какие вы знаете единицы массы? ____ ^ аДДАЧИ Н YnfAMHIHIM ^_____________________ ^ Решаем вместе 1. На столе лежит книжка. Вследствие взаимодействия с какими телами книжка находится в состоянии покоя? Ответ: книжка взаимодействуете Землёй, а также со столом. 2. Почему с разбега можно прыгнуть на большее расстояние, чем без разбега? Ответ: за счёт инерции. 3. На рисунке 61, а, 6, в изображён процесс измерения массы воды с помощью весов. Какова масса сосуда с водой? Какова масса пустого сосуда? Какова масса воды в сосуде? Ответ: а) весы были уравновешены; б) масса сосуда с водой составляла 70 г 200 мг = 70,2 г * 0,0702 кг; в) масса пустого сосуда — 15 г 600 мг = 15,6 г = 0,0156 кг; масса воды в сосуде — 54 г 600 мг = 54,6 г = 0,0546 кг. ( YpowibX) 78. Останется ли лодка в состоянии покоя, если человек из неё спрыгнет на берег? Почему? 79. Вы забиваете гвоздь в стену. Какие тела взаимодействуют при этом? 80. Почему тяжело идти против ветра? С какими физическими телами взаимодействует человек при этом? 81. На ветви сидит птичка. Что произойдёт с веткой в тот момент, когда птичка взлетит? 82. При выстреле из ружья ощущается удар в плечо — отдача. Чем объясняется это явление? 83. Почему большинство велосипедов имеют привод тормоза на заднее колесо, а не на переднее? 84. Какое явление изображено на рисунке 62, где спортсмен летит вперёд, оторвавшись от земли? 85. Капли воды срываются с ветвей растений, а с рук их встряхивают. Какое различие между этими явлениями? Рис. 63 86. Пассажиры автобуса ощутили, что они наклоняются в левую сторону. Как двигался автобус в этот момент? 87. Почему может упасть споткнувшийся человек? В какую сторону? 88. Почему при резком торможения автомобиля его передняя часть опускается вниз? 89. Почему на поворотах шофёр, мотоциклист, велосипедист уменьшают скорость движения своего транспорта? 90. Какое значение массы присуще каждому из существ, изображённых на рисунке 63: 50т, 4т, 500 кг, 70 кг, 350 г, 13 г? 91. Определите массу свинцового цилиндра (рис. 64). 92. Рассмотрите шкалу настольных торговых весов в магазине, определите цену деления шкалы и объясните, почему на весах можно взвешивать продукты массой не менее 50 г? С YpQWMfc Б ) 93. Почему, сидя в лодке и упираясь ногами в сиденье, нельзя сдвинуть лодку с места? Взаимодействуют ли при этом человек и лодка? 94. Для уменьшения толчков во время езды кузова автомобилей устанавливают на рессорах. Что происходит с рессорами, когда автомобиль нагружён или он едет по выбоинам? 95. Выполните такой опыт: в вагоне поезда (в автобусе или автомобиле), движущемся равномерно, подбросьте вверх яблоко. Упадет ли оно обратно в руки? Объясните результаты опыта. 96. Заяц, спасаясь от собаки, которая за ним гонится, совершает резкие прыжки в сторону, когда собака уже вот-вот ухватит его зубами. Почему собаке трудно поймать зайца, хоть и бегает она быстрее? 97. Выполните такой опыт: положите на край стола лист бумаги, а сверху на него — несколько книг так, чтобы часть листа выступала. Что будет с книгами, если лист бумаги вы будете Рис. 65 медленно тянуть? Потянете рывком? Повторите опыт, заменив книги тетрадью, несколькими монетами. Одинаковы ли результаты опытов в каждом случае? Ответы запишите в тетрадь. 98 Как с помощью весов можно определить, сколько приблизительно гвоздей находится в ящике, если их общая масса равна ! 5 кг (без ящика)? 99. Бандероли, а также заказные и ценные письма на почте взвешивают на . специальныхвесах(рис. 65)сточностьюдо 1 г. Почтовые марки наклеивают на письмо после его взвешивания. Есть ли необходимость в повторном взвешивании писем, если масса марок колеблется от 20 до 150 мг? Определите массу воды, которую впитала салфетка, используя сосуд с водой и весы. 1 Определите длину медного провода в мотке, не разматывая его, используя только весы. Почему при приближении к пристани на теплоходе выключают двигатели? Можно ли явление инерции использовать для экономии топлива? Каким образом? [Ш «“'•А При изучения природных явлений используют разные физические величины. Х(ля того чтобы описать качественно и количественно взаимодействие тел, вводят физическую величину, которую называют силой. I Сила - это физическая величина, которая служит мерой взаимодейст-Г ВИЯ тел и является причинен изменения скоростей тел или их частей. • Наблюдение. Если мы рассматриваем, например, взаимодействие руки с волейбольным мячом, то мы говорим: «Мяч действует с силой на руку или рука действует с силой на мяч». ♦ Опыт. Подвесим на пружину яблоко (рис. 66). Пружина удлинится. Если на неё подвесить два яблока, то она удлинится больше. Итак, два яблока действуют на пружину с большей силой, чем одно. Результат действия одного тела на другое ' зависит от значения приложенной силы. Чем плотнее закрыта дверь, тем с большей силой мы должны её толкать или тянуть на себя, чтобы отворить. Для того чтобы легче открывать дверь, её ручку прикрепляют как можно дальше от петель. Попробуйте открыть дверь, толкая её в точке, размещённой вблизи петель. Вы убедитесь, что это сделать намного труднее, чем с помощью ручки. 1 Результат действия одного тела на другое Г зависит от точки приложения силы. вэАимодЕйствиетеп ^ -.lai'vtaBagi Линия действия Напраапение Рис. 67 Рис. 68 Для достижения определённого результата действия, например, растяжения или сжатия пружины, закрытия или открытия двери, нужно прикладывать силы в разных направлениях. ^ Действие одного тела на другое зависит от направления действия силы. Графически силу изображают в виде отрезка прямой со стрелкой на конце (рис. 67). Начало отрезка совмещают с точкой приложения силы. Длина отрезка в определённом масштабе равна значению силы. Стрелка показывает направление силы. Величины, характеризующиеся кроме числового значения еще и направлением в пространстве, называют векторными, или векторами (от латинского слова вектор - ведущий, несущий). Силу обозначают большой латинской буквой F. На рис. 68 спортсменка приготовилась стрелять из лука. В этом случае её рука действует на тетиву с силой F, направленной вправо, атетива действует на руку с такой же по значению силой, направленной влево. Итак, значения сил одинаковы, но их направления противоположны. g> •ОПРОСЫ и ЗАДАЛИ! 1. Что такое сила? 2. От чего зависит действие одного тела на другое? 3. Покажите, как изображают силу на рисунках. Как ее обозначают? СИЛА ТЯЖЕаИ Почему все подброшенные вверх тела падают на Землю? Почему на санках легко съезжать с горки, а вверх их нужно тянуть ? Подбросьте вверх мяч. Поднявшись на некоторую высоту, он начнёт двигаться вниз и упадёт на Землю. Парашютист, выпрыгнувший из самолёта, падает вниз и после раскрытия парашюта. С появлением дождевой тучи на Землю падает густой дождь. Как бы высоко мы не прыгали вверх, всегда опускаемся на Землю, 1 Все тела, находящиеся на Земле или вблизи неё, взаимодействуют с 1 ней: Земля притягивает тела, а они притягивают Землю. Поскольку масса у Земли очень большая, то в результате взаимодействия с нею заметно изменяют свои скорюсти и положения именно тела, а Земля практически остаётся на месте. ] Силу, с которой Земля притягивает к себе любое тело, называют Г силой тяжести. От чего зависит сила тяжести? Из опыта с’яблоками, выполненного ранее, можем сделать вывод, что на два яблока, подвешенных на пружине, действует сила тяжести больше, чем на одно, так как масса двух яблок больше массы одного. Силу тяжести обозначают /\яж- Единицей силы тяжести, как и любой другой, в СИ является один ньютон (1Н). Эта единица названа в честь английского учёного Исаака Ньютона, впервые сформулировавшего основные законы движения тел и законы тяготения. 1 1 ньютон (1 Н) равен силе тяжести, которая действует на тело Г массой приблизительно 102 г. Тогда на тело массой 1 кг действует сила тяжести 9,81 Н, т. е. /'„* = 9,81 Н. Как, пользуясь единицей силы 1 Н, определить силу тяжести, которая действует на тело любой массы? Поскольку на тело массой 1 кг действует сила тяжести 9,81 Н, то на тело массой т будет действовать сила тяжести, в т раз большая. Чтобы определить силу тяжести /"„*, действующую на тело, нужно постоянную для данной местности величину g = 9,81 ^ умножить на массу тела т, выраженную в килограммах; I = I- Но притяжение существует не только между Землёй и телами на ней или вблизи неё. Все тела притягиваются друг к другу. Например, притягиваются между собой Земля и Луна, Солнце и Земля или другие планеты, корабли в море, предметы в комнате. Вследствие притяжения Земли к Луне на Земле возникают приливы и отливы (рис. 69). Вода в океанах поднимается дважды в сутки на несколько метров. Благодаря силе тяжести атмосфера удерживается возле Земли, реки текут сверху вниз. Луна удерживается возле Земли, планеты двигаются по орбитам вокруг Солнца. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЕЛ Явление притяжения всех тел Вселенной друг к другу называ-ютвсемирным тяготением. Исаак Ньютон доказал, что сила притяжения между телами тем больше, чем больше массы этих тел и чем меньше расстояние между телами. Если бы сила тяжести на Земле вдруг исчезла, то все незакреплённые на ее поверхности тела от любого небольшого толчка разлетелись бы во все стороны в космическом пространстве. А каково направление силы тяжести? ♦ Опыт. Если взять отвес или Рис.70 Рис.71 привязанный к нити какой-либо предмет (рис. 70), то увидим, что нить с грузиком вследствие действия на него силы тяжести всегда направлена к Земли вдоль прямой, которую называют вертикалью. Выполнив этот опыт во всех точках Земли, учёные убедились, что сила тяжести всегда направлена к центру Земли. ' Силу тяжести изображают в виде вертикальной стрелки, направленной вниз и приложенной к определённой точке тела (рис. 71 а, б). • Кроме планет с их спутниками вокруг Солнца двигаются малые планеты, которые ещё называют астероидами. Наибольшая из них - Церера - имеет статус карликовой планеты и радиусом почти в 20 раз, а по массе в 7500 раз меньше Земли. Сила тяжести на ней настолько мала, что человек, оттолкнувшись от поверхности планеты, мог бы улететь с неё. • Вот как описывает основатель теории космонавтики К. Э. Циолковский в рассказе «Путь к звёздам» условия пребывания человека на этом астероиде: «На Земле я могу свободно нести ещё одого человека такого же веса, как я. На Весте так же легко могу нести в 30 раз больше. На Земле я могу подпрыгнуть на 50 см. На Весте такое же усилие даёт прыжок в 30 м. Это высота десятиэтажного дома или огромной сосны. Там легко перепрыгивать через рвы и ямы шириной с крупную реку. Можно перепрыгнуть через 15-метровые деревья и дома. И это без разгона». ВОПРОСЫ и 1ДДАНИА 1. Расскажите, что является причиной падения всех тел на Землю. 2. Какую силу называют силой тяжести? 3. По какой формуле определяют силу тяжести? 4. Подумайте, как изменится приложенная к телу сила тяжести, если его массу увеличить вдвое? 5. Каково направление силы тяжести? СИЛАУПРУГОаИ. закон ГУКА. ВЕС ТЕЛА. НЕВЕСОМОаЬ Мы уже знаем, что на все тела, которые находятся на Земле или вблизи неё, действует сила тяжести. Эта сила является причиной того, что тела, лишённые опор или подвесов, например капли дождя, брошенный вверх камень, листва, оторвавшаяся от ветви дерева, падают на Землю. ♦ Опыт 1. Положим на две опоры стальную пластину. Она будет находиться в горизонтальном положении (рис. 72, а). Когда на середину ее поставим гирю, то под действием силы тяжести гиря вместе со стальной пластиной будет двигаться вниз до тех пор, пока не остановится (рис. 72, б). Почему прекратилось движение гири и стальной пластины? Прекращение движения можно объяснить тем, что кроме силы тяжести, действующей на гирю и направленной вертикально вниз, на неё начала действовать сила, направленная вверх, которая уравновесила силу тяжести. Откуда возникла эта вторая сила? Изменение формы или размеров тела называют деформацией. Вследствие движения тела вниз стальная пластина прогибается — де(}юрмируется. В результате деформации в пластине юзникает сила, с которой она действует на гирю, стоящую на ней. Эту силу назвали силой упругости, она направлена вверх, т. е. в сторону, противоположную силе тяжести. Когда сила упругости по значению сравняется с силой тяжести, опора и тело остановятся. Сила упругости - это сила, возникающая вследствие деформации тела, и направленная противоположно направлению перемещения частиц тела при деформации. Одним из видов деформации является прогиб. Чем больше прогибается опора, тем большей становится сила упругости, действующая со стороны опоры на тело. До того как тело поставили на пластину, деформация в ней отсутствовала, как и сила упругости. По мере перемещения гири прогиб пластины возрастал и увеличивалась сила упругости. Свойства упругих тел (пружин) всесторонне изучил более 300 лет назад английский естествоиспытатель Роберт Гук. Проделанные им опыты позволили установить закон, названный его именем - закон Гука, а именно: I сила упругости прямо пропорциональна деформации (удлинению) ^ тела (пружины) и направлена противоположно направлению перемещения частиц тела при деформации. Если удлинение тела, т. е. изменение его длины, обозначить через х (рис. 73, б), а силу упругости — через fynp, то закона Гука можно предоставить в таком математическом виде: ^ упр где к г- коэффициент пропорциональности, который называют жёсткостью тела. У каждого тела свое значение жесткости. Чем больше жёсткость тела (пружины, провода, стержня и т. п.), тем меньше оно изменяет собственную длину под действием данной силы. Единицей жёсткости в СИ является один ньютон на метр (1 -^). Закон Гука даёт возможность сравнивать между собой тела с разной массой, т. е. взвешивать их. Чем больше масса тела, которое подвешиваем к пружине, тем больше она растягивается. На этом принципе устроен прибор для измерения силы — данамометр. ♦Опыт 2. Установим тело на опору (рис. 73, а). Вследствие взаимодействия деформируется не только опора, но и само тело, которое притягивается Землёй. Деформированное тело давит на опору с силой, которую называют весом тела Р. Если тело подвесить к пружине, то оно деформируется и при этом растягивает пружину, в результате чего возникает сила упругости (рис. 73, 6). Тело действует на подвес с силой, которую называют весом тела Р. 1 Вес тела - это сила, с которой тело вследствие притяжения к I Земле действует на горизонтальную опору или подвес. Не следует путать силу тяжести с весом тела. Сила тяжести действует на само тело со стороны Земли, а вес этого тела — это сила упругости, которая действует на опору или подвес. Если горизонтальная опора или подвес с телом находится в состоянии покоя или движется прямолинейно и равномерно, то вес тела равен силе тяжести и определяется по формуле; \Р=тУ где Р— вес тела;^;-= 9,81 /м — масса тела. Иногда путают вес тела с его массой — это ошибка. Во-первых, это разные физические величины, из которых вес — направленная величина, вектор, а масса определяется только числовым значением. Они характеризуют разные свойства тел и имеют разные единицы: для веса — ньютон, для массы - килограмм. Во-вторых, каждое тело всегда имеет определённую неизменную массу, а вес тела может изменяться, если опора или подвес движется неравномерно. В этом случае вес тела может Рис.74 увеличиваться или уменьшаться по сравнению с весом тела на неподвижной опоре и даже исчезать, т. е. равняться нулю (состояние невесомости). Например, поднимая грузы с помощью подъёмного крана, нужно учитывать, что во время резких рывков вес груза возрастает, и трос может разорваться. Стоя на платформе медицинских весов, мы замечаем, что их показания изменяются, если мы приседаем или двигаем руками. Вес тела действует на любую опору: пол, по которому мы ходим, стул, на котором сидим, канат, за который ухватились. Назначение опоры -ограничивать движение тела под действием силы тяжести, отсюда и её название. Начиная с 4 октября 1957 г., когда космическая ракета вывела на орбиту первый искусственный спутник Земли, началась эра освоения человеком космического пространства. Человек побывал на Луне, готовится экспедиция на Марс. Мы часто слышим по радио и телевидению, читаем в газетах и журналах, что космонавты во время полёта в космическом корабле по орбите вокруг Земли находятся в особом состоянии, называемом невесомостью. Что это за состояние и можно ли его наблюдать на Земле? ФОпыт 3. Верхний конец пружины с помощью нити прикрепим к неподвижной опоре, а к нижнему подвесим грузик (рис. 74, а). Под действием силы тяжести он начинает двигаться вниз. Пружина будет растягиваться до тех пор, пока возникшая в ней сила упругости не уравновесит силу тяжести. Перережем или пережжём нить, которая удерживает тело с пружиной. Пружина и тело начинают свободно падать, при этом растяжение у пружины исчезает, а это и означает, что тело потеряло вес и не действует на подвес (рис. 74, б). Сила тяжести при этом никуда не исчезает и заставляет тело падать на Землю. Так же если скорости падения тела и опоры (подвеса) одинаковы, то тело не действует на них, и его вес равен нулю. Если искусственный спутник или космическая станция обращается вокруг Земли, то космонавты и все предметы внутри них двигаются с одинаковой скоростью относительно Земли. Вследствие этого тела, размещённые на подставках, не действуют на них, подвешенные к пружинам тела не растягивают их. разлитая из сосуда вода плавает в виде большой капли, маятниковые часы перестают работать, космонавты без особых усилий передвигаются, «летая» или «плавая» в корабле. Если бы сила тяжести внезапно исчезла, то космический корабль вследствие инерции удалялся бы от Земли в космическое пространство по прямой линии. В состоянии невесомости находится любое тело во время свободного, т. е. безопорного падения. Если при обычных условиях не учитывать сопротивление воздуха, то в невесомости находится спортсмен, прыгающий с вышки в бассейн или выполняющий упражнения на батуте; любой из нас кратковременно находится в состоянии невесомости во время бега, когда обе ноги отрываются от Земли. • в давние времена благодаря упругим своис1вам некоторых материалов (в частности, такого дерева, как тисс) наши пращуры изобрели лук - ручное I оружие, предназначенное для метания стрел с помощью силы упругости натянутой тетивы. • Изобретённый приблизительно 12 тыс. лет тому назад, лук на протяжении II многих столетий был основным оружием почти всех племён и народов мира. || • До изобретения огнестрельного оружия лук был наиболее эффективным || боевым средством. Английские лучники могли выпускать до 14 стрел в || минуту, что при массовом использовании луков в бою образовывало целую тучу стрел. Например, количество стрел, выпущенных в битве при Азенкуре (во время Столетней войны), составляло приблизительно 6 миллионов! • Широкое применение этого грозного оружия в средние века вызвало обоснований протест со стороны определённых слоёв общества. В 1139 г Латеранский (церковный) собор, собравшийся в Риме, запретил применение этого оружия против христиан. Однако борьба за «лучное разоружение» не имела успеха, и лук как боевое оружие люди продолжали ' использовать ещё на протяжении 500 лет. , ■ОПРОСЫ и ЗАДАНИЯ 1. Какую силу называют силой упругости? Когда она возникает? 2. Сформулируйте закон Гука? 3. Что такое жёсткость тела? 4. Что такое вес? Как его определяют? Всегда ли он постоянный? 5. Что такое невесомость? Где её можно наблюдать? ^ Решаем вместе 1. Назовите силы, которые действуют на груз, подвешенный к концу спиральной пружины. Ответ: на груздействуют сила тяжести, направленная вертикально вниз, и сила упругости, направленная противоположно удлинению пружины. 2. Каков вес космического аппарата массой 383 кг на поверхности планеты Марс? На Марсе^= 3,9 -Ц:. Дано: т = 383 кг Решение Чтобы определить вес космического аппарата, используем формулу: P=gm. Р= 3,9 § -383 кг = 1493,7 Н. Ответ: Р= 1493,7 Н. 3. Космонавту в условиях невесомости необходимо заниматься физическими упражнениями. Понадобятся ли ему гантели? 68 г— ■■ ______________________________________________Глава 2 Ответ: обычные упражнения на подъём веса в состоянии невесомости теряют смысл, но упражнения на преодоление инертности гантелей (махи, повороты, разведения рук ит. п.) выполнять вполне возможно. Тем не менее гантели каклишний груз скорее заменят на эспандер. Уровень к I' Назовите силу, которая всегда действует одинаково влюбом месте наЗем^зе. Почему выпушенный из рук предмет падает на Землю? Какая сила действует на него? Какая сила вызывает падение на Землю града, образовавшегося в тучах? Какие физические тела взаимодействуют в этом случае? Почему большие грузы, которые поднимают с помошью мостовых кранов, перемешают медленно? 107 Какие силы действуют на листву во время листопада? I0S Какие силы действуют на груз, опускающийся на парашюте? Какие тела здесь взаимодействуют? 109, Масса одного молотка равна 1,4 кг, а второго — 875 г. На какой молоток действует ббльшая сила тяжести и во сколько раз? I И), Объясните результаты опыта (рис. 75). За счёт каких сил стрела летит на определённое расстояние (рис. 76)? Имеют ли вес жидкости и газы? Каков вес человека на поверхности Земли, если его масса равна 76 кг? Чему равен вес воды массой 10 кг? Тело весит 750 Н. Какова масса тела? В магазине купили 1 кг хлеба, 400 г масла, 1 кг 600 г колбасы и 2 кг сахара. Определите обший вес покупки. У какого стола масса больше: весом 95 Н или 0,095 кН? 118, Всегда ли вес тела равен силе тяжести, действующей на это тело? 119, Всегда ли тело обладает весом? [04. 105 Когда подняли тяжёлое бревно из мягкого грунта, то на нём осталась вмятина. Под действием какой силы в грунте образовалась вмятина? Выполните такой опыт: положите горсть земли в стеклянную банку. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЕЛ______________________~ ' '_____~ ~ :___5 69 налейте воды и тщательно перемешайте смесь палочкой. Наблюдайте за движением частичек земли в воле. Потом дайте смеси отстояться. Какие частички земли выпадут в осадок первыми? Долго ли вода будет мутной? Как объяснить это яатение? 122. Рассмотрите пружины амортизаторов мотоцикла, автомобиля, трактора. Чем они отличаются между собой? 123. Нейл Армстронг - первый человек, ступивший 20 июля 1969 г. на поверхность Луны (рис. 77). Определите вес астронавта на Луне, если его вес на Земле был равен 745 Н, Нужно учесть, что^,= 1,6 124. В последнее время можно наблюдать, как смельчаки выполняют головокружительный трюк - прыжок в пропасть на канате (рис. 78). В каком состоянии находится человек в первые секунды прыжка? Какое свойство должен иметь канат, чтобы человек не погиб? 12.5. На сколько удлинится пружина жёсткостью 200 если к ней подвесили тело массой 5 кг? 126. Каков вес воды объёмом 250 см^? 127, Вес пустого ведра равен 15 Н. Каков будет вес этого ведра, если в него налить 12 л воды? 125. У первого искусственного спутника Зеши на космодроме был вес 820 Н. Космический аппарат «Протон-1» имел массу 12,2 т. Во сколько раз масса «Протона-1» превышала массу пер1Юго спутника? 129. На Земле ма;1ьчик свободно может поднять тело, вес которого 60 Н. Какой массы тело он moi' бы поднять на Луне, прикладывая такое же усилие? Сила притяжения тел Луной в 6 раз меньше, чем Землей. 130. Какая физическая величина — масса строительных материалов или их вес — имеет главное значение при расчете мостов и других сооружений? 131. Какая из физических величин -масса тела или его вес - представляет наибольший интерес: для охотника, покупающего свинцовую дробь, или для спортсмена, выбирающего гантели? 132. В первые секунды подъёма в скоростном лифте высотного дома человек ошушает. что его прижимает к полу, а в начале спуска наоборот, он ощущает некоторое облегчение. Одинаковы или различны в эти моменты: а) масса человека: б) сила тяжести, действующая на тело человека; в) вес человека? 133. Для занятий акробатикой применяют батут — упругую сетку, укреплённую в горизонтальном положении. Спортсмен-акробат может выполнять на батуте многократные прыжки на значительно ббльшую высоту, чем без батута. Изменяется ли ю время прыжков сила тяжести, действующая на тело спортсмена? Изменяется ли вес спортсмена? Когда сила тяжести, действующая на спортсмена, меньще силы упругости, возникающей со стороны сетки? В каком случае сила тяжести, действующая на спортсмена, равна силе упругости, возникающей со стороны сетки? 134. Притягиваются ли Землёй искусственные спутники Земли и предметы, находящиеся в состоянии невесомости в космическом корабле? ДИНАМОМЕТРЫ. ИЗМЕРЕНИЕ СИЛЫ Устройство динамометра (от греческих слов динамис — сила; метрео ~ измеряю) основано на том, что сила упругости пружины по закону Гука прямо пропорциональная удлинению (деформации) пружины. Простейший пружинный динамометр изготовляют так. На дощечке закрепляют пружину, которая заканчивается внизу стержнем с крючком (рис. 79, а). К верхней части стержня прикрепляют указатель. На дощечке отмечают положение указателя — это нулевой щтрих. Потом к крючку подвешивают разновесы массой 102 г. На этот грузик действует сила тяжести 1 Н. Под действием силы 1 Н пружина растянется, указатель опустится вниз. Отмечают его новое положение и напротив метки ставят цифру I (рис. 79, б). Потом подвешивают разновесы массой 204 г и ставят метку 2, которая означает, что в этом положении сила упругости пружины равна 2 Н (рис. 79, в). С помощью разновесов массой 306 г наносят метку 3 (рис. 79, г) и т. д. Можно нанести деления, соответствующие ” десятым долям ньютона: 0,2; 0,4; 0,6 и т. д. Для этого промежутки между соседними штрихами нужно поделить на пять одинаковых частей. Проградуировать прибор - это значит нанести на него шкалу с делениями. Проградуированная таким образом пружина и будет простейшим динамометром. Для измерения силы используют такие динамометры (рис. 80): а — школьный лабораторный ВЗАИМОДЕЙСТВИе lai,. динамометр; б — школьный демонстрационный динамометр; в — пружинные весы; г — медицинский динамометр-силомер, предназначенный для измерения силы мыши руки человека; д - динамометр-тягомер. Основной частью такого динамометра являются упругие стальные рессоры. Этот прибор используют для измерения силы тяги автомобилей, тракторов и т. п. •ОПРОСЫ и идции! 1. Какие приборы предназначены для измерение силы? 2. Расскажите, как можно изготовить простейший динамометр? 3. Для чего используют силомер? Динамометр-тягомер? Какова цена деления шкалы динамометра на рисунке 80, б? I ЛДВОРАЮРНД^ I РАБОТА № 5 ^ КОНаРУИРОВАНИ! ДИНАМОМЕТРА • Цель работы: изготовить пружинный динамометр. • Приборы стальная проволока, металлическаятрубкадиаметром I см, и материалы: куски фанеры или оргстекла, инструменты для обработки дерева или оргстекла, набор грузиков, бумага, карандаш. Ход работы Простейший пружинный динамометр изготовляют так. 1. Стальную проволоку (например, струну от гитары) нагревают на пламени газовой плиты до красного свечения. После остывания проволока становится мягкой. 2. Проволоку выравнивают. Потом на металлическую трубку диаметром I см наматывают проволоку очень плотными рядами до тех пор, пока не получат спираль длиной 4 см. 3. Спираль сжимают и закрепляюттак, чтобы она не раскручивалась, затем помешают в пламя. Когда она раскалится докрасна, её опускают в холодную воду. Спираль закалится и приобретёт упругость и жёсткость. Отогнутые концы спирали отпускают (снова разогревают и дают остыть). 172: 4. К предварительно изготовленному камасу динамометра из дерева или оргстекла прикрепляют изготовленную пружину (каркас нужно сделать заранее к лабораторной работе, например в школьной мастерской или физическом кабинете). 5. Проградуируйте шкалу динамометра, используя набор разновесов (рис. 79, а-г). 6. Нарисуйте втетради полученную вами шкалу динамометра. ИЗМЕРЕНИЕ СИЛ С ПОМОЩЬЮ ДИИДМОМПРА. ИЗМЕРЕНИЕ ВЕСА ТЕЛ Цель работы: научиться измерять динамометром силы, действующие на тела, вес и массу тела. i • Приборы изготовленный динамометр, разные тела, и материалы: Ход работы 1. Определите иену деления шкалы изготовленного вами динамометра. Цена деления шкалы динамометра составляет... Н. 2. Измерьте динамометром силу тяжести, действующую на подвешенные к не-мутела, определите их вес и массу. Результаты занесите в табл. I. Таблица 1 № опыта Название тела Силатя*»:п.,| действующая р ^ натело, Гтяж) н| ’ Масса тела, т, кг 1 2 3 Измерьте удлинение пружины динамометра х во время приложения силы I Н.2Н,ЗНи4Н. Результаты измерений занесите в табл. 2. Таблица 2 »н 1 4. Поданным ■П1блииы 2 постройте график зависимости силы упругости от удлинения пружины /упр(-т)- Сделайте выводы. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЕЛ СИЛА ТРЕНИЯ. КОЭФФИЦИЕНТ ТРЕНИЯ СКОЛЬЖЕНИЯ • Наблюдение. Автомобиль после выключения двигателя через определённое время останавливается. Шайба, движущаяся по льду, также со временем остановится. Останавливается велосипед, если прекратить крутить педали. Что же является причиной уменьшения скорости движения тел ? Из ранее изученного вы знаете, что причиной изменения скорости движения тел есть действие одного тела на другое. Значит, в рассматриваемых случаях на каждое движущееся тело действовала сила. Тела остановились, поскольку на них в направлении, противоположном их движению, действовала сила, называемая силой трения F^. (Сила трения возникает между взаимодействующими твёрдыми телами в местах их соприкосновения и препятствует их относительному перемещению. Одной из причин возникновения силы трения является шероховатость соприкасающихся поверхностей тел. Даже гладкие на вид поверхности тел имеют неровности, бугорки и царапины. На рисунке 81 эти неровности изображены в увеличенном виде. Когда одно тело скользит по поверхности другого, эти неровности зацепляются одна за другую, что создает силу, затрудняющую движение. Вторая причина трения - взаимное притяжение молекул соприкасающихся поверхностей тел. Если поверхности тел очень хорошо отполированы, то их молекулы оказываются так близко друг от друга, что начинает заметно проявляться притяжение между ними. Различают несколько видов трения в зависимости от того, как взаимодействуют трущиеся тела; трение покоя, трение скольжения. Рис. 81 трение качения. ♦ Опыт 1. Положим брусок на наклонную доску. Брусок находится в состоянии покоя. Что удерживает его от соскальзывания вниз! Трение покоя обеспечивает сцепление бруска и доски. ♦ Опыт 2. Прижмите свою руку к тетради, лежащей на столе, и передвиньте её. Тетрадь будет двигаться относительно стола, но находиться в покое относительно вашей ладони. С помощью него вы принудили эту тетрадь двигаться! С помощью трения покоя тетради об руку. Трюние покоя перемещает грузы, которые размешаются на подвижной ленте транспортёра, предотвращает развязывание шнурков, удерживает шурупы и гвозди в доске и т. п. Если тело скользит по другому, то трение, возникающее при этом, называют трением скольжения. Такое трение возникает при движении саней или лыж по снегу, подошв обуви по земле. Если одно тело катится по другому, то говорят о трении качения. При качении колес вагона, автомобиля, телеги, при перекатывании бочек по земле проявляется трение качения. А от чего зависит сила трения ? ♦ Опыт 3. Прикрепим к бруску динамометр и будем тянуть его. сообщая брускуравномерное движение (рис. 82). Приэтомдинамометрбудетпоказывать i силу, с которой мы тянем брусок, а тем самым и силу трения, возникающую во время движения бруска по поверхности стола. Положим на брусок грузики и повторим опыт. Динамометр зафиксирует большую силу трения. 1 Чем большая сила прижимает тело к поверхности, тем большая Г сила трения возникает при этом. Выполним предыдущий опыт, но тело будем двигать по поверхности стекла, по бетону. Выясним, что сила трения зависит от материала и качества поверхности, по которой движется тело. ! Сила трения зависит от материала и качества обработки поверх-Г ности, по которой движется тело. Силу трения скольжения определяют по формуле: [ где Fjj, — сила трения скольжения: /V — сила реакции опоры, значение которой равно силе давления тела на поверхность скольжения; р — коэффициент трения скольжения. Если поверхность скольжения горизонтальна, то сила давления на неё равна весу тела, т. е. /V = Я = mg, а /тр = Mg'”, где g = 9,81 If ; m — масса тела. В таблице 5 указаны коэффициенты трения скольжения для некоторых пар материалов. Таблица 5 Материалы Коэффициент трения Сталь по стали 0,17 Железо по железу 0,30 Железо по чугуну и бронзе 0,18 Дуб по дубу при параллельных волокнах 0,40 Дуб по дубу при перпендикулярных волокнах 0,20 Сталь по льду 0,02 Сталь по твёрдому грунту 0,20-0,40 Дерево по льду 0,035 ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЕЛ ♦ Опыт. Положим деревянный брусок на круглые карандаши (рис. 83). Потянем брусок динамометром, карандаши за счёт трения между ними, бруском и доской начнут вращаться, а брусок — двигаться. Сила трения качения окажется меньше силы __ трения скольжения. I При одинаковых нагрузках сила трения качения всегда меньше Г силы трения скольжения. Рассмотривая швейную иглу, вы сразу заметите, что она отполирована до блеска. Для чего нужна такая полировка? А легко ли шить заржавевшей иглой? Здесь вы непосредственно ощущаете, какую роль играет трение в быту. В природе и технике трение может быть и полезным, и вредным. Когда оно полезное, его стараются увеличить, а когда вредное — уменьшить. Из-за трения изнашиваются механизмы и машины, стираются подошвы обуви и шины автомобилей, усложняется перемещение разных грузов. Но представьте, что трение исчезло. Тогда движущийся автомобиль не смог бы остановиться, а неподвижный — сдвинуться с места; пешеходы упали бы на дорогу и не смогли бы подняться; ткани распались бы на нити, так как они удерживаются трением; вы даже не смогли бы перелистать страницы этого учебника. Вы, наверное, неоднократно замечали, что на автомобильных шинах есть рельефные рисунки (так называемые протекторы), которые размешены вдоль и поперёк шины (рис. 84). Они сделаны для увеличения трения, т. е. силы сцепления колёс с полотном дороги. Поперечные полосы увеличивают сцепление колеса с полотном дороги, а продольные полосы и выступы, размещённые под углом, препятствуют боковому смещению, соскальзыванию автомобиля. Во всех машинах вследствие трения нагреваются и изнашиваются подвижные части. Чтобы уменьшить трение, соприкасающиеся поверхности делают гладкими и между ними вводят смазочное масло, поскольку трение между поверхностью твердого тела и жидкостью значительно меньше, чем между поверхностями твёрдых тел. Вращающиеся валы машин и станков устанавливают на подшипниках. Подшипники качения бывают шариковыми и роликовыми (рис. 85). Они дают возможность уменьшить силу трения в 20-30 раз по сравнению с подшипниками скольжения. Известно, что смазка трушихся поверхностей значительно уменьшает трение между ними. Почему же тяжелее удерживатьтопорише топора сухой рукой, чем влажной? Оказывается, что при смазке дерева мелкие волокна на его поверхности набухают, поэтому трение между рукой и топорищем увеличивается, что и помогает удерживать топор в руках. • Наблюдение. Когда вы стараетесь бежать в воде бассейна, реки или озера, то ощущаете большое сопротивление со стороны воды и не можете передвигаться быстро.Перенося лёгкие большие предметы в ветреную погоду, вы ощущаете такое сопротивление со стороны ветра, что вам очень тяжело идти. Когда в безветренную погоду вы стоите у дороги и мимо вас проезжает большой грузовой автомобиль на большой скорости, то вы обязательно ощутите ветер, сопровождающий движение автомобиля. Сила этого ветра тем больше, чем выше скорость автомобиля. L Силы трения, возникающие при движении тел в жидкости или газе, ' называют с и л а м и сопротивления среды. Сила сопротивления зависит от формытела. Ракетам, самолётам, подводным лодкам, кораблям и автомобилям придают обтекаемую форму, т. е. форму, при которой сила сопротивления минимальна. ♦ Опыт. Возьмём два измерительных цилиндра, наполним один из них водой, а второй — постным или машинным маслом. Бросим одновременно в них одинаковые металлические шарики. В результате опыта увидим, что шарик в воле упадёт на дно быстрее, чем в масле, т. е. сила сопротивления движения шарика в масле больше, чем в воде. Лодки, корабли не могут развить таких скоростей, какие развивают самолёты, так как сила сопротивления движения в воде намного больше, чем в воздухе. ЮПРОСЫ И ЗАДАНИЯ 1*^ 1. Какие бывают виды трения? 2. Назовите причины возникновения трения. 3. Как определяют силу трения скольжения? 4. Почему трение может быть и полезным, и вредным? 5. Какими способами можно уменьшить силу трения? 6. Какие силы называют силами сопротивления? ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЕЛ РАБОТА №7 J ИЗМЕРЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТРЕНИЯ СКОЛЬЖЕНИЯ !1 || I. ||2. ||3, Цель работы; на опытах определить коэффициент трения скольжения. Приборы динамометр, деревянный брусок, деревянная линейка, и материалы: набор грузиков. Ход работы Определите динамометром массу бруска и одного грузика. Положите брусок на горизонтально размещённую деревянную линейку. На брусок поставьте грузик. Прикрепите к бруску с грузиком динамометр и тяните его вдоль линейки с постоянной скоростью (рис. 86). Занесите показания динамометра в таблицу. № опыта Масса бруска с грузиками, т, кг Сила трения, ^тр. Н Сила реакции опоры, N = mg,H Коэффициент трения скольжения, _ ^тр _ ^тр ~ ~ тд 1 2 3 К первому грузику добавьте второй, а потом — третий, каждый раз взвешивая брусок и грузики и измеряя силу трения. Для каждого опыта определите силу реакции опоры, значение которой в условиях каждого опыта равна весу бруска и грузиков, по формуле N = mg. Результаты измерений и расчётов запишите в таблицу. Определите коэффициент трения скольжения для каждого случая по , _ ^Тр _ ^Тр формуле ц — По результатам измерений и расчётов постройте график зависимости силы трения от силы реакции опоры и, пользуясь им, определите среднее значение коэффициента трения скольжения Сделайте выводы. РА1И0Д1ИаВУЮЩАЯ СИЛА. ДВИЖ1НИЕ ТЕЛА ПОД ДЕЙаВИЕМ НЕСКОЛЬКИХ сил Обычно на любое движущееся тело действует не одно, а сразу несколько окружающих тел. Например, когда тянем брусок по линейке, то брусок взаимодействует и с рукой (сила тяги), и с Землёй (сила тяжести), и с поверхностью линейки (сила трения скольжения, сила реакции опоры). В этом случае общее действие на тело нескольких сил можно заменить равнодействующей силой. I Силу, которая оказывает на тело такое же действие, как и несколько I отдельных сил, одновременно приложенных к нему, называют I равнодействующей силой. Равнодействующую силу определяют в зависимости от направлений и значений отдельных составляющих сил. Если к телу приложены две силы F] и F^, которые направлены вдоль одной прямой в одну сторону, то их равнодействующая Fp^eH равна сумме этих сил (рис. 87), а её направление совпадаете направлением приложенных сил. ^равн - F, + F,. Fp... = F,+ F, Fpm F, Рис.87 Fp..« = f,- F, _FpaBH F. . . . F, Рис. 88 Если к телу приложены две силы f| и F2, направленные вдоль одной прямой, но в разные стороны, то, когда больше, чем F2, их равнодействующая равна разности этих сил, а её направление совпадает с направлением большей по значению приложенной силы (рис. 88): ^апн ~ ^ ~ ^ • Если в этом случае - F2, то их равнодействующая равна нулю, т. е. силы ^1 и Fi уравновешивают, или компенсируют друг друга. Поэтому покоящееся тело таким и останется, а движущееся будет продолжать двигаться прямолинейно и равномерно с начальной скоростью. Как будет двигаться тело, если на него будут действовать одновременно несколько сил ? ♦Опыт 1,Положимбрусокнастол(рис. 89). На него действуют две силы: сила тяжести F„,^=mgH сила реакции опоры N — mg. Эти силы однаковы по значению, но противоположны по направлению, поэтому, их равнодействующая, или результирующая сила равна нулю. gg ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЕЛ________ ♦Опыт 2. Будем тянуть брусок с помощью нити или динамометра по поверхности стола (рис. 90. а). В этом случае на тело будут действовать такие силы: сила тяжести сила реакции опоры N, сила тяги F и сила трения F„. Если N = /"тяж и F= Fjp. то тело будет двигаться равномерно, т. е. скорость тела не будет изменяться со временем. Если N — Fj^, а сила тяги ^больше силы трения Fjp, то при движении тела его скорость будет возрастать со временем, т. е. тело будет двитаться неравномерно (рис. 90, ♦Опыт 3. Толкнём брусок так, чтобы он двигался по поверхности стола. На него будут действовать сила тяжести сила реакции опоры /V и сила трения F-jp. Поскольку N = то они компенсируют друг друга, и влиять на движение бруска будет только сила трения Fyp (рис. 91). Поскольку сила трения всегда направлена против движения, то брусок со временем остановится, что и наблюдаем на опыте. В зависимости от значения равнолейству-юшей силы, тело может наход1ггься в состоянии покоя, iшиraтьcя равномерно или неравномерно. ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ [•/^ 1. Что называют равнодействующей силой? 2. Как может двигаться тело под действием нескольких сил? 3. Когда тело находится в покое или движется равномерно? 4. Почему тело движется неравномерно? ^ Решоем вместе 1. Можно ли взвесить брусок весом 8 Н, если имеются только два одина-кових динамометра, рассчитанных на измерение силы 4 Н? Ответ: можно. Нужно укрепить оба динамометра рядом на одном уровне, а брусок подвесить сразу к обоим крючкам. При условии полного растяжения пружин динамометров к бруску будут приложенные две силы упругости по * В естественных науках постоянные величины символически обозначают словом const (от латинского consfans — постоянный, неизменный). 4 Н каждая вдоль одной прямой, направленные вверх. Их равнодействующая будет равна 8 Н и уравновесит силу тяжести, действующую на брусок. 2. Каково назначение насечек на рабочих поверхностях плоскогубцев? Ответ: за счёт насечек возрастает трение между деталью и рабочими поверхностями плоскогубцев, что обеспечивает надёжное удержание детали во время работы. 3. Стальное тело массой 50 кг тянут по льду. Какая сила трения возникает при этом? Решение Чтобы определитьсилутрения, воспользуемся формулой F„ = V-N~mm. Дано: /и - 50 кг « = 9,8|i ц = 0,02 Ftp = 0,02-9,81 ^ -50кг= 9,81 Н. I3.V 139. 14( /г^_? Ответ: Ftp = 9,81 Н. ( Уровень А ) 135 Двое учеников канатом тянут к берегу лодку. Олин из них прикладывает силу, равную 120 Н, а второй - 100 Н. Какая сила действует на лодку? Какую силу покажет динамометр, к которому нитью прикреплены связанные между собой грузики весом 10 Н, 20 Н и 40 Н? Почему шайба, движущаяся по гладкой ледяной поверхности, в конце концов останавливается? Почему лыжник, стремительно спустившийся с горы, едет дальше по ровной горизонтальной поверхности снежного поля с уменьшающейся скоростью? Почему вода в реках возле берегов и дна течёт немного медленнее, чем посредине реки? Рассмотрите внимательно, как сотканы из нитей марля и ситец. Что произошло бы с тканью, если бы не было трения? Почему мука или крупы, если их высыпать из стакана на стол, образуют кучку конической формы, а вода растекается тонким слоем? Почему неопытный конькобежец падает назад, съезжая со снеговой дорожки на гладкий лёд катка, а, возвращаясь со льда на дорожку, падает вперёд? Сила трения качения меньше силы трения скольжения. Почему же зимой ездят на санях, а не на телеге? Колёса подводы, движущейся по дороге, иногда не вращаются. При каких условиях это может быть? Зачем зимой на колёса автомобилей надевают цепи? 146 Для чего электровозы и тепловозы оборудованы песочницами, из которых песок тоненькими струйками сыпется на рельсы? Для чего гимнасты в спортивном зале натирают обувь канифолью, руки -порошком, хорошо впитывающим влагу (жжёная магнезия), а футболисты обувают бутсы с шипами? Зачем вратарь футбольной команды во время игры пользуется специальными перчатками, особенно в дождливую погоду? Каким требованиям должны удовлетворять такие перчатки? 41 144. 14 14' 148. взаимодействие тел................^ ---- 149. На рис. 92 изображён кузнечик. Каково назначение зубцов на его лапках? 150. Какая сила трения действует во время движения железного тела массой 2 кг по железной поверхности? 151 Как можно двумя динамометрами измерить силу 80 Н, если каждый из них рассчитан на 50 Н? 152 Положите на ладонь монету и попробуйте, проводя по ней шёткой для одежды, смести её с ладони. Как объяснить наблюдаемое явление? 153. Зачем на головке и в верхней части гвоздя делают насечки? 154. Капли дождя легко скатываются по наклонной поверхности кровли, а снег на крышах собирается толстым пластом. Какобъяснить это явление? 155. Почему разведённой пилой легче пилить, чем неразведённой? Одинаково ли разводят пилы для резки сухого и влажного дерева? 156. Почему нагружённый автомобиль буксует на плохой дороге меньше, чем пустой? 157. Грузовой автомобиль с прицепом должны перевезти тяжёлый станок. Что лучше загрузить: кузов автомобиля или прицеп? Почему? 158. Для чего во время гололедицы дорожки посыпают песком? 159. Почему коньки и санки хорошо скользят по льду? Почему в сильные морозы это скольжение ухудшается? 160. Почему, когда трудно снять перстень, пользуются мыльной водой? 161. Человекпоскользнулся.наступивнасухиегорошины. Как это объяснить? 162. Укажите, в каких местах велосипеда есть шариковые подшипники. 163. Для чего шурупы перед закручиванием в твердые породы деревьев смазывают мылом? ДАВЛЕНИЕ И СИЛА ДАВЛЕНИЯ. ЕДИНИЦЫ ДАВЛЕНИЯ Вы уже знаете, что действие одного тела на другое характеризуют приложенной к нему силой. От него зависит результат действия этой силы на тело? • Наблюдение 1. Из собственного опыта вы знаете, что очень тяжело идти по глубокому рыхлому снегу, поскольку ноги глубоко проваливаются в нём. а на лыжах передвигаться намного легче, так как проседание снеговой поверхности в этому случае значительно меньше. В обоих случаях вы действуете на снег с одинаковой силой, но площадь поверхности, на которую она распределяется в случае лыж значительно базьше, чем в случае обуви, поэтому и деформация снега оказывается разной. Стоя на лыжах, вы давите на каждую единицу площади поверхности снега с силой, меньшей во столько раз, во сколько раз площадь поверхности лыж больше площади подошв обуви. I 82 ♦ Наблюдение 2. Легковой автомобиль, в отличие от гусеничного трактора или болотохода, не может проехать по болотистой местности, хотя его вес намного меньше веса трактора. Рассмотрев колёса легкового автомобиля и гусеницы трактора, вы убеждаетесь в том, что плошаль поверхности гусениц намного больше, чем колес. Результат действия силы на поверхность зависит не только от её значения, но и от площади той поверхности, перпендикулярно к которой она действует. Убедимся в этом с помощью опытов. ♦ Опыт 1. Заполним стеклянный сосуд песком. На песок поставим столик ножками вверх и на него — гирю массой 2 кг. Результат: столик почти не погрузился в песок (рис. 93, а). Поставим столик ножками на песок и на него — снова гирю массой 2 кг. Результат: ножки стола увязли в песке (рис. 93, б). Возьмём столик с острыми ножками. Поставим его ножками на песок, положив сверху ту же гирю массой 2 кг. Результат: заострённые ножки полностью погрузились в песок (рис. 93, в). Опыт свидетельствует, что чем меньше площадь опоры столика, тем глубже он погружается в песок под действием одинаковой силы. ♦ Опыт 2. Возьмём два столика. Площадь поверхности Рис. 93 ножек одного столика вдвое больше, чем вторюго. Положим на столики груз, причем на столик с большей площадью поверхности ножек положим вдвое больший груз. Результат действия силы будет одинаковый. В рассмотренных примерах имела значение сила, действующая перпендикулярно к поверхности тела. Такую силу называют силой давления. I Величину, которая определяется отношением значения силы давле-i ния к площади поверхности, на которую она действует, называют I давлением. Давление обозначают малой латинской буквой р. Итак, чтобы определить давление р. нужно силу F, действующую перпендикулярно к поверхности, поделить на площадь этой поверхности S, т. е. |Дав.и-ии.= - Г, П I Единицей давления является один паскаль (! Па), она названа в честь французского учёного Блеза Паскаля. Давление 1 Па создаёт сила давления 1Н 1 Н. действующая на поверхность площадью 1 м^, то есть I Па = i м2 = 1 „2 ■ На практике ешё используют кратные единицы давления: гектопаскаль (гПа), килопаскаль (кПа): ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЕЛ_ .^Зб^^МаиИИИИИ—вЗ I гПа = 100 Па; 1 кПа = 1000 Па. Зная давление, можно определить силу давления, действующую на поверхность тела. Давление показывает, какая сила давления действует на единицу площади, поэтому эта сила давления равна произведению давления и площади поверхности: F=pS. Всем хорощо известно, что во время шитья иглой швеи пользуются напёрстком. Иглу делают очень острой, чтобы умеренной силой пальцев создавать большое давление на ткань и прокалывать её. Но во время нажима пальца на иглу она с такой же силой давит на палец. Конец иглы со стороны ушка делают притуплённым, но во время работы давление на кожу пальца может быть очень большим, достаточным, чтобы ее поранить. Прочный металлический наперсток надежно защищает палец. Почему подушка мягкая ? Почему удобно лежать на перине или на надувном матрасе, а лежать на досках или твёрдой поверхности неудобно ? Оказывается, ощущение мягкости или твёрдости зависит не от свойства материала, а от значения давления на поверхность тела. Сделаем небольшие расчеты. Будем считать, что масса взрослого человека составляет 60 кг, что равно весу приблизительно 600 Н, а поверхность тела — приблизительно 2 м^ Если человек лежит в кровати на перине, которая прогибается и будто охватывает тело, с ней соприкасается приблизительно четверть всей поверхности его тела, т. е. 0,5 м\ Расчёты по таким данным дают давление 1200 Па. А если человек ляжет на твердую поверхность, то площадь соприкосновения будет составлять около 0,01 м^ Это соответствует давлению 60 000 Па, т. е. давление тела на твёрдую поверхность увеличится в 50 раз, отсюда и неудобства. В разных областях современной техники приходится решать задачи получения высоких давлений, снижения давления или сохранения его в заданных границах. Проблема давления играет важную роль в транспорте. Дороги и железнодорожные пути должны надежно выдерживать давление разных транспортих средств. ЗИ'ого достигают, уменьшая вес транспортных средств и увеличивая их площадь опоры. Колеса легкового автомобиля производят на дорогую давление около 300 кПа. Чтобы уменьшить давление на дорогу грузовых автомобилей, их делают многоосными, с колёсами большого диаметра, используют гусеницы. Так, давление, производимое трактором Т-130, вес которого — сотни тысяч ньютонов, равен 27 кПа. Эго в 1,5 раза больше давления, которое оказывает на дорогу человек весом 600 Н. С помощью чрезвычайно тонкого инструмента - жала - оса создаёт давление, соизмеримое с давлением во время взрыва (33 000 000 000 Па). 1^910 ИНПРКНО ЗНАТЬ • в Арктике и Антарктике на научных станциях пользуются такими транспортними средствами, как снегоходы «Пингвин» и «Харьковчанка». I] Снегоход «Харьковчанка» имеет дизельный двигатель мощностью 736 кВт и запас горючего на 1500 км. При массе 35 т он имеет гусеницы шириной 1 м, что даёт ему возможность преодолевать снежную целину, ледовые торосы, крутые склоны. Снегоход имеет утеплённую кабину площадью 25 м* с мощной отопительной системой, специальной герметичной обшивкой, позволяющей работать даже при морозах ниже - 70 'С. В кабине есть спальные места, радиорубка, рабочая комната, кухня, сушилка, гардероб, санузел. Размеры снегохода: длина - 6,5 м, ширина - 3,5 м, высота - 4,2 м. юпросы И зддАНиа 1 - Почему по снегу легче двигаться на лыжах, чем без них? 2. Почему гусеничный трактор не проваливается во влажном грунте, легковой автомобиль вязнет? 3. Что называют давлением? Как определяют давление? 4. Объясните, как можно определить силу давления. 5. Как можно увеличить давление? Уменьшить давление? С1ДДЛЧИ и УПРДДИИН ^ ^ Решдем вместе С какой целью под головку болта и гайку подкладывают широкие металлические кольца -шайбы, особенно когда скрепляют деревянные детали (рис. 94)? Ответ: во избежание повреждений деталей уменьшают на них давление за счёт увеличения плошади контактной поверхности, 2. Взрослый человек, у которого плошадь подошв обуви равна 450 см\ давит на пол с силой 700 Н. Определите давление человека на пол. Дано: /■= 700 Н 5= 450 см2 = = 0,0450 м2 Решение Определим давление человека на пол по формуле; .4; „ — 700 Н — 1 с сс/; ^ 0,0450 м2 '5556 11а. /»— ? Ответ: давление человека на пол равно 15 556 Па. ( Уровень А ) 164. Почему тупым ножом тяжело чинить карандаш? Почему тяжело работать затупленными инструментами во время обработки дерева? 165. Под нажимом па,тьиа кнопка сравнительно легко входит в деревянную стену. Почему этого нельзя сделать с гвоздём? Каким образом поступают в этому случае? 166. С какой целью под железнодорожные рельсы подкладывают шпалы и металлические подкладки? 167. Для чего загибают верхний край лопаты, на который нажимают ногой? 168. Одно ведро с водой имеет на дужке деревянную ручку, а второе — нет. Какое из вёдер будет оказывать вовремя подъёма большее давление на руку? 169. Во время шитья сила ламения равна 2 Н. а давление иглы на ткань — 200 000 000 Па. Чему равна плошадь кончика иглы? 170. Какое из приведённых ниже значений давления является наибольшим. К Ш а какое — наименьшим: 6 „2.60 см^. 600 Па? 171. Давление волка на рыхлый снег равно 12 000 Па. а давление зайиа — 1 200 Па. Кому из них легче двигаться по снегу? 172. Давление штормового ветра на препятствие достигает 100 Па. Определите силу, с которой ветер давит на стену дома площадью 24 м’. 173. Как создать давление 50 000 Па, действуя силой лишь 1000 Н? Уровень 174. Человек провалился под лёд. Как нужно действовать, используя знания о давлении, чтобы спасти его? 175. Чему равно давление на рельсы четырёхосного вагона массой 60 т, если плошадь касания одного колеса с рельсом — 10 см” 176. Как человек, стоящий на полу, может очень быстро удвоить давление на пол, не нагружая себя никакими дополнительными грузами? 177 Плошадь ступни человека - 180 см’. Какое дав,1сние создаёт человек массой 70 кг, если он стоит на обеих ногах? На одной ноге? 178. Давление на кончике жала пчелы в момент укуса равно приблизительно 3 200 000 000 Па. Во сколько раз это давление больше давления человека на пол? (Смотрите условие предыдущей задачи). 179. Эйфелева башня в Париже массой 9 000 т создаёт давление на грунт 200 000 Па. Какова плошадь опор башни? 180. Какое давление будет создавать кирпич размерами 26 х 13 х 6,5 см и массой 3,5 кг, когда будет опираться на разные грани? ' •' I Каток, уплотняющий покрытие во время строительства дорог, создаёт давление 400 000 Па. Площадь опоры катка - 0,12 м’. Какова масса этого катка? 182. Почему фундамент дома шире, чем стены? 183 Как влияет тяжёлая техника на плотность грунта? Как это отражается на развитии растений? К каким последствиям это приводит? 184. У комара (рис. 95). конечно, сила комариная. Как же комар прокалывает кожу слона, коровы? ДАВЛЕНИЕ ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ. ЗАКОН ПАСКАЛЯ ♦ Опыт 1. Возьмём три цилиндрических сосуда: в один положим деревянный брусок, в другой насыпем какой-либо крупы или песку, а в третий нальём воды (рис. 96). Деревянный брусок вследствие действия на него силы тяжести будет давить лишь на дно сосуда. Горох будет давить не только на дно, а и на стенки сосуда во всех точках касания горошин. Каждая горошина внутри сжата со всех сторон соседними горошинами и вследствие действия сил упругости сама будет давить во все стороны на горошины. ЭЙ’и силы давления будут тем больше, чем глубже лежит горошина, т. е. чем больший слой гороха давит на неё сверху. Вода, налитая в сосуд, вследствие большой подвижности молекул будет давить на дно и стенки сосуда. Каждая частица внутри воды будет сжата со всех сторон соседними частицами и вследствие упругости будет с такой же силой давить на соседние частицы. !^и силы будут тем больше, чем глубже будет находиться частица. На рис. 97, а изображён прибор, который называют шаром Паскаля. Он имеет в разных местах поверхности маленькие отверстия. К нему присоединена трубка-цилиндр, в которую вставлен поршень. Если набрать в шар воды и нажать на поршень, то увидим, что струйки воды сквозь отверстия бьют во все стороны с одинаковой силой. Это объясняется тем, что поршень давит на поверхность жидкости в трубке. Частицы воды перюдают давление поршня другим частицам, которые лежат глубже. Таким способом давление поршня передаётся на все частицы воды в шаре. Вследствие этого часть воды выталкивается из шара в виде струек, бьюших изо всех отверстий. Если шар заполнитьдымом,тоиз всех отверстий шара начнут выходить струи дыма (рис. 97, б). Это подтвержда-что и газы передают давление, оказываемое на них, во все стороны одинаково. Давление, оказываемое на жидкость или газ внешними силами, передаётся жидкостью или газом одинаково во всех направлениях. Это утверждение называют законом Паскаля. На законе Паскаля основывается действие шприиа: давление пальиа врача на поршень шприиа передаётся без изменений жидкости, содержащейся в нём, и лекарство выходят через иглу шприца. ♦ Опыт 2. В стеклянную трубку, нижнее отверстие которой закрыто тонкой резиновой плёнкой, нальём воду (рис. 98, а). Дно трубки прогнётся. Значит, на дно действует сила давления воды. Чем больше наливаем волы, тем более прогибается плёнка. Но каждый раз после того, как резиновое дно прюгнулось, вода в трубке находится в равновесии, так как кроме силы тяжести на воду действует сила упругости резиновой плёнки. Опустим трубку с резиновым дном, в которую налита вода, в более широкий сосуд с водой. Видим, что по мере опускания трубки вниз резиновая плёнка постепенно распрямляется {рис. 98, б). Полное распрямление плёнки показывает, что давление на неё сверху и снизу одинаковое. Значит, в жидкости сушествует давление, направленное снизу вверх, и на этой глубине оно равно давлению, направленному сверху вниз. Если выполнить опыт с трубкой, в которой резиновая плёнка закрывает боковое отверстие (рис. 99. а, б), то мы убедимся, что боковое давление жидкости на резиновую плёнку также будет одинаковым с обеих сторон. ♦ Опыт 3. Сосуд, дно которого может отпадать, опускаем в банку с водой (рис. 100. а). Дно при этом плотно прижимается к краям сосуда давлением воды снизу вверх. Потом в сосуд осторожно нальём воды. Когда уровень воды в ней совпадёт с уровнем воды в банке, дно оторвётся от сосуда (рис. 100, б). В момент отрывания на дно давит сверху столб жидкости в сосуде, а снизу -столб воды, находящейся в банке. Эти давления одинаковы по значениям, однако дно отрывается от сосуда под действием силы тяжести. I Согласно закону Паскаля давление внутри жидкости на одном ^ювне Г одинаково во всех направлениях. Давление увеличивается с глубиной. J Давление жидкостей, обусловленное силой тяжести, называют f гидростатическим. А как рассчитать давление жидкости на дно и стенки сосуда? Чтобы ответить на этот вопрос припомним, что для того, чтобы определить плотность вещества р, нужно массу тела т разделить на его объём К т. е.: Единицей плотности в СИ является один килограмм на кубический метр (1 ). Из формулы для плотности можно определить массу тела. Для этого нужно плотность вещества р умножить на объем тела V, т. е.: Теперь возвратимся к рис. 98 в опыте 2. Рассчитаем давление, которое создаёт столбик жидкости высотой А на дно цилиндрического сосуда. Мы уже знаем, что давление р равно отношению силы давления F к площади поверхности S, на которую она действует: -I. В нашей задаче сила давления равно весу жидкости Р : P=gm. где т — масса жидкости, которую можем определить через плотность жидкости р и объём жидкости К: т=рУ. Объём цилиндрического столба жидкости V равен произведению плошали дна сосуда S и высоты уровня жидкости над дном А; К = Sh. С учётом этих соотношений формула для давления приобретёт окончательный вид: , = - gpSh ^ gph ,т. с.\р Видим, что гидростатическое давление на любой глубине внутри жидкости зависит только от ее плотности р и высоты уровня А: оно равно произведению этих величин и постоянной g. Гидростатическое давление жидкости не зависит ни от формы сосуда, ни от массы жидкости в сосуде, ни от площади его дна. Согласно закону Паскаля это давление на одном уровне жидкости одинаково действует и на дно, и на стенки сосуда. 0»ТО MHIIMCHO ЗНАТЬ * В 1648 г. Блез Паскаль провёл интересный опыт. Он вставил в закрытую деревянную бочку, наполненную водой, тонкую трубку и, по/щявшись на балкон второго этажа, влил в эту трубку кварту 0,9 дм’) воды. Из-за малой толщины трубки вода в ней поднялась на значительную высоту, и давление в бочке увеличилось настолько, что крепления бочки не выдержали, и она треснула. g> •ОПГОСЫ и ЗДДАИМ 1. Чем обьяснить, что жидкости и газы передают давление во всех направлениях одинаково? 2. В чём заключается закон Паскаля? 3. Объясните, как на опытах можно продемонстрировать передачу давления в жидкостях и газах? 4. Какое давление называют гидоостатическим? 5. От чего зависит давление на дно сосуда? Г МДАЧМ И ТЯ1»ДЯМВ11М } ^ Решаем еместе 1. Чем объяснить, что вёдра в форме срезанного конуса очень распространены (рис. 101), хотя они менее устойчивы, и из них больше расплёскивается вода по сравнению с ведрами цилиндрической формы и такой же высоты? Кроме того, конусообразные ведра неудобно нести, так как приходится широко расставлять руки. Ответ; оказывается, в большинстве случаев вёдра выходят из строя из-за того, что у них выпадает дно. Следовательно, прочность дна определяет долговечность ведра. В ведре конической формы плошадьдна меньше, чем в ведре цилиндрической формы такой же вместимости. а потому сила давления на дно меньше. Это единственное преимущество конических ведер оправдывает все другие их недостатки. 2. Наибольшая глубина, на которой учёные с корабля «Витязь» выловили рыбу, составляет 7200 м. Какое давление создаёт вода на этой глубине? Дано; h = 7200 м р= ЮЗО^ г = 9.81^ Ответ; р = 72. 75 МПа. Решение Давление создаваемое морской водой на глубине, определим по формуле; р —gph. Подставив значения величин, получим; р = 9,81 1030 ■ 7200 м = 72 750 960 Па = 72 751 кПа = 72, 75 МПа. С ю 185. Тонкостенную, доверху наполненную водой бутылку стараются плотно закрыть пробкой. Что может произойти при этом и почему? 186. Почему взрыв под водой уничтожает живых существ, живущих там? Почему водолазы на больших глубинах пользуются скафандрами, изготовленными из лучших сортов стали? IHS. На каком этаже дома вода из кранов вытекает под ббльшим давлением; нижнем или верхнем? 18ч Зачем трубы для подачи воды на большую высоту делают из прочного материала и с толстыми стенками? 190. Вычислите давление жидкости плотностью 1800 на дно иилиндри- ческого сосуда, если высота жидкости в нём равна 10 см. 191 Какое давление создаёт керосин на дно бочки, высота которой 1,2 м? 192 Для намывания песка на строительные плошадки используют земснаряд, насос которого создаёт давление 785 кПа. На какую высоту он может подать пульпу (смесь волы и песка), если её плотность равна 1080 ^? 193 Почему стенки внутренних органов глубоководных рыб, быстро поднятых на поверхность, оказываются разорванными? ( Ypowfc t) 194. В результате выстрела в круто сваренное яйно в нём образуется отверстие. Почему же при выстреле в сырое яйцо оно разлетается во все стороны? 195. Почему при сжатии тюбика с зубной пастой она выходит через отверстие? Что произойдёт, если, закрыв отверстие, сжимать тюбик? 196. В одну из трёх одинаковых мензурок до одинаковой высоты налита вола, в другую - керосин, в третью - ртуть. В какой мензурке давление на дно будет наибольшим, а в какой - наименьшим? 197. В цилиндрический сосуд, частично заполненный водой, опустили деревянный брусок. Изменится ли давление воды на дно сосуда? 198. Будет ли одинаковым время, необходимое для наполнения кипятком стакана из крана самовара в случаях, если самовар полностью заполнен водой или если из него уже вытекают остатки воды? 199. Выполните такой опыт: наполните стакан до краёв 1юдой, выполните соответствующие измерения и определите давление воды наднооакана. Какое давление на дно стакана создавала бы налитая до такой же высоты ртуть? 2(Х). Молоко вылили из бутылки в кастрюлю. Какие из указанных ниже физических величин изменили свое значение, а какие - не изменили; масса молока, сила тяжести, вес молока, объём молока, сила давления, давление? 201. Для наблюдения растительного и жиютного мира морей или океанов используют толстостенные металлические сферы с иллюминаторами - бати-с([)еры. Какое давление создаёт вода на поверхность батисферы на глубине 1 км? с какой силой давит на этой глубине вода на батисферу, если площадь её поверхности равна 1.1 мча плотность морской юлы — 1030 -^? 202. В сосуде находятся один над другим три слоя несмешивающихся жидкостей: вода, масло, ртуть. Высота каждого слоя равна 5 см. Изобразите это на рисунке и укажите на нём порядок размещения слоёв. Определите давление на дно сосуда. ВЗДИМОДЕЙСТВ№ТЕЯ f§^ ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ МАШИНЫ Закон Паскаля лежит в основе устройства и действия гидравлических машин. Гидраалические машины (от греческого слова eidpawiiKoc — водный) — это машины, для работы которых используется жидкость. Подобно другим простым машинам и механизмам, которые вы будете изучать в следующей главе, назначение гидравлической машины — это преобразование значения силы и направления её действия. Главной частью гидравлической машины являются два цилиндрических сосуда разного диаметра, соединённые между собой трубкой (рис. 102). Внутри сосудов свободно перемешаются плотно прилегающие к стенкам поршни. Сосуды под поршнями обычно заполняют машинным маслом. На обоих поршнях стоят гири; видим, что на большем правом поршне гиря имеет значительно больший вес, чем на левом малом. Поэтому сила давления F2 на жидкость, которую создает правый поршень, значительно больше силы давления Ff, создаваемой левым поршнем. Выясним, при каких условиях поршни будут оставаться в равновесии, т, е. будут неподвижными. Давление под малым поршнем будет определяться отношением силы давления к площади поршня Давление р2 под большим поршнем будет равно соответственно: в равновесии жидкость в машине должна находиться в покое, т. е. не перетекать из одного цилиндра в другой. Это возможно только тогда, когда давление жидкости слева будет равно давлению жидкости справа, т. е.: F F Р| =/>,, або Х = Пользуясь свойством пропорции, это соотношение можно представить в виде; Отсюда следует, что в состоянии равновесия сила давления F2 под большим поршнем во столько раз больше силы давления F^ под малым поршнем, во сколько раз площадь большого поршня S2 больше площади малого 5,. Эго означает, что, действуя малой силой на малый поршень, можно уравновесить большую силу на большом поршне, например удержать или поднять тяжёлый фуз. Видим, ч'ю гилраиличсск:ш машина позволяет увеличить силу и изменить HanpiiiuicHHC еслейсч »ия. 1 Гидравлическая машина даёт выигрыш в силе во столько раз, во Г сколько площадь её большого поршня превышает площадь малого. Гидравлическук) машину, предназначенную для прессовки (сжатия) иорисзых тел (внутри которых есть пустоты), называют гидравлическим прессом. Тело для iipeccotwHiia кладут на платформу, размещённую на большом поршне ipiic.103). Когда поршень поднимается, тело упирается в неподвижную верхнюю и;|ат(|юрму и сжимается. Из Miuioi'o сосуда п 6ojii.ujori масло перекачивается повторными итженнямм Miuioro noputnH. Когда он поднимается вверх, то под поршень всасывается масло из сосуда. При этом клапан / открывается, а клапан 2 закрывается под действием давления масла. Когда опускается малый fiopiucHb. наоборот, юзапап / закрывается, а открывается клапан 2, и жидкость переходит в большой сосуд. Например, если плопииь мшюго поршня 5| = 5 см^. а площадь большого поршня .^2 = 500 СМ-, то выифыш в си.те будет составлять 100 раз. Установив этот удивительный факт. Пасктыь написал, чтос помощью изобретенной им машины «один человек, нажимающий на малый поршень, уравновесит силу ста люлон. которые нажимают на поршень, н сто раз больший, и тем самым преодо;1еет силу левянскто девяти людей». Впервые гидравлические прессы начали применяться ма пр.штикс в конце XVIII — в начале XIX ст. Гидраплические прессы используют в производстве стальных валов и кузовов машин, железнодорюжных колес, различных мспилическич и rL’iacTMaccouNx изделий. Для выдавливания сока из 1шно1рала. масла — из семян подсолнечника, изготоаления ха.'1вы также испо.11.)\к>т прессы. Современные гидравлические прессы могут создавать давление до 41 700 МПа. В автомобилях используют гидравлические юрмоза. Схема усгройстна такого гидравлического тормоза показана на рис. 104. Если водитсльдавш на педаль /, то поршень в цилиндре 2 создаез дап.)снис на жидкость, которая заполняет цилиндр 2, трубку и тормозные цилиндры .?. Это давление согласно закону Паскаля передается без изменения жидкостью на поршни тормозных цилиндров 3. Поршни пол действием си.||ы давления расходятся и прижимают тормозные колодки 4 к тормозным барабанам - колеса автомобиля тормозя1ся. автомобиль ух«епьшасз скорость и останавливается. Если водитель н^зекрашает .завить на педаль, то пружина сжимается и возвращает торможые колодки в исходное положение. 1> ■ОПРОСИ и ЗАДАНИЯ 1. Что такое гидравлическая машина? 2. Для чего используют гидравлический пресс? 3. Какой выигрыш в силе дает гидоавлический пресс? 4. Объясните, как работают гидравлические тормоза. СООБЩАЮЩИЕСЯ СОСУДЫ • Наблюдение. На столе стоит наполнен1зын прозрачный чайник. Что нужно сделать, чтобы налить чай в чашку? Видно, что чайник и носик - сосуды, соедмненные между собой отверстием в нижней части, поэтому жидкость заполнясг их и находится на одном уровне, а верхнее отверстие носика расположено выше уровня жидкости в полном чайнике. Если чайник наклонить в сторону носика, то его отверстие опустится ниже уровня жидкости, и она будет вытекать из чайника в чашку. ♦ Опыт. Возьмём две стеклянные трубки, соединим их резиновой трубкой, которую перекроем зажимом, и нальём в одну из трубок воды (рис. 105, а). Когда зажим снимем, то увидим, что жидкость в трубках установилась на одном уровне (рис. 105. б). Поднимем одну из трубок - уровень жидкости в трубках не изменится (рис. 105. в). S ** j Соединённые между собой сосудо» в которых жидкость может свободно перетекать из одного сосуда в другой, называют сообщающимися сосудами. Заменим одну из трубок сообщающихся сосудов трубками другого диаметра и другой формы (рис. 106). В результате опыта убедимся, что свободные поверхности неподвижной однородной жидкости в сообщающихся сосудах любой формы находятся на одинаковом уровне. Отсюда вытекает закон сообщающихся сосудов. В сообщающихся сосудах свободные поверхности однородной жидкости устанавливаются на одном )фовне. Рис. 107 Дтя объяснения этого закона рассмотрим малые объемы жидкости в области поперечного сечения внизу соединительной трубки. В состоянии равновесия эти объемы находятся в покое, что означает равенство сил давления, действующих на них справа и слева от сечения. Поскольку площадь сечения одна и та же для левого и правого столбов жидкости, то и создаваемые ими таростатические давления должны быть одинаковыми, а вместе с ними, по закону Паскаля, — и высоты обоих столбов, т. е. Aj = hj. Есливодин изсообщающихся сосудов налить, например, воду плотностью р|, а в другой — керосин плотностью рз, то свободные поверхности этих жидкостей установятся на разных урювнях, причём уровень керосина будет выше, чем уровень юды (рис. 107). Поскольку жидкости в равновесии находатся в покое, то согласно закону Паскаля можно утверждать, что давления, создаваемые левым и правым столбами жидкости, например, на уровне раздела жидкостей АВ, одинаковы, т. е. Р\ =Pi- Отсюда с помощью формулы гидростатического давления получим соотношение; «Pl*l =gP2>>2’ ИЛИ после сокращения nag. р|А| = Р2Аг- Из этого равенства следует пропорция: *2 Pi Видим, что высоты разнородных жидкостей, отсчитываемые от уровня поверхности их раздела, в сообщающихся сосудах обратно пропорциональны их плотностям. Для установления равновесия высота столба менее плотной жидкости должна быть большей. Примеры сообщающихся сосудов: лейка для полива растений (рис. 108); водомерное стекло парового котла — 83АИМ0ДЕЙС1БИЕТЕЛ Рис. 109 ДЛЯ определения уровня воды в котле; ! водяной уровень — для проведения ' горизонтальной линии на неровной I местности. На основе закона сообщаю- ' щихся сосудов действуют артезианские ' колодцы или скважины (рис. 109). Скважину делают в наиболее низком | месте водяного пласта, и вода поднимаясь на поверхность, бьёт фонтаном. Водонапорная сеть представляет собой разветвлённую сеть сообщающихся сосудов. Чтобы вода поступала в наивысщее место водонапорной сети, нужно водонапорную башню размещать не ниже этого места. Рассмотрим, как действует водопровод (рис. 110). На водонапорной башне / установлен большой бак 2 для воды. С помощью мощных насосов 3 из водоёма (реки, озера) или скважины воду закачивают для очистки в отстойник 5, потом подают для фильтрования в резервуар 4, а дальше - в магистраль и в водонапорную башню. К магистрали 6 присоединены водопроводные трубы отдельных зданий. Чтобы вода в них зимой не замерзала, их изолируют и укладывают под землю. В каждом доме в квартирах на трубах устанавливают водяные краны. Когда открывают кран, вода начинает выливаться, так как уровень жидкости в башне выше, чем в квартире. Примером сообщающихся сосудов являются шлюзы. Шлюзы (от латинского шлеузе - удерживаю, отделяю) - это гидротехническое сооружение для перевода судов на реке или канале с одного уровня на другой. Рис.11 Рис.112 Шлюзы являются одним из ярких примеров применения сообщающихся сосудов в технике. Любой шлюз состоит из шлюзовой камеры, в которой есть верхние и нижние юрота. Камера соединена с рекой или каналом широкими трубами, которые закрывают выдвижными заслонками. На рисунках 111—112 показана схема действия шлюза, когда корабль плывёт по течению реки. Когда корабль подходит к шлюзу, ворота А шлюза закрыты {рис. 111). Открывают заслонку трубы, соединяющей верхнюю часть реки с камерой. Вода из реки постепенно перетекает в камеру а. Когда уровень воды в камере а сравняется с её уровнем в верхней части реки, верхние ворота А открывают, и корабль входит в камеру а. После этого верхние ворота закрывают (рис. 112) и открывают заслонку трубы, соединяющей камеру а с нижней частью реки б. Камера шлюза а постепенно освобождается от воды до уровня её в нижней части реки б. Затем открывают нижние ворота В, и корабль выходит в реку. При большой разности верхнего и нижнего уровней реки строят несколько шлюзовых камер, которые работают последовательно. Если будете плыть на теплоходе по Днепру из Киева в Чёрное море, то обязательно увидите такие шлюзы. ^ ВОПРОСЫ И идмш 1. Какие сосуды называют сообщающимися? 2. В чём заключается закон сообщающихся сосудов? 3. Объясните, как устанавливаются поверхности однородной жидкости в сообщающихся сосудах. 4. Как устанавливаются поверхности разнородных жидкостей в сообщаю* щихся сосудах? 5. Приведите примеры сообщающихся сосудов. 6. Почему водонапорную башню всегда строят на самых высоких местах и поднимают её бак на уровень выше всех зданий, снабжаемых водой? АТМОСФЕРНОЕ ДАВЛЕНИЕ. ИЗМЕРЕНИЕ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ Нашу планету Земля окружает мошная газовая оболочка, которую называют атмосферой ( от греческих слов атмос — пар и сфера — шар). Исследования околоземного пространства с помощью искусственных спутников Земли показали, что её атмосфера простирается натысячу и более километров в высоту. Резкой границы она не имеет. Её верхние пласты очень разрежены и постепенно переходят в безвоздушное межпланетное пространство (вакуум). С уменьшением высоты плотность воздуха возрастает. Почти 80 % всей массы воздушной оболочки Земли сосредоточены в пределах 15 км над Землей. Опытами установлено, что при температуре 0 ®С масса I м' воздуха на уровне моря равна 1.29 кг. На воздушные слои действует сила тяжести, поэтому верхние слои давят на средние, а средние - на нижние. Наибольшее давление, обусловленное весом всей атмосферы, испытывает поверхность Земли, а также все находящиеся на ней тела. 1 Давление, оказываемое атмосферой на все находящиеся в ней тела, I а также на земную поверхность, называют атмосферным давлением. Выясним, насколько велико это давление. Формула гидростатического давления р = gph для расчёта атмосферного давления не подходит, так как атмосферный воздух не имеет постоянной плотности (она на разных высотах разная) и не имеет определённой высоты (атмосфера не имеет резкой границы). Как измерить давление атмосферы, впервые догадался итальянский ученый Э. Торричелли. Предложенный им опыт был осуществлён в 1643 г. учеником Г. Галилея В. Вавиани. В этом опьгге была использована запаянная с одного конца стеклянная трубка длиной около I м. Её заполняли ртутью, а потом, закрыв открытый конец, переворачивали отверстием вниз и погружали в широкий сосуд с ртутью. После того как трубку открывати. часть ртути из неё выливалась в сосуд, а в верхней части трубки образовывалось безвоздушное пространство - «торриче.ллева пустота» (рис. ИЗ). При этом высота столба ртути в трубке составляла приблизительно 760 мм. Результаты этого опыта Торричелли объяснил так: «До сих пор существовала мысль, будто сила, которая не даёт возможности ртути, вопреки её естественному свойству, падать вниз, содержится внутри верхней части трубки, т. е. — или в пустоте, или в разрежённом веществе. Однако я утверждаю, что эта сила — внешняя и что сила берётся снаружи. На поверхность жидкости, находящейся в сосуде, действуют своей тяжестью 50 миль воздуха. Что же странного, если ртуть... поднимается настолько, чтобы уравновесить тяжесть внешнего воздуха». Итак, атмосферное давление согласно закону Паскаля равно давлению столба ртути втрубке: /’атм-Л Рис. 113 Если бы эти давления не были равны, то ртуть не находилась бы в равновесии: при увеличении давления ртути она выливалась бы из трубки в сосуд, а при уменьшении — поднималась бы по трубке вверх. Итак, давление атмосферы можно измерить высотой соответствующего ртутного столба. Его высоту обычно измеряют в миллиметрах. Если, например, говорят, что в некотором месте атмосферное давление равно 760 мм рт. ст.. то это означает, что воздух в этом месте создаёт такое же давление, что и вертикальный столб ртути высотой 760 мм. Чтобы определить это давление в паскалях, воспользуемся формулой гидростатичного давления: р — gph. Подставляя в эту формулу значения р = 13 595,10 (плотность ртути при 0*^0), g= 9,81 и А = 760 мм = 0,76 м (высота столба ртути), получим такое значение нормального атмосферного давления:р= 1()1 325 Па. (Давление атмосферы, которое равно давлению столба ртути высотой 760 мм при температуре О ^’С, называют нормальным атмосферним давлением. Единицами атмосферного давления являются I мм рт. ст., один паскаль (1 Па)ноднн гектоласкаль(1 гПа), между ними сушествуюттакие соотношения: , ;.1\1 pi ■^(lO ММ р1 С1.= 133,3 Па= 1,33 гПа; С1, = 101 325 Па 1013 гПа; Об опытах Торричелли узнал французский учёный Блез Паскаль. Он повторил их с разными жидкостями (маслом, вином и водой). Столб волы, уравновешивающий давление атмосферы, оказался намного выше столба ртути. Однако Паскаль считал, что для окончательного доказательства факта сушествования атмосферного давления нужен ешё один решающий опыт. Для этого он выполнил опыт Торричелли сначала у подножия горы, а потом — на её вершине. Результаты удивили всех присутствующих. Давление воздуха на вершине горы было почти на 100 мм рт. ст. меньше, чем у подножия. Этим было доказано, что ртуть в трубке в самом деле поддерживается атмосферным давлением. Если измерить атмосферное давление на разных высотах, то получим такие результаты. Высота над уровнем моря, км Наблюдая ежедневно за высотой ртутного столба в трубке, можно заметить, что она изменяется: то увеличивается, то уменьшается. Существованием атмосферного давления можно объяснить много явлений. На рисунке 114 изображена стеклянная трубка, внутри которой имеется поршень, плотно прилегающий к её стенкам. Конец трубки опущен в воду. Если поднимать поршень, то за ним будет подниматься и вода. Между поршнем и водой Рис. 114 ВЗАИМОДЕЙСТВИБТЕЛ ; yi i Til 99 вследствие поднятия поршня образуется безвоздушное пространство, в котором нет давления атмосферы. В это пространство пол давлением внешнего воздуха и входит за поршнем вода. Данное явление используют в работе шприца, водяного насоса. ^Опыт 1. Возьмём цилиндрический сосуд, закрытый пробкой, через которую пропушена трубку с краном. Выкачаем из неё воздух, закроем кран, трубку опустим в воду и откроем кран. Поскольку атмосферное давление больше давления в сосуде, то под его действием вода будет бить фонтаном внутри сосуда (рис. 115). ♦ Опыт 2. Нальём в стакан воды и накроем его листом бумаги, немного большим диаметра стакана. Держа стакан за нижнюю часть, прижмём бумагу к краям стакана ладонью и перевернём его кверху дном, убрав затем руку от бумаги (рис. 116). Удивительно, но вода будет удерживаться в стакане и листок останется на месте -почему? Дело в том, что давление атмосферы на бумагу I больше, чем давление столба воды в стакане. I • Наблюдение. Влияние атмосферного давления весьма I заметно проявляется во время ходьбы по вязкой почве I (засасывающее действие трясины). При подъёме ноги под I ней образуется разрежённое пространство, и вследствие I присасывания нога тянет за собой тяжёлую трясину (как I поршень — жидкость в насосе). | Благодаря давлению атмосферного воздуха работают ' присоски для крепления предметов на гладких плоских поверхностях. Если вытеснить воздух под присоской, то она прижмётся силой давления атмосферы, и чтобы её оторвать, нужно приложить довольно большое усилие (рис. 117). Результаты простых вычислений показывают, что сила давления атмосферы на поверхность обычной тетради равна 3000 Н. Почему же вы так легко можете поднять тетрадь? Дело в том, что силы давления воздуха зверху и снизу тетради уравновешиваются, и при подъёме вам приходится преодолевать лишь вес самой тетради. Для измерения ат.мосферного давления используют ртутный барометр, барометр-анероид и барограф. Если трубку, подобную той, что использовал в своём опыте Торричелли, снабдить шкалой, то получим простейший прибор для измерения атмосферного давления - ртутный барометр (от греческих слов барос — вес, тяжесть; метрео — измеряю) (рис. 118 на с. 1(Ю). Барометр-анероид (от греческих слов: барос, метрео, анероид) изображён на рисунке 119. Основная Рис. 115 Рис. ■ часть прибора — круглые гофрированные металлические коробочки, соединённые между собой. Внутри коробок создано разряжение (давление в коробках ниже атмосферного). С увеличением атмосферного давления коробки сжимаются и тянул прикреплённую к ним пружину. Перемещение конца пружины через специальные устройства передастся стрелке, а её указатель движется вдоль шкалы. Против штрихов шкалы нанесены значения атмосферного давления. Например, если стрелка останавливается напротив отметки 750, то это значит, что атмосферное давление равно 750 мм рт. ст. При уменьшении давления стенки коробочек расходятся, растяжение пружины уменьшается, и стрелка движется в сторону уменьшения значений давления. Барометр-анероид — это один из основных приборов, который используют метеорологи для составления прогнозов погоды на ближайшие дни. так как её изменение зависит от изменении атмосферного давления. Для автоматической и непрерывной записи изменений атмосферного давления используют барограф (от греческих слов барос: графа — пишу). Кроме металлических гофрированных коробочек в этом приборе есть механизм аля движения бумажной ленты, на которой нанесены сетка значений давления и дни недели (рис. 120). По таким лентам можно выяснить, как изменялось атмосферное давление в течение любой недели. ВЗАИМ0ДЕЙС1ВИЕТЕЛ------------ ---------------. Г .I ЭТО ИНТ1Р1СНО ЗНАТЬ • Вывод о существовании атмосферного давления независимо от Э. Торричелли сделал немецкий физик Отто фон Герике {1602-1686). Откачивая воздух из тонкостенного металлического шара, от увидел, что шар сплющился. Анализируя причины сплющивания шара, он понял, что оно произошло под действием давления окружающей среды. • Отк|ШВ атмосферное давление, Герике построил перед фасадсжл своего дома в г. Магдебурге водяной барометр, в котором на поверхности жидкости плавала фигурка человека, указывающая на деления, нанесённые на стекле. • В 1654 г. Герике, желая убедить всех в существовании атмосферного давления, выполнил знаменитый опыт с «магде-б^гскими полушариями». На демонстрации опыта присутствовали члены Регенсбургского рейхстага и император Фердинанд III. В их присутствии из полости между двумя составленными вместе металлическими полушариями выкачгши воздух. При этом силы атмосферного давления так крепко прижали эти полушария одно к другому, что их не смогли разъединить восемь п^ лошадей (рис. 121). • В природе существует более 400 растений-барометров. Цветочный барометр можно найти и на огороде. Это маленькая ветвистая трава-мокрец. По её мелким белым цветкам можно предсказывать погоду в течение всего лета; если утром венчики не раскрываются - днем будет дождь. Рис. 121 1> ■ОПРОСЫ и ЭАДАИИ1 1. Вследствие чего создаётся атмосферное давление? 2. Что доказывает опыт Торричелли? 3. Что означает запись: «Атмосферное давление равно 780 мм рт. ст.»? 4. Какое давление называют нормальным атмосферным давлением? Чему оно равно? , 5. Как изменяется атмосферное давление с увеличением высоты над Землёй? Почему? 6. Приведите примеры подтвержающие наличие атмосферного давления. 7. Какие приборы используют для измерения атмосферного давления? МАНОМПРЫ Как вы знаете, барометры служат для измерения атмосферного давления. Если же нужно определить какое-то иное даазение, создаваемое жидкостью или газом, то применяют приборы, называемые манометрами. Рис. 122 (Манометры - это измерительные приборы, предназначенные для измерения давления или разности давлений. Манометры (от греческих слов лю«ос— жидкий; метрео — измеряю) бывают жидкостные и деформационные. Манометры для измерения давления заполняют ртутью. Ими измеряют давление в пределах от 1(Ю до 160 мм рт. ст. Манометры, с помощью которых измеряют разность давлений в пределах от 10 до 100 мм рт. ст, заполняют водой или другой жидкостью (рис. 122). Наиболее распространены деформационные манометры. Обший вид одного из них показан на рисунке 123. Он был изобретён в 1848 г. французским учёным Э. Бурдоном. В таких манометрах измеряемое давление или разность давлений определяется по деформации упругого чувствительного элемента. Чувствительным элементом может быть трубчатая пружина. Такие манометры называют трубчато-пружинными. Пружина — это металлическая трубка, закрытая с одного конца, её второй конец присоединяют к среде, давление в которой нужно измерить. При увеличении давления внутри трубки она начинает разгибаться. Эго движение трубки через специальные устройства передаётся к стрелке, указывающей на шкале манометра значение давления. На рисунке 124 изображён жидкостный U-образный манометр. Он состоит из стеклянной трубки, имеющей форму латинской буквы U, в которую налита жидкость (вода или спирт). С помощью гибкой трубки одно из колен манометра соединяют с круглой плоской коробочкой, затянутой резиновой пленкой. Если давление в левом и праюм коленах одинаковы, то жидкость устанавливается на одном уровне. Если надавить на плёнку, то уровень жидкости в колене манометра, соединённом с коробочкой, понизится, а вдругом - на столько же повысится. Объясняется это тем, что при нажатии на плёнку давление воздуха в коробочке повышается. Это избыточное давление передаётся жидкости в соответствуюше.ч колене, и её уровень снижается. Уровень в этом колене будет снижатся до тех пор, пока избыточная силадавления не уравновесится весом избыточного столба жидкости во втором колене манометра. Поэтому по разности высот столбов жидкости в манометре можно видеть, насколько давление на плёнку отличается от атмосферного. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЕП Рис. 124 Рис.125 ♦ Опыт. В сосуд с жидкостью (рис. 125) будем опускать манометрическую коробочку U-подобного манометра. Мы видим, что чем глубже опускаем коробочку манометра, тем больше разность высот жидкости внутри прибора. Так и должно быть: с увеличением глубины погружения гидростатическое давление жидкости возрастает. ВОПМСЫ Ш иДМ1И1 1. Как называют приборы для измерения давлений, больших или меньших атмосферного? 2. Какие бывают манометры? 3. Чем отличается трубчато-пружинный манометр от жидкостного? 4. Объясните, что показывает опыт, изображенный на рисунке 125. g> [§а^ ЖИДКОСТНЫЕ НАСОСЫ Поршневой жидкостный насос, схема которого изображена на рисун ке 126, состоит из цилиндра и поршня, который свободно движется в цилиндре, плотно прилегая к его стенкам. В нижней части цилиндра и в поршне есть клапаны, которые открываются только вверх. Если поршень движется вверх, то вода под действием атмосферного давления входит в трубу, поднимает нижний клапан и движется за поршнем. При движении поршня вниз вода давит на нижний клапан, и он при этом закрывается. Вместе с тем под давлением воды открывается клапан внутри поршня, и вода переходит в пространство нал поршнем. При следующем движении поршня вверх вместе с ним поднимается вода, которая есть над поршнем, и выливается в отводную трубу. Одновременно за поршнем поднимается новая порция волы, которая во время следующего опускания поршня будет уже над ним. Такие Рис. 126 I 104 T ' '____,___________Глава 2 5 I процессы будут повторяться до тех пор, пока мы не прекратим качать воду. I На практике используют также поршневой жидкост- 1 ный насос с воздушной камерой. Такой насос схематич- Г но изображён на рисунке 127. После втягивания воды через всасывающий клапан 2 в цилиндр насоса, с помощью ручки 5 нажимают на поршень /. Давлением воды в цилиндре закрывается всасывающий клапан 2, вместе с тем открывается нагнетательный клапан 3, вода поступает в сосуд с воздушной камерой 4 и через трубу выливается наружу. При движении ручки вверх закрывается клапан 3 и открывается клапан 2 - вода поступает в цилиндр. Далее процессы повторяются до тех пор, пока не накачают необходимое количество воды. А на какую высоту или с какой глубины можно поднять воду с помощыо таких насосов? Вы уже знаете, что плотность ртути в 13,6 раза больше, чем воды. Ртуть в трубке поднимается на 760 мм. Тогда вола подымется на высоту, в 13,6 раз большую: она равна 10 336 мм. Значит, поршневыми жидкостными насосами можно качать воду лишь с глубины, не превышающей Юм. Рис. 127 ^ЭГОННПРЕСНО ЗНАТЬ • Сердце человека является удивительным насосом, непрерывно работающим в течение жизни человека. Оно перекачивает за одну минуту 6 л крови, за сутки - 8600 л, за год - около 3 млн литрюв, а за 70 лет жизни -около 220 млн литров. Если бы сердце не перегоняло кровь по замкнутой системе, а накачивало в какой-то резервуар, то можно было бы заполнить бассейн длиной 100 м, шириной 100 м и глубиной 22 м. 1> ВОПРОСЫ и 1АДАНИ1 1. Какие типы поршневых жидкостных насосов вы знаете? 2. Объясните, каково их устройство и принцип действия. • 3. На какую максимальную высоту можно поднять воду поршневым жидкостным насосом? с ЗАдаЧМ и YnWUMIIHIM 1 ^ Решаем вместе 1. Кому легче вытягивать ногу из грязи: корове или лошади? Почему? Ответ: легче вытягивать ногуизфязи корове,гак ........ " как у нее, в отличие от лошади, копыто раздвоено. 2. На рисунке 128 изображенная морская звезда. За счёт чего она можетлегко цепляться к морскому дну или кдругим предметам? Ответ: за счёт большого количества присосок в нижней части звезды. 3. Манометр, присоединённый на юдонапорной станции к трубе, по которой подаётся вода к баку в башне, показывает давление 303 000 Па. Какова высота воды в башне? Дано: р = 303 000 Па Р = 1000 S = 9,81^ А-? Решение Чтобы определить высоту воды в башне, используем формулу р =gp h, из которой получим fj , 303 000 Па •9,81 Н“ = 30,88 м Ответ: высота волы в водонапорной башне равна 30,88 м. ( YpOMBb А ) 203. Если бутылку, наполненную водой, погрузить шейкой в сосуд с водой, то вода из неё не будет выливаться. Почему? 204. Когда вода выливается из бутылки, мы слышим бульканье. Почему? 205. Почему тяжело пить из наклоненной бутылки, если плотно обхватить её шейку губами? 206. Подсчитано, что на поверхность тела взрослого человека (масса 60 кг, рост 160 см) площадью 1,6 м^ действует сила 160 000 Н, обусловленная атмосферным давлением. Как организм выдерживает такие большие нагрузки? 207. Когда самолёт набирает большую высоту, пассажиры начинают ощущать боль в ушах. Почему? 208. Площадь поверхности первого спутника Земли составляла 8820 см^ Какой была сила давления на его поверхность на высоте 300 км, если давление юздуха там было равным приблизительно 0,00006 Па? 209. Какое атмосферное давление показывает барометранероид (рис.129)? 210. Какое давление показывает ртутный барометр (р»^. 130)? Выразите это давление в паскалях. 211. На рисунке 131 схематически изображено устройство поршневого жидкостного насоса с воздушной камерой. Опишите, как работает этот насос. Рис. 131 Рис. 132 Рис.133 212. Поднимается или опускается поршень жидкостного насоса, изображённого в разрезе на рисунке 132? 213. Какие приборы изображены на рисунке 133? Какую физическую величину они измеряют? Снимите показания каждого из приборов. 214. Как нужно пользоваться пипетками для переливания небольшого количества жидкости? Объясните действие этих пипеток. ( Ур01ви> I) 215. Ученик, отвечая на уроке, сказал: «Атмосферное давление равно давлению столба ртути длиной 760 мм». Какие ошибки допустил ученик в своем ответе? 216. Для чего в крышках бидонов для смазочных материсыов делают не одно, а два отверстия: одно большое, а второе — меньшее - на противоположной стороне крышки? Каково назначение малого отверстия при наполнении и опорожнении бидона? 217. Почему стакан, вымытый тёплой водой и опрокинутый на покрытый полиэтиленовой скатертью стол, плотно прилегает к ней и немного втягивает ее? 218. В металлической крышке, закрывающей верхнее отверстие топливного бака автомобиля, есть малое отверстие. Если это отверстие случайно засорится, то горючее не потечёт по нижней трубке кдвигателю. Почему? 219- Будет ли действовать барометр-анероид, если в стенке его металлической гофрированной коробочки появится трещина? 220. Какая сила атмосферного давления действует на тело человека, площадь поверхности которого равна приблизительно 1,6 м^? 221. Вычислите, с какой силой давит воздух на ладонь вашей руки. Атмосферное давление измерьте барометром-анероидом. 222. С какой силой давит атмосфера на поверхность страницы тетради, размеры которой 16x20 см при атмосферном давлении 100 000 Па? 223. Определите атмосферное давление на уровне моря и на горе (рис. 134, й); на поверхности Земли и на станции метрополитена (рис, 134, б). Как объяснить разность в показаниях барометров-анероидов? 224. На рисунке 135 изображена запись атмосферного давления барографом на протяжении недели. Пользуясь этим графиком, выясните: а) каково было наибольшее (наименьшее) давление и в какой день: б) какое давление было в полдень в четверг; в) на сколько миллиметров ртутного столба давление во вторник было больше, чем в пятницу. 225. В середине XVII в. во Флоренции построили всасываюшие насосы для подъёма воды на большую высоту, но вода поднималась не выше Ю м. Почему? 226. Какой насос используют в гидравлических прессах: всасывающий или нагнетательный? 227. Почему жидкость, которую качают всасывающим насосом, течёт прерывистой струёй? 228. Рассмотрите устройство и принцип действия пожарного насоса, изображённого на рисунке 136. Сколько здесь насосов? Какие они: всасыващие или нагнетательные? Каково назначение воздуха. Рис. 135 закрытого в камере? Можно ли было бы посылать струю воды этим насосом на значительное расстояние без воздушной «подушки»? 229. Какое давление создаёт поршень нагнетательного насоса, подающий воду на высоту 15 м? Атмосферное давление нормальное. 230. Каким из двух насосов (рис. 137) можно поднять воду на высоту 30 м? 231. Почему резиновые трубки, соединяющие воздушные насосы с сосудами, из которых откачивают воздух, имеют толстые стенки? ВЫТАЛКИВАЮЩАЯ СИЛА ♦ Наблюдение. Почему тяжело погрузить мяч в воду, и почему, как только мы его отпустим, он выпрыгивает из воды? Почему в море легче плавать, чем в озере? Почему в воде мы можем поднять камень, а в воздухе — нет? ♦ Опыт 1. Подвесим к пружине тело (рис. 138). В связи с тем, что на тело действует сила тяжести пружина растянется. Тело будет находиться в равновесии, так как сила тяжести и сила упругости /^у„р, которые действуют на тело, равны по значению, но противоположны по направлению. Погрузим это тело в воду. Удлинение пружины уменьшится. Масса тела не изменилась, то есть не изменилась и сила тяжести, действующая на тело. Значит, уменьшилась сила упругости. Отсюда можно сделать вывод, что со стороны воды на тело действует сила, выталкивающая его из воды. Эту силу называют выталкивающей силой. Этим же можно объяснить, почему под водой легко можем поднять камень, который с трудом удерживаем на воздухе. Если опустить мяч в воду, то он выпрыгнет из неё. Газы во многом подобны жидкостям. На тела, помещённые в газ, также действует выталкивающая сила. Именно под действием этой силы воздушные шары, метеорологические зонды, детские шарики, наполненные водородом, поднимаются вверх. А от чего зависит выталкиваюш,ая сила ? ♦ Опыт2. Два тела разного объёма, неодинаковой массы, погрузим полностью в одну и ту же жидкость (воду). Мы видим, что тело большего объёма выталкивается из жидкости (воды) с большей силой (рис. 139). Выталкивающая сила зависит от объёма погружённого в жидкость тела. Чем больше объём тела, тем большая выталкивающая сила действует на него. ♦ Опыт 3. Погрузим полностью два тела одинакового объёма и массы в разные жидкости, например воду и керосин (рис. 140). Нарушение равновесия в этом случае свидетельствует, что в воде на тело действует большая выталкивающая сила, это можно связать с тем, что плотность воды больше, чем плотность керосина. ВЗАИМ0даЙСТВИЕ1ВГ.^ Выталкивающая сила зависит от плотности жидкости, в которую погружено тело. Чем больше плотность жидкости, тем бдльшая выталкивающая сила действует на погружённое в неё тело. Обобщая результаты наблюдений и опытов можно сделать такой вывод. I На тело, погружённое в жидкость (газ), действует выталкивающая си-I ла, равная по значению весу жидкости (газа), вытесненной этим телом. Это утверждение называют законом Архимеда, древнегреческого учёного, который его открыл и, по легенде, успешно применил для решения практической задачи: определил, содержится ли в золотой короне царя Гиерона примесь серебра. Силу, которая выталкивает тело из жидкости или газа, называют еще архимедовой силой. На основе закона Архимеда можно сразу написать формулу для определения выталкивающей силы, но чтобы лучше понять, вследствие чего она возникает, выполним простые расчёты. Для этого рассмотрим тело в форме прямоугольного бруска, погружённого в жидкость таким образом, чтобы его верхняя и нижняя грани располагались параллельно поверхности жидкости (рис. 141). Посмотрим, каким будет результат действия сил дааления на поверхность этого тела. Согласно закону Паскаля горизонтальные силы и действующие на симметричные боковые грани бруска, попарно равны по значению и противоположно направлены. Они не выталкивают брусок вверх, а только сжимают его с боков. Рассмотрим силы гидростатического давления на верхнюю и нижнюю грани бруска. Пусть верхняя грань площадью S расположена на глубине А|, тогда сила давления на неё будет равна; F,=gp.hiS. где — плотность жидкости. Нижняя граньбруска площадью ^расположена на большей глубине А2, поэтому сила давления Fi на неё будет также больше, чем Fj: Обе силы давления F^ и F^ действуют вдоль вертикали, их равнодействующая и будет силой Архимеда /^д, направленной вверх в сторону большей силы F2, а её значение будет равно разности сил F2 и F^: fk=f2 - = - *|)- Поскольку разность hj — h^ является высотой бруска, то произведение S{h2 — hx) равно объёму тела и мы окончательно получаем формулу, являющуюся математическим выражением закона Архимеда: Действительно, поскольку жидкость не сжимается, то объём вытесненной телом жидкости равен объёму этого тела, и произведение равно массе жидкости /п* в объёме тела У^. В свою очередь, произведение является весом этой жидкости. Из приведённого расчета наглядно видно, что выталкивающая (архимедова) сила возникает вследствие того, что значения гидростатического давления на разных глубинах неодинаковы и возрастают с глубиной. Архимедовую силу можно определить экспериментально. ♦ Опыт 4. Подвесим тело к динамометру (рис. 142). Натело действует сила тяжести почти ЮН. Погрузим тело в жидкость (рис. 143). Динамометр показывает 6 Н. Определим разность показаний динамометра. Она равняется 4 Н. О »Т0 ИКЛПСНО ЗНАТЬ ' • Однажды у императора Цао-Цао, который правил в Китае свыше 2000 лет тому назад, возникла мысль взвесить слона. Как ни суетились сановники, никто из них не мог ничего придумать, ведь нигде не было ВЗДИМОДЕЙетеиеШ!:! таких гигантских весов, чтобы на них можно было взвесить слона. Когда все сановники признали свою беспомощность, пришёл человек по имени Чао Чун и сказал, что он может взвесить слона. Он попросил: «Прикажите поставить слона в большую лодку, после чего обозначьте уровень погружения лодки в воду. Снимите слона, а лодку загрузите камнями так, чтобы она погрузилась до отметки. Вес камней будет равен весу слона». Талантливый самородок, на много лет опередивший великого Архимеда, получил за своё предложение «щедрое» вознаграждение - благосклонный кивок императора Цао-Цао. 1> •ОПККЫ и 1АДАНИЯ 1. Назовите известные вам из жизни явления, указывающие на существование выталкивающей силы. 2. Что является причиной возникновения выталкивающей силы? 3. От чего зависит выталкивающая сила? 4. Как можно измерить силу Архимеда? 5. Будет ли действовать сила Архимеда на тело, плотно прилегающее к дну? УСЛОВИЯ ПЛАВАНИЯ ТЕЛ Вы уже знаете, что на погружённое в жидкость тело действуют две силы: сила тяжести = gm, напраыенная вертикально вниз, и архимедова сила f\~SPpK' направленная вертикально вверх. Под действием этих сил тело будет двигаться в сторону большей силы. При этом возможные следующие случаи: 1. Если сила тяжести меньше архимедовой силы /х)- тело будет всплы- вать (рис. 144, а). На поверхности оно будет плавать, частично погрузившись на глубину, которой достаточно для возникновения архимедовой силы, уравновешивающей вес тела. 2. Если сила тяжести равна архимедовой силе (/^яж “ то тело будет находится в равновесии в любом месте жидкости (рис. 144, б). 3. Если сила тяжести больше архимедовой силы {^тяж ^ ^)’ ТО тело утонет (рис. 144, в). Рассмотренные условия плавания тел в каждом случае определяются соотношением между плотностями жидкости и погружённого тела. 1. Если плотность тела меньше плотно- 144 сти жидкости (Рт < Рж), то тело будет плавать на поверхности, частично погрузившись в воду. ni2J Глава 2 2. Если плотность тела равна плотности жидкости (рт = рр), то будет наблюдаться состояние безразличного (индифферентного) равновесия, когда тело может зависнуть на любой глубине (в водоёмах это представляет опасность для судоходства из-за возможного столкновения). 3. Если плотность тела больше, чем плотность жидкости (рт > рр), то тело будет тонуть. Подводная лодка, опустившись на илистое дно, иногда с трудом может оторваться от него. Такое присасывание лодки ко дну возникает в том случае, когда лодка прижимается к грунту так, что между нею и грунтом нет воды. Значит, вода не давит на его нижнюю часть, т. е. не возникает выталкивающей силы. Для выполнения подводных работ используют водолазные костюмы (рис. 145). Они имеют массу до и более 50 кг, так как подошвы в них делают свинцовыми, чтобы увеличить вес водолаза и придать ему большую устойчивость во время работы в воде. Как же может водолаз передви-Рис. 145 гаться в таком тяжёлом костюме? Благодаря значительному объёму костюма выталкивающая сила волы уравновешивает почти вер» его вес, поэтому водолаз может свободно передвигаться в воде. Пользуясь аквалангом, изобретённым известным исследователем морских глубин французским учёным Жаком-Ивом Кусто, человек может долго находиться в воде и свободно плавать (рис. 146). Для исследования морей и океанов на больших глубинах используют батисферы и батискафы. Батисфера (от греческих слов батис — глубокий и сфера) — это очень прочный стальной шар с иллюминаторами (окнами) из толстого стекла. Внутри шара находятся исследователи, поддерживающие связь с кораблём. Батисферу опускают на стальном тросе. 11 f % Батискаф (от греческих слов батис — глубокий; скафос — судно) отличается от батисферы тем, что он не удерживается на тросе, а имеет собственный двигатель и может свободно перемешаться на больших глубинах (до 11 км) в любых направлениях (рис. 147). Тело, имеющее меньшую плотность, чем некоторые жидкости, по-разному погружается в них. Это явление используют в ареометрах (от греческих слов араиос - жидкий и метрео — измеряю) — приборах для измерения плотности жидкости по глубине их погружения. Любой ареометр — это стеклянный поплавок в виде трубки с делениями и грузом внизу (рис. 148, а). Он погружается в жидкость тем глубже, чем меньше плотность жидкости. В нижней части ареометра может быть термометр для измерения температуры исследуемой жидкости. Ареометры имеют ещё и другое название; их на-зивають денсиметрами (от латинских слов денсус — густой и метрео). Денсиметрами можно измерять плотности жидкостей от 0,7 до 2,0 На рисунке 148, 6 изображены денсиметры разных видов: / — денсиметр для измерения плотности жидкостей, плотность которых меньше, чем воды. Пределы измерения: 800—1000^; 2 — денсиметр для измерения плотности жидкостей, плотность которых больше, чем воды. п 1000—1200-^; Пределы измерения: м^’ 3 — денсиметр для измерения плотности жидкостей, плотность которых больше, чем воды. Пределы измерения: 1000—2000 4— спиртометр. Пределы измерения: 0—95 %; • 5— лактометр. Имеет метки: «Чистое молоко», «"^ воды», «"^ юды», воды». Плавающее тело своей подводной частью вытесняет воду. Вес этой воды равней силе тяжести, действующей на это тело. Это справедливо и для любого судна. Вес воды, которую вытесняет подводная часть судна, равен силе тяжести, действушей на судно с грузом. Все суда погружаются в воду на определённую глубину, называемую осадкой. Максимально допустимую осадку обозначают на корпусе судна красной линией, называемую ватерлинией (от голландского слова ватер — вода). Кроме ватерлинии на судах делают и другие пометки, обозначающие TD - тропическая тёплая вода; D - тёплая вода: Т - тропическая солёная вода; Е - летняя солёная вода; Н - зимняя холодная вода; HAN - зимняя Северная Атлантика Рис. 149 уровни погружения судна в разных морях и океанах в зависимости от времени года (рис. 149). Эго связано с тем, что плотность воды в различных местах Мирового океана разная, кроме того, она ешё зависит и от температуры воды (летом плотность меньше, чем зимой). Каждое судно имеет свое водоизмещение. Водоизмещение судна — это вес вытесненной судном воды, равный силе тяжести, действующей на судно с грузом при его погружении в воду. Наибольшие суда используют для перевозки нефти, их называют танкерами. Водоизмещение таких судов достигает 5 000 000 000 Н. Свыше 200 лет отделяют нас от первых воздушных полётов человека. 5 мая 1783 г. - первая публичная демонстрация полёта оболочки, наполненной горячим воздухом. 21 ноября того же года французские изобретатели братья Жозеф и Этьенн Монгольфье осуществили первый полёт воздухоплавателей (рис. 150). А через 10 дней французский физик Жак Шарль отправился в путешествие по воздушному океану на аэростате собственной конструкции, оболочка которого была наполнена водородом. Этот аэростат стал прообразом дирижаблей. Для исследования верхних слоёв атмосферы на метеорологических станциях запускают небольшие, диаметром 1—2 м, воздушные шары-зонды (рис. 151). Они поднимаются на высоту до 35-40 км. к ним подвешивают приборы, посылающие по радио сигналы о высоте полёта, давлении, температуре воздуха. По направлению и скорости полёта шара можно определить направление и силу ветра на разных высотах. Сведения, получаемые с таких зондов, очень важны для прогнозирования погоды. На рисунке 152 изображён управляемый летательный аппарат, который легче воздуха -дирижабль. Этот аппарат приводят в движение винты, которые вращаются двигателями. Существенный недостаток аппаратов такого типа заключается в том, что их оболочка наполняется огнеопасным газом водородом. Воздушные шары, стратостаты, дирижабли. зонды поднимаются вверх за счет того, что они наполнены газами, которые легче воздуха, и на них действует выталкиваюшая сила. |^>ТО ИНПР1СНО ЗНАТЬ • в июне 1893 г. канадский пароход «Порция» совершал рейс из порта Сент-Джон (Ньюфаундленд) в Нью-Брансвик. Мимо судна проплывали огромные ледяные горы - айсберги. Пассажиры захотели получше рассмотреть айсберг и уговорили капитана приблизиться к одному из них. «Порция» застопорила машины в 70 м от айсберга. Длина плавучей горы составляла почти 250 м. а высота - 60 м. Неожиданно ледяная глыба, искрящаяся на солнце, быстро отошла от парохода, и тотчас корпус судна содрогнулся от резкого толчка. Удивлённые матросы и пассажиры увидели, что пароход лежит на огромной льдине и с каждой секундой поднимается все выше и выше над поверхностью воды. Произошел невероятный случай! Известно, что время от времени айсберги переворачиваются. Пароход был подхвачен щелью в подводной части айсберга и оставался на вершине ледяной горы в течение нескольких минут. Потом айсберг пошатнулся и снова занял прещ>|дущее положение, а судно благополучно оказалось в воде. Впрочем, не совсем благополучно: в его обшивке образовалась трещина, и «Порция» едва добралась до ближайшего порта. 1> •ОПРОСЫ и ЗАДАНИЯ 1. Сформулируйте условия плавания тел. 2. В каком случае тело плавает, частично выступая над поверхностью жидкости? 3. В какой из жидкостей будет плавать лед: в керосине, воде или спирте? 4. Для чего используют денсиметры (ареометры)? 5. Почему тонет корабль, получивший пробоину? 6. Что такое осадка? Ватерлиния? Водоизмещение судна? 7. Кто впервые осуществил полет на воздушному шаре? 8. Назовите воздушные летательные аппараты. ГИДРОСТАТИЧЕСКОЕ ВЗВЕШИВАНИЕ Гидростатическое взвешивание — это метод измерения плотности жидкости или твёрдого тела, основанный на законе Архимеда. Плотность твёрдых тел определяют методом двойного взвешивания тела: сначала в воздухе, а потом в жидкости, плотность которой известна. Если определяют плотность жидкости, то в ней взвешивают тело известной массы и объёма. Если исследуемое сплошное твёрдое тело тонет в воде, то для выполнения задания нужен лишь лабораторный динамометр (или равноплечие весы) и сосуд с водой. Сначала определяют вес Р исследуемого тела в воздухе: Р= mg = pVg, где р — неизвестная плотность исследуемого тела, z. т п V обозначают соответственно его массу и объём. Потом твёрдое тело погружают в сосуд с жидкостью, плотность которой рд известна (в случае использования дистиллированной или чистой воды ро — 1000 и определяют вес тела Р^ в жидкости, который по закону Архимеда меньше веса тела в воздухе на значение силы Архимеда = gpg К Р^ = Р~ Fa, отсюда Fa = Р- Р\ или g^^V= Р- Р^. Из этой формулы можно определить плотность жидкости, если она неизвестна, а объём тела известен: Р-Р, Ро = - «г Объём жидкости, вытесненной телом, равен объёму тела, но поскольку Р — ^Vg то У= Подставим это в выражение для архимедовой силы, ОлР получим = отсюда и вытекает искомая формула для определения плотности вещества твёрдого тела: 1> ■ОПРОСЫ и 1АДАНИЯ 1. Что такое гидростатическое взвешивание? 2. Как можно измерить плотность твердого тела? 3. Расскажите, как можно измерить плотность жидкости. 4. Какие приборы используются для измерения плотности твердого тела? Жидкости? ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЕП 9HUt\ №8 J ИЗМЕР1НИЕ ПЛОТНОСТИ ВЕЩЕСВА МЕТОДОМ ГИДРОаДТИЧЕСКОГО ВЗВЕШИВАНИЯ • Цель работы: измерить плотность твёрдого тела методом гидростати- ческого взвешивания. • Приборы динамометр, штатив с муфтой и лапкой, твёрдое тело и материалы: с привязанной нитяной петлёй, плотность которого нужно определить, сосуд с чистой водой. Ход работы 1. Повторите по учебнику материал § 32 о гидростатическом ювешивании. 2. Закрепите динамометр на штативе и подвесьте к нему на нитке тело. Определите по показаниям динамометра и запишите в таблицу значение веса телав воздухе/’(/’= (рис. 153, о). 3. Подставьте стакан с водой и опускайте муфту с лапкой и динамометром до тех пор, пока тело полностью не погрузится в воду (рис. 153, б). Определите по показаниям динамометра и запишите в таблицу значение веса тела в воде /*1. Разность между весом тела в воздухе и воле равняется выталкивающей силе {Fa = Р — Р\, F^= Доо^0- р 4. Вычислите плотность твёрдого тела р по формуле Р = Ро р_ р— и её значение запишите в таблицу. Плотность чистой воды равна 1000 ^ . 5. Пользуясь таблицей «Плотность твёрдых тел», определите, из какого вещества изготовлено тело. 6. Сделайте выводы. Вес тела в воздухе Р, Н Вес тела в воде Р^, Н Плотность вещества кг твёрдого тела р, ^ Решдем вместе I. Купаясь в реке с илистым дном, можно заметить, что ноги больше вязнут на мелких местах, чем на глубоких. Объясните, почему. Ответ: так как на глубоких местах действует большая выталкивающая сила. 2. Определите, какая архимедова сила действует на тело объёмом 5 м’, погружённое полностью в воду? Дано: К=5 м3 *=9,81^ р= 1000^ л = 49,05 кН Решение По формуле /х = gpp Ц. определим архимедову /Х = 9,81 — • 1000^ • 5 м3 *49 050 Н. Ответ: /4 = 49,05 кН. 3. Нужно ли учитывать загрузку судна при переходе его из моря в реку? Догружать или разгружать нужно судно, чтобы его осадка была не глубже ватерлинии? Ответ: при переходе судна из моря в реку нужно учитывать загрузку судна, так как плотность воды уменьшается. Судно нужно разгружать. ( У^ввиь Д ) 232. Почему по каменистому дну реки не так больно ходить босыми ногами, как по каменистому берегу? 233. Два мальчика легко подняли со дна озера камень на поверхность воды и вынесли его на берег. На берегу камень показался им намного тяжелее, чем подводой. Почему? 234. Для чего водолазы надевают ботинки со свинцовыми подошвами, а иногда ещё и на грудь и спину цепляют тяжелые свинцовые пластины (рис. 154)? 235. Известно, что, набирая из реки или озера воду, ведро легко поднимать до тех пор, пока оно находится в воде, и тяжелее - по мере вытаскивания его из воды. Объясните это явление. 236. Одинаковы ли натяжения якорной цепи корабля, когда якорь висит в воздухе или I находится в толще воды? I 237. Какая выталкивающая сила действует на тело ' объёмом 2 м^ полностью погружённое в | воду; в керосин? 238. Какой объём имеет тело, погружённое полностью в воду, если на него действует выталкивающая сила 40 Н? ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЕЛ Рис. 155 239. В какую жидкость полностью погрузили тело, если его объем равен 200 см^ и на него действует выталкивающая сила ! 60 Н? 240. Всплывёт или утонет: отливка свинца в ртути; дубовый брусок в бензине; кусок льда в керосине; масло в воде? 241. Почему жир в супе собирается на поверхности? 242. Почему пустая бутылка плавает на поверхности воды, а наполненная юдой тонет',’ 243. Отвечает ли законам физики такое описание: «... Мы не могли утонуть. Здесь можно вытянуться на воде во всю длину, лёжа на спине и сложив руки на груди, причём ббльшая часть тела будет оставаться над водой (рис. 155). При этом можно совсем поднять голову...»? 244. Тримаран - это широкя лодка, плавающая на трёх больших поплавках (рис. 156). В чём преимущество лодки такого типа? 245. Судно весит 100 0()0 000 Н. Сколько воды оно вытесняет? 246. Манометр, установленный на батискафе, показывает, что давление поды равно 9,8 МПа. На какой глубине находится батискаф? ( YpoHm » ) 247. Зависит ли выталкивающая сила, действующая на полностью погружённое в жидкость тело, от глубины его погружения? К весам подвеще-но два одинаковых алюминиевых тела. Нарушится ли равновесие весов, если оба эти тела погрузить в воду? Одно — в воду, а второе — в керосин? 248. Большинство водорослей имеет тонкий гибкий стебель. Почему им не нужны крепкие, твёрдые стебли? Что произойдёт с водными растениями, если выпустить воду из водохранилища, в котором они растут? 249. Почему выталкивающая сила, действующая на тело в любом газе, во много раз меньше выталкивающей силы, действующей на это же тело в жидкости? 250. Для чего предназначен плавательный пузырь у рыб? 251. Определите на опыте, больше или меньше плотности воды плотность ученической резинки. 252. Очистите картофелину и положите её в воду. Насыпайте в воду соль (размешивая её) до тех пор, пока картофелина не всплывёт. Как объяснить это явление? 253. Выполните такой опыт: в нижнюю часть стеариновой свечи воткните гвоздь так, чтобы свеча плавала в воде вертикально. Зажгите свечу. Как долго будет гореть свеча, плавая в воде? Как проще всего отделить сливки от молока? Что тяжелее: стакан молока или стакан сливок? Существует такой способ очи-ПАСния зерна от разных примесей: в раствор кухонной соли (20 %) высыпают, например, рожь, засорённую семенами сорняков. Семена сорняков всплывают на поверхность раствора, а зерно тонет. Как это объяснить? Утонет ли в воле стальной ключ в условиях невесомости, например на борту орбитальной станции, внутри которой поддерживается нормальное давление воздуха? Действует ли закон Паскаля в условиях невесомости? В каком молоке - неснятом или снятом - лактометр погружается глубже? Какие приборы изображены на рисунке 157? Для чего они предназначены? Почему щкалы у этих приборов неодинаковые? Как с помощью карандаша или линейки изготовить прибор для сравнения плотности жидкостей, которые содержатся в двух разных сосудах? Изготовьте модель денсиметра из пробирки (рис. 158). Для этого в пробирку положите столько кусочков свинца (стальных шариков или гвоздей), чтобы пробирка держалась на воде вертикально. Отметьте надфилем границу (уровень воды) между подводной и надводной частями пробирки. Выполните то же самое, погружая пробирку в другие жидкости. Если на погружённое в жидкость тело действует постоянная сила F\ = gp^Vf, то каким образом подводная лодка (рис. 159) погружается в море на большую глибину, а потом всплывает? Бывает, что подводная лодка, опустившись на илистое дно, не может подняться, несмотря на то, что балластные цистерны её пусты. Иногда приходится делать холостой выстрел из торпедного аппарата, чтобы сорвать лодку с места. Почему? 263. Аппарат(рис. 160),предназначенный для исследования морского дна и подводного мира, может погружаться на глубину до 6000 м. Рассчитайте давление морской волы на этой глубине. 264. Лёгкие резиновые шары, наполненные водородом, могут быстро подниматься вверх. Почему эти шары поднимаются? Почему на определённой высоте они лопаются? 265. Изменяется ли подъёмная сила аэростата с увеличением высоты его подъёма? Чему она будет равна, если объём аэростата равен 20 000 м’ и он наполнен водородом? Высота подъёма — 2 км. 266. Шар-зонд (рис. 161) объёмом 10 м' перед запуском в верхние слои атмосферы наполнили гелием. Какая выталкивающая сила будет действовать на шар-зонд? Будет ли она изменяться с высотой? '|И(ТОРИЧ1СКАЯ CtlPAIKif Роберт Гук (18.07.1635 - 03.08.1703) в историю науки вошёл как автор закона зависимости силы упругости от деформации тела и коэффициента упругости. Ему также принадлежит немало работ по оптике, теплоте, небесной механике, в частности, установление точек таяния льда и кипения воды; постоянства точек кипения и плавления для всех тел; клеточного строения организмов; усовершенствование микроскопа; становление физической оптики; а также выводы о том, что сила всемирного тяготения обратно пропорциональна квадрату расстояния между телами. Бурный темперамент Гука был источником его изобретений. В 1684 г. он представил Королевскому обществу первую в мире систему оптического телеграфа. В 1666 г. в Лондоне произошёл большой пожар, и Роберт Гук стал архитектором. Перестройка города включала даже проектирование мостов через Темзу, канала, церкви, госпиталей Бедлама и Христа, торговых помещений. Известно участие Гука в строительстве Гринвичской обсерватории, которое длилось почти тридцать лет. Исаак Ньютон (05.01.1643 — 31.03.1727). Будущий учёный родился в Вульсторпе (графство Линкольн) в семье мелкого фермера. С детства увлекался механическими моделямы, строил маленькие водяные мельницы, делал самопалы, солнечные часы (в одном из музеев Англии сохранился циферблат часов свыше 350-летней давности). В 1658 г. Исаак Ньютон Галилео Галилей провёл первый физический опыт; стараясь определить скорость ветра, он измерял длину прыжка по ветру и против ветра. Предметом исследования Ньютона были механические, гравитационные, оптические явления. Ньютон сформулировал основные законы классической механики, открыл закон всемирного тяготения, явление разложения белого света на цветовые составляющие, развил теорию света, рассматривая его как поток подвижных световых частиц, разработал (независимо от Г Лейбница) основные разделы высшей математики. Обобщив результаты исследований своих предшественников и собственных по механике, создал фундаментальную работу «Математические начала натуральной философии», изданную в 1687 г. На надгробной плите учёного высечена трёхгранная призма, раскладывающая белый свет в спектр. В последние годы жизни занимал должность надзирателя, а позднее -директора Королевского монетного двора, где достигнул немалых успехов в перечеканке монет. Измерение атмосферного давления. Галилео Галилей (15.02.1564 — 08.01.1642) первым доказал, что воздух имеет вес. Он взвешивал стеклянный шар. Потом накачивал в него воздух и снова взвешивал. Разность между полученными результатами учёный правильно связал с весом воздуха, накачанного в шар. Но Галилей никак не мог объяснить другой опыт. Почему во всасывающем насосе с подведённой трубой высотой 12 м вода поднимается лишь доЮ м? И как бы долго не качали, вода выше не поднималась! Ученик Галилея Эванджелиста Торричелли (15.10.1608 -25.10.1647) пришёл к выводу, что жидкость «принуждает» подниматься не сила наших лёгких, а давление воздуха на её поверхность. В 1643 г. он провёл эксперименте ртутью, плотность которой в 13,6 раза больше, чем плотность воды. Торричелли рассчитал, что столб ртути высотой в 760 мм создаст такое же давление, как и 10-метровый столб воды. В 1648 г французский математик и физик Блез Паскаль (19-06.1623 -19.08.1662) провёл опыты с трубкой на склоне горы. Для этого под его руководством была проведена серия экспериментов с барометром при подъёме на вершину горы Пюи-де-Дон (высотой около 1300 м). С высотой уменьшалось количество воздуха над головой, а потому и давление воздуха становилось меньше по озавнению с давлением на уровне моря. Чем выше поднимался Паскаль, тем ниже опускался столбик ртути в его трубке. На основе этих экспериментов было впервые доказано, что с высотой атмосферное давление снижается. Изобретение гидравлического пресса. Независимо от С. Стевина законы гидростатики открыл Г. Галилей. Учёный считал, что жидкость состоит из маленьких шариков подобно частицам твёрдого тела. Эти частицы испытывают действие силы тяжести, но они довольно подвижны. Галилей приходит к интересному выводу: если жидкость находится в закрытой бутылке и одна часть поверхности испытывает определенное да- Эванджелиста Торричелли Блез Паскаль взАимо/да^ствиЕТЕЯУ.аз«авя вление (с помощью пробки), то это давление передаётся в жидкости так, что всякая другая часть поверхности такого же размера будет испытывать точно такое давление. Отсюда следует, что сила давления, которую испытывает поверхность бутылки, относится к силе давления на пробку, как плошадь поверхности бутылки относится к поперечному сечению пробки. Поэтому бутылку, наполненную водой, легко разбить одним ударом по пробке. Если под пробкой находится воздух, то он ослабляет удар. Все эти результаты Галилей использовал для конструирования гидравлического пресса, на который в 1594 г. получил патент сроком на 20 лет. Но гидравлический пресс Галилея не нашёл какого-либо существенного применения. Лишь через 200 (!) лет английский механик Джозеф Брама (1749 - 1814) в Лондоне получил патент на пресс, предназначенный для прессования сена и хлопка. Поэтому гидравлический пресс по обыкнс^нию называют прессом Брамы. В узком цилиндре 4 с прочными стенками движется с помощью рычага поршень. Этот цилиндр соединен узкой трубкой с другим, широким цилиндром В, в котором движется широкий цилиндрический поршень С (рис. 162). Джозеф Брама ПРОВёРЬТ! свои знания (KoH^wibHMe вопросы^ 1. Что происходит при взаимодействии двух тел? 2. Как учитывают явление инерции во время сбрасывания из самолёта парашютиста в заданный пункт? 3. Что такое масса тела? 4. Что характеризует сила? 5. Почему мяч, брошенный вертикально вверх, падает на Землю? Какие силы при этом действуют? 6. В чём состоит различие между весом тела и силой тяжести, действующей на него? 7. Сила трения качения меньше силы трения скольжения. Почему же зимой ездят на санях, а не на телеге? 8. Что такое давление и сила давления? 9. От чего зависит гидростатическое давление? 1 о. Каким свойством обладает атмосферное давление? 11, В чём заключается особенность жидкостных насосов? 12. Действует ли архимедова сила в условиях невесомости? (Что я зною и ymeto деяот^ я умею определять массу и вес тел. 1. Кит длиной 33 м имеет вес 1 500 000 Н, что соответствует весу 30 слонов. Определите массу кита и вес слона. Я знаю, а каких случаях действуют те или иные силы. 2. Чем объяснить приведённые ниже явления: а) наличием инерции; б) действием силы тяжести: в) действием силы упругости; г) существованием веса; д) невесомостью? A. Споткнувшийся человек падает вперёд. Б. Луна вращается вокруг Земли. ‘ B. Мосток через ручей прогибается, если на него стать. Г. Космонавты «плавают» в космическом корабле. Д. Пружина, к которой подвесили груз, растягивается. 3. Под действием какой силы происходят указанные явления: а) земного притяжения; б) упругости; в) трения? А. Яблоко падает с яблони. Б. Прекращается движение автомобиля после отключения двигателя. 'В. Мяч изменяет направление скорости при ударе в щтангу. Я знаю, как на рисунках изображают силы. 4.8 каких случаях {рис. 163 ) изображены: а) вес тела; б) сила тяжести; в) сила упругости? Я знаю, какие существуют приборы для измерения сил, и умею ими пользоваться. 5. Какие приборы изображены на рисунке 164? Определите массу и вес изображённых предметов. 6. По рисунку 165 определите силу тяжести, действующую на баклажан, и вес баклажана. Изобразите это графически. Какова масса баклажана? Рис. 164 Рис. 165 Я умею определять значения сил. 7. Какая сила тяжести действует на тело массой 1 кг 300 г? 8. Парашютист массой 70 кг равномерно опускается. Чему равна сила сопротивления воздуха, действующая на парашютиста? Я знаю как складывают силы. 9. Каков вид движения самолёта? (рис. 166)? Я знаю, какие тела плавают, а какие - тонут. Ю.Обьясните результаты опыта (рис. 167). 11. Почему железный цилиндр тонет в воде, а лёд - плавает? 12. Лёд плавает на воде. Будет ли он плавать в бензине? Вариант I 1. &лидаатела взаимодействуют между собой и первое из них после взаимодействия испытывает большее изменениескорости движения, то говорят, что ... A, Массы этих тел одинаковы. Б. Масса первого тела больше, чем второго. B. Масса первого тела меньше, чем второго. 2. Может ли двигаться тело, если на него не действуют другие тела? A. Может, если оно уже двигалось. Б. Не может. B. Может, но в скором времени остановится. 3. Одинаковую ли массу имеют одинаковые вёдра с питьевой и морской водой? А. Одинаковую. Б. Разную. 4. Изменится ЛИ сила тяжести, действуюшдтт на медную деталь, если её расплавить? А. Изменится. Б. Не изменится. 5. Чему равен вес шара массой 2 кг? A. 19,6 Н. Б. 29,4 Н. B. 21 Н. Г 18Н. 6. Какие из указанных причин влияют на значение силы трения? A. Природа трущихся поверхностей. Б. Силы, которые прижимают друг к другу трущиеся поверхности. B. Шершавость поверхностей тел. 7. Какие величины нужно знать, чтобы рассчитать давление жидкости на дно сосуда? A. Высоту столба и плотность жидкости. Б. Силу давления на дно и площадь дна. B. Вес жидкости и её объем. 8. Какому давлению в паскалях соответствует 1 мм рт. ст.? A. 1013 Па. Б. 133,3 Па. B. 133,3 гПа. Г. 10,13 Па. 9. В гидравлическом прессе плошддь малого поршня равна 4 см^, большого -400 см’. Какой выигрыш в силе даёт этот пресс? A. 100. Б. 400. B. 10. Г. 16 000 10.Чему равна сила, с которой воздух давит на поверхность стола длиной 1,2 м и шириной - 60 см? Атмосферное давление нормальное. А. 13 888 Н. Б. 7,2кН. В.7 200кН. Г. 72кН. 11 .Изменится ли значение архимедовой силы, действующей на подводную лодку, если она из моря зайдет в дельту реки? A. Не изменится, Б. Увеличится. B. Уменьшится. 12.Тело плавает внутри жидкости, если... A. Сила тяжести больше архимедовой силы. Б. Сила тяжести равна архимедовой силе. B. Сила тяжести меньше архимедовой силы. Вариант II 1. Если на движущееся тело не действуют другие тела, то скорость его движения... A. Уменьшается. Б. Увеличивается. . . B, Не изменяется. . 2. В ведро весом 19,6 Н налили 10 л воды. Какой стала общая масса ведра с водой? ' A. 29,6 кг. Б. 117,6 кг. B. 12 кг. Г. 20,6 кг, 3. Может ли тело двигаться, если сила тяги и сила трения равны между собой? A. Тело обязательно будет находиться в покое. Б. Тело может двигаться равномерно. B. Может, но скорость тела будет уменьшаться. 4. Какая сила тяжести действует на тело массой 3 кг? A. ЗОН. Б. 29,43 Н. B. 31 Н. Г. 29 Н. 5.Определите жёсткость пружины динамометра, к которому подвесили тело массой 100 г, и она удлинилась на 1 см? А.ЮОт?. Б.102Й-. В.98,177. Г.97—. М м ' М м 6. Зависит ли сила трения от площади поверхности трущихся тел? А. Зависит. Б. Не зависит. 7. Зависит ли давление жидкости на дно сосуда от площади его дна? A. Не зависит. Б. Давление тем больше, чем больше площадь. B. Давление тем меньше, чем меньше площадь. 8. При нормальном атмосферном давлении вода за поршнем насоса поднимается не более, чем на 10,3 м. На какую высоту при тех же условиях кг поднимется за поршнем нефть? Плотность нефти равна 800 . А.Ю.Зм. Б.12,9м. В.П.Зм. Г.8м, - Определите высоту уровня воды в водонапорной башне, если манометр, установленой у её основана, показывает давление 22 кПа. A. 2,2 м. Б. 10.3 м. B. 12м. Г. 22 м. О В воду бросают две одинаковые закупоренные бутылки - с водой и пустую. Одинаковые ли архимедовы силы будут действовать на них, если обе бутылки находятся под водой? А. Ббльшая на пустую бутылку, Б- Ббльшая на бутылку с водой. 6. Одинаковые. ' Тело весом 20 Н при погружении в воду вытесняет объём воды весом 15 Н. Утонет ли тело? A. Утонет, Б. Будет плавать внутри жидкости, B. Будет плавать на поверхности жидкости. 2-Пробирку поместили в мензурку с водой. Уровень воды при этом повысился от деления 100 до 120 мл. Сколько весит пробирка, плавающая в воде? A. 2Н. Б. 0,2 Н. B. 0,02 Н. Г. Правильного ответа нет. ГЛАВА РАБОТА И ЭНЕРГИЯ • Механическая работа и мощность • Кинетическая и потенциальная энергии • Закон сохранения энергии • Простые механизмы • Условие равновесия рычага • «Золотое правило» механики I §33) МЕХАНИЧЕСКАЯ РАБОТА. ЕДИНИЦЫ РАБОТЫ В повседневной жизни слово «работа» употребляется очень часто. Работой называют любую полезную работу рабочего, учёного, ученика. В физике понятия работы значительно уже. Прежде всего рассматривают механическую работу. J Механическая работа выполняется при перемещении тела под Г действием приложенной к нему силы. Рассмотрим примеры механической работы. Автомобиль тянет с определённой силой прицеп и перемешает его на некоторое расстояние, при этом выполняется механическая работа. Рабочий поднимает пакеты (рис. 168) и складывает их. Он выполняет механическую работу. Шайба движется по льду, под действием силы трения она через некоторое время останавливается. В этом случае также выполняется механическая работа. Рассмотрим, от чего зависит значение механической работы. Для того чтобы поднять груз массой I кг на высоту 1 м. нужно приложить силу 9,8 Н. При этом выполняется механическая работа. А для того чтобы поднять тело массой 10 кг на такую же высоту, нужно приложить силу, в 10 раз большую. Выполненная работа в этом случае будет в 10 раз больше. Если поднимать тело массой 1 кг не на 1 м, а, например, на 10 м, то работа, выполненная при подъёме груза на 10 м, будет в 10 раз больше работы, выполненной при подъёме тела на 1 м. I Следовательно, механическая работа прямо пропорциональна прило-Г женной к телу силе и расстоянию, на которое это тело перемещается. Чтобы определить выполненную механическую работу, нужно значение силы умножить на путь, пройденный телом в направлении действия силы, т. е. [механическая работа — Сила х Путь], (НЗ. где А — механическая работа: F - сила; / — путь, пройденный телом в направлении действия силы. Единицей работы в СИ является один джоуль (1Дж). (1 джоуль - это работа, которую выполняет сила 1 Н, перемещая тело на 1 м в направлении действия силы: 1 Дж =1Нх1м=1Н>м. Эта единица названа в честь английского физика Джеймса Джоуля. Единицами механической работы являются также килоджоуль и мегаджоуль: I кДж= 1000Дж; 1 МДж =1000 000 Дж. Рассмотрим случаи, когда механическая работа не выполняется. Мы хотим передвинуть тяжёлый шкаф, действуем на него с силой, но не можем сдвинуть его с места (т. е. / = 0) — работа не выполняется. Если тело движется по инерции (т. t. F = 0), то работа также не выполняется. ЮПРОСЫ И 2АДАНИ1 {•/' 1 - Какую работу называют механической? 2. Приведите примеры, когда тела выполняют механическую работу. 3. Как определяют механическую работу? 4. Назовите е^и^ницы механической работы. 5. В каких случаях робота не выполняется? I§34) мощнрсть.ЕДИНИЦЫмощноаи Рассмотрим следующие примеры выполнения механической работы. Двум ученикам одинаковой массы нужно подняться по канату вверх на одну и ту же высоту (рис. 169), т. е. выполнить одинаковую механическую работу. Один из них может выполнить это быстрее. Подъёмный кран на строительстве за несколько минут поднимает на заданную высоту, например, 4(Ю кирпичей. Если бы эту работу выполнял рабочий, перенося кирпич вручную, то он затратил бы на это весь рабочий день. Гектар земли сильная лошадь может вспахать за 10—12 ч, а трактор с многолемеховым плугом эту работу выполняет за 40-50 мин. В этих примерах один из учеников выполняет одну и ту же работу быстрее, чем другой, подъёмный кран -быстрее, чем рабочий, а трактор — быстрее, чем лошадь. Скорость выполнения работы характеризуют физической величиной, которую называют мощностью. Рис. 169 I Мощность - это физическая величина, которая определяется Г отношением выполненной работы к затраченному времени. Чтобы определить мощность, нужно работу разделить на время её выполнения: _____________________ ___________ Мощность , или ________ Время ) [___t_ где N — мощность; А — механическая работа; t — время. Единицей мощности в СИ является один ватт (I Вт). Она названа в честь английского изобретателя паровой машины Джеймса Уатта. ► 1 ватт - это мощность, при которой за 1 с выполняется работа 1 Дж: 1ватг= ,1 Дедуль 1 секунда ’* 1 с с Используют также другие единицы мощности; киловатт и мегаватт: I кВт= 1000 Вт; 1 МВт» I 000 000 Вт. Зная мощность двигателя N, можно определить работу/4, которую выполняет этот двигатель на протяжении определённого интервала времени /, по формуле: [7Н^. • Мощность сердца в покое у разных людей лежит в пределах 0, 7-1,8 Вт, т. е. она соизмерима с мощностью электрического звонка. При нагрузке она может возрастать в 2-6 раз, у тренированных людей - даже в 10 раз. Длительное время человек способен работать со средней мощностью 75 Вт, а кратковременно, например во время бега, - до 600 Вт. • Хвост голубого кита имеет горизонтальные лопасти. Он развивает мощность 368 кВт. Эта мощность только в 2 раза меньше мощности двигателя самолёта Ан-2 и в7 раз больше мощности двигателя трактора ДТ-75. • Тепловоз имеет мощность 4400 кВт, а ракета-носитель «Протон» -свыше 44 000 Мвт. ЮПРОСЫ N иДАНИ! 1. Что такое мощность? 2. По какой формуле определяют мощность? 3. Какие существуют единицы мощности? 4. Как можно определить механическую работу, зная мощность двигателя и время, в течение которого он работал? .С ^ Решаем емесге I. Какую работу выполняет трактор, тянущий прицепе силой 15 000 Н на расстояние 300 м? ~ Решение По формуле А= FIопределяем работу, выполненную трактором: - /4=15000 Н'ЗООм = 4500000Дж. Л = 4500 кДж = 4,5 МДж. Дано: F= 15 000 Н /=300м Ответ: трактор выполняет работу, равную 4500 кДж или 4,5 МДж. 2. Какую работу нужно выполнить, чтобы поднять мешок сахара массой 50 кг на второй этаж высотой 3 м? Дано; Решение. /и—*50 кг Работу для подъёма тела на некоторую Н=Ъы высоту определяем по формуле; g= 10^ А = FH. Если сила тяжести F = mg, тогда А = mgH. А= 50кг- lOii - 3 м = 1500ДЖ. 1500ДЖ. Ответ: чтобы поднять мешок сахара на второй этаж, нужно выполнить работу, равную 1500 Дж. 3. Определить мощность двигателя, если он за 10 мин выполнил работу 7200 кДж. ' Решение Дано: А — 7200 кДж = = 7 200 000 Дж /= 10 мин = 600 с N-? По формуле iV=-^ определяем мощность двигателя; д,^220000(Ц1ж ^ 12 000 Вт- 12 кВт. 600 с Ответ: мощность двигателя равна 12 кВт. ( YpoteHfc Л ) 267. Какие силы выполняют работу в случаях; а) паления камня на Землю; б) остановки автомобиля после выключения его двигателя; в) подъёма штанги спортсменом; г) подъёма воздушного шара. 268. Поднимая какой из грузов, подъёмник выполняет меньшую работу (рис. 170)? Во сколько раз? 269. Ящик передвигают по полу на расстояние 5 м. Сила трения равна 100 Н. Какую работу выполняют при этом? 270. Человек массой 70 кг поднимается на высоту 5 м. Какую работу он выполняет? 271. При подъёме тела массой 20 кг выполнена механическая работа 80 Дж. На какую высоту подняли тело? 272. Мощности автомобиля и -фактора почти одинаковы, а движутся они с разными скоростями. Почему? У какой из машин сила тяги больше? 273. Самолёт, построенный в 1882 г. инженером Александром Можайским, имел два паровых двигателя общей мощностью 22 кВт. Определите, какую работу выполняли эти двигатели за 0.5 ч. ( Уровень S ) 274. Электрокар тянет тележку со скоростью 3^, преодолевая силу сопротивления 400 Н. Какую работу выполняет двигатель электрокара за 8 мин? 275. Лифт, поднимая на шестой этаж 6 человек, выполнил работу 84 000 Дж. Масса одного человека - 70 кг. На какой высоте расположен шестой этаж? 276. Мальчик, масса которого 30 кг, за 20 с поднялся по ступенькам на высоту 10 м. Какую мощность развил мальчик? 277. Подъёмный кран работал 10 мин. За это время он выполнил работу 20 Мдж. Какую мощность развил подъёмный кран? 278. Определите мощность, развиваемую тракторюм, если он, двигаясь равномерно со скоростью 3,6 преодолевает силу сопрютивления 42 500 Н. 279. На гирю настенных маятниковых часов действует сила тяжести 8 Н. Какова мощность часового механизма, если за 24 ч гиря опускается на 120 см? 280. Подъёмный кран равномерно поднимает груз на высоту 10 м за 20 с. Какую мощность развивает кран, если на груз действует сила тяжести 5000 Н? КИНПИЧЕСКАЯ И ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ЭНЕРГИИ Для работы двигателей, приводящих в движение автомобили, трактора, тепловозы, самолёты, необходимо топливо, являющееся источником энергии. За счёт энергии волы, падающей с высоты, вращаются гидротурбины, соединённые с электрическими машинами, вырабатывающими электрический ток. Человеку для того чтобы существовать и работать, также необходим источник энергии. Говорят, что для того, чтобы выполнять любую работу, необходима энергия. Что же такое энергия? ♦ Опыт 1. Поднимем нал Землёй мяч. Пока он находится в состоянии покоя, механическая работа не выполняется. Отпустим его. Под действием силы тяжести мяч падает на Землю с определённой высоты. При падении мяча выполняется механическая работа. ♦ Опыт 2. Сожмём пружину, зафиксируем её нитью и поставим на пружину гирю (рис. 171). Пережжём нить, пружина распрямится поднимет гирю на некоторую высоту. Пружина выполнила механическую работу. ♦ Опыт 3. На тележке закрепим стержень с блоком на конце (рис. 172). Через блок перекинем нить, один конец которой намотан на ось тележки, „ Рис.171 РАБОТА И ЭНЕРГИЯ .^F^l а на втором висит грузик. Отпустим грузик, под действием силы тяжести он будет опускаться вниз и приведёт в движение те;1ежку. Грузик выполнил механическую работу. ♦ Опыт 4. Стальной шарик А, скатившийся по наклонной плоскости (рис. 173), также выполнил механическую работу: он переместил цилиндр Йна некоторое расстояние. Если тело или несколько тел при взаимодействии выполняют механическую работу, то это значит, что они имеют механическую 3 н е р ги ю, или э н е р г и ю. Мяч, поднятый над Землёй, сжатая пружина, движущийся стальной шарик имеют энергию. (Энергия - физическая величина, характеризующая способность тел выполнять работу. Энергия (от греческого слош э//е/»»ия—деятельность) обозначается бачьшой латинской буквой Е. Единицей энерши, а также и работы в СИ является один джоуль (1 Дж). Из приведённых опытов втшно, что тело выполняет работу тогда, когда переходит из од- Рис. 173 ного состояния в другое; поднятый нал Землёй грузик опускается, сжатая пружина распрямляется, движущийся шарик останавливается. Энергия тела при этом изменяется (уменьшается), а выполненная телом механическая работа равна изменению его механической энергии. Различают два вила механической энергии - потенциальную и кинетическую. Потенциальная энергия (от латинского слова потенциал -возможность) - это энергия, которая определяется взаимным положением взаимодействующих тел или частей одного тела. Поскольку любое тело и Земля притягивают друг друга, т. е. взаимодействуют, то потенциальная энергия тела, поднятого над Землей, будет зависеть от высоты подъёма А. Чем больше высота подъёма тела, тем больше его потенциальная энергия. Опытами установлено, что потенциальная энергия тела зависит не только от высоты, на которую оно поднято, но и от массы тела. Если тела подняты на одинаковую высоту, то тело, у которого масса больше, будет иметь и ббльшую потенциальную энергию. Во время падения поднятого тела на поверхность Земли сила тяжести выполнила работу, соответствующую изменению потенциальной энергии тела со значения её на высоте И до значения на поверхности Земли. Если для удобства принять, что потенциальная энергия тела на поверхности Земли равна нулю, то потенциальная энергия поднятого тела будет равна выполненной во время падения работе; Итак, потенциальную энергию тела, поднятого на некоторую высоту, будем определять по формуле: где £п — потенциальная энергия поднятого тела; т — масса тела; g = 9,81 Л — высота, на которую поднято тело. Большой запас потенциальной энергии у воды горных или равнинных рек, поднятых плотинами. Падая с высоты вниз, вода выполняет работу: приводит в движение турбины гидроэлектростанций. В Украине на Днепре построено несколько гидроэлектростанций, в которых используют энергию воды для получения электроэнергии. На рисунке 174 изображено сечение такой станции. Вода с более высокого уровня падает вниз и вращает колесо гидротурбины. Вал турбины соединён с генератором электрического тока. Потенциальной энергией обладает самолёт, летящий высоко в небе; дождевые капли в туче; молот копра при забивании свай. Открывая двери с пружиной, мы растягиваем её, преодолевая силу упругости, т. е, выполняем работу. Вследствие этого пружина приобретает потенциальную энергию. За счёт этой энергии пружина, сокращаясь, выполняет рабо^ - закрывает двери. Потенциальную энергию пружин используют в часах, разнообразных заводных игрушках. В автомобилях, вагонах пружины амортизаторов и буферов, деформируясь, уменьшают толчки. Потенциальная энергия пружины зависит от её удлинения (изменения длины при сжатии или растяжении) и жёсткости (зависит от конструкции пружины и упругости материала, из которого она изготовлена). Чем больше удлинение (деформация) пружины, и чем больше её жёсткость, тем большую потенциальную энергию она приобретает при.деформации. Такая зависимость свойственна любому упруго деформированному телу. Потенциальную энергию упругодеформированного тела определяют по формуле: - ь-" 2 де Е„ — потенциальная энергия упруго деформированного тела (пружины); к — жёсткость тела (единица жёсткости — 1 -^): х — удлинение (деформация) тела (пружины). РАБОТА И ЭНЕРГИЯ Но тела могут обладать энергией не только потому, что они находятся в определённом положении или деформируются, а и псггому, что они находятся в движении. (Кинетическая энергия (от греческого слова кинетикос - тот, что приводит в движение) - это энергия, которой тело обладает вследствие собственного движения. Кинетической энергией обладает ветер, её используют для сообщения движения ветряным двигателям. Движущиеся массы воздуха оказывают давление на наклонные плоскости крыльев ветряных двигателей и заставляют их врйщаться. На рисунке 175, а изображена ветряная мельница, в которой за счёт энергии ветра мелют зерно. Современные довольно мощные ветряные двигатели (рис. 175, 6) используют для того, чтобы вырабатывать электроэнергию, качать из скважин воду и подавать её в водонапорные бащни. Движущаяся вода или нагретый пар, вращая турбины электростанции, теряет часть своей кинетической энергии и выполняет работу. Самолёт, летящий высоко в небе, кроме потенциальной обладает и кинетическуй энергией. Если тело находится в состоянии покоя, т. е. его скорость относительно Земли равна нулю, то и его кинетическая энергия относительно Земли будет равна нулю. Опытами установлено, что чем больще масса тела и скорость, с которой оно движется, тем больше его кинетическая энергия. Выявленная зависимость математически выражается такой формулой: ■ = ^ 2 где — кинетическая энергия тела; т — масса тела; о — скорость движения тела. ВОПРОСЫ И МДМ1И1 [iy' 1. Что называют энергией? 2. Какую энергию называют потенциальной? Кинетической? 3. От чего зависит потенциальная энергия тела, ло.1У1Ятого над Землёй? 4. Как определяют потенциальную энергию упруго деформированного тела 5. Как определяют кинетическую энергию тела? ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ Из рассмотренных примеров следует, что все тела в природе обладает или потенциальной, или кинетической энергией. Но в большинстве случаев тело (например, самолёт в полёте) обладает одновременно и потенциальной, и кинетической энергией. Сумму потенциальной и кинетической энергий тела называют полной механической энергией. В природе, технике и быту можно наблюдать взаимный переход потенциальной и кинетической энергий тел. ♦ Опыт 1. Рассмотрим приборе грузиком и пружиной (рис. 176), выясним, какие изменения энергий этих тел будут происходить во время его действия. Поднимая грузик массой т на высоту А нал пружиной, мы сообщаем ему запас полной механической энергии £ потенциального вида: £= £^| = mgh. При падении грузика его потенциальная энергия уменьшается, но возрастает скорость V, а вместе с ней и кинетическая энергия £к ■ На уровне пружины вся потенциальная энергия превратится в кинетическую, а за её счёт пружина сожмётся и приобретёт потенциальную энергию £„2 = • При этом кинетическая энергия грузика перейдёт в потенциальную энергию упруго деформированного тела (пружины). Когда со временем пружина распрямится и сообщит грузику скорость L>, её потенциальная энергия снова перейдёт в кинетическую энергию грузика, за счёт которой он поднимется на высоту А. Далее процесс мог бы повторяться бесконечно, при этом значение запаса полной механической энергии грузика и пружины было бы постоянным и в любой момент движения бьшо бы равным сумме всех видов энергии; -Ещ + -gn2 + = с°"я| ■ На самом деле движение будет затухать и со временем прекратится, поскольку исходный запас энергии израсходуется на преодоление сил трюния и сопротивления воздуха. ♦ Опыт 2. Изменение потенциальной и кинетической энергий можно наблюдать также с помощью прибора, который называется маятником Максвелла (рис. 177). РАБОТА И ЭНЕРГИЯ 11391 Если накрутить на ось нить, то диск прибора поднимется на некоторую высоту А и будет иметь запас полной механической энергии потенциального вида Е— Ejj = т^. Если диск отпустить, то он, вращаясь, начнёт падать. При падении потенциальная энергия диска уменьшается, но вместе с тем возрастает его кинетическая энергия, т. е. происходит изменение потенциальной и кинетической энергий. В конце падения диск приобретает такую кинетическую энергию ^ которой достаточно длятого, чтобы он снова поднялся почти на прежнюю высоту. Если бы не было потерь энергии на выполнение работы по преодолению сил сопрютивления, то движение маятника повторялось бы бесконечно, а его полная механическая энергия имела бы постоянное значение и в любой точке была бы равна сумме потенциальной и кинетической энергий диска: £=Яп На основе многочисленных исследований движения и взаимодействия тел, подобных рассмотренным нами примерам, был установлен очень важный закон сохранения механической энергии. Если изолированные от внешнего влияния тела взаимодействуют между собой силами тяготения и упругости, то их полная механическая энергия остаётся неизменной во время движения, т. е. всегда выполняется соотношение: £п + = const , I При этом энергия не создаётся из ничего и не исчезает, а только I переходит из потенциальной в кинетическую энергию и наоборот. На практике любое движение тел происходит при наличии большего или меньшего сопротивления среды. Для примера рассмотрим движение груза, опускающегося на парашюте (рис. 178). До раскрытия парашюта груз движется вниз, увеличивая собственную скорость падения. Псггенциальная энергия груза уменьшается, за счёт чего юз-растает кинетическая енергия и выпал- j няется работа по преодолению сил со- , противления воаоуха. После раскрытия парашюта резко возрастает сопротивление воздуха и уменьшаются скорость падения, а вместе с нею — и кинетическая энергия груза. Уменьшение скорости падения груза происходит до определённого значения, достигнув которого он начинает хшигаться вниз с постоянной скоростью. Кинетическая энергия груза при этом также остаётся постоянной. потенциальная же энергия всё время уменьшается вместе с высотой. РисГТтв" Полная механическая энергия груза в наивысшей точке Еу равна его потенциальной энергии в этой точке, т. е. Еу = Е„ — mgh\ полная механическая энергия груза в момент приземления равна его кинетической энергии в этот момент, т. е. = Е^ - . Работа по преодолению сил сопротивления воздуха при падении груза была выполнена за счёт уменьшения его полной механической энергии и определяется формулой: Итак, всегда при наличии сопротивления среды механическая работа ;инжушегося тела выполняется за счёт уменьшения его полной механической энергии. То же происходит, когда при движении действуют силы трения между твёрдыми телами. Например, при подходе поезда к станции двигатель тепловоза не работает, работа против сил трения выполняется за счёт уменьшения кинетической энергии поезда, скорость которого при этом уменьшается. Rsw ЙОПРОСЫ И ЗАДАНИ1 ll/' 1 - Приведите примеры, когда тела имекэт потенциальную и кинетическую энергии. 2. В чём заключается закон сохранения механической энергии? 3. В каких случаях закон сохранения механической энергии не выполняется? л iii 2'“' ^ Решаем вместе 1. Какое из тел на рисунке 179 имеет наибольшую потенциальную энергию? Наименьшую? Вычислите их, если все тела подняты на высоту 2 м. Ответ: все тела находятся на одинаковой высоте, поэтому наибольшую потенциальную энергию имеет тело 2, масса которого 5 кг, а наименьшую - тело масса которого 2 кг. Рис. 179 Чтобы вычислить значение этих энергий, воспользуемся формулой: Е„ = mgh. £п2 = 5 кг ■ 9,81 • 2 м * 98,10 Дж, i;,, =2 кг-9,81 ■2м = 39,24Дж. 2. Тело массой 10 кгподняли на высоту Юм иотпустали. Какую кинетическую энергию оно будет иметь на высоте 5 м? ^противлением воздуха пренебречь. Дано: I Решение /и = 10 кг Тело массы т, поднятое на высоту Л, имеет А=10м I потенциальную энергию »= от^А. РАБОТА И ЭНВ»ГИЯ А| = 5 м «=9,8|| Если тело падает, то на некоторой высоте h\ оно имеет потенциальную энергию = mgh\ и кинетическую Е^х. Пользуясь законом сохранения энергии, запишем; = £п1 + Тогда £^,= Ey^ - £п1 = - mgh[ = mg(,h - Подставив значения величин, получим; А,). , Н г(10м-5м) = 490,5Дж. Ответ: £.i £^1 = 10кг-9,81-; = 490,5 Дж. ( YpoMib * ) 281. Дополните предложения; При падении мяча вертикально вниз увеличивается его ... энергия и ... потенциальная энергия. Энергия - ... величина, которая характеризует способность тела выполнять ..., единицей энергии является .... 282. Вместо точек впишите названия физических величин или их единиц; скорость движения тела — ...; ...-1 Н; ... - 1 Дж; энергия —.... 283. Опр)еделите, каким видом механической энергии (кинетической, потенциальной, кинетической и потенциальной) обладают тела (или не имеют механической энергии); а) мчащийся поезд; б) летящий самолёт; в) сжатая пружина; г) подвешенная к потолку люстра; д) лежащий на футбольном поле мяч (мяч считать материальной точкой). 284. За счёт чего мы забиваем гвоздь в дерюво молотком? 285. Тела массой 5 кг и 3 кг движутся с одинаковой скоростью. Которое из них имеет большую кинетическую энергию? 286. Объясните, какие изменения энергии происходят в таких случаях; а) при падении воды в водопаде (рис. 180); б) при подбрасывании мяча вертикально вверх в) при закручивании пружины будильника (рис. 181); г) на примере дверной пружины. 287. Объясните, зачем вагоны поезда оборудованы буферами. 288. С какой целью хрупкие вещи перед перевоз- Рис. 180 КОЙ упаковывают в солому или вату? Рис. 181 [ 1421 Глава 3 289. Какую потенциальную энергию имеет тело массой 3 кг, поднятое на высоту 10 м? 290. Определить массу тела, поднятого на высоту 5 м, если его потенциальная энергия равна 981 Дж. 291. Какую потенциальную энергию имеет пружина, если её сжал и на 8 см? Жёсткость пружины 100-^. 292. Велосипедист массой 70 кг движется со скоростью 36 Какова кинетическая энергия велосипедиста? 293 Могут ли два тела разной массы иметь одинаковую кинетическую энергию? При каком условии? 294. У какого автомобиля должны быть «мощнее» тормоза; легкового или грузового? Почему? 2';.: Почему резиновый мяч подскакивает, если бросить его на пол? Какие изменения энергии происходят при этом? 296. Запас какой энергии имеет пружина заведённых ручных механических часов? Что означает «завести пружину часов»? 297 Почему дрова рубят не малым, а массивным топором? За счёт какой энергии разрушается дерево? 298. Почему на дорогах легковым автомобилям разрешено ехать с большей скоростью, чем грузовым? 299. Украинский спортсмен Сергей Бубка, выполняя прыжки с шестом (рис. 182), преодолел высоту 6 м 20 см. За счет какой энергии он поднялся на такую высоту? Какие изменения энергии происходили во время прыжка? 300. Для акробатических прыжков, прыжков в воду, прыжков при выполнении некоторых гимнастических упражнений применяют трамплин, который является упругой доской, закреплённой с одного конца. Объясните принцип действия трамплина и вспомните, какие изменения энергии происходят при этом. '1)1 За счёт какой энергии санки спускаются со снежной горы? Какие изменения энергии происходят при этом? Какиим видами энергии обладают санки на середине спуска? ^'1; Ветер, дующий с большой силой на открытом месте, значительно ослабевает, если на его пути есть лес, а в лесу совсем стихает. На что расходуется при этом кинетическая энергия движущегося воздуха? Как используют это явление для борьбы с суховеями в степных районах? ■ 303. Какая река - горная или равнинная - имеет ' РАБОТА И ЭНЕРГИЯ больший энергетический ресурс? С какой оговоркой нужно ответить на этот вопрос? 304. Перегораживая реку плотиной (рис. 183) при сооружении гидроэлектростанции, решают три проблемы. Какие? Поясните. Какова роль плотины? 305. Тело массой 20 кг упало с крыши лома высотой 25 м. Определите потенциальную и кинетическую энергии тела на высоте Юм. Рис. 183 306. Какие виды энергии имеет груз массой 2 т в кузове автомобиля, движущегося по дороге со скоростью 72 ^^? Определите их. Высота кузова -1,2 м. I §ЗЙ МАШИНЫ и МЕХАНИЗМЫ Орудие, которюе держит человек выполняя работу, повторяет те движения, которые выполняет рука. Например, разбивая скорлупу ореха, молоток так же поднимается и опускается, как и кулак. Такие движения не всегда имеют достаточную точность и скорость. Удары молотком, клинком или остриём не всегда попадают в одно и то же место обрабатываемого тела. При шитье лёгкой иглой с нитью приходится поднимать ю много раз более тяжёлую руку, выполняя при этом лишнюю работу. Потребность уменьшить работу на ^полезные движения, увеличить скорость и точность действия орудия работы обусловила необходимость удерживать это орудие не просто рукой, а закреплять его в специальных устройствах, которые выполняли бы абсолютно точные и быстрые движения. Видимо, таким путём реализовывалась потребность человека в машинах и механизмах. Например, швея за одну минуту выполняет около 50 стежков, а сконструированная для этой самой операции швейная машина с механическим приводом делает 1500 одинаковых стежков за одну минуту. В переводе с древнегреческого слово «механизм» означает орудие, устройство. В эпоху расцвета греческого театра (500 г. до н. э.) с помощью специальных устройств поднимали и опускали на сцене актёров, которые изображали богов. Эти устройства называли «механе», отсюда, наверное, и происходиттермин «механизм» и др. Когда человеку при выполнении работы нужно переместить какое-то тело относительно других тел или изменить направление его движения, он использует специальные устройства, называемые механизмами. Как свидетельствует история, человек начал использовать один из первых механизмов — лук - ещё за 12 тыс. лет до н. э. Множество механизмов используются в современной технике и быту, в частности колесо, шестерни, петли, клин и др. I Механизм - это устройство, которое передает движение или I превращает один вид движения в другой. Рис,184 Рис.188 Рис. 185 Рис. 186 Слово «машина» стали широко употреблять лишь с XVIH в. Им называли устройства, изобретённые инженерами для выполнения основных производственных операций (работы). Человек лишь управлял такими устройствами-машинами. Если, например, человек копает землю лопатой (орудием труда), экскаватор (машина) (рис, 184) выполняет то же самое действие своим ковшом. Электромагнитный кран грузит метал (рис. 185), крановшик лишь управляет этим процессом. Машинами являются также велосипед (рис. 186), используемый человеком для передвижения, батискаф - подводный аппарат (рис. 187) для исследования морских глубин, космический корабль (рис. 188), без которого было бы невозможно освоение космического пространства. Для выполнения работы в каждой машине имеется соответствующий рабочий орган: у экскаватора — ковш, подъёмного крана — электромагнит, велосипеда - ведущее колесо. Рабочий орган машины нужно приюдить в движение, затрачивая энергию: в велосипеде - мышечных усилий ног человека, в экскаваторе и космическом корабле — энергию сгорания топлива, в електромагнитном кране -электрическую энергию. Следовательно, в каждой машине должно быть устройстю, в котором тот или иной вид энергии превращается в механическое движение. Такое устройство называют двигателем. Механическое движение от двигателя к рабочему органу машины сообщается разными передаточными механизмами (например, шестернями, цепями). Таким образом, в каждой машине имеется три основне части - рабочий орган, передаточный механизм и двигатель. Наличие этих трёх частей отличает машину от других технических устройств. РАБОТА И ЭНЕРГИЯ ]Машина - это механизм или сочетание механизмов для Г преобразования энергии из одного вида в другой. В наше время всё шире и шире используются не отдельные машины, а системы машин автоматического действия. ■ОПРОСЫ Н ЗДДАИИ1 1. Что называют механизмом? Машиной? 2. Укажите, что из перечисленных названий является машиной, а что - механизмом: колесо, автомобиль, лук, экскаватор, клин, самолёт, петля, ракета. 3. Назовите механизмы, используемые в автомобиле. 1> I §38) ПРОСТЫЕ МЕХАНИЗМЫ Тысячи лет тому назад люди выполняли все работы с помощью силы мышц. Со временем они изобрели различные механизмы, чтобы облегчить свой труд. Люди убедились в том, что намного легче перемещать грузы, перекатывая их на катках. На основе этого они изобрели колесо (рис. 189). Представьте, что вам нужно поднять, например, ящик, который наполнен инструментами и весит намного больше, чем вы (рис. 190). Как это сделать? Наверное, нужно найти крепкую жердь или металлический стержень, нижним концом упереть его в грунт под ящиком и поднять груз, воспользовавшись механизмом, который называют рычагом. I Рычаг- это твёрдое тело, которое может вращаться вокруг непо-Г движной опоры. Блоки помогают поднимать и опускать грузы. ^ Б л ок'- это колесо сжёлобом, закреплённое в обойме (рис. 191). Через жёлоб блока пропускают верёвку, трос или цепь. ♦ Опыт 1. К нити прикрепим груз. Нить перекинем через блок. Свободный конец нити прикрепим к динамометру. При подъёме и опускании груза ось блока не движется. Динамометр показывает значение силы, с которой мы поднимаем груз (рис. 192). I Неподвижный блок - это блок, ось которого при подъёме или Г опускании грузов неподвижна. Изменяя положение динамометра, обрашаем внимание на то, что показания динамометра остаются постоянными. Подвесим груз к крючку динамометра. Показание динамометра будет таким же. ♦ Опыт 2. Один конец нити прикрепим, например, к штативу, а второй - к динамометру (рис. 193). На нити подвесим блок с тем же грузом. Полнимая или опуская груз, мы видим, что вместе с ним движется и блок (поэтому его назвали подвижным). Кроме того, показание динамометра стало вдвое меньше, чем вес груза. Подвижный блок - это блок, ось которого поднимается или опускается вместе с грузом. Подвижный блок даёт выигрыш в силе в два раза. , ‘ Подвижный блок вы можете увидеть в любом подъёмном кране. Он объединён обоймой с крюком крана (рис. 194). Вброт - это разновидность рычага. Он предназначен для получения выигрыша в силе. Вброт часто используют в сельских колодцах (рис. 195). С его помощью лаже ребенок может вытянуть полное ведро воды. Во многих случаях вместо того, чтобы поднимать груз на некоторую РАБОТА И ЭНЕРГИЯ Рис.197 высоту, его вкатывают или втягивают на ту же высоту с помошью наклонной плоскости. Поднимая груз вдоль наклонной плоскости, получаем выигрыш в силе во столько раз, во сколько длина наклонной плоскости больше её высоты (рис. 196, а, б). Наклонная плоскость (рис. 197) облегчает подъём грузов. Хотя идти по ней приходится дольше, но усилий нужно затрачивать намного меньше, чем при подъёме груза вертикально вверх. Винтовая лестница (рис. 198) также является наклонной плоскостью, обвивающей ось, подобно резьбе винта. По винтовой лестнице подниматься легче, чем по вертикальной, но приходится преодолевать большее расстояние. Винт (рис. 199), как и винтовая лестница, — также наклонная плоскость. Винты используют для скрепления деталей. Клин разновидность наклонной плоскости. Клин является основной частью колющих, режущих, строгальных инструментов: иглы, ножа, ножниц, топора, стамески, рубанка, лемеха плуга. Шестерни (рис. 200) — это зубчатые колёса. Их используют для регулирования скорости вращения. Одна шестерня может врашать соседнюю с большей или меньшей скоростью. Например, шестерня, имеющая 5 зубьев, вращается вдвое быстрее, чем шестерня с 10 зубьями. В этом можно убедиться, наблюдая за работой механического миксера. Упомянутые устройства изменяют значение силы или её направление и используются для выполнения механической работы. 1 Устройства, предназначенные для изменения силы по значению Г или направлению, называют простыми механизмами. Рис. 201 Без простых механизмов мы не можем обойтись ни одного дня (рис. 201, о, 6, в). ВОПРОСИ к ЗАДАНИЯ 1. Назовите простые механизмы, которые человек использует в своей деятельности. 2. Что такое рычаг? 3. Чем отличается подвижный блок от неподвижного? 4. Для чего используют наклонную плоскость? 5. Назовите разновидности наклонной плоскости. 6. Какой выигрыш в силе даёт подвижный блок? Наклонная плоскость? УСЛОВИЕ РАВНОВЕСИЯ РЫЧАГА. МОМЕНТ СИЛЫ Рис.202 Как уже отмечалось, рычаг — твёрдое тело, которое может вращаться около неподвижной опоры. Его применяют для изменения направления и значения силы, например для уравновешивания большой силы малой. Рычаг имеет следующие характеристики (рис. 202). Точка приложения силы — это точка, в которой на рычаг действует другое тело. Ось вращения — прямая, проходящая через неподвижную точку опоры рычага О, и вокруг которой он может свободно вращаться. Рассмотрим случай, когда ось вращения расположена между точками приложения сил и F2. Линия действия силы — это прямая, вдоль которой направлена сила. Плечо силы — кратчайшее расстояние от оси вращения тела О до линии действия силы. Плечо силы обозначается буквой к. Единицей плеча силы в СИ является один метр (1 м). ♦ Опыт. Возьмём рычаг, подобный изображённому на рис. 203. На расстоянии 10 см от оси вращения подвесим к нему 6 грузиков, каждый массой по 100 г. Чтобы уравновесить рычаг двумя такими же грузиками, нам придётся их подвесить с другой стороны рычага, но на расстоянии 30 см. Следовательно, для того чтобы рычаг находился в равновесии, нужно к длинному плечу приложить силу, во столько раз меньшую, во сколько раз его длина больше длины короткого плеча. Такое правило рычага описывают формулой обратно пропорциональной зависимости: RT « » 1|ИПк6|^В1Лв|4|иК<М>п м Да да ■ в ■■ «а :: IP- где fi и /^2 ~ силы, действующие на рычаг; d^vi d2 — плечи соответствующих сил. Поэтому правило (условие) равновесия рычага можно сформулировать так. 1 Рычаг находится в равновесии тогда, когда значения сил, действу-I ющих на него, обратно пропорциональны плечам этих сил. С тех пор, когда Архимед установил правило рычага, оно просуществовало в первозданном виде почти 1900 лет. И лишь в 1687 г. французский учёный П. Вариньон придал ему более общую форму, используя понятие момента силы. 1 Момент с и л ы М - это физическая величина, значение которой опрю-Г делается произподопиом модуля силы F, вращающей тело, и ее плеча d; \M^Fd\. Единицей момента силы в СИ является один ньютон-метр (1 Н * м), равный моменту силы 1 Н, приложенной к плечу 1 м. Докажем, что рычаг находится в равновесии под действием двух сил, если значение момента М\ силы, вращающей рычаг против часовой стрелки, равно значению момента Л/г силы, вращающей его по часовой стрелке, т.е.: f| d2 Из правила рычага = jj" на основе свойства пропорции вытекает равенство: Ы = ti4 ■ Но F\d\ = Л/] —момент силы, вращающей рычаг против часовой стрелки (рис. 202), F^di = М2 — момент силы, вращающей рычаг по часовой стрелке. Таким образом: что и требовалось доказать. Итак, правило (условие) равновесия рычага можно ещё сформулировать так. Рычаг находится в равновесии под действием двух сил, если зна-> чение момента силы, вращающей рычаг против часовой стрелки, равно значению момента силы, вращающей его по часовой стрелке. Момент силы — важная физическая величина, она характеризует действие силы, показывает, что оно зависит и от модуля силы, и от её плеча. Например, мы знаем, что действие силы на дверь зависит и от модуля силы, и оттого, где приложена сила: дверь тем легче повернуть, чем дальше от оси вращения приложена сила, действующая на неё; гайку легче открутить длинным гаечным ключом, чем коротким; ведро тем легче вытянуть из колодца, чем длиннее ручка ворота. g> ВОПРОСЫ и ЗАДАНИЯ 1. Назовите основные характеристики рычага. 2. Что такое плечо силы? 3. Что такое момент силы? 4. От чего зависит момент силы? 5. Сформулируйте правило (условие) равновесия рычага. Приборы ВЫ1СН1НИЕ УСЛОВИЙ РАВНОВЕСИВ РЫЧАГА на опытах проверить, при каком соотношении сил и их плечей рычаг находится в равновесии. Проверить правило моментов. рычаг на штативе, набор грузиков, динамометр. и материалы: линейка с миллиметровыми делениями I Ход работы !1. Уравновесьте рычаг, вращая гайки на его ^ концах так, чтобы он разместился горизон- ^ тально (рис. 204) |2. Подвесьте два грузика к левой части рычага на ( расстоянии 10 см от оси вращения. На опыте i установите, на каком расстоянии справа от оси вращения нужно подвесить 1) один грузик; 1 2) два грузика; 3) три грузика; 4) четыре грузика. Рис. 204 13. Считая, что каждый грузик весит 1 Н, запишите данные и результаты • измерений в таблицу (с. 151). |4. Рассчитайте отношение сил и отношение плечей для каждого опыта. ^ Сделайте выводы. 5. Проверьте правило моментов сил. Сделайте выводы. 6. Подвесьте три грузика справа от оси вращения рычага на расстоянии 6 см. С помощью динамометра определите силу, которую нужно приложить на расстоянии 15 см от оси вращения справа от грузиков, чтобы рычаг находился в равновесии. Как направлены в этом случае силы, действующие на рычаг? Покажите на рисунке. Рассчитайте отношение значений сил и плечей для этого случая и сделайте выводы. ь: _____ ffiiii'i ’ ' ■ I §40) «ЗОЛОТОЕ ПРАВИЛО» МЕХАНИКИ Рассмотренные нами простые механизмы применяют при выполнении работы в тех случаях, когда нужно меньшей силой уравновесить большую. Тогда перед нами встаёт вопрос: Простые механизмы дают выигрыш в силе, а дают ли они выигрыш в работе ? Уравновесим рычаг, приложив к нему две разные по значению силы f| и р2- Приведём рычаг в движение. При этом окажется, что за одно и то же время точка приложения меньшей силы проходит больший путь /2, а точка приложения большей силы F\ — меньший путь /|. Измерив эти пути /3 и /1 и сравнив их с плечами сил и d[, убеждаемся, что отношение путей равно отношению соответству- ‘ dj I2 ющих плечей {рис. 205), т. е. Видим, что теперь в правиле рычага можно заменить отношение плечей сил на отношение путей точек приложения сил, тогда получим: Из свойства пропорции вытекает: По определению механической работы: fj/i = At, а F2I2 = А2, т. е. = Ai, отсюда делаем следующий вывод. Рычаг выигрыша в работе не даёт. Это касается и других простых механизмов. Ни один из простых механизмов не даёт выигрыша в работе: во сколько раз выигрываем в силе, во столько же раз проигрываем в расстоянии. Это правило назвали «золотым правилом» механики. g> •ОПРОСЫ и ЗАДАМИ! 1. Дают ли простые механизмы выигрыш в силе? В работе? 2. Объясните, в чём заключается «золотое правило» механики. I §4й КО)ФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ (КПД) МЕХАНИЗМОВ Во время действия машин и механизмов всегда кроме необходимой работы приходится выполнять дополнительную работу на преодоление трения в подвижных частях, а также на перемещение этих частей. Например, применяя подвижный блок, приходится дополнительно выполнять работу, чт^ы поднять сам блок, верёвку и преодолеть силу трения в оси блока. Поэтому полная работа, выполняемая приложенной силой, всегда больше полезной работы. Какой бы механизм мы не взяли, полезная работа, выполненная с его помощью, всегда представляет лишь часть полной работы, i Отношение полезной работы к полной (затраченной) работе называют Г коэффициентом полезного действия (КПД) механизма. Определим, например, КПД наклонной плоскости, применив «золотое правило» механики (рис. 196). Работа, выполняемая во время подъёма тела вверх по вертикали, определяется произведением силы тяжести F^, действующей на тело, и высоты наклонной плоскости Л; A^ = F\h. На ту же высоту Л можно поднять тело, равномерно перемещая его вдоль наклонной плоскости длиной /, прикладывая к телу силу fj. Выполненная при этом работа определяется по формуле: Ai = Fil. Согласно «золотому правилу» механики, если нет трения, обе рассмотренные выше работы равны; = А-^, или Л = /^ /. При наличии трения робота /Ij всегда больше работы А{. А2>А\. А-^ равна полной работе, А\ — полезной работе. КПД обозначают греческой буквой Г| (эта) и выражают в процентах (%). Отношение полезной работы к полной работе определяет КПД наклонной плоскости: Так же рассчитывают КПД любых машин и механизмов. g> •ОПРОШ М ЗДДМН! 1. Что такое коэффициент полезного действия механизма? 2. Расскажите, как определяют коэффициент полезного действия механизма. 1мд\ 0ПРВД1ЛЕНИЕ КПД наклонной плоскопи убедиться на опытах втом, что полезная работа, выполненная с помощью наклонной плоскости, меньше полной и определить коэффициент полезного действия наклонной плоскости. доска, штатив с муфтой и лапкой, деревянный брусок, мера портняжная (рулетка) или линейка с миллиметровыми делениями. Ход работы 1. Установите доску наклонно, как показано на рисунке 206. 2. Измерьте высоту Л и длину / наклонной плоскости. Результаты измерений занесите в таблицу. Цель работы: Приборы и материалы: № опыта h, м A^=F^h, Дж 1, м F2, н A2 = F2l, Дж At Л=-т^100% Л2 1 2 3 3. Динамометром измерьте силу тяжести F\, действующую на брусок. 4. По формуле А] =/"lA рассчитайте полезную работу. 5. Зацепив брусок динамометром, равномерно перемещайте брусок вверх по наклонной плоскости. Измерьте силу тяги F2. 6. Рассчитайте работу, которую нужно выполнить, чтобы поднять брусок на высоту И по наклонной плоскости длиной I, использовав формулу Ai = Fjl.^ 1. По формуле Tj=^'100% рассчитайте КПД наклонной плоскости. Результаты занесите в таблицу. 8. Воспользовавшись «золотым 2^^ правилом» механики, определите, ' какой выигрыш в силе даёт наклонная плоскость, без учёта трения. 9. Измените высоту наклонной плоскости и для неё определите полезную и полную робату, а также КПД наклонной плоскости. » ) 1 i Т * • -. 1 1 ' ^ ^ Решрем вместе 1. Рассмотрите ножницы для резания листового металла и острогубцы для перерезания проводов (рис. 207). Почему у них ручки намного длиннее, чем лезвия? Ответ: ручки и лезвия инструментов действуют как плечи рычага. Умеренные усилия руки, приложенные к длинным ручкам, обеспечивают на коротких лезвиях необходимые для резания металла силы. 2. Что покажет динамометр, если рычаг находится в равновесии (рис. 208)? Масса гири равна 3 кг. Массой рычага пренебрегаем. Ответ: гиря массой 3 кг подвешена на расстоянии 5 делений от оси вращения. Динамометр закреплен на расстоянии 15 делений от оси вращения. Согласно правилу моментов сил: Л/, = Л/г, или Поскольку динамометр действует на плечо, которое втрое длиннее плеча с подвешенной гирей, то он покажет значение силы 10 Н, что втрое меньше веса гири 30 Н. 3. На короткое плечо рычага подвесили груз массой 100 кг. Чтобы поднять его, к длинному плечу приложили силу 250 Н. Груз подняли на высоту 8 см, при этом точка приложения действующей силы опустилась на 40 см. Определите КПД рычага. Рис.208 Дано: т = 100 кг «=9,8li * КГ F= 250 Н А, = 8 см = 0,08 м Ат = 40 см = 0,4 м Решение Для определения КПД рычага используем Ап формулу: л - ”100 9 Полезная работа : А„ = т^А|. Затраченная робота: = Fh2- Тогда л =-^-100%. Пщставив значения величин, получим: 100 кг-9,81 0,08 м л=- 250Н 0,4 м ■ 100% = 78 9 Ответ: л = 78 %. В этом случае также выполняется «золотое правило». Часть полезной работы (22 %) затрачивается на преодоление трения в оси рычага, а также на перемещение самого рычага. . КПД любого механизма всегда меньше 100 %. Создавая механизмы, конструкторы стремятся увеличить их КПД. Для этого они уменьшают трение в осях механизмов и их массу. ( Ypo—ь A } 307. Выберите из приведённых примеров тела, которые выполняют работу: а) штангист держит над главой штангу; б) домохозяйка держит в руках сумку; в) девочка едет на санках с горы; г) ученик сидит за столом и решает задачу; д) рабочий складывает детали вяшик; е) трактор пашет землю. 308. Мальчик поднял груз на высоту 50 см, приложив силу 60 Н. Какую работу он выполнил? 309. Ящик под действием силы 40 Н переместили на расстояние 120 см. Определите выполненную при этом работу. 310. Вода весом 45 кН подается с помощью насоса на высоту 5 м за 5 мин. Какова мощность насоса? 311. Экскаватор поднимает ковш на высоту 2,5 м за 10 с. Масса ковша вместе с грузом равна 2000 кг. Определите мощность двигателя, которую он развивает при подъёме нагруженного ковша. 312. На сколько увеличится потенциальная энергия тела массой 1 кг, если его подняли на высоту 15 м? 313. Какой вид энергии используется во время торможения электропоездов с помощью сжатого воздуха? Как она накапливается? 314. Потенциальная энергия зависит от массы тела и высоты, на которую оно поднято. Придумайте опыты, которыми это можно подтвердить. 315. Кинетическая энергия зависит от массы тела и скорости его движения. Придумайте опыты, которыми это можно подтвердить. 316. Почему спичку легко разломить посредине и труднее отломать маленький кусок от неё? 317. Почему, разрезая толстую бумагу или картон, размешаем их ближе к оси ножниц (см. рис. 201, о)? 318. Подметая пол, щётку держат двумя руками. Какая рука больше работает? 319. Карандаш или ручка является рычагом. Где размешается точка опоры при писании? 320. Объясните действие весла как рычага (рис.209). 321. С какой целью все подъёмные краны оборудуют противовесами? 322. Почему легче откручивать (закручивать) гайки ключом (см. рис. 201,^? 323. Как найти середину бруска, не измеряя его мины? 324. Если, пользуясь неподвижным блоком, мы не имеем выигрыша в силе, то с какой целью его применяют? 325. Какую силу нужно приложить, чтобы с помощью неподвижного блока поднять груз весом 400 Н? 326. Какую силу нужно приложить, чтобы с помощью подвижного блока поднять груз весом 720 Н? 327. Почему легче катить бочку на машину по наклонной доске, а не поднимать её? 328. Почему дорога в горах имеет много поворотов? 329. Рассмотрите винт для металла (саморез) и Рис. 210 ВИНТ для дерева (шуруп). В чем состоит разница : между ними? ; ' > j <1 Верно ли утверждение: «Выполняя работу, тело (или система тел) переходит из одного состояния | энергии в другого»? I В каком случае.выполняется ббльшая работа: при i перемещении тела на расстояние 8 м под действием j силы 25 Н или при перемещении тела на рассто- I яние 20 м под действием силы 5 Н? I Определите мощность машины, которая подни- I мает молот массой 200 кг на высоту 0,75 м 120 раз в одну минуту. Парашютист опускается на парашюте. За счёт какой энергии движется парашютист? Какие при этом происходят изменения энергии? Какими способами можно увеличить кинетическую и потенциальную энергии тел? ' Одинаковую ли потенциальную энергию будут иметь кирпичи, положенные на разные грани? Ломом поднимают груз так, что точка опоры проходит как раз посредине лома. Какой выигрыш в силе при этом пслужм? На рисунке 210 изображена установка, предназначенная для подъёма и опускания грузов. Укажите, какой из блоков подвижен, а какой — неподвижен. Нарисуйте силы, которые действуют на подвижный блок и груз. Какую силу нужно приложить, чтобы поднять груз? Как изменится ответ в задаче, если использовать не один подвижный блок, а два или четыре? РАБОТА И ЭНЕРГИЯ_____________________________________________ ^ , 157 338. В каких слесарных и столярных инструментах используют свойства клина? Запишите названия этих инструментов и укажите, какая часть инструмента является клином. 339. Рассмотрите руль, педаль и передачу велосипеда {рис. 186). В каком из этих механизмов достигают выигрыш в силе, а в каком ^ в скорости? Дайте пояснения. 340. Машины объединяют в себе целый ряд простых механизмов. Найдите их в экскаваторе (рис. 184), который применяется для земляных работ. 341. С давних пор человек для своих нужд использовала водяные мельницы (рис. 211: / — жёлоб; 2—водяное колесо; i—сухое колесо; 'Z—цевковое колесо; 5— пол; 6— кожух жерновов; 7- жернова; жёлоб для муки; 9— устройство для дозирования зерна). Какие простые механизмы используются в мельнице? Какие изменения механической энергии происходят при работе мельницы? В чём используется это изменение энергии? 342 Мальчик везёт санки вверх, прикладывая силу 6(Ю Н. Длина горы — 60 м, высота — 12 м, вес санок с грузом — 3600 Н. Определите КПД горы. 343. Высота наклонной плоскости — 1,2 м, а длина — 10,8 м. Чтобы поднять по этой плоскости груз массой 180 кг, нужна сила 250 Н. Определите КПД наклонной плоскости. & ИСТОРИЧ1СКАЯ СПРАВКА ^ Из жизим учёных Одним из величайших механиков мира был знаменитый учёный Архимед (около 287-212 гг. до н. э.). Ещё учась в Александрии (Египет), Архимед применял свои замечательные научные знания для конструирования многих, машин. В частности, учёный изобрёл бесконечный винт и водоподъёмную машину, названную архимедовым винтом (рис. 212). Водоподъёмная машина Архимеда - это цилиндрическая труба длиной 4-6 м, открытая с обеих сторон. По оси трубы размещён вал с винтовой поверхностью. Один конец винта располагали в том месте, куда должна была подниматься вода, второй - опускали в жидкость. При вращении винта вода поднималась вдоль трубы и выливалась из верхнего отверстия. Таким образом, действие винта основано фактически на принципе наклонной плоскости. Винт Архимеда имеет преимущество перед поршневым насосом, поскольку давал возможность осуществлять подъём загрязнённой ветками воды. Этим изобретением Архимеда мы пользуемся и по сей денъ в обычных кухонных мясорубках. По возвращении в Грецию знаменитый учёный жил в родном городе Сиракузах на о. Сицилия в Средиземном море. По легенде, Архимед, увлечённый своими исследованиями, однажды заявил царю Сиракуз Гидрону, что мог Рис. 212 Рис,213 ,, Глава 3 бы перевернуть Землю, если бы имел точку опоры. Удивлённый царь предложил Архимеду показать ему, как с помощью малой силы можно поднимать большие грузы. Архимед согласился и приказал вытянуть на берег царскую грузовую триеру, посадить на нее весь экипаж и загрузить корабль. Разместившись на некотором расстоянии, Архимед, двигая рукой блок, соединённый с системой механизмов, стал тянуть корабль к себе так тихо и ровно, словно тот плыл по воде. Поражённый увиденным, царь Гидрон, предложил Архимеду сконструировать для него военные машины, которые можно было бы использовать для обороны Сиракуз. К тому времени Сиракузы принимали участие во Второй Пунической, или Аннибаловой, войне, где одной воюющей стороной были римляне, а второй - карфагеняне. В эту войну было втянуто много народов Западного Средиземноморья (испанцев, галлов, греков, македонцев). Один из выдающихся полководцев мира - Ганнибал осуществил трудный военный поход из Испании через Альпы в Италию, где ему удалось разгромить три римские армии. В ответ римляне в 213 г. до н. э. начали осаду греческого города Сиракузы. Без сомнения, Архимеда можно назвать родоначальником и статики. Он впервые предложил теорию рычага и, в частности, сформулировал закон рычага: «Измеренные величины весов находятся в равновесии, если расстояния отточек их приложения до точки опоры обратно пропорциональны этим весам». Работы Архимеда дали возможность создать научную теорию учения о рычагах. Для защиты родного города Архимед изобрёл ряд военных машин; катапульты, выбрасывающие камни разной величины на большое расстояние; «журавлиные клювы», которые опускались на канатах и захватывали носы вражеских кораблей, раскачивая и поднимая их. Элементами всех этих конструкций были блоки, винты, зубчатые колёса, пружины и водяные двигатели. Когда римские войска окружили Сиракузы, 75-летний Архимед возглавил оборону родного города. Сконструированные им механизмы поражали воображение современников. Большие потери, понесённые римскими войсками от «железных лап» и метательных машин Архимеда, привели, по словам Плутарха, к тому, что «римляне стали такие боязливыми, что когда замечали, как над стеной движется канат или бревно, то кричали: «Вот, вот оно!» - и, думая, что Архимед хочет направить на них какую-небудь машину, быстро убегали». Несколько месяцев длилась осада Сиракуз, и только благодаря предателям, открывшим ворота, римляне в конце концов смогли ворваться в город. «Немало примеров мерзкой злости и жадности можно было бы припомнить, - пишет Тит Ливий (I в. до н. э.) об ограблении Сиракуз, - но наиболее значительный из них - убийство Архимеда. Среди дикой сумятицы, под вопли и топот озверевших солдат, Архимед спокойно размышлял, рассматривая начерченные на песке фигуры, и какой-то грабитель заколол его мечом, даже не подозревая, кто это» (рис. 213). ПРОВЕРЬТЕ СВОИ ЗНАНИЯ (Контрольные вопросы^ 1. в каких случаях можно сказать, что тело обладает энергией? 2. От каких величин зависит потенциальная энергия поднятого над Землёй тела? 3. От каких величин зависит потенциальная энергия ^руго-деформированного тела? 4. От каких величин зависит кинетическая энергия тела? 5. Какие изменения энергии происходят при падении воды с плотины? 6. Для каких физических величин в СИ единицей является 1 джоуль? 7. Что такое машина и механизм? Чем они отличаются между собой? Приведите примеры использования простых механизмов на строительной плошддке. 8. О чём свидетельствует правило равновесия рычага, или правило моментов сил? 9. В чём проигрывают, пользуясь рычагом, подвижным блоком, наклонной плоскостью, дающими выигрыш в силе? 10. В чём заключается «золотое правило» механики? 11. Почему при применении механизмов для подъёма грузов и преодоления других сопротивлений полезная работа не равна полной (затраченной)? 12. Что такое коэффициент полезного действия (КПД)? Может ли он бьп"ь ббльшим единицы? Что я зною и умею делд1ь^ я знаю, какие есть единицы физических величин. 1 - Вместо точек вставьте соответствующие значения физических величин: 15 Дж= ... Н-м; 145 Вт = ... кВт; 1 кВт = ... 120 •— = ■.. Вт; 12 МВт = ... Вт = ... ^;32 МДж = ... кДж = ... Дж = ... Вт с. Я умею определять механическую работу, которую выполняет тело, и мощность механизма. 2. Два мальчика массой 40 кг каждый поднялись на вершину горы высотой 50 м. Один поднимался прямо вверх, а второй шёл вверх по спирали. Кто из мальчиков выполнил ббльшую работу? Рассчитайте её. 3. Вычислите 8 ваттах мощность сердца спортсмена во время соревнований, зная, что при одном сокращении оно выполняет работу 16 Дж и за одну минуту делает 240 сокращений. 4. Ветряные электростанции являются экологически чистыми и дешёвыми. Мощность ветродвигателя, изображённого на рисунке 214, равна 2 500000 Вт. Какую работу может выполнить такой двигатель за одни сутки? , Я знаю, какие есть виды энергии. 5. За счёт какой энергии идут часы, движется снаряд в стволе пушки, поднимается ракета, течёт вода в реке, вращаются крылья ветряной електростанции? Рис. 214 я умею определять энергию тела. Пружину жёсткостью 200 сжали на 5 см с помощью тела массой 200 г. Какую потенциальную энергию сообщили пружине? Какую наибольшую скорость получит тело, когда пружина распрямится? Какой будет кинетическая энергия этого тела? Я знаю, какие есть простыв механизмы. Какие части тел живых организмов можно рассматривать как простые механизмы? Я умею определять, какой выигрыш в силе дают простые механизмы. Определите выигрыш в силе во время использования ножниц. Какой выигрыш в силе можно получить с помощью рычага длиной 2 м, если ось вращения расположена на расстоянии 20 см от груза? 10. Какой выигрыш в силе можно получить с помощью системы блоков, состоящей из трёх подвижных и трёх неподвижных блоков? Я знаю условие равновесия рычага. 1. К коромыслу весов подвесили два цилиндра одинаковой массы: свинцовый и алюминиевый. Весы находятся в равновесии. Нарушится ли равновесие, если оба цилиндра опустить в воду? В керосин? Я умею определять КПД простого механизма. 2. В нагнетательном водяном насосе ручка под действием силы 15 Н перемещается на расстояние 40 см за один ход поршня. Поршень насоса оказывает сопротивление 50 Н и поднимается на высоту 10 см. Определите КПД насоса. (Теоовые задания^ Вариант I 1. В каких из перечисленных случаев выполняется механическая работа? A. Стальной шарик катится по горизонтальному столу. Б. Кирпич лежит на Земле. B. Кран поднимает груз. Г. Груз висит на нити. 2. Воздушный поток поднял ястреба массой 400 г на высоту 70 м. Какую работу выполнила сила, поднявшая птицу? A. 280 Дж. Б.28ДЖ. B. 2,8 Дж. Г.ЗООДж. 3. Какую мощность развивает человек, который за 15 с поднимает ведро воды весом 120 Н из колодца глубиной 20 м? A. 160 Вт. Б. 90 Вт. B. 360 Вт. Г. 120 Вт. 4. Какую работу может выполнить двигатель мопеда мощностью 600 Вт за 5 мин? А. 180 кДж. РАБОТА И ЭНЕРГИЯ Б. 3000 Дж. В.1800 Дж. Г. Правильного ответа нет. 5. Какой массы тело подняли на высоту 10 м над Землёй, если его потенциальная энергия равна 1200 Дж? А. 120кг. Б, 1,2кг. В, 12кг. Г. 1200кг. 6. Какую потенциальную энергию сообщили пружине жёсткостью 100 если её растянули на 10 см? ' А. ЮДж. Б. 1 ДжВ. 0,1 Дж. Г. 0,5 Дж. 7. Автомобиль массой 2 т движется со скоростью 20 Какова его кинетическая энергия? А. 80 кДж. Б. 800 кДж. В. 40 кДж Г. 400 кДж. 6. Какую силу нужно приложить к рычагу длиной 2 м, чтобы поднять камень массой 100 кг, если точка опоры расположёна на расстоянии 40 см от камня? А. 25 Н. Б. 250 Н. В. 2500 Н. Г. Правильного ответа нет. 9. Какой груз можно поднять, использовав подвижный и неподвижный блоки и приложив силу 200 Н? А. 20 кг. Б. 200 кг. В. 100 кг. Г 40 кг. 10. Какой из простых механизмов относится к наклонной плоскости? А. Блок. Б. Клин. В. Рычаг. Г. Нет таких. 11. Какую полезную работу нужно выполнить, чтобы поднять на высоту 2 м по наклонной плоскости бочку массой 200 иг? А. 200 Дж. Б. 400 Дж. В. 4000 Дж. Г. 40 кДж. 12. Высота наклонной плоскости равна 1 м, а длина -10 м. Чтобы поднять по этой плоскости груз массой 150 кг, нужна сила 250 Н. Определите КПД наклонной плоскости. А. 56 %. Б. 60 %. В. 75 %. Г. Правильного ответа нет. Вариант II 1. В каких из перечисленных случаев выполняется механическая работа? A. Стальной шарик, выпущенный из рук, падает на Землю. Б. На столе стоит гиря. B. По гладкой горизонтальной поверхности стекла катится металлический шарик. Г. Человек, стоящий на месте, держит на плечах мешок с сахаром. 2. Рабочий с помощью подвижного блока поднял груз на высоту 1 м, приложив к свободному концу верёвки силу 160 Н. Какую работу он выполнил? А. 80 Дж. Б. 160 Дж. В. 240 Дж. Г. 320 Дж. 3. Какую мощность развивает трактор, равномерно двигаясь на первой скорости (v = 3,6 1^), если сила тяги трактора равна 12 кН? А. 12кВт. Б.43,2кВт. В. 120кВт. Г. 1,2кВт. 4. Какую работу выполняет человеческое сердце мощностью 1 Вт за 10 мин? A. 1,6Дж. Б. 0,0016 Дж. B. 0,016Дж. Г. Правильного ответа нет.___________________________________________ I 5. На какую высоту подняли тело массой 2 кг над Землёй, если его потенциальная энергия равна 600 Дж? А. 300 м. Б. 30 м. В.Зм. Г. 3000 м. 6. Пружину жёсткостью 40 сжали на 5 см. Какова её потенциальная энергия? А, 2Дж. Б. 1Дж. В.0.05ДЖ. Г. 0,9Дж. 7. Трактор массой Ютдаижется со скоростью 5 . Какова его кинетическая энергия? А. 250кДж. Б. 25кДж. В. 12,5кДж. Г. 125кДж. 8. Какую силу нужно приложить к лому длиной 1,2 м, чтобы поднять бетонный блок массой 250 кг, если точка опоры расположена на расстоянии 20 см от блока? А. 200 Н. Б. 2500 Н. В. 1000 Н. Г. Правильного ответа нет. 9. Какой груз можно поднять, использовав подвижный и неподвижных блока и приложив силу 100 Н? А. 20 кг. Б, 10 кг. В. 100 кг. Г. 40 кг. 10. Какой из простых механизмов относится к рычагу? А. Блок. Б. Клин. В. Винт. 11. Какую полезную работу нужно выполнить, чтобы поднять на высоту 3 м по наклонной плоскости бревно массой 400 кг? А. 1200ДЖ. Б. 12кДж. В.4000Дж. Г. 120кДж. 12. Высота наклонной дороги равна 10 м, а длина - 100 м. Чтобы поднять по этой плоскости автомобиль массой 1 000 кг. нужно приложить силу 2 500 Н. Определите КПД наклонной дороги. А. 50%. Б. 60%. В. 40%. Г. Правильного ответа нет. /1^ КОЛИЧЕСТВО ТЕПЛОТЫ. ^ ТЕПЛОВЫЕ МАШИНЫ • Тепловое состояние тел • Измерение температуры Внутренняя энергия и способы её изменения • Виды теплообмена • Количество теплоты • Удельная теплоёмкость вещества • Плавление и кристаллизация твёрдых тел • Удельная теплота плавления - Испарение и конденсация жидкостей Удельная теплота парообразования ' Сгорание топлива • Удельная теплота сгорания топлива • Тепловые двигатели • Закон сохранения энергии в механических и тепловых процессах I §4j) ТЕПЛОВОЕ ДВИЖЕНИЕ. ТЕМПЕРАТУРА ТЕЛА. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ Из уроков физики в 7 классе вы знаете, что тела состоят из молекул. Молекулы находятся в непрерывном хаотическом (беспорядочном) движении и взаимодействуют между собой. Каждая отдельная молекула совершает механическое движение, подобное тому, что мы изучали ранее. Двигаясь с большой скоростью, она сталкивается с другими молекулами и при этом изменяет направление движения. Из рис. 215 видно, что траектория отдельной молекулы — это сложная ломаная линия, но можно определить пройденный молекулой путь и скорость её движения. Наблюдать такое движение, даже вооружённым глазом, невозможно из-за чрезвычайно малых размерюв движущихся частиц. Только в специальных сложных опытах можно видеть результат механического движения групп молекул. Исследование движения молекул методами механики ешё больше усложняется из-за чрезвычайно большого количества двигающихся частиц в обычных телах. Практически неюзможно проследить за всеми «участниками» движения: миллиарды миллиардов маленьких частиц движутся с большими скоростями в разных напраЕшениях, сталкиваются друг с другом и со стенками сосуда, изменяют собственные скорости движения (рис. 216). Таким образом, возможности изучения движения молекул средствами механики очень ограничены. Как же всё-таки можно исследовать механические характеристики движущихся молекул в телах: оценить скорости молекул, пути, которые они проходят между столкновеньями и пр. ? Оказывается, что результатом беспорядочного механического движения молекул является не только перемещение их в пространстве, но и тепловое состояние тела, степень его нагретости. Чем быстрее движутся молекулы, тем выше температура тела и наоборот; если повышается температура тела, то и увеличивается скорость движения молекул. Поэтому хаотическое КОЛИЧЕСТВО ТЕПЛОТЩ^НМ движение огромного количества молекул изучают методами физики тепловых явлений, а само такое движение называют тепловым. 1 Тепловое движение - это беспорядочное движение молекул Г и атомов, определяющее температуру тела. В свою очередь, знания о строении вещества итепловом движении позволяют объяснить различные тепловые явления. Предположим, что в двух сосудах содержатся газообразные молекулы разной массы, например в одной — кислород, а в другой — азот. Омыты свидетельствуют, что при одинакоюй температуре средние кинетические энергии молекул обоих веществ одинаковые, а значения средних скоростей молекул оказываются различными. Таким образом, приходим к выводу, что температура тела — это физическая характеристика теплового состояния вещества, из которого состоит тело, степени его нагретостн, и она определяется значением средней кинетической энергии хаотического движения частиц вещества. Несколько столетий назад наукой ещё не была признана теория молекулярного и атомного строения вещества, поэтому представление о температуре тела возникло не в связи сдвижением молекул и атомов в нём, а из сравнения ощущений тепла или холода, хотя они неточны и часто субъективны. Для объективных измерений температуры во время контакта с исследуемой средой были созааны специальные приборы - термометры. Действие термометров основывается на разных физических явлениях, зависящих от температуры: тепловом расширении жидкостей, газов, твёрдых тел, изменении с температурой электрических сюйств вещества и др. Чаше всего используют жидкостные термометры, с помощью которых можно измерять температуру в широких пределах. Опыты свидетельствуют, что при контакте горячего и холодного тел их температуры со временем выравниваются, т. е. горячее тело остывает, а холодное — нагревается. Установление теплового равновесия между несколькими телами означает, что их температуры становятся одинаковыми и в дальнейшем уже не будут различаться. С молекулярной точки зрения это означает, что в состоянии теплового равновесия во всех контактирующих телах кинетическая энергия беспорядочного движения частиц вещества одинакова. Отсюда следует, что при измерении температуры жидкостным термометром нужно соблюдать такие правила: поместить колбу термометра в ту среду, температуру которой измеряют: подождать определенное время, пока столбик жидкости в трубке термометра оспшновится, т. е. пока не установится тепловое равновесие между колбой и средой; не вынимая термометр из среды, опреде^тть по шко/ге значение его температуры. В 1597 г. Г. Галилей сконструировал прибор — прототип термометра, который назвал термоскопом. Термоскоп Галилея (рис. 2! 7) состоял из тонкой стеклянной трубки с небольшой колбой на верхнем конце. Открытый нижний конец трубки опускали в сосуд с водой, которая заполняла и часть трубки. Когда воздух в колбе нагревался или охлаждался, то столбик воды в трубке опускался или поднимался. 217 212 192 172 152 132 112 92 72 52 32 - 12 0 -28 а /ор 80 70 60 - 50 - 40 - 30 - 20 - 10 0 - -10 -1 -20 -30 Лр 100 - 90 - НО - /0 - ьо - ьо - 40 - 30 20 10 0 -10 - -20 -30 -40 в ^ Гос Поскольку высота столбика зависела как оттемпературы, так и от атмосферного давления, то измерять температуру термоскопом было невозможно, тем не менее он позволял сравнивать температуры разных тел в одно и то же время и в одном и том же месте. Уже тогда врач и анатом Санкториус из Падуанского университета, не зная о термоскопе Галилея, сконструировал собственный подобный термометр и применял его для измерения температуры тела человека. Первый современный термометр (рис. 218, а) был описан в 1724 г. Габриэлем Фаренгейтом, стеклодувом из Голландии. Современников учёного удивляло, что показания разных спиртовых термометров, изготовленных Фаренгейтом, согласовывались между собой. Секрет Фаренгейта состоял в Рис. 218 том, что он тщательно наносил деления на шкалу, используя для этого несколько опорных точек. За О “F — первую фиксированную точку -Фаренгейт принял температуру плавления смеси льда, воды и нашатыря (аммоний хлорида NH4CI), Вторую точку - 32 "F - он получил, погружая термометр в смесь воды и льда. Свою шкалу Фаренгейт проверял, измеряя нормальную температуру тела человека. Новая точка приходилась на 96 °F. Позднее он ввёл ешё и четвёртую опорную точку - точку кипения воды при нормальных условиях. Ей соответствовала метка 212 ®F. Разные термометры Фаренгейта можно было сверять друг с другом, сравнивая их показания в разных постоянных точках шкалы. Поэтому они прославились своей точностью. Шкалой Фаренгейта до сих пор пользуются в Англии и в США. Во Франции в практику вошла шкала Реомюра (рис. 218, б) (около 1740 г.), построенная на точках замерзания воды (0"R) и её кипения (80'^R). Г. Реомюр на основании измерений вывел, что вода расширяется между этими двумя точками на 80 тысячных долей своего объёма (правильное значение 0,084). Спиртовые термометры Реомюра со временем были заменены ртутными термометрамы Делюка (1740 г), поскольку коэффициент расширения ртути в меньшей степени изменялся с температурой по сравнению со спиртом. Современная температурная шкала (рис. 218, в) была предложена в 1742 г. шведским физиком А. Цельсием (1701—1744), который в своих ртутных термометрах ввёл 100-градусную шкалу. Ему не нравились отрицательные значения температур, и он счёл нужным перевернуть старую шкалу и поместить О °С в точку кипения воды, а 100 °С - в точку её замерзания. Но «перевёрнутая» шкала не приобрела популярности и в скором времени по предложению шведского натуралиста К. Линнея возвратились к обычному размещению опорных температур. К началу XIX в. термометр становится обычным физическим прибором. Принято, что единица температуры I °С (один градус Цельсия) — это одна сотая часть интервала между температурами плавления льда и кипения дистиллированной воды при нормальном атмосферном давлении (101 325 Па). >шмтм№мк:.. • Ма Земле есть много жарких и холодных мест. В Долине смерти (Калифорния, США) зафиксирована жара + 56.7 °С, но рекорд принадлежит пустыне Сахара (Африка) - т 63 °С в тени. Самыми холодными местами в Северном полушарии являются Якутия и Гренландия, ще температура достигает - 70 °С. Но самое холодное место на нашей планете - это Антарктида. В её глубинных районах зафиксирована температура - 94,5 °С. На таком морозе металл становится >фуп*им, керосин превращается в густую желеобразную массу и не воспламеняется даже при контакте с пламенем. !> ■ОПРОСЫ и ЗАДАНИЯ 1. Какое движение называют тепловым? 2. Чем тепловое движение отличается от механического? 3. Что такое тепловое равновесие? 4. Назовите авторов разных конструкций термометров. 5. Сформулируйте правила измерения температуры среды термометром? I -1 I -1 I- I--1 мйд\ ши) п ИЗМ1Р1НИ1ПМП1РАТУРЫ РАЗНЫМИ ПРМОМЕТРАМИ Цель работы: ознакомиться со строением жидкостного и биметаллического термометров, научиться измерять температуру среды с помощью этих термометров. , Приборы жидкостный термометр, биметаллический термометр, и материалы: сосуд с водой. Ход работы 1. Ознакомьтесь со строением жидкостного термометра. Любой жидкостный термометр (рис. 219) состоит из таких частей: / — резервуар, в котором содержатся жидкость (ртуть, спирт); 2— стеклянная трубка со шкалой и капиллярной трубкой; 3 — шкала термометра; 4 — капиллярная трубка, в которой жидкость расширяется при повышении температуры и сжимается при её снижении; 5 — предохранительный резервуар, чтобы термометр не вышел из строя при излишнем расширении жидкости; 6 — кольцо или стеклянная головка для подвешивания термометра (имеется только в термометрах определённых типов). 2. Определите иену деления шкалы термометра. Цена деления шкалы соответствует... °С. 3. Укажите пределы измерения термометра. Термометром можно измерить температуру от ... до... °С 4. Какую температуру показывает термометр? Термометр показывает ...°С. 5. Измерьте температуру воды в сосуде. Температура воды в сосуде равна ... °С. 6. Ознакомьтесь с устройством биметаллического термометра (рис. 220). Биметаллический термометр состоит из биметаллической спирали, один коней которой прикреплён к корпусу термометра, а вторюй -к стрелке, указывающей на шкале термометра значения температуры окружающей среды. Когда температура среды изменяется, биметаллическая пластинка сгибается или разгибается, что приводит стрелку в движение. Биметаллические термометры менее точны. Рис. 220 чем жидкостные. Определите иену деления шкалы биметаллического термометра. Цена деления шкалы равна ..."С. Каковы пределы измерений биметаллического термометра? Термометром можно измерять температуру от... до... °С. Какую температуру показывает термометр? Термометр показывает ... °С. t I ВНУТРЕННЯЯ }ИЕРГИЯ И СПОСОБЫ ЕЕ ИЗМЕНЕНИЯ. ТЕПЛООБМЕН Тает снег, плавятся металлы, испаряется вола, нагревается жидкость в сосуде - всё это тепловые явления. При тепловых явлениях изменяются температура и состояние тела: лёд превращается в воду, вода - в пар и наоборот. Чтобы расплавить олово, нужно сначала его нагреть до температуры плавления, а потом плавить, непрерывно сообщая ему энергию. /4 какие физические величины характеризуют тегыоеое состояние вещества и дают вохчожность обьяснять тепювые явления! Вам уже известны понятия механической энергии, виды механической энергии - потенциальная и кинетическая. Сжатая или растянутая пружина обладает потенциальной энергией, каждое движущееся тело обладает кинетической энергией. Вы также знаете, что потенциальная и кинетическая енергии тела могут изменяться, что при их изменении выполняется механическая работа. ♦ Опыт. Поднимем пластилиновый шар над столом и отпустим его. Под действием силы тяжести шар упадёт на стол и прилипнет к нему. Проанализируем, как изменялась механическая энергия шара при этом. Шар. поднятый над столом, имел потенциальную энергию, его кинетическая энергия равнялась нулю, так как он был неподвижен (рис. 221, а). Когда шар отпустили, то во время падения его потенциальная энергия уменьшалась, так как уменьшалась высота шара над столом, а кинетическая энергия увеличивалась, так как vBejiH4HBanacb скорость движения шара. Перед касанием шара поверхности стола его потенциальная энергия относительно него равнялась нулю, а значение кинетической энергии — значению потенциальной энергии шара до начала падения (рис. 221, б). Когда шар упал на стол, то он остановился, т. е. его кинетическая энергия также стала равной нулю. Значит, механическая энергия шара относительно стола в этом положении равна нулю. Куда же «исчезла» механическая энергия шара? Можно предположить, что такое «исчезновение» механической энергии связано с какими-то другими, отличными от механического движения, изменениями в состоянии тел. Действительно, если с помощью очень чувствительного термометра измерить температуры шара и поверхности стола до падения шара и после него, то окажется, что их температуры повысились. Следовательно, произошли изменения в тепловом состоянии тел при взаимодействии - увеличилась средняя скорость их мшекул. Изменение энергии теплового движения молекул тела произоиьзо за счёт изменения кинетической энергии их движения вследствие изменения средней скорости молекул и изменения по-тенциатьной энергии их взаимодействия из-за деформации шара. 1 Энергию движения и взаимодействия частиц, из которых состоит Г тело, называют в нут р е н н е й энергией тела. Итак, в процессе улара шара об стол произошёл переход механической энергии шара во внутреннюю энергию. Внутренняя энергия тела зависит от его температуры. Повышается температура тела — увеличивается его внутренняя энергия и наоборот. Внутренняя энергия тела не зависит ни от механического движения тела, ни от положения этого тела относительно других тел. Итак, внутренняя энергия тела, в частности, связана со скоростью движения его частиц. Она изменяется, если изменяется средняя скорость движения частиц, из которых состоит тело. А каким образом можно увеличить или уменьшить эту скорость, т.е . изменить внутреннюю энергию тела? • Наблюдение 1 . Вам. наверное, приходилось накачивать насосом велосипедную шину или мяч (рис. 222, а, б), и вы наблюдали, что насос при этом нагревался. Увеличение внутренней энергии воздуха и насоса произошло за счёт выполнения работы силой, сжимающей воздух. Если вы согнёте и разогнёте несколько раз проволоку из мягкого металла (рис. 223), то обнаружите, что место сгиба нагрелось. Если вы ударите несколько раз молотком по куску свинца (рис. 224), то он также нагреется. Когда у вас на морозе мёрзнут руки, то вы их согреваете, потирая одну об другую. Во всех случаях внутренняя энергия тел увеличивается за счёт выполнения работы над ними. I Внутреннюю энергию тела можно увеличить, выполняя над ним Г работу. ♦ Опыт. В толстостенном стеклянном сосуде, плотно закрытом пробкой, содержится водяной пар. Через специальное отверстие будем накачивать в него воздух. Спустя некоторое время пробка выскочит из сосуда (рис. 225). В тот момент, когда пробка выскакивает, в сосуде КОЛИЧЕСТВО ТЕПЛОТЫ. ТЕПЛОВЫЕ МАШИНЫ Рис. 223 Рис. 224 J Рис. 225 возникает туман (водяной пар превратился в жидкость), появление которого означает, что воздух в сосуде стал холоднее. Следовательно, внутренняя энергия воздуха в сосуде уменьшилась. Объясняется это тем, что сжатый воздух, выталкивая пробку, выполнил работу. I Если работу выполняет само тело, то его I внутренняя энергия уменьшается. Внутреннюю энергию тела можно изменить и другим способом, без выполнения работы. • Наблк;,. . ... Кастрюля с водой, стоящая на горячей плите (рис. 226); металлическая ложка, помещённая в стакан с горячей водой; батарея водяного отопления, по которой проходит горячая вода; камин, в котором горит огонь (рис. 227); Земля, которую освешает Солнце (рис. 228), - все они нагреваются. Во всех приведённых примерах температура тел повышается. Значит, их внутренняя энергия увеличивается. Можно наблюдать и охлаждение тел, когда, например, горячую ложку помешают в холодную воду, закипевший чайник снимают с плиты. В приведённых примерах происходило изменение внутренней энергии тел, но механическая работа при этом не выполнялась. Такой процесс изменения внутренней энергии тел называют теплообменом, или теплопередачей. 1 Теплообмен -это процесс передачи внутренней энергии от наГ гретого тела к холодному без выполнения ими или над ними механической работы. Каким образом происходит теп.10о6мен при контакте хаюдиой ложки с горячей во^ом.’*Вначале средняя скорость и кинетическая энергия молекул горячей поды превышают среднюю скорость и кинетическую энергию атомов металла, из которого изготовлена ложка. Но в местах касания ложки с водой при столкновениях быстрые молекулы воды передают часть своей кинетической энергии атомам металла, и они начинают двигаться быстрее. Кинетическая энергия молекул воды при этом уменьшается, а кинетическая энергия атомов металла возрастает. Вместе с энергией изменяется и температура; вода постепенно охлаждается, а ложка - нагревается. Этот процесс будет длиться до тех пор. пока температуры воды и ложки не станут одинаковыми. I Внутреннюю энергию тела можно изменить путём выполнения Г работы или теплообмена. ЮПРОСЫ И ЗАДАНИ1 1. Какие виды механической энергии вы знаете? 2. Какую энергию называют внутренней энергией тела? 3. От чего зависит внутренняя энергия тела? 4. Как можно изменить внутреннюю энергию тела? 5. Что такое теплообмен? 6. Приведите примеры изменения внутренней энергии тела путём выполнения работы и путём теплообмена. виды ТЕПЛООБМЕНА Теплообмен может осуществляться разными способами. • Наблюдение 1. Если прикоснуться к предметам, изготовленным из металла и дерева, то металлические предметы кажутся холоднее деревянных, хотя их температура одинакова, например комнатная. Мы в этом случае ошушаем прохладу, так как металлические предметы лучше проводят тепло и быстрее отбирают его от руки, т. е. у них высокая теплопроводность. • Наблюдение 2. Радиаторы водяного отопления размешают под окном у пола. От них внизу холодный воздух нагревается и поднимается вверх. Держа руку над зажжённой свечкой, вы ошутите, как от её пламени вверх поднимаются тёплые потоки воздуха. Видим, что теплообмен может происходить за счёт перенесения масс газа или жидкости. Такой процесс передачи тепла называют конвекцией (от латинского конвекцио— перенесение). • Наблюдение 3. Жизнь на Земле может существовать потому, что планета имеет пригодную для этого температуру за счёт тепла, получаемого со светом от Солнца. Земля и Солнце расположены на большом расстоянии (150 млн километров), в пространстве между ними нет воздуха. В этом случае передача тепла происходит за счёт ещё одного вида теплообмена — излучения. ♦ Опыт 1. К медному стержню пара- фином или воском приклеим несколько спичек (рис. 229). Один конец стержня будем нагревать в пламени спиртовки или газовой горелки. Во время нагревания парафин начнёт плавиться, и спички будут отпадать от стержня. Сначала отпадут те спички, которые размещены ближе к пламени, а потом поочерёдно - остальные. Рис. 229 Передачу тепла от более нагретой части тела к менее нагретой вследствие теплового движения частиц тела называют теплопроводностью. При этом происходит передача энергии, а переноса вещества нет. ♦ Опыт 2. В сосуд, в котором нагревается вода, поставим алюминиевый, деревянный, пластмассовый и стеклянный стержни (рис. 230). Положим сверху на них парафиновые шарики. Сначала расплавится шарик на алюминиевом стержне, потом - на стеклянном. На деревянном и пластмассовом стержнях парафин не расплавится. Различные вещества имеют разную теплолро- Рис.230 При комнатной температуре теплопроводность различных тел разная (табл. 6). Таблица 6 Теплопроводность некоторых веществ по сравнению с теплопроводностью стекла Название Относительная Название Относительная вещества теплопроводность вещества теплопроводность Медь 330 Вода 0.5 Алюминий 270 Гипс 0,4 Латунь 105 Бетон 0,23 Железо 60 Дерево 0,2 —0,1 Нержавеющая сталь 15 Пенобетон 0,043 Известняк 1,5 Пенополистирол 0,036 Стекло 1,0 Пробка 0,036 Кирпич сплошной 0.6 Стекловата 0,035 Кирпич пустотелый 0.5 Сухой воздух 0,022 Хорошими проводниками тепла являются металлы, особенно серебро, золото, медь. Плохими проводниками тепла является вода, кирпич, бетон, лёд. Например, теплопроводность бетона в 210 раз ниже теплопроводности алюминия. Пробка, пенопласт, воздух имеют очень низкую теплопроводность. Такие вешества называют теплоизоляторами. М74^е______________________________________ Шерсть, пух содержат воздух, и поэтому имеют низкую теплопроводность. Они защищают тело животных от охлаждения или перегрева. Для достаточной теплоизоляции здания его стены из бетона имеют толщину 30 см. Для обеспечения такой же теплоизоляции стены из алюминия имели бы толщину 63 м. а стены из пробки — 1,2 см. ♦ Опыт 3. Если нагревать воду в верхней части пробирки (рис. 231), то она в этом месте закипит, а внизу даже могут оставаться кусочки льда. Это свидетельствует о том. что вода — плохой проводник тепла. Если же нагревать сосуд с водой снизу, то вся вода прогреется и закипит (рис. 232), так как будет происходить перемещение верхних холодных и нижних нагретых слоёв воды. Такое перемещение жидкости называют конвекцией L Конвекция - процесс переноса энергии > струями жидкости или газа. ♦ Опыт 4, Зажжём свечу, разместим над пламенем вырезанную из бумаги «змейку» (рис. 233). Воздух возле пламени свечи будет нагреваться и расширяться. Плотность расширившегося воздуха меньше плотности холодного, поэтому слой тёплого воздуха поднимается вверх. Его место сразу занимает соседний слой холодного воздуха, он нагревается и в свою очередь начинает двигатся вверх и т. л. Рис. 235 КОЛИЧЕСТВО ТЕПЛОТЫ. ТЕПЛОВЫЕ МАШИНЫ Под действием струй нагретого воздуха бумажная «змейка» вращается. Явлением конвекции мо)Ю10 объяснить возникновение ветров в природе. • Наблюдение 4. Зажжём свечу. Когда над ней разместим сначала низкий, а потом — более высокий стеклянный цилиндр, открытый с обеих сторон (рис. 234), то заметим, что пламя свечки будет удлиняться. Такой цилиндр - это маленькая дымовая труба, создающая воздушную тягу. Чем выше труба, тем лучше тяга. В современных домах устанавливают водяное отопление. Вода, нагретая в котле (рис. 235), поднимается по трубам вверх и отдаёт тепло радиаторам отопления. Вследствие конвекции нагревается воздух в помещении, при этом охлаждаются радиаторы и вода в них. Охлаждённая вода опускается вниз к котлу, где снова нагревается. Чтобы вся вода, имеющаяся в системе водяного отопления, нагревалась, котлы или другие нагревательные установки размешают в доме как можно ниже. • Наблюдение 5. Сидя возле костра, мы ошушаем от него тепло. Следовательно, происходит теплопередача, но не вследствие теплопроводности, так как воздух между пламенем костра и нами — это теплоизолятор. Конвекцией в этом случае теплообмен тоже объяснить нельзя, так как мы находимся не над костром, а рядом с ним, и потоки холодного воздуха идут к костру с нашей стороны. Здесь имеем дело ешё с одним видом теплопередачи, который называют излучением, о нём мы уже упоминали, когда обсуждали нагревание Земли светом от Солнца сквозь безвоздушное пространство). Отсюда вытекает, что для теплопередачи с помощью излучения не нужно никакой промежуточной среды между телом и нагревателем. • Опыт 5. Возьмём теплоприёмник — круглую коробочку, одна сторона которой зеркальная, а вторая — покрыта чёрной краской (рис. 236), соединим его с помощью резиновой трубки с манометром. Разместим на некоторюм расстоянии от теплоприёмника включённую электроплитку. Вскоре манометр покажет, что давление воздуха в коробочке тепло- Рис.236 приёмника увеличился за счёт его нагревания от стенки коробочки, температура которой повысилась вследствие теплообмена с электроплиткой. Люди и все окружающие тела при любой температуре являются источниками теплового излучения, которое по своей природе и свойствам подобно свету и радиоволнам. Чем выше температура тела, тем интенсивнее тепловое излучение от него. Мы не видим его, но воспринимаем кожей как жар, идущий от источника. В нашем опыте раскалённая электроплитка и была мощным источником тепловых лучей, воспринимаемых теплоприёмником. I Излучение - это вид теплопередачи, который может происхо-г дить без промежуточной среды между телами и обусловлен испус-I канием и поглощением ими теплового излучения. Все тела не только испускают, но и поглощают тепловые лучи. Чтобы исследовать, как влияют свойства тела на его способность поглощать тепловое излучение, повторим наш опыт дважды: сначала повернём теплоприёмник к электроплитке блестящей поверхностью, а потом — тёмной. Опыты, подобные нашим, показали, что тела с тёмной поверхностью лучше излучают и поглощают тепловые лучи. Тела, со светлой и блестящей поверхностью, излучают и поглощают энергию хуже чем с тёмной. Теперь можно ответить на вопрюс, для чего одни предметы красят тёмными красками, адругие — делают блестящими. Например, чайник с блестящей поверхностью дольше сохраняет волу тёплой, так как такая поверхность меньше излучает тепла, чем тёмная. Вагоны-холодильники красят в светлый цвет, чтобы они не нагревались на солнце. Летом мы чаще носим светлую одежду, а зимой — тёмную. инттсно ЗНАТЬ :: . • Средняя температура тела человека 36,6 °С поддерживается организ- ; мом в разнообразных условиях жизни и деятельности. В тканях и органах ^ его тела непрерывно происходят процессы окисления, которые сопровож- ■ даются выделением тепла. Ббльшая часть энергии, получаемой в результате усвоения пищи, затрачивается на механическую работу, выполнение которой также сопровождается выделением тепла в организме. Всё это ' тепло рассеивается телом человека в окружающую среду. • Самочувствие человека в значительной мере зависит от количества - тепла, которое теряет организм. В зависимости от назначения помещения, вида выполняемой работы и влажности воздуха нормальной < для человека может быть температура окружающей среды от 11 до 23 “С. ■ Низкие температуры ускоряют процессы выделения теплоты в организме. , повыщение температуры вызывает усиление потовыделения, которое является средством регулирования температуры организма. Однако организм человека способен поддерживать собственную температуру постоянной только при изменении температуры окружающей среды в небольщих пределах. Например, для человека, находящегося в состоянии покоя, во влажном воздухе температура тела начинает повышаться при температуре воздуха выше 30 °С, а в сухом - выше 40 °С. • Особенно чувствителен организм человека к интенсивности излучения. Отрицательно влияет на него излучение горячих предметов. Большое влияние на самочувствие человека оказывет температура поверхностей помещений, с которыми тело человека обменивается теплом вследствие излучения. Изменение температуры стен от 20 до 10 °С сопровождается увеличением излучения тела человека на 30 %. 1> •ОПРОСЫ и ЗАДАНИЯ 1 - Что такое теплопроводность? 2. Что такое конвекция? 3. Что такое излучение? 4. Назовите, какие явления природы объясняются конвекцией. 5. Какую роль играет излучение в жизни человека? ( ЗАДАЧИ Й УПРАЖНЗНЙГ^ Рис.237 ^ Решаем вместе I. В каком состоянии внутренняя энергия 1 кг воды больше: в твёрдом, жидком или газообразном? Ответ: внутренняя энергия 1 кг воды в газообразном состоянии больше, чем в жидком, а в твёрдом -меньше, чем в жидком состоянии. 2. Как объяснить, что пожарный в специальной одежде спокойно стоит в огне и не ощущает его (рис. 237)? Ответ: ткань спецодежды изготовлена из материалов, обладающих очень низкой теплопроводностью. Кроме того, спецодежда имеет серебристый цвет и отражает тепловые лучи. 3. Объясните, почему птицы с большими крыльями (орлы, коршуны) могут держаться на одной высоте, не делая взмахов крыльями. Ответ: за счёт восходящих потоков воздуха, т. е. конвекции. ( YpoidHb Д ) 344. Холодная и горячая вода состоит из одинаковых молекул. Одинакова ли внутренняя энергия хатодной и горячей воды одинакоюй массы? Почему? 345. Измениласьли внутренняя энергия чайной чашки, если её переставили со стола на полку серванта? 346. При обработке материалов инструменты станков (резцы, свёрла, фрезы) сильно нагреваются. Почему? 347. Почему, выполняя упражнения на канате, не следует быстро опускаться, обхватив его руками? 348. Объясните такие факты: а) мука, которая сыпется из-под камня в мельнице, горячая; б) шариковые подшипники машин нагреваются во время работы меньше, чем подшипники скольжения. - Рис.238 349. При осмотре космического корабля после его возвращения на Землю оказалось, что более всего оплавилась и обгорела поверхность той стороны, которой корабль вошёл в земную атмосферу. Дайте пояснение. 350. Почему, когда варят варенье, то стараются пользоваться деревянной ложкой, а не металлической? 351. С какой целью между лымоюй трубой и досками потолка кла1^слой асбеста? 352. Кирпич кажется на ошупь теплее мрамора при одинаковой температуре. Какой материал имеет лучшие теплоизоляционные свойства? 353. В котором из сосудов быстрее нагреется вода (рис. 238, а, 5)? 354. С какой целью в окна вставляют двойное или тройное стекло (рис. 239)? 355. Почему в холодильных камерах мясокомбинатов или молокозаводов трубы с охладительной жидкостью размещают вверху под потолком? 356. Почему в погребе прохладно лаже в жару? 357. С какой целью в стенах помещений делают вертикальные трубы-ко.юдцы, соединённые отверстиями с комнатами? Где размешаются эти отверстия? 358. Почему холодильные установки, вагоны-холодильники красят в светлый цвет? 359. В каком платье летом менее жарко: в белом или тёмном? Объясните, почему. 360. Почему испортился медицинский термометр, оставленный по недосмотру на подо-конике в солнечный день? 361. Летом воздух в дома нагревается за счёт тепла, которое поступает сквозь стены, открытые окна и стекло, которое пропускает солнечные лучи. О каких видах теплообмена речь идёт в каждом случае? (YpoteHii Б ) 362. Почему плохо разведённая пила нагревается больше, чем с нормальным разводом зубов? 363. После разрезания слесарной ножовкой металлической детали наблюдается нагревание детали и полотна ножовки. Вследствие чего произошли такие изменения? КОЛИЧЕСТВО ТЕПЛОТЫ. ТЕПЛОВЫЕ МАШИНЫ I 1791 364. Выполните такой опыт: возьмите мягкую железную или медную проволоку диаметром 3—4 мм, перегните её несколько раз в одном и том же месте и коснитесь этого места рукой. Что ощутите? Почему произошло это изменение с проволокой? 365. Кусок свинца можно нагреть разными способами: ударяя по нему молотком, внеся его в пламя горелки или погрузив в горячую воду. Можно ли утверждать, что ю всех этих случаях кусок свинца получил определённое количество теплоты; что увеличилась его внутренняя энергия? 366. Спичка вспыхивает, если её потереть о коробку. Она также вспыхивает, если её внести в пламя свечи. В чём сходство и различие в причинах, вызывающих вспышку спички в этих случаях? 367. Почему покрышки автомобильных колес изготовляют из резины, которая не размягчается и не теряет прочности даже при температурах 100 °С и выше? 368. Как можно согреть замёрзшие руки, не используя нагретых предметов или тёплых перчаток? 369. Воду некоторой массы в одном случае нагрели на 35 °С. а во втором -охладили на 10 °С, Увеличилась или уменьшилась внутренняя энергия воды в каждом случае? 370. Выполните такой опыт: опустите алюминиевую и железную ложки в горячую воду. Какая из них быстрее нагреется? Какая из них имеет лучшую теплопроводность? 371. Почему куски железа и дерева на морозе кажутся неодинаково холодными, а летом в знойный день бетонный столб изгороди и железная ограда - неодинаково нагретыми? 372. Почему плотная влажная почва имеет значительно большую теплопроводность, чем сухая и разрыхлённая? Что нужно сделать, чтобы ускорить прогревание почвы на ббльшую глубину? С какой целью укатывают грунт? 373. Почему радиаторы водяного отопления в комнате устанавливают внизу и обязательно возле окна? Что было бы, если бы эти радиаторы разместили возле противоположной кокну стены? 374. Когда самопроизвольное смешивание холодной и горячей воды будет прюисходить быстрее: если в горячую воду наливать холодную, или в холодную наливать медленно горячую в той же пропорции? Ответ объясните, проверьте на опыте, используя при этом термометр. 375. В какой дымовой трубе лучше образуется тяга: кирпичной или металлической, если они имеют одинаковые внутренний диаметр и высоту? 376. Для чего в керосиновых лампах используют высокое стекло (рис. 240)? 377. Пассажиры самолёта, пролетающего над проливом, ощущают небольшое встряхива- Рис. 240 ние («болтанку») в те моменты, когда самолёт находится нал берегами пролива, а нал водой он летит ровно. Дайте пояснение. 378. На рис. 241. а в нижнем сосуде находится вода, а в верхнем - лёд. На рис. 241. 6 - наоборот. В каком сосуде (слепа или справа) быстрее остынет жидкость? 379. Сталевар, наблюдая сквозь тёмные очки за процессом сталеварения, часто дополнительно прикрывает лицо рукой. Зачем он это делает? 380. В одном из двух одинаковых жидкостных термометров резервуар зачернили, а после этого оба термометра поместили в холодильник. Какой термометр быстрее покажет снижение температуры и почему? 381. Земная атмосфера вследствие своей прозрачности очень слабо поглотает солнечные лучи и поэтому не на1'ревается. Почему же летом бывает жарко даже в тени? 382. Изменится ли высота полёта воздушного шара, если он в летний день окажется в тени от тучи? О КОЛИЧЕПВО ТЕПЛОТЫ. УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОЁМКОСТЬ ВЕЩЕСТВА Для количественного описания свойств теплообмена применяют специальные физические величины, одной из которых является количество теплоты. Количество теплоты показывает, какая кинетическая энергия хаотического (беспорядочного) движения молекул передалась от одного тела к другому при теплообмене, в результате которого изменилась внутренняя энергия обоих тел, находящихся в тепловом контакте. От каких условий теплообмена зависит количество mewiombi? Всем вам, наверное, приходилось нагревать воду, и вы хорошо знаете, что для нагревания чайника, заполненного до краёв водой, нужно большее каличество теплоты, чем для того же чайника, наполненного наполовину. Отсюда следует, что чем больше масса тела, тем большее ксыичество теплоты нужно затратить, чтобы изменить его температуру на то же количество ф<1дусов. КОЛИЧЕСТВО ТЕПЛОТЫ. ТЕПЛО№6ШШДШ^18й;а>ЯВ- ♦ Опыт 1. На одинаковые нагреватели поставим одинаковые сосуды, в один из которых налито 200 г воды (рис. 242, а), а во второй - 400 г (рис. 242, б). Измерим начальную температуру воды — она одинакова в обоих сосудах. Нагревая водудо определённой температуры, увидим, что сосуд с водой массой 400 г нужно нафевать вдвое дольше, чем сосуд с водой массой 200 г. т, е. ей нужно сообщить вдвое большее количество теплоты. Количество теплоты, которое необходимо для нагревания тела, зависит от массы этого тела. I Чем больше масса тела, тем большее количество теплоты нужно Г сообщить ему, чтобы нагреть до определённой температуры. В то же время, остывающее тело передаёт окружающей среде тем большее количества теплоты, чем больше его масса. Например, если оставить остывать сосуды из предыдущего опыта, то сосуд, в котором масса воды равна 400 г, понизит свою температуру до комнатной за большее время, чем тот, в котором 200 г воды, и отдаст при этом вдвое большее количество теплоты. ♦ Опыт 2. Поставим теперь сосуд с водой комнатной температуры на нагреватель и нагреем воду, например, на 10 °С. Процесс нагревания продолжается некоторое время, за которое телу будет передано определённое количество теплоты. Если мы решим поднять температуру воды ещё на 10 °С, то процесс нагревания нужно будет продолжить, и он будет длиться такое же время, которое потребовалось в первой части опыта. Понятно, что при этом воде будет передано дополнительно такое же количество теплоты, что и ранее. Следовательно, чем больше разность конечной и начальной температур тела при нагревании, тем большее количество теплоты необходимо для этого. I Чем болыие разность конечной и начальной температур тела, тем боль-Г шее количество теплоты ему будет сообщено при нагревании. ♦ Опыт 3. Возьмём два одинаковых сосуда, первый из них содержит 400 г воды (рис. 243, а), а второй — 400 г масла (рис. 243, б) комнатной температуры и поставим их на одинаковые нафеватели. Обе жидкости имеют равные массы, будем нагревать их до одинаковой температуры, например до 40 ”С. Наблюдая за показаниями термометров, погружённых в каждую из жидкостей, увидим, что масло приобретёт заданную температуру первым. Чтобы температура воды сравнялась с температурой масла, нагревание воды нужно продолжить и сообщить ей дополнительное количество теплоты. I Количество теплоты, необходимое для нагревания тела до определён-Г ной температуры, зависит от того, из какого вещества состоит тело. ♦ Опыт 4. Нагреем железное и алюминиевое тела одинаковой массы до определённой температуры, например до 40 (рис. 244). Погрузим каждое из тел в отдельные сосуды сравным количеством воды комнатной температуры в каждой. Через определённое время увидим, что вода, в которую поместили алюминиевое тело, нагрелась больше, чем вода, в которую положили железное тело. I Тела из разных веществ одинаковой массы и температуры, Г остывая, выделяют разное количество теплоты. I Количествотеплоты-этотепловаяэнергия.которуюполучаетилитеря-к еттелопритеплообмене. Оно зависит от вещества, из которого состоит I тело,массызтоготелаиразностиегоконечнойиначальнойтемператур. Количество теплоты обозначают большой латинской буквой Q. Единицей количества теплоты, как и энергии, является один джоуль (1 Дж). Используют также кратные единицы количества теплоты: один килоджоуль (I кДж) и один мегаджоуль (1 Мдж). 1 кДж = 1000 Дж; I МДж = 1 000 000 Дж. Чтобы повысить температуру воды массой 1 кг на 1 "С, нужно сообщить ей количествотеплоты, равное 4200 Дж; если нагревать I кг золота на 1 “С, то понадобится лишь 130 Дж. Следовательно, для нагревания каждого вещества массой I кг на I °С требуется определённое количество теплоты. При охлаждении на 1 этих веществ массой ! кг будут выделяться такие же количества теплоты. Физическую величину, показывающую, какое количество теплоты необходимо для изменения температуры вещества массой 1 кг на 1 °С, наэываютудельной теплоёмкостью вещества. ВодЗ' 3 Удельную теплоёмкость вещества обозначают малой латинской буквой с. Единиией удельной теплоёмкости вещества является один джоуль. поделённый на один килограмм и один градус Цельсия (1 В таблице 7 приведены значения удельной теплоёмкости для многих веществ, используемых в промышленности и быту. Таблица 7 Удельная теплоёмкость веществ Вещество ДЖ ^’кг-°С Вещество дж кг • °С Вода 4 200 Сталь 500 Спирт 2 500 Железо 460 Эфир 2 350 Никель 460 Керосин 2 100 Медь 380 Лёд 2 100 Латунь 380 Воздух 1 000 Цинк 380 Алюминий 920 Серебро 250 Песок 880 . Олово 250 Кирпич 880 Свинец 140 Стекло 840 Ртуть 130 Чугун 540 Золото 130 Что означает выражение «удельная теплоемкость серебра равна 250 ? Это выражение означает, что для нагревания 1 кг серебра на 1 °С нужно затратить количество теплоты, равное 250 Дж, или при охлаждении 1 кг серебра на 1 °С выделяется количество теплоты, равное 250 Дж. Анализируя табл. 7, видим, что вода имеет очень большую удельную теплоёмкость. Поэтому вода в морях и океанах, нагреваясьлетом, поглощает большое количество теплоты, и в местах вблизи больших водоёмов летом не бывает так жарко, как в местах, отдалённых от воды. Зимой вода охлаждается и отдаёт значительное количество теплоты, поэтому зима в этих местах не такая суровая. Благодаря большой удельной теплоёмкости воду широко используют в системах водяного отопления, для охлаждения двигателей. Ранее из результатов опытов был сделан вывод, что для нагревания любого тела нужно затратить определённое количество теплоты, зависящее от рола вещества, из которого оно изготовлено, и пропорциональное массе тела и разности его конечной и начальной температур. А как вычислить количество теплоты, если заданы определённые значения всех этих величин ? Например, нужно рассчитать, какое количество теплоты получила при нагревании медная деталь массой 5 кг, если её температура увеличилась с 20 до 520 °С. В табл. 7 находим значение удельной теплоёмкости меди: она равна 380 Это означает, что для нагревания меди массой I кг на I °С необходимо 380 Дж. А для нагревания меди массой 5 кг на I "С нужно в 5 раз большее количество теплоты, т. е. 380 Дж • 5 = 1900 Дж. Для нагревания меди массой 5 кг на 500 “С нужно ешёе в 500 раз большее количество теплоты, т. е. 1900 Дж • 500 = 950 000 Дж = 950 кДж. Чтобы вычислить количестао теплоты, необходимое для нагревания тела, или количество теплоты, которое выделяет тело при охлаждении, нужно удельную теплоёмкость вещества умножить на массу тела и на разность конечной и начальной температур тела. Математически это правило записывают в виде такой формулы; где О — количество теплоты; с — удельная теплоёмкость вещества; т — масса тела; /| - начальная температура тела; /2 - конечная температура тела. Чтобы определить массу тела, которое нагревается или охлаждается, нужно количество теплоты разделить на удельную теплоёмкость вещества и на разность конечной и начальной температур тела: , = —2— C{h- '1) Чтобы определить удельную теплоёмкость вещества, из которого изготовлено тело, нужно количество теплоты разделить на массу тела и на разность его конечной и начальной температур: Чтобы определить, на сколько градусов изменилась температура ' тела, нужно количество теплоты разделить на удельную теплоёмкость вещества и на массу тела: • Единицей количества теплоты с давних времён была особая единица -калория (от латинского слова калор ~ тепло, жар). • Калория (кал) - это количество теплоты, которое нужно сообщить 1 воды для нагревания её на 1 °С. Можно сказать также, что калория - это количество теплоты, которую теряет 1 г воды, охлаждаясь на 1 °С. • Пользуются также большей единицей количества теплоты - килокало- [I рией (это можно увидеть в надписях на консервах): 1 ккал = 1000 кал; 1 хал»4,19Дж. I ЮПРОСЫ И ЗАДАНИЯ 1. Что такое количество теплоты? 2. От каких физических величин зависит количество теплоты, необходимое для нагревания тела? ■ 3. Назовите единицы количества теплоты. 4. Что такое удельная теплоемкость вещества? Что она показывает? §46) ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС Тела с разными температурами обмениваются между собой теплотой. Тела, более нагретые, отдают часть своей энергии телам, менее нагретым, до тех пор, пока у них температура не уравняется . Количество теплоты, отданное всеми охлаждающимися телами, равно количеству теплоты, полученному всеми нагреваюЕцимися телами (при условии, что при этом не происходит превращения тепла в другие виды энергии). При расчётах, касающихся обмена энергией между телами, всегда следует учитывать всё то количество теплоты, которое в рассматриваемых тепловых явлениях отлают тела, и то количество теплоты, которое получают,другие тела, принимающие участие в тех же явлениях: эти количества теплоты должны быть равны между собой, Применим это утверждение к смещиванию двух жидкостей разной температуры. Обозначим массу холодной жидкости через т,, ее удельную теплоёмкость -С\ и ее температуру — Г(. Те же величины для горячей жидкости соответственно будут: >*2, Cl,/2- ' Если обе жидкости смешать в одном сосуде (для упрощения задачи будем считать, что он изготовлен из вещества, являющегося полным теплоизолятором и не принимает участия в теплообмене), то молекулы горячей жидкости будут отдавать энергию молекулам холодной жидкости до тех пор, пока не установится некоторая промежуточная температура смеси жидкостей. Обозначим окончательную температуру смеси большой греческой буквой © (тэта). Тогда количество теплоты, отданное горячей жидкостью, будет определяться такой формулой: = Сгт2 te-9)|. а количество теплоты, полученное жидкостью, которая нагревается, такой: I Qi = C|M| (0-f|)|. Поскольку количество теплоты, отданной охлаждающейся жидкостью, равно количеству теплоты, полученной нагревающейся жидкостью, т. е. (О2 = Qi), то можем приравнять правые части этих выражений. Получим такое равенство: [ С21П2 (12 - в) = с,т, (в - I,) |. Это уравнение называют уравнением теплового баланса. В своё время для случая воды его вывел петербургский академик Георг Рихман. Из уравнения теплового баланса можно, если остальные величины известны, определить массу одной из смешиваемых жидкостей, или её начальную температуру, или температуру смеси, а также значение неизвестной удельной теплоёмкости. ■ОПРОСЫ и ЭДДАИИ! 1. Объясните, что показывает уравнение теплового баланса? 2. Что нужно знать, чтобы вычислить количество теплоты, получаемое телом при нагревании, или выделяющееся при охлаждении тела? 3. Какой вывод можно сделать из опыта по смешиванию холодной и горячей жидкостей? Почему на практике эти энергии не равны друг другу? g> ]t [ ЛАЮРАТ0Р1Ш1\ РАБОТА Nsia^ ИЗУЧЕНИЕ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА ПРИ СМЕШИВАНИИ ВОДЫ РАЗНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ • Цель работы: определить количество теплоты, ко- торую отдала горячая вода во время теплообмена, и количество теплоты, которую получила холодная вола. Объяснить результаты. • Приборы калориметр, измерительный и материалы: цилиндр или мензурка, термометр, стакан с холодной водой, сосуд с горячей водой. Калориметр (рис. 245) — прибор, который состоит из двух сосудов: внутренний — из алюминия, внешний может быть из пластмассы. Пространство между сосудами заполнено воздухом и контакт между их поверхностями практически отсутствует. Такое устройство прибора уменьшает теплообмен вещества во внутреннем сосуде с внешней средой. Ход работы 1. Измерьте массу внутреннего сосуда калориметра 2. Налейте в стакан /п>. = 100 г холодной воды, а в калориметр - “ ^00 г горячей воды. И змерьте термометром температуру холодной и гор^;чей воды. Результаты занесите в таблицу. 3. Холодную воду вьшейтс в калориметр с гарячей водой, размешайте (осторожно) термометром образовавшуюся смесь и измерьте её температуру Таблица Масса кало- риме- тра, кг Масса горячей воды, fttf, кг Маса холод- Температура горшей воды, Тг, °С Темпе- ратура холод- ной воды, “С Тем- пера- тура сме- Коли- чество теплоты, получен- ной холодной водой, 01,Дж Количество теплоты, отданной горячей водой, ©2. Дж Коли- чество полученной калориметром Оз. Дж 4. Определите по формуле Q\ = ст^ (/,. — ^,) количество теплоты, которую получила холодная вода от горячей. 5. Определите по формуле 02 ~ (^г — ^с) количество теплоты, которую Дж отдала горячая вода холодной (с = 4 200 . ос )• 6. Определите по формуле 0з = с,^т^ ({^ — Q количество теплоты, которую получил от горячей волы внутренний сосуд калориметра (с^ = 920 7. Проверьте уравнение теплового баланса; 02 “ 0j. Сравните полу- ченные результаты, сделайте выводы. На уравнении теплового баланса основывается определение удельной теплоёмкости вещества. РАБОТА M81S/ ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОЙ ТЕПЛОЕМКОПИ ВЕЩЕаВА • Цель работы: используя уравнение теплового баланса, определить удельную теплоёмкость твёрдого тела. • Приборы стакан с водой, калориметр, весы (динамометр), и материалы: набор гирь, металлический цилиндр на нити, сосуд с горячей водой, термометр. Ход работы 1. Измерьте массу внутреннего сосуда калориметра 2. Налейте в калориметр воды - 100 — 150 г комнатной температуры. Измерьте её температуру Результаты занесите в таблицу. 3. Нагрейте цилиндр в сосуде с горячей водой. Измерьте её температуру (эта температура и будет начальной температурой цилиндра /,). Потом опустите его в калориметр с водой. 4. Измерьте температуру воды в калориметре после опускания цилиндра. 5. Определите по формуле = ст^ — Q количество теплоты, которую получила холодная вода от горячего тела (с = 4 200 6. Определите по формуле = Сугп., — t^) количество теплоты, которое отдало горячее тело холодной воде. 7. Определите по формуле - t^) количество теплоты, которую получил от горячей воды вн>тренний сосуд калориметра (с^ * 920 8. Использовав уравнение теплового баланса ^2= Q\+ 0j, т. е. (IV - О - cm, (Гс - + c,m,(iv - iv), определите удельную теплоёмкость твёрдого тела (цилиндра): --СД»х(Гс-^-Ьс,т,(Г,-0 - Полученное значение удельной теплоёмкости сравните с её табличным значением и определите, какой это металл. Масса калориметра, т„ кг Масса холодной воды, /п„ кг Нача- Темпе-льная ратура темпе- холод-ратура! ной тела, 1 воды, tj, ОС ! ос Темпе- ратура нагре- той телом воды, Количество теплоты, полученной холодной водой, Oi. Дж Коли- чество теплоты, отдан- ной горячим телом, <3г1 Дж Количество теплоты, полученной калориметром, Оз, Дж Удельная теплоёмкость вещества тела Ст, Дж кг-“С с 1ДД»ЧМ ж УП>АЖН1ННГ) ^ Решаем вместе 1. Какое количество теплоты нужно затратить, чтобы 2 кг води нагреть от 20 до 100°С? Дано: т* 2 кг /| = 20°С ?2= 100°с Решение Количество теплоты, необходимое для нагревания тела, определяется по формуле: Q = cm (Г; - I,). Q- 0 = 4200-;^ •2кг-(100<’С-20оС) = *672 ОООДж = 672 кДж. Ответ; 0 = 672 кДж. • 2. Какое количество теплоты выделится при охлаждении 3 кг свинца от 320 до 20 X? Решение Количество теплоты, необходимое для нагревания тела, определяется по формуле Q = cm[t2-ti). Дано; т = 3кг Г, =320'’С /2 = 20 "С Дж ‘^кг'С с= 140- 0-? Ответ; 0 = О = 140 3 кг • (20 “С - 320 °С) = = - 126 000Дж = - 126 кДж. Знак «—» означает, что энергия выделилась при охлаждении тела, -126 кДж. ( Ypoiewb А ) 383. Четыре цилиндра — алюминиевый, латунный, железный и свинцовый, имеющие одинаковую массу, нагрели в воде до одинаковой температуры н одновременно поставили на парафиновую пластинку (рис. 246). Одинаковые ли количества теплоты отдали эти цилиндры парафину? Одинаковое ли количество теплоты необходимо для нагревания 1 кг каждого из этих вешеств на 1 °С? 384. В одну пробирку налили воду, в другую — масло такой же массы и такой же температуры. Какая из этих жидкостей будет быстрее нагреваться, если пробирки погрузить в горячую воду? Одинаковое ли количество теплоты необходимо для их нагревания до температуры горячей воды? 385. В два сосуда с одинаковым количеством воды, температура которой 20 °С, опускают нагретые до 100 °С куски железа и меди одинаковой массы. В каком сосуде температура воды будет выше и почему? 386. В стакан прежде чем налить кипяток кладут чайную ложку. С какой целью это делают и какая ложка - алюминиевая или серебряная одинаковой массы — более пригодна для этого? 387. Стальные детали, нагретые в специальных печах до температуры 800 °С, закаливают, погружая их в воду или масло. В какой из этих жидкостей деталь быстрее охлаждается и почему? 388. Почему вода является наилучшей жидкостью для; а) водяного отопления домов; б) для охлаждения двигателей автомобилей и тракторов; в) охлаждения нагретых металлических деталей; г) медицинских грелок; д) тушения пожара? 389. Почему стержни паяльников изготовляют из красной меди, а не используют для этого железо? 390. Какое количество теплоты не- обходимо сообщить 1 кг воды, чтобы повысить ее температуру от 20 до 100 °С? . 391. Какое количество теплоты нуж- Рис 247 но затратить, чтобы нагреть на плите алюминиевую сковороду массой 500 г от 20 до 220 ®С? ( Уровень Б ') . 392. Какое количество теплоты отдаст воде во время закалки стальная деталь, нагретая до температуры 800 °С? Масса детали равна 2 кг, а вода нагревается при этом до 50 °С. 393. На электроплитке нагрели 2 л воды (рис. 247, а, б). Какое количество теплоты получила вода? 394. В радиаторы водяного отопления поступает вода, температура которой 80 °С и выходит из них имея температуру 60 °С. Какое количество теплоты отдаёт за сутки вода, если за 1 ч через радиаторы протекают 120 л воды? 395. Температура молока при доении коров равна 37 "С. Для транспортировки его охлаждают до температуры 4 °С. Какое количество теплоты выделяется при этом, если срюдний удой на ферме равен 800 кг? Удельная теплоёмкость молока — 3900 Сколько воды можно нагреть за счёт выделенного тепла от 0 до 30 °С, чтобы использовать его для обогрева помещения фермы? 396. Какую массу воды можно нагреть на 10 °С, сообщив I кДж теплоты? ПЛАВЛЕНИЕ И КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ ТВЕРДИХ ТЕЛ. УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОТА ПЛАВЛЕНИЯ • Наблюдение. Лёд из морозильной камеры, положим в тарелку; через некоторое время он начинает таять и полностью превращается в воду. ♦ Опыт 1. Кусочки олова поместим в стальную ложку и будем нагревать на спиртовке или газовой горелке (рис. 248). Олово начнёт плавиться и полностью перейдёт в жидкое состояние. Уберём ложку с жидким оловом из пламени горелки. Олово начнёт кристаллизоваться и полностью КОЛИЧЕСТВО ТЕПЛОТЫ. Превратится в твёрдое тело, имеющее форму ложки. Следовательно, нагревая тела, их можно перевести из твёрдого состояния в жидкое, и, наоборот, охлаждая, — из жидкого состояния в твёрдое. I Процесс перехода вещества из твёрдого состояния в жидкое наэы-^ вают плавлением. Процесс перехода вещества из жидкого состоя-I ния в твёрдое называют кристаллизацией (отвердеванием). Зимой, осенью, весной, когда температура воздуха может быть О °С, тают снег и лёд, но вместе с тем замерзает вода. При О °С снег и лёд тают (плавятся), а вола замерзает (отвердевает). На Севере, в Антарктиде, где температура воздуха может опускаться ниже — 40 "С. нельзя пользоваться ртутным термометром, так как ртуть отвердевает при температуре — 39 "С. Там используют спиртовые термометры, так как спирт замерзает при температуре -114 °С. Каждое вещество плавится или кристаллизуется при определённой температуре. Температуру, при которой вещество плавится, называют температурой плавления, а при которой отвердевает, — температурой кристаллизации. Из опыта известно, что вещества отвердевают при той же температуре, при которой плавятся. Во время плавления тела поглощают теплоту, а во время отвердевания — выделяют. Значения температур плавления для наиболее используемых веществ представлены в таблице 8 на с. 193. ♦ Опыт 2. В сосуд с кусочками льда поместим термометр и будем его подогревать (рис. 249). Лёд будегтаять, а термометр будет показывать 0 ‘’С. Пока весь лёд не растает, температура (О °С) в сосуде изменяться не будет. ^ При плавлении вещества его температура не изменяется. ♦ Опыт 3. Поставим на чащку весов закрытый сосуд со льдом, уравновесим весы (рис. 250, а). Через некоторое время лёд превратится в воду. Равновесие весов не нарушится (рис. 250, 1 При переходе вещества из одного состояния в другого его масса 1 не изменяется. Рис. 250 ♦ Опыт 4. Нальём в бутылку воды и плотно её закупорим. Поместим бутылку с водой в холодильную камеру. Когда вода замёрзнет, бутылка треснет, так как объём льда больше, чем воды (рис. 251). При переходе вещества из одного состояния в другое изменяется его плотность, а, следовательно, и объём данной массы вещества. Теперь выясним, от чего зависит количество теплоты, которое нужно затратить, чтобы расплавить кристаллическое тело при температуре плавления или которое выделяется во время его кристаллизации. ♦ Опыт 5. В одном сосуде буде.м плавить 100 г свинца (рис.252, а), а во втором — 200 г (рис. 252, б). Если нагреватели одинаковы, то для плавления 200 г свинца придётся затратить большее количество теплоты, чем для 100 г. 1 Количество теплоты, необходимое для Г плавления тела, зависит от его массы. ♦ Опыт 6. На одинаковых нагревателях в одном сосуде будем плавить 100 г свинца (рис. 253, а), а во втором — 100 г олова (рис. 253, б). В результате опыта увидим, что для плавления олова нужно затратить большее количество теплоты, чем для плавления свинца. Рис. 253 1 Количество теплоты, необходимое для плавления тела, зависит от Г рода вещества, из которого изготовлено тело. Величину, характеризующую энергетические затраты на плавление определённого вещества, называют удельной теплотой плавления вещества. Её обозначают малой греческой буквой X (лямбда). Единицей удельной теплоты плавления вещества в СИ является один джоуль на килограмм Удельную теплоту плавления вещества определяют с помощью опытов. Было установлено, что удельная теплота плавления льда равна 340 000~ (3,4 • 105^). Это означает, что для превращения бруска льда массой 1 кг при температуре плавления 0 °С в воду нужно затратить 340 000 Дж энергии. Во время обратного процесса - кристаллизации — такое же количество теплоты выделится. Удельная теплота плавления вещества - это физическая величина, показывающая, какое количество теплоты нужно сообщить телу массой 1 кг, чтобы превратить его в жидкость при температуре плавления. Из опытов определена удельная теплота плавления для каждого вещества, значения которой для наиболее используемых веществ представлены в таблице 8. Таблица 8 Удельная теплота плавления веществ _ (при температуре плавления и нормальном атмосферном давлении) Вещество Удельная теплота плавления - Дж кг Температура плавления (кристаллизации), °С Вещество Удельная теплота плавления кг Температура плавления (кристал- лизации), Алюминий 393 000 660 Сталь, чугун 85 000 — 140 000 1100— 1500 Лёд 332 400 0 Золото 67 000 1064 Железо 270 000 1535 Водород 58 600 -259 Медь 213 000 1085 Олово 59 000 232 Вольфрам 185 000 3387 Свинец 24 300 327 Спирт 105 000 -98 Кислород 13 800 -218 Серебро 87 300 962 Ртуть 11 700 -39 Чтобы рассчитать количество теплоты О, которое необходимо затратить на плавление тела массой т, взятого при температуре плавления, нужно удельную теплоту плавления X умножить на массу тела: где Q — количество теплоты; X — удельная теплота плавления вещества; т — масса тела. Количество теплоты, которая выделяется при отвердевании тела массой т, также определяют по этой формуле. Процессы нагревания и кристаллизации можно изобразить графически. По оси ^откладываем значение температуры вещества, а по оси СЬс-время нагревания и плавления вещества. Например, на рис. 254 графически изображены процессы нагревания льда, плавления льда и нагревания воды. График нагревания и плавления вещества состоит из трёх участков: для нагревания льда — это прямая линия с определённым углом наклона, зависящим от значения удельной теплоёмкости вещества: чем больше её значение, тем меньший наклон, температура льда возрастает прямо пропорционально времени нагревания; для плавления льда — это горизонтальная линия, температура смеси воды и льда остаётся постоянной и равна температуре плавления льда до тех пор, пока весь лёд не растает; для нагревания образовавшейся воды — прямая линия, угол наклона которой определяется удельной теплоёмкостью воды. Её значение больше, чем для льда, поэтому и наклон меньший, температура воды возрастает прямо пропорционально времени. g> tenwH и swHitf 1. Что такое плавление? 2. Что называют кристаллизацией? 3. Как изменяется температура тела во время плавления и кристаллизации? 4. Расскажите, как изменяется масса тела во время перехода его из твёрдого состояния в жидкое и наоборот. 5. От чего зависит количество теплоты, которое нужно затратить, чтобы расплавить кристаллическое тело или которая выделяется при его кристаллизации? 6. Что такое удельная теплота плавления вещества? ( 3«Д»ЧИ и УП>АЖН1НиГ) ^ Решаем еместе 1. Пользуясь таблицей 8. выясните, в каком состоянии находятся металлы: серебро, золото, медь, алюминий, вольфрам, сталь при температуре 1000 °С? Ответ: серебро, алюминий - в жидком состоянии; золото, медь, вольфрам, сталь - в твёрдом состоянии. 2. Какое количество теплоты нужно затратить, чтобы расплавить 1 кг свинца, взятого при температуре 27 °С? Дано: т = 1 кг Г * 27 °С *= 327 ос с= 130 & Дж А. = 24 300 G-? Решение Для того чтобы расплавить свинец, его нужно нагреть до температуры плавления, а потом расплавить. Количество теплоты, необходимое для нагревания свинца, определяем по формуле: Q, = 1). Количество теплоты, необходимое для того, чтобы расплавить свинец, определяем по формуле: Q2 = кт. Тогда количество теплоты, необходимое для нагревания и плавления свинца, определим так: Q- Qi + Q2=cm (Г„л -t) + Xm = m(c(t^ - t) +A.). Подставив значения величин, получим: Дж = 63 300 Дж = 63,ЗкДж. Ответ: Q= 63 ЗООДж = 63,3 кДж. Дж ) = С 397. В воде плавает лёд (температура волы и льда одинаковая - 0 °С). Один ученик утверждает, что вода замёрзнет, а второй - что лёд растает. Решите спор. 398. Почему олово можно расплавить в пламени свечи, а железо i- нет? 399. Какое количество теплоты нужно затратить, чтобы расплавить 2 кг серебра, взятого при температуре плавления? 400. Какое количество теплоты нужно затратить, чтобы растопить 10 кг льда, взятого при температуре 0 °С? Объясните решение. 401. Какую массу золота можно расплавить, затратив 125 кДж теплоты? 402. Какое количество теплоты выделится при замерзании воды массой 5 кг при температуре 0°С? (Троинь!) 403. Весной, когда температура воздуха намного выше 0 °С, лёд ещё долгое время не тает и, наоборот, осенью, когда температура воздуха ниже о ®С, вода не сразу замерзает. Почему? 404. Можно ли расплавленным металлом заморозить воду? I 196^____________________________________________________________Глава 4 405. Какое количество теплоты нужно затратить, чтобы расплавить 2 кг олова, взятого при температуре 0 ®С? 406. Какое количество теплоты нужно затратить, чтобы полностью расплавить свинцовую полосу массой 4 кг, взятую при температуре 7 “С? 40Т Температура алюминиевой полосы массой 5 кг равна 20 ®С. Можно ли полностью расплавить такую полосу, сообщив ей 500 кДж энергии? 408. Для какого вещества изображены на графике (рис. 255) процессы нагревания и плавления? ИСПАРЕНИ1 И КОИДЕИаЦИЯ ЖИДКОПЕЙ. УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОТА ПАРООБРАЗОВАНИЯ • Наблюдение 1. Летом после дождя лужи быстро высыхают; вечером, когда воздух становится холоднее, выпадает роса. Если оставить на огне сосуд с водой, то спустя некоторое время воды в сосуде не останется, так как она выкипит. Следовательно, жидкости могут испаряться, т. е. переходить в газообразное состояние. Легко убедиться, что чем выше температура, тем интенсивнее прюисходит этот процесс. Так, летом лужи высыхают быстрее, чем весной или осенью. 1 Процесс перехода жидкости в пар (в газообразное состояние) Г называют парообразованием. Существуют два способа перехода жидкости в газообразное состояние: испарение и кипение. J Испарение - это парообразование, происходящее со Г свободной поверхност жидкости. Испарение происходит при любой температуре, но скорость его зависит от нескольких причин. Чтобы убедиться в этом, выполним такие опыты. Ф Опыт 1. На бумагу капнем эфира, воды, спирта, масла. Сначала испарится эфир, потом — спирт, вода, а масло будет высыхать несколько дней. ^ Скорость испарения зависит от вида жидкости. ♦ Опыт 2. Нальём одинаковое количество воды в стакан и широкую тарелку. Вода сначала испарится из тарелки, а потом - из стакана. КОЛИЧЕСТВО ТЕПЛОТЫ. ТЕПЛОВЫЕ Г f Скорость испарения зависит от площади поверхности жидкости. ♦ Опыт 3. Одну тарелку с водой поставим на столе в комнате, а другую - на батарею водяного отопления или другое тёплое место. Вода сначала испарится из той тарелки, которая стоит в более тёплом месте. ^ Скорость испарения зависит от температуры жидкости. • Наблюдение 2. Выстиранное бельё развешивают для просушки. В сухую ветреную тёплую погоду бельё сохнет намного быстрее, чем в тихую или прохладную погоду. I Скорость испарения зависит от наличия потоков воздуха и его Г влажности. Теперь, зная причины, от которых зависит скорость испарения, мы можем объяснить, для чего, например, переливают чай из стакана в блюдце, дуют на горячий борщ или кашу, пользуются веером при высокой температуре воздуха. При определённой температуре (температуре кипения) жидкости начинают интенсивно испаряться не только с поверхности, но и изнутри с образованием пузырьков, ^о явление называют кипением (рис. 256). Кипение - это интенсивное парообразование не только со свободной поверхности жидкости, но и из всего объёма внутрь пузырьков пара, которые при этом возникают. Значение температуры кипения жидкостей зависит от атмосферного давления. В таблице 9 на с. 199 представлены значения температуры кипения некоторых жидкостей при нормальном атмосферном давлении: вода кипит при температуре 100°С, ацетон — при 56 ®С, жидкий кислород — при —183°С. Из опытов известно, что с охлаждением газов до определённой температуры (температуры конденсации) они начинают сжижаться и становятся жидкостями. Установлено, что это происходит при той же температуре, при которой соответствующая жидкость кипит. Это обратные процессы, как и в случае перехода воды в лёд, направление перехода зависит от конкретных физических условий; если жидкость получает теплоту, то кипит и переходит в газообразное состояние; если газ отдаёт теплоту, то он сжижается, т. е. конденсируется. Например, аммиак конденсируется при температуре —33,4 ®С, жидкий кислород — при —183 '’С, воздух -при-195 °С. В воздухе содержится много водяного пара. Когда воздух охлаждается, пар переходит в жидкое состояние: образуются тучи, туман, роса. Теперь вьсясним, от чего зависит количество I теплоты, которое нужно затратить, чтобы || испарить жидкость при температуре кипения или | которое вьшеляется при конденсации газа. Рис. 256 Рис.257 ♦ Опыт 4. Поставим на плиту два сосуда, в один из которых нальём 50 г воды (рис. 257, а), а вдругой - 100 г воды (нагреватели и сосуды одинаковы) (рис. 257, б). Доведём воду до кипения и будем испарять. Сначала испарится вода в сосуде, где было 50 г, а потом — в сосуде со 100 г воды. 1 Количество теплоты, необходимое для испарения жидкости при Г температуре кипения, зависит от массы жидкости. ♦ Опыт 5. На одинаковые нагреватели поставим сосуды, в одном из которых 50 г воды (рис. 258, а), а во втором — 50 г спирта (рис. 258, б). Доведём эти вещества до кипения (спирт закипает при 78 °С, а вода — при 100 °С) и будем их испарять. Результаты опыта показывают, что сначала испарится спирт, а потом — вода. i Количество теплоты, необходимое для испарения жидкости при Г температуре кипения, зависит от рода вещества. Величину, которая характеризует энергетические затраты на испарение определённой жидкости массой I кг, называют удельной теплотой парообразования. Её обозначают большой латинской буквой L. Единицей удельной теплоты парообразование вещества в СИ является один джоуль на килограмм (1 ^). Удельную теплоту парообразования вещества определяют с помощью опытов. Установлено, что удельная теплота парообразования воды при 100®С равна 2,3 ■ lO* Это значит, что для превращения воды массой 1 кг впарпри 100 ®Снеобходимо2300 000 Дж энергии. При обратном процессе-конденсации — такое же количество теплоты выделится. КОЛИЧЕСТВО теплоты. T1 imi 'Удельная теплота парообразования вещества - это физическая величина, определяющая, какое количество теплоты необхо/piMO, чтобы превратить жидкость массой 1 кг в пар при температуре кипения. Каждая жидкость имеет свою удельную теплоту парообразования. Значения удельной теплоты парообразования некоторых жидкостей приведены в таблице 9. Таблица 9 Удельная теплота парообразования веществ (при температуре кипения и нормальном атмосферном давлении) Вещество L ' кг Температура кипения (конденсации), °С Вещество L ’ кг Температура кипения (конденсации), °С Вода 2 300 000 100 Ртуть 300 000 357 Ацетон 521 000 57 Кислород 213 000 - 183 Спирт 900 000 78 Скипидар 161 000 287 Чтобы paccwraib количество теплоты О, которое необходимо для испарения жидкости массой т, взятой при температуре кипетт, нужно удельную теплоту парообразования вещества L умножить на массу жид костм: (ё = Lm\. где Q — количество теплоты; L — удельная теплота парообразования вещества; т — масса жидкости. Количество теплоты, выделяющееся при конденсации пара массой т. определяется по этой же формуле. Процессы нагревания и испарения можно изобразить графически. По оси Оу откладываем значение температуры жидкости, а по оси Ох — время нагревания и испарения жидкости. Например, на рис. 259 графически изображены процессы нагревания и испарения воды кипением. График нагревания и испарения жидкости состоит из трёх участков: хшя нагревания жидкости — это прямая линия с определённым углом наклона, который зависит от значения удельной теплоёмкости жидкости; для кипения жидкости — это горизонтальная линия, температура жидкости остаётся постоянной и равна температуре кипения жид- I Нагревание парау кости до тех пор, пока вся жидкость испарится; для нагревания образовавшегося пара — прямая линия, угол наклона которой определяется удельной теплоёмкостью пара, температура пара возрастает прямо пропорционально времени. 100 ВОПРОСЫ и ЗАДАНИЯ [Г/' 1. Что такое парообразование? 2. Что называют конденсацией? 3. Что такое кипение? 4. От чего зависит количество теплоты, которое необходимо для испарения жидкости или которое выделяется при конденсации пара? 5. Что показывает удельная теплота парообразования жидкости? Назовите её единицу. 6. Как рассчитать количество теплоты, необходимое для испарения жидкости при температуре её кипения? ( ЗАДАНН И УПРАЖН1ННЯ"^ ^ Решвем iNiecre 1. Почему жирный суп долго не остывает лаже тогда, когда его налили в тарелку? Ответ: жир очень медленно испаряется по сравнению с водой, поэтому тонкий слой жира на поверхности супа задерживает испарение воды, в связи с этим охлаждение супа замедляется. 2. Какое количество теплоты нужно затратить, чтобы превратить 3 кг спирта, взятого при температуре 18 °С, в пар? Дано т = 3кг /= 18°С L * 78 ‘^С Решение Для превращения спирта в пар нужно сначала его нагреть до температуры кипения, а потом испарить. Количество теплоты, необходимой для нагревания -спирта, опредеяем по формуле: Qi = cm (/к - /). G — ? Количество теплоты, необходимое для испарения спирта определяем по формуле: 02 = Тогда количество теплоты, затраченной на нагревание и испарение спирта, определим так: 0 = 01 + 02 * cm (/,. -О Lm - m(c(t^ -t) + L) . Подставив значения величин, получим: 0= 3 кг (2400 (78 °С - 18 °С) + 900 000 = • I 044000Дж= 1044кДж= 1,044 МДж. Ответ: Q— 1,044 МДж. ( Ypotf ь A ) 409. Как объяснить, что испарение жидкостей происходит при любой температуре? 410. Находясь в походе, турист на;1ил в сосуд воды из холодного источника и увидел, что сосуд снаружи покрылся капельками жидкости. Объясните это явление. 411. Для чего овоши и фрукты, предназначенные для сушки, разрезают на тонкие кусочки? 412. Почему на лесных дорогах лужи высыхают дольше, чем на полевых? 413. Какое количество теплоты необходимо для превращения 150 г воды при 100 ”С в пар? 414. Какое количествотеплоты выделится при конденсации 10 кг водяного пара? ( YjwMBb i) 415. Известно, что чрезмерное испарение воды из почвы приводит к её высыханию и снижению урожайности. Тем не менее без испарения невозможно представить развитие растений. Почему? • 416. Холодную воду налили в бутылку, в флягу в брезентовом чехле и в обожжённый глиняный кувшин. Обожжённая глина имеет пористое строение. В каком из сосудов вода спустя некоторое время будет наиболее холодной? Наиболее тёплой? 417. У растений, произрастающих в местах с влажным климатом, широкая листва, а в местах с сухим климатом — узкая и размешается вертикально. Чем это обусловлено? 418. Дистиллированную воду массой 5 кг, взятую при температуре 20 °С, надо сначала нагреть до температуры кипения, а потом превратить в пар. Какое количествотеплоты необходимо для этого? В каком из двух случаев выделится большее количество теплоты: 1) при охлаждении 5 кг воды от 100 до 0 "С; 2) при конденсации 5 кг пара без изменения температуры? 419. Какое количествотеплоты нужно затратить, чтобы 2 кг льда, взятого при температуре 10 '’С. превратить полностью в пар? 420. Опишите процессы, изображенные на графике (рис. 260). 1§4>) СГОРАНИЕ ТОПЛИВА. УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОТА СГОРАНИЯ ТОПЛИВА Основным источником энергии для обеспечения движения железнодорожных локомотивов, автомобилей, тракторов, самолётов и т. п. являются разные виды топлива. В промышленности, на транспорте и в быту используют такие виды топлива: уголь, горючие сланцы, нефть, бензин, дизельное топливо, природный газ и др. Выясним, при каких условиях происходит полное сгорание топлива и каковы его результаты. ♦ Опыт 1. Зажжём свечу. Она будет гореть. Накроем её стеклянным сосудом (рис, 261, а). Через некоторое время свеча гаснет (рис. 261, 6). Почему? i Процесс горения происходит Г при наличии воздуха. ♦ Опыт 2. Цилиндр с поршнем сое- Рис. 261 диняем со стеклянным шаром. На поршень ставим гирю. Нагреваем шар, сжигая сухое топливо. Воздух, нагревшийся в шаре, расширяется и выталкивает поршень, поднимая гирю, т. е. выполняет работу. I При сжигании топлива выделяется энергия, за счёт которой I выполняется работа. Уголь, нефть, мазут, дерево содержат углерод (табл. 10). При горении молекулы углерода соединяются с молекулами кислорода, содержащегося в воздухе. Каждая молекула углерода взаимодействует с двумя молекулами кислорода, образуя при этом молекулу углекислого газа. С образованием этой молекулы выделяется энергия. 1 При полном сгорании углерода образуется углекислый газ и Г выделяется энергия: С + О2 = СО2 + 402 кДж. Горение связано с разрушением одних молекул и образованием других, например при горении метана образуются углекислый газ и вода (рис. 262) с выделением энергии: При горении изменение внутренней энергии вешества происходит не путём теплообмена или выполнения работы телом или над телом, а в результате термохимических реакций с участием топлива. При этом энергия движения молекул продуктов сгорания, а значит, и их температура будут больше, чем у молекул топлива. Горение топлива — это процесс соединения молекул топлива с молекулами кислорода, который сопровождается выделением определённого количества теплоты и образованием новых веществ {табл. 10). Таблица 10 Основные характеристики некоторых видов топлива Топли- во Состав топлива в процентах компонентов Дерево Органические сухое вещества -83. в том числе: углерод -50 кислород -43 водород - 6 минеральные вещества - 2 вода - 15 Камен- Углерод -78 ный Водород - 5 уголь Кислород - 6,4 Азот - 1,4 Сера - 0,7 Шлак - 7,3 Влага - 1,2 Литра- Углерода -95 цит Мазут Углерод - 82-86 Водород - 11-14 Сера - ДО 0,5 димыи для сжигания 1 кг топлива, Объём смеси, образовавшейся после полного сгорания 1 кг топлива, м^ Объём воды, который можно нагреть до температуры кипения теплотой, выделившейся при полном сгорании 1 кг (углекислый газ, водяной пар, азот) газ, водяной пар, азот, двуокись серы 11,5 (^лекислый газ, водяной пар, азот, двуокись серы Ф Опыт 3. Два одинаковых оакана наполним водой одинаковой массы. Под одним стаканом зажжём одну таблетку сухого топлива, а под вторым -две таблетки. Температуру воды в стаканах измеряем с помощью термометров. Oocjie полного сгорания сухого топлива температура воды во втором стакане оказывается выше, чем в первом. 1 Количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании топ* Г лива, зависит от массы топлива. При конструировании и производстве тепловых двигателей всегда нужно знать, какое количество теплоты необходимо для работы определённого двигателя, а значит, и определять вид топлива. Для определения необходимого количества топлива нужно знать, какое количество теплоты выделяется при полном его сгорании. Чтобы сравнивать, какой вид топлива при его полном сгорании вьше-ляет больше теплоты, ввели такую физическую величину, как удельная теплота сгорания топлива. [ Количество теплоты, выделяющееся при полном сгорания 1 кг I топлива, называютудельной теплотой сгорания топлива. Удельную теплоту сгорания топлива обозначают малой латинской буквой q. Единицей удельной теплоты сгорания топлива в СИ является один джоуль на килограмм (1 На практике большей частью применяют кратную величину - один мегаджоуль на килограмм (1 МДж^ МДж , 1 000 000 , Удельная теплота сгорания топлива - это физическая величина, являющаяся энергетической характеристикой разных видов топлива Её значения для распространённых видов топлива приведены в таблице II. Таблица 11 Удельная теплота сгорания топлива Топливо Я, МДж кг Топливо Я, МДж кг Топливо Я, МДж кг древесный Бензин ■ 46,0 Водород 120,0 уголь 34,0 Керосин 46,0 Метан 50,0 Антрацит 30,0 Нефть 44.0 Ацетилен 48,1 Каменный уголь 27,0 Дизельное топливо 42.7 Природный газ 44,0 Бурый уголь 17,0 Мазут 41.0 Пропан 42,4 Торф 14,0 Эфир 34.0 Аммиак 18,4 Тротил 15,0 Спирт этиловый 27,0 Окись углерода 10,1 Дрова сухие 11.0 Спирт 25.0 Дрова сырые 8,0 Спирт метиловый 19.5 Порох 3,8 Условное топливо 30,0 Следует подчеркнуть, что приведённые в таблице данные соответствуют количеству теплоты, выделяющейся при полном сгорании топлива. Чтобы подсчитать, какое количество теплоты выделится при полном сгорании 5 кг керосина, нужно рассуждать так. При сгорании I кг керосина выделяется 46 Мдж теплоты. Когда сгорит 5 кг керосина, количество выделенной теплоты будет в 5 раз больше, а именно; 46 Мдж • 5 = 230 МДж. Чтобы определить количество теплоты, выделяющейся вследствие полного сгорания данной массы определённого вида топлива, нужно удельную теплоту сгорания этого вида топлива умножить на массу топлива: \Q=qm\ где Q ~ количество теплоты, выделяющееся при полном сгорания топлива; q — удельная теплота сгорания топлива; т — масса топлива. • При неполном сгорания углерода, содержащегося в топливе, в печах или котлах, в двигателях внутреннего сгорания, выделяется оксид углерода (угарный газ): С + О2 = 2СО. Эго соединение - сильный яд! Оно не имеет цвета, запаха (в чистом виде), немного легче воздуха, плохо растворяется в воде, имеет очень низкую температуру кипения (-191.5 °С). Угарной газ лучше, чем кислород. соединяется с гемоглобином крови. Возникает кислородное голодание, которое сопровождается головной болью, потерей сознания. Если в воздухе помещения содержится 0,4 % угарного газа, то вследствие сильного отравления наступает смерть. Для оказания первой помощи потерпевоюго следует вынести на свежий воздух и сделать искусственное дыхание. Пострадавшему рекомендуется осторожно вдыхать раствор аммиака. ВОПРОСЫ и ЗАДАПИВ 1. Что называют удельной теплотой сгорания топлива? 2. Какие виды топлива имеют наибольшую удельную теплоту сгорания? Наименьшую? 3. Опишите, какими способами достигают полного сгорания топлива. С ЗАДАЧИ Ы УПРАЖНВНИГ) ^ Решоем вмесге 1. Каждое топливо в присутствии воздуха и в контакте с огнём загорается при определённой температуре: например, мазут - при 55 X; сухое дерево -при 300 °С; каменный уголь - при 600 ®С. Можно ли сразу засыпать в котел каменный уголь? Ответ: нельзя, каменный уголь не загорится, так как в котле не достигнута соответствующая температура. 2. Какое количество воды можно нагреть от 0 до 100 “С, сжигая 1 кг водорода? Дано: ' 100 “С Решение. Количество'теплоты, выделившееся при полном сгорании топлива, определяем по формуле: Q-qm. Количество теплоты, необходимой для нагревания води, определяем по формуле: Q = cm^{t2-t\). Считаем, шо вся энергия, вьшелившаяся при сгорании водорода, пойдёт на нагревание волы. Тогда: qm = - Г|). Отсюда Подставив значения величин, получим; Дж --- кг ---= 285,7 кг. 120000 000 Ответ: = 285,7 кг. ( Тр»ми> А ) 421. Назовите все известные вам виды топлива. Какие виды топлива используют для отопления в Украине? 422. 423. Что означает запись: «Теплота сгорания антрацита — 3 • 10’ - дров — 1 • 10’ Дж , 424. Одинаковое ли количество дров, каменного угля, торфа нужно сжечь в печи, чтобы нагреть воздух комнаты до одной и той же температуры? 425. Почему при сжигании сырых дрюв выделяется меньшее количество теплоты, чем при сжигании сухих? 426. В котле сожгли 12 кг каменного угля. Какое количество теплоты при этому выделилась? с Ypol»» Б ) 427. Сжигают 2 кг каменного угля, который содержит 90 % чистого углерода. Определите массу углекислого газа, который при этом выделится, если при сжигании 12 г чистого углерода выделяется 44 г углекислого газа 428. Углекислый газ состоит из двух химических элемен'гов: углерода (27,2 %) и кислорода (72,8 %). Определите, какая масса кислорода содержится в 50 г углекислого газа, какая масса углерода содержится в 25 г углекислого газа. Найти массы углерода и кислорода, израсходованные на образование 200 г углекислого газа. 429. Размеры комнаты: длина — 4 м, ширина - 2,8 м, высота - 2,5 м. Определите массу сухого дерева, которое может полностью сгореть, использовав весь кислород, содержащийся в воздухе комнать' полного сжигания 10 кг сухого дерева требует 7 м- кислорода. При нормальном атмосферном давлении объём кислорода составляет 0,2 объёма воздуха в комнате. 430. Какое количество теплоты выделится при полном сгорании 15 кг древесного угля? 7 кг спирта? Сравните эти количества теплоты. Сделайте выводы. 431. На сколько градусов можно было бы нагреть 2 кг воды при полном сжигания 10 г спирта, если бы вся выделенная энергия пошла на нагревание воды? 432. По графику зависимости (рис. 263) количества теплоты, выделяющегося при полном сгорании метана (/), бензина (2), антрацита (J), бурого угля {4), сухого торфа (5), горючих сланцев (6), свежего дерева (7) и твердого ракетного топлива {8), от массы топлива определите: а) количество теплоты, выделившейся при полном сгорании 2 кг сухого торфа; б) удельную теплоту сгорания бензина; в) какое топливо имеет наибольшую удельную теплоту сгорания; наименьшую; г) сколько дерева нужно сжечь, чтобы вьшелилось 20 Мдж энергии; д) какую массу горючих сланцев нужно сжечь, чтобы получить такое же количество теплоты, как и в результате полного сгорания 0,5 кг бензина; е) сколько антрацита нужно сжечь, чтобы нагреть цинковое ведро с водой от о до 100 '^С. Масса ведра — ! кг, объём - 10 л. |§ so) ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ Тепловые машины были созданы в начале XVIII ст., в период бурного развития текстильной и металлургической отраслей промышленности. Паровую водоподъёмную установку построили англичане Т. Ньюкомен и Дж. Коули в 1712 г. В России паровой двигатель создал И. Ползунов в 1765 г., а в 1784 г. в Англии Д. Уатт получил патент на универсальный паровой двигатель. Создание паровых машин, двигателей внутреннего сгорания положило начало развитию автомобильного транспорта и самолётостроения. Газовая турбина хила толчок перестройке в авиации, самолёты с поршневыми двигателями были заменены реактивными и турбореактивными лайнерами, скорость которых приближается или больше скорости звука (330 ^ = 1188 ^). С помощью реактивных двигателей осуществлена давняя мечта человечества - выход в космическое пространство. На электростанциях паровые турбины приводят в движение электрические генераторы, вырабатывающие электрический ток. Все тепловые машины, независимо от их устройства и назначения, разделяют на два вида; тепловые двигатели и холодильные установки. ♦ Опыт. Нальём в пробирку немного воды, плотно закроем её пробкой (рис. 264) и нагреем воду до кипения. Пол давлением пара пробка вылетит из пробирки вверх. В этом случае энергия топлива перешла во внутреннюю энергию пара, а пар, расширяясь, выполнил работу — поднял пробку. Внутренняя энергия пара превратилась в кинетическую энергию пробки. Если заменить пробирку крепким металлическим цилиндром, а пробку - припасованным поршнем, который может двигаться в цилиндре (рис. 265), то получим простейший тепловой двигатель, в котором внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию поршня. J Тепловыми д в и гате л я м и называютмашины, в которых внут-I ренняя энергия топлива превращается в механическую энергию. Цилиндр количество ТЕПЛОТЫ. ТЕПЛОВЫЕЩШИНЫ,. -—-Tapyji к тепловым двигателям относятся; паровая машина, двигатель внутреннего сгорания (карбюраторный, дизельный), паровая и газовая турбины, реактивный двигатель. Во всех этих двигателях внутренняя энергия топлива сначала переходит во внутр>€ннюю энергию газа или пара. Расширяясь, газ выполняет работу и при этом охлаждается — часть его внутренней энергии превращается в механическую энергию. Двигатель внутреннего сгорания. Такое название происходит от того, что топливо сгорает в цилиндре, внутри самого двигателя. Первый поршневой двигатель внутреннего сгорания (ДВС) был создан в 1860 г. французским инженером Э. Ленуаром. Преимущество такого двигателя перед другими тепловыми двигателями заключается в том, что он имеет сравнительно малые размеры и массу. Это дало возможность использовать его на транспорте (автомобиль, трактор, тепловоз), в авиации, на кораблях (дизель-электроход, катер, подводная лодка). Двигатели внутреннего сгорания работают на жидком топливе (бензине, керосине, нефти) или на горючем газе. На рис. 266 показан разрез простейшего ДВС. Двигатель состоит из цилиндра, в котором перемешается порщень 3, соединённый с помощью шатуна 4с коленчатым валом 5. На валу закреплён тяжёлый маховик 6, предназначенный для уменьшения неравномерности врашения вала. В верхней части цилиндра есть два клапана / и 2, которые во время работы двигателя автоматически открываются и закрываются в нужные .моменты. Через клапан / в цилиндр поступает смесь, которая зажигается с помощью свечи 7, а через клапан 2 выходят отработанные газы. Каждый ход поршня вверх или вниз называется тактом. Рассмотрим процессы, происходящие в течение каждого такта. Пусть поршень движется вниз из крайнего верхнего положения (рис. 267, а), и впускной клапан / открыт. При опускании поршня через этот клапан в камеру сгорания всасывается горючая смесь — пар бензина с воздухом. В конце такта клапан / закрывается. Такой такт называется впуском. Поршень начинает подниматься вверх, сжимая горючую смесь (рис. 267, б). Этот такт называется сжатием. Незадолго до того как поршень дойдёт к верхнему 1язайнему положение, в свече 7 проскакивает ис1фа, и горючая смесь воспламеняется. Рис. 267 Третий такт двигателя (рис. 267, в) называется рабочим ходом. Во время сгорания смеси температура газов в цилиндре достигает 1600-1800 °С, а давление — 10 000 000 Па. Эти газы с большой силой давят на поршень, который опускаеться вниз и с помощью шатуна 4 и кривошипного механизма сообщают движение коленчатому валу. В конце рабочего хода, когда поршень приходит в крайнее нижнее положение, открывается выпускной клапан 2 (рис. 267, г). Начинается четвертый такт - выпуск. Поршень, поднимаясь вверх, выталкивает отработанные газы в атмосферу. Итак, работа четырёхтактного двигателя состоит из четырех процессов (тактов): впуска, сжатия, рабочего хода и выпуска. В автомобилях чаще всего используют четырёхцилиндровые двигатели внутреннего сгорания. Работа цилиндров в нём согласована так, что в каждом из них поочерёдно осуществляется рабочий ход, и коленчатый вал всё время пшучает енергию от каждого из поршней. Есть также и восьмицилиндровые двигатели. Они лучше обеспечивают равномерность вращения вала и имеют большую мощность. Паровая турбина. Это тепловой двигатель, в котором пар. нагретый до высокой температуры, находится под высоким давлением и вращает его вал без помощи поршня, шатуна и коленчатого вала. На рис. 268 приведена схема простейшей паровой турбины. На вал I насажен диск 2, по оболу которого закреплены лопатки 3. Возле : лопаток размешены трубы, называемые соплами 4. Пар. образующийся в котле, поступает в сопла. КОЛИЧЕСТВО ТЕПЛОТЫ. 1_________________________________________ вырывается струями, действующими с большой силой на лопатки и приводящими во вращательное движение диск турбины. В современных паровых турбинах применяют не один, а много дисков, насаженных на общий вал (рис, 269). Пар последовательно проходит через лопатки всех дисков, отдавая каждому из них часть своей энергии. Паровые турбины являются незаменимыми тепловыми двигателями на тепловых и атомных электростанциях. Первую паровую турбину практического применения изготовил в 1889 г. К. Лавал. Газовая турбина и реактивные двигатели. Преимущества паровой турбины и двигателя внутреннего сгорания объединены в газовой турбине, в которой внутренняя энергия газа превращается в кинетическую энергию вала. В камеру сгорания 4 (рис. 270) газовой турбины с помощью компрессора 2 подаётся сжатый воздух при температуре приблизительно 200 °С и впрыскивается жидкое топливо (керосин) под высоким давлением. При горении топлива воздух и продукты сгорания нагреваются до температуры 1500-2200 °G. Газ. движущийся с большой скоростью, направляется на лопатки турбины 3. Проходя от одного диска турбины к другому, газ отдаёт свою внутреннюю энергию, приводя турбину в движение. Получаемая механическая энергия используется для вращения, например, винта самолёта / или электрического генератора. В ракетах топливо сгорает в камере сгорания (рис. 271), Образовавшиеся газы с большой силой давят на стенки камеры. С одной стороны камеры есть сопло, через которое продукты сгорания вырываются в окружающую среду. Ракета, отталкиваясь от струи вытекающего газа, приобретает движение в противоположном направлении. Такие двигатели называют реактивными. В реактивном двигателе внутренняя энергия топлива превращается в кинетическую энергию движущейся ракеты. Впервые возможность и необходимость использования ракетных двигателей для запуска летательных аппаратов в космическое пространство обосновал в 1903 г. К. Циолковский. В своей жизни вы постоянно сталкиваетесь с разнообразными двигателями. Они приводят в движение автомобили и самолёты, трактора, корабли и железнодорожные локомотивы. С помощью тепловых машин на электростанциях вырабатывается электрический ток. Рис. 272 I212J Работа тепловых машин связана с использованием разных видов топлива. Топки тепловых электростанций, двигатели внутреннего сгорания автомобилей (рис. 272), самолётов и других машин выбрасывают в атмосферу вредные для человека, животных и растений вещества (угарный газ, углекислый газ, оксиды азота, серы и т. п.). Эти вещества соединяются с атмосферной влагой и образуют кислоты. Это становится причиною выпадения кислотных дождей, в результате чего уничтожаются хвойные леса, гибнет рыба, снижается урожайность зерновых культур и сахарной свёклы. Увеличение количества автомашин, особенно в городах, приводит к чрезмерному загрязнению атмосферы выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания. Чтобы уменьшить эти выбросы, проводят регулирование двигателей для полного сгорания топлива и уменьшения содержания угарного газа, внедряют двигатели в которых используют более чистое топливо. Применение паровых турбин на электростанциях требует много воды и больших площадей, которые занимают водоёмы для охлаждения отработанного пара. Для экономии площади и водных ресурсов целесообразно строить комплексы электростанций, имеющих замкнутую систему водоснабжения. Наиболее эффективный способ борьбы с загрязнением среды — замена двигателей внутреннего сгорания электрическими двигателями, использование энергии Земли,_ Солнца, ветра. >поШШШ4М№ШК'В • Мысль об использовании пара для потребностей транспорта возникла ещё в XVII в. Конструкторы сначала пытались приспособить паровые двигатели к обычным экипажам. В 1763 г. французский инженер Коньо сконструировал первую парсюую тележку. Эта машина работала всего 12-15 мин. Позднее Жорж Коньо конструирует более совершенную тележку, но когда её пустили по улицам Парижа, то оказалось, что ей невозможно управлять. В 1787 г. американец Оливер Эванс сконструировал паровую тележку, но она тоже была непригодна к практическому использованию. В конце 80-х годов XVIII в. Уильям Мёрдок, ученик и помощник Дж. Уатта, создал паровую тележку с двигателем конструкции своего учителя. Он сконструировал ряд интересных моделей тележек, но создать практическую транспортную машину ему не удалось. Следует отметить, что проблема создания парового автомобиля так и не была решена, автомобиль был создан на базе двигателя внутреннего сгоранйя. • Многие изобретатели в ту эпоху старались сконструировать локомотив, который двигался бы по рельсам. Первым к идее применения паровых локомотивов на специальных рельсовых путях пришёл шотландский инженер и механик Ричард Тревитик. В 1803 г. он сконструировал паровоз КОЛИЧЕСТВО ТЕПЛОТЫ. Т ДЛЯ рельсового пути, а в следующем году провёл его испытания. В 1814 г. сконструировал и испытал свой пер* вый паровоз Джордж Стефенсон. Его конструкция и решила проблему создания парового железнодорожного транспорта (рис. 273). • История создания парохода, как и паровоза, тоже интересная. Еше в начале XVIII в. Дени Папен сконструировал лодку, которая двигалась с помощью парового двигателя. Но из-за его несовершенства лодка двигалась довольно медленно. В 1736 г. англичанин Джонатан Кольз безуспешно пытался применить на судах паровую машину Т. Ньюкомена. • Более удачные попытки начались с изобретением двигателя Дж. Уатта. Так, 8 1781 г. француз КлодЖоффруа сконструировал пароход, который с помощью парового двигателя мог целый час плыть против течения. Через четыре года американец Дж. Фитч построил лодку, в которой паровой двигатель приводил в движение вёсла. Однако испытание этого парохода были неудачными. • Первый практически пригодный пароход сконструировал ирландский инженер и механик Роберт Фультон, который, как и Стефенсон, бьш изобретателем-самоучкой. Свой первый ещё несовершенный пароход Фультон испытал в 1603 г. на р. Сене в Париже. Опыт удался: судно в течение 1,5 ч плылло по Сене, развивая скорость 5 по течению. В 1807 г. Фультон сконструировал колёсный пароход °Клерм№т», на котором установил паровую машину двойного действия Уатта. Длина этого парохода составляла 43 м, мощность двигателя - 20 лошадиных сил, водоиэмеи^ние -15 т (рис. 274). Рис. 274 1> ВОПРОСЫ и ЗАДАНИЯ 1. Что такое тепловой двигатель? 2. Какие виды тепловых двигателей вы знаете? 3. Какой двигатель называют двигателем внутреннего сгорания? 4. Какие процессы происходят в течение четырёх тактов работы двигателя внутреннего сгорания? 5. Как устроена паровая турбина? Как она работает? Каково её назначение? 6. Объясните, как работают газовая турбина и реактивный двигатель. 7. Какие вредные вещества выбрасывают в атмосферу тепловые машины? К каким последствиям это приводит? |§ 51) ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ЗНЕРГИИ В МЕХАНИЧЕСКИХ И ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССАХ При падении тела, поднятого над Землёй, его потенциальная энергия уменьшается, акинетическая - увеличивается. При падении свинцового или пластилинового шарика на свинцовую плиту механическая энергия шарика уменьшается до нуля, но увеличивается внутренняя энергия шарика и плиты. В двигателе внутреннего сгорания автомобиля или трактора за счёет внутренней энергии топлива увеличивается механическая энергия подвижных частей двигателя. I Механическая и внутренняя энергии тел могут превращаться друг 1 в друга. Колёса водяной турбины вращаются за счёт кинетической энергии воды, а крылья ветряного двигателя —за счёт кинетической энергии ветра. При теплообмене внутренняя энергия одного тела изменяется за счёт изменения внутренней энергии другого (например, внутренняя энергия воды увеличивается за счёт уменьшения внутренней энергии нагретого куска железа, брошенного в воду). Рассматривая пример смешивания горячей и холодной воды, выполнив соответствующие подсчёты, мы увидели, что количество теплоты, которую отдала горячая вола, равно количеству теплоты, которую получила холодная вода. Выполненная вами лабораторная работа «Изучение теплового баланса при смешивании воды разной температуры» подтвердила бы этот вывод, если бы вы выполняли её в условиях, не допускающих передачи тепла другим телам, кроме холодной воды, или учли бы всё количество теплоты, переданное всем телам. 1 При теплообмене в системе контактирующих тел количество Г теплоты сохраняется. Наблюдения и опыты привели к открытию закона сохранения и изменения энергии. I Энергия не исчезает и не создаётся из ничего. Она только превращает-Г ся из одного вйда в другой, при этом полное значение её сохраняется. Дополнительная энергия у тела может возникнуть только вследствие его взаимодействия с другим телом. Энергия воды океанских течений или ветра возникает за счёт энергии Солнца; потенциальная и кинетическая энергии ракеты - за счёт внутренней энергии топлива, израсходованного на её запуск и полёт, Закон сохранения и изменения энергии — один из основных законов природы. Этот закон всегда нужно учитывать в науке и технике, с его помощью можно объяснить множество явлений природы. •бпросы и |«ДАИИ1 1. В чём заключается закон сохранения энергии в механических и тепловых процессах? 2. Приведите примеры преобразования энергии одного вида в другой. 3. За счёт чего движется автомобиль по дороге, ракета - в космическом пространстве, лодка - по воде? |§530 КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙаВИЯ (КПД) НАГРЕВАТЕЛЯ Для оценки любого нагревателя очень важно знать, какую часть энергии, вьшеляюшейся при сгорании топлива (или работы электронагревателя), он превращает в полезную работу. Чем больше эта часть энергии, тем более экономичен нагреватель. Для характеристики экономичности разных нагревателей вводят понятие коэффициента полезного действия (КПД) нагревателя. Отношение той части энеркии, которая расходуется на выполнеюЕе полезной работы нагре1вателя, ко всей энергии, вьщеляющейся вследствие сгорания топлива (или при работе электрического нагревателя), называетсякоэффициентом полезного действия (КПД)нагревателя. КПД обозначают малой греческой буквой т) (ета) и обычно выражают в процентах (%). ' g где т) — коэффициент полезного действия нагревателя; — выполненная полезная работа; 0 —полная тепловая энергия, выделенная нагревателем. Определим, например, КПД спиртовки, газовой горелки или другого нагревателя. При сжигании массы ггц топлива выделяется энергия, которую определим по 4>ормуле: Q2 = д/Пу. Эта энергия идет, например, на нагревание тела массой т, т. е. на выполнение полезной работы: ,4^=01 = cmOi — ^i). • Определим КПД по формуле: 100% _ cm(h-h) дгщ 100% Если используем электрический нагревательопределённой мошности, то энергия, которая выделяется во время его работы, определяется по формуле: 02 “ Л, де Р —мощность электрического нагревателя; т —время работы нагревателя. Тогда КПД нагревателя будет определяться так: 100% кпд нагревателя всегда меньше единицы (или меньше 100 %). g> МПГОСЫ и иДАИШ 1. Что такое коэффициент полезного действия нагревателя? 2. Расскажите, как определяют коэффициент полезного действия ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЕФФИЦИЕНТ* ПОЛЕЗНОГО ДЕйаниа (КПД) нагренагеян mi, кг m2, кг Лт, кг т, кг с, Дж кг-"С Я, Дж кг-®С °с л, % Цель работы: убедиться на опытах в том, что полезная работа, затраченная на нагревание жидкости, меньше полной энергии, выделенной при полном сгорании топлива, и определить коэффициент полезного действия нагревателя. Приборы спиртовка (сухое топливо), штатив с муфтой и лапкой, и материалы: сосуд с водой или другой жидкостью, термометр, весы, набор гирь (динамометр). Ход работы Определите с помощью весов (динамометра) массу спиртовки с топливом т,. Этот и все следующие результаты занесите в таблицу. 2. Сосуд с водой закрепите в штативе. Под сосудом разместите спиртовку. 3. Измерьте термометром температуру воды в сосуде /j. 4. Зажгите спиртовку. Нагрейте воду массой m * 100 г до температуры кипения 5. Погасите спиртовку. Снова определите массу спиртовки с топливом т^. 6. Определите массу использованного топлива Лт = т,- m2. 7. По таблице 11 (с. 204) определите удельную теплоту сгорания топлива q. 8. По формуле п * 9. Сделайте выводы. cm (й —1\) ^mq ■ 100% определите КПД спиртовки. U J. С ЗДДДНМ и УПРАЖН1НнГ) у Решаем вместе 1. Почему радиатор является системой многих тонких трубок, а не сплощным резервуаром (рис. 275)? Ответ: чтобы обеспечить достаточный теплоотвод от двигателя автомобиля за счёт увеличения площади теплообмена. 2. В каком тепловом двигателе струя пара или газа, нагретого до высокой тем-ператури, вращает вал двигателя без помощи порщня, шатуна и коленчатого вала? Ответ: в паровой турбине. Рис. 275 Рис. 276 ( Ypo»Mb л ) 433. Как работают и чем отличаются друг от друга многочисленные тепловые двигатели в современной промышленности? 434. Почему трубки радиатора автомобильного или тракторного двигателя изготовляют из латуни или алюминия? 435. Почему при работе двигателей внутреннего сгорания температура воды в радиаторах повышается? 436. С какой целью трубки радиатора обдувают быстрым потоком воздуха с помощью вентилятора, причем вентилятор втягивает воздух снаружи вглубь капота двигателя, а не выдувает его из-под капота через радиатор? 437. Почему в систему охлаждения двигателя внутреннего сгорания нужно заливать чистую воду? 438. Зачем наливается вода в рубашку двигателя? Почему именно вода? 439. Почему в мотоциклетных и авиационных двигателях охлаждение воздушное? Как обеспечивается нормальное охлаждение этих двигателей? 440. Какие особенности двигателей внутреннего сгорания способствуют их широкому применению на транспорте, в промышленном и сельском хозяйстве? 441. Как называется тепловой двигатель, в цилиндре которого периодически сгорает топливная смесь? 442. Сколько рабочих ходов происходит в четырёхцилиндровом двигателе за один оборот коленчатого вала? 443. Какой вид механической энергии водяного пара используется в паровых турбинах? 444. Почему паровые турбины развивают большую скорость вращения вала? 445. Автомобиль (рис. 276), на котором установлен мощный двигатель, развивает на соревнованиях скорость 1000 Какое расстояние проедет автомобиль за 5 с, двигаясь равномерно? 446. Троллейбус затормозил и остановился. Какие изменения энергии произойти при этом? 447. Частыми ударами молотка можно разогреть кусок металла. На что затрачивается при этом механическая энергия? 448. Назовите, какая энергия уменьщается, а какая - соответственно — воз- растает при: а) работе теплового двигателя: б) нагревании воды в котле; в) езде на велосипеде; г) движении автомобиля по инерции. Рис. 277 С Уроми|| в ) 449. При сильном перегреве двигателя внутреннего сгорания возможно так называемое заклинивание — невозможность движения поршней из-за увеличения их размеров. Что является причиной такого заклинивания? 450. Почему мощность двигателя при наличии глушителя уменьшается? 451. Почему в паровой турбине температура отработанного пара ниже, чем температура пара, поступающего на лопасти турбины? 452. В каком тепловом двигателе энергия топлива непосредственно превращается в механическую энергию движущегося аппарата? 453. При сжигании топлива в камере сгорания реактивного двигателя образуются газы, которые под высоким давлением и с большой скоростью вытекают через отверстие (сопло) в задней стенке камеры. Какие тела взаимодействуют при этом? Какова причина движения ракеты? Мог бы двигаться реактивный двигатель, если бы камера сгорания не имела отверстия? 454. Космические ракеты значительную часть своего пути двигаются за пределами земной атмосферы. Объясните, почему движение ракет возможно в безвоздушном пространстве (рис. 277). 455. Скольких людей лишает кислорода автомобиль, движущийся в течение 4 ч со скоростью 80 -^? Суточную норму кислорода для одного человека он потребляет на участке пути 2,5 км. 456. Современный реактивный лайнер за 1 ч полёта сжигает 8 т кислорода. На сколько беднее кислородом станет воздух, если такой самолёт пролетит расстояние 2550 км со скоростью 850 год ■ 457. Рассмотрите внимательно бытовой холодильник (рис. 278) и ответьте на вопросы. а) Почему холодильники красят в белый или другой светлый цвет? б) Почему морозильная камера размещена в верхний его части? в) Почему пространство между внешней и КОЛИЧЕСТВО ТЕПЛОТЫ-1 13191 внутренней стенками холодильника заполнено пенопластом - пористым материалом, плохо проводящим тепло? г) Для чего используется система трубок, размешенная на задней стенке холодильника? 458. Оси машин и механизмов при работе нагреваются. В чём причина этого нагревания и какие способы её устранения? Какие изменения энергии происходят при этом? 459. Существует такой способ сварки некоторых деталей; на токарном станке одну деталь закрепляют в задней бабке станка, а вторую, прижимая к первой, быстро вращают вместе со шпинделем. Когда место касания деталей нагревается до плавления, детали прижимают и сваривают. Объясните, какие изменения энергии происходят при этом. 460. Затачивая на точиле зубило, приходится несколько раз погружать его в воду. Для чего это делают? Какие изменения энергии происходят при этом? ^ПОРИЧ1СКА« CnPAtJ^ Первый тепловой двигатель - еолипил был сконструирован древнегреческим учёным Героном Александрийским, жившим в I в. (рис. 279). Этот прибор представлял собой металлический шар с двумя согнутыми трубками. В шар наливали воду и разводили под ней огонь. Когда образовавшийся пар выходил из трубок, то шар начинал вращаться. К середине XVIII в. любая работа выполнялась лишь силой мышц человека или домашних животных, а также естественными силами ветра и падающей воды. История изобретения работающей паровой машины довольно длинная. Одним из первых паровых насосов, предназначенных для откачивания воды из шахт, был насос, сконструированный в конце XVII в. англичанином Севери (рис. 280). Принцип работы насоса Севери состоит в следующем. Из котла В пар через трубку о и кран С поступает в резервуар S и вытесняет из него воду через клапан а и трубку А. После этого резервуар S отключали от котла и охлаждали водой. Пар конденсировался в резервуаре, в результате чего по трубке Feopa всасывалась и через клапан Ь поступала в резервуар S, откуда она снова вытеснялась паром по трубке А. Паровой насос Севери распространился в начале XVIII в,, усовершенствованные его варианты применялись на шахтах вплоть до середины XIX в. Более совершенную паровую машину (так называемую атмосферную машину) сконструировал в 1705 г. английский кузнец Т. Ньюкомен. Машина Ньюкомена (рис. 281) уже имела основные детали.паровой машины - цилиндр и поршень. Эта машина работала таким образом. В цилиндр с поршнем через трубку с краном поступал пар из парового котла и своим давлением поднимал поршень в верхнее положение. Потом кран перекрывался, отделяя тем самым цилиндр и паровой котёл. В цилиндр через второй кран, который теперь открывался, впрыскивалась холодная вода. Пар конденсировался, и под действием атмосферного давления поршень опускался вниз. Потом процесс повторялся. Таким образом, плечо коромысла, соединённое .с поршнем, то поднималось, то опускалось. В то время второе плечо коромысла приводило в движение насос, откачивающий воду. Машины Севери и Ньюкомена имели два важных недостатка: во-первых, машина выполняла работу лишь при движении поршня в одном направлении, а, во-вторых, нужно было всё время закрывать и открывать краны, т. е. машина работала не автоматически. . В 1765 г. английский изобретатель Джеймс Уатт сконструировал паровую машину (рис. 282), которая имела один цилиндр с поршнем. Пар впускался попеременно то с одной стороны поршня, то с другой, что достигалось применением специального механизма. Известен интересный случай с машиной Уатта. Однажды владелец небольшой шахты договорился с Д. Уаттом о том, что изобретатель поставит свою паровую машину для откачивания воды из шахты. До этого времени такую работу на шахте выполняли лошади. - Ваша машина должна за час выкачивать воды не меньше, чем моя лошадь, -сказал владелец. - Хорошо, -согласился Уатт. - Если так, то мощность вашей лошади примем за единицу. В день испытаний лошадь упала от усталости. С того времени в технике существует такая единица мощности - лошадиная сила. Уатт измерил эту единицу мощности, установив, что за 1 мин обычная лошадь поднимает груз массой 60 кг на высоту 67,5 м. Имя Уатта увековечено в названии единицы мощности - один ватт. Рис. 282 ПРОВЕРЬТЕ СВОИ ЗНАНИЯ ..' ▼ ■—I—... - ( Контрояьные lonpocM ^ 1. Как можно изменить внутреннюю энергию тела? 2. Почему теплопроводность рыхлого снега меньше, чем слежавшегося? 3. В какое время суток ветер дует в сторону моря, а в какое - на сушу? 4. Почему скафандры космонавтов и астронавтов делают серебристо-белого цвета? 5. Нужно нагреть 1 кг воды и 1 кг масла на 1 °С. На что нужно затратить больше энергии? 6. В каком состоянии находится серебро при температуре 900 °С? 7. Можно ли получить пар золота? 8. Почему в зарядах используют порох, а не другие горючие вещества? 9. Какое топливо является наиболее энергетическим? 10. Какой двигатель эффективнее: дизельный или карбюраторный? 11. Какие изменения энергии происходят в реактивном двигателе? 12. Какими способами можно увеличить КПД двигателя? (Что и зною и умею делиь^ я знаю, как можно изменить внутреннюю энергию тела. 1. Назовите способ изменения внутренней энергии тела втаких случаях: а) внутренняя энергия тела увеличивается, если выполняется работа над телом; б) процесс, при котором происходят изменения внутренней энергии, а работа не выполняется; в) внутренняя энергия тела уменьшается, когда тело выполняет работу. 2. 1 кг воды и 1 кг железа нагрели на 1 °С. На сколько изменилась их внутренняя енергия и как это изменение объяснить с точки зрения молекулярного строетмя вещества? я умею рассчитывать количество теплоты, необходимое для нагревания, плавления и испарения тела, а также количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании топлива. 3. Какое количество теплоты нужно для нагревания чугунной подошвы утюга от 20 до 320 °С, если её масса равна 2 кг? 4. Можно ли расплавить 12 кг олова, затратив 120 000 кДж энергии? 5. Какую энергию нужно затратить, чтобы испарить при температуре кипения 3 кг воды, взятой при температуре 20 °С? 6. Хватит ли 100 г бензина, чтобы довести до кипения 0,5 кг воды, взятой при 20 °С? КПД нагревателя равен 25 %. Я умею строить графики. 7. В алюминиевом чайнике нагревают воду. Постройте схематические графики зависимости количества теплоты от времени нагревания а) чайника; б) вода. Я знаю, какие бывют виды тепловых двигателей. 8. Чем отличается двигатель внутреннего сгорания от реактивного? Я умею выполнять опыты. 9. Налейте в большую кастрюлю воды и доведите её до кипения. Поместите в неё меньшую кастрюлю с холодной водой. Закипит ли вода в малой кастрюле? Обоснуйте результат. 10. в воду при температуре о °С вбросьте лёд, температура которого такая же, как и воды. Изменится ли температура воды? Почему? Я знаю, как происходят изменения энергии. 11 Объясните, почему колесо турбинки вращается (рис. 283). 12. Какие изменения энергии происходят в газовой турбине? (Тестовые зодамм!) Вариант I Рис. 283 1. Какое движение называют тепловым? A. Упорядоченное даижение частиц, из которых состоят тела. Б. Беспорядочное движение частиц, из которых состоят тела. B. Прямолинейное движение тела. Г. Неравномерное движение тел. 2. Железнодорожные рельсы или другие металлические балю1 изготовляют способом проката. Для этого разогретую до белого каления стальную отливку пропускают между катками-вальцами, на поверхности которых есть канавки, соответствую^цие форме рельса, и он, деформируясь, приобретает нужную форму. Стальную отливку пропускают сквозь вальцы несколько раз, не нагревая его дополнительно. За счёт чего поддерживается нужная температура стали во время проката? А. За счёт к>1полняемой механической работы. Б. За счёт внутренней энергии. В. За счеттеплопроводаости. Д. Правильного ответа нет. 3. Почему глубокий рыхлый снег защищает озимь от вымерзания? A. Так как он имеет высокую теплопроводность. Б. Так как он имеет низкую теплопроводность. B. В рыхлом снеге много воздуха, который плохо проводит тепло. Г Правильного ответа нет. 4. Изменяется ли температура тела, если оно поглощает тепла больше, чем излучает? А. Тело нагревается. Б. Тело охлаждается, В. Температура тела не изменяется. Г. Правильного ответа нет. 5. Количеством теплоты называют внутреннюю энергию, которую .... а) тело получает от доугого при теплообмене; б) имеет тело; в) тело получает или теряет при теплообмене; г) получает тело при выполнении над ним работы. 6. Свинец плавится при температ^>е 327 °С. Что можно сказать о температуре кристаллизации (отвердевания)свинца? А. Она также равна 327 °С. Б. Она ниже температуры плавления, В. Она выше температуры плавления. Г. Правильного ответа нет. 7. Испарение происходит... а] только при температуре кипения; б) при любой температуре: в) при опредёленной температуре для каждой жидкости; г) при высоких температурах. 8. Вследствие полного сгорания сухих дров выделилось 50 000 кДж энергии. Сколько дров сгорело? А. 50 кг Б 0,5 кг В. 5 кг. Г. 500 кг. 9. Горючая смесь, поступающая в цилиндр двигателя автомобиля, состоит из... А. разных видов жидкого топлива. Б. смеси керосина с воздухом. В. воздуха и паров бензина. Г. масла и бензина. 10. Шарик, поднятый на некоторую высоту, падаете песок и застреваете нём. Изменения каких видов энергии при этом происходят? A. Потенциальной и кинетической. Б. Потенциальной и внутренней. B. Кинетической и внутренней. Г. Потенциальной, кинетической и внутренней. 11. При ударе молотом об наковальню выполнена работа 15 Дж. Какое количество внутренней энергии получила наковальня? А. Менее чем 15 Дж. Б. 15 Дж. В. Более чем 15 Дж. Г. Правильного ответа нет. 12. Имеем газовую горелку и спиртовку. КПД какого из двух нагревателей больше? А. Спиртовки. Б. Газовой горелки. В. Одинаковые. Г. Правильного ответа нет. Вариант II 1. Изменяется ли внутренняя энергия воды в море с наступлением ночи? A. Увеличивается. Б. Уменьшается. B. Не изменяется. Г. Правильного ответа нет. 2. При деформации тела изменилось только взаимное расположение молекул. Изменились ли при этом температура тела и его внутренняя энергия? A. Температура тела увеличилась, а внутренняя энергия не изменилась. Б. Температура и внутренняя энергия тела не изменились. B. Температура тела не изменилась, а внутренняя энергия увеличилась. Г. Правильного ответа нет. 3. Сидя у костра, мы согреваемся, ощушдем, как передаётся тепло от костра к нашему телу. С каким видом теплообмена мы имеем дело? A. Теплопроводностью. Б. Конвекцией. B. Излучением. Г. Теплопроводностью и излучением. 4. Можно ли предусмотреть, какое направление будет иметь ветер у моря в знойный летний день? A. Нельзя. Б. С моря на сушу. B. С суши на море. Г. Правильного ответа нет. 5. Количество теплоты, которое тратится на нагревание тела, зависит от... а) массы, объёма и рода вещества. б) значения изменения температуры, плотности и рода вещества. в) рода вещества, его массы и значения изменения температуры. г) массы тела, его плотности и значения изменения температуры. 6. В лунную ночь на её поверхности ночью температура опускается до -170 °С. Пригодны ли для измерения температуры на Луне ртутный и спиртовый термометры? A. Не пригоден ни один из них. Б. Пригоден толысо спиртовый. B. Пригоден только ртутный. Г. Правильного ответа нет. 7. Испаряется ли вода в открытом сосуде при О °С? A. Испаряется. Испарение происходит при любой температуре. Б. Не испаряется, так как при 0 °С вода замерзает. B. Не испаряется, так как образование пара происходит при кипении. Г. Правилыюго ответа нет. 8. Сожгли 0,2 кг водорода. Какое количество воды можно нагреть от 0 до 100 °С? А. 65 кг. Б. 70 кг. В. 40 кг. Г 57 кг. 9. Двигатель внутреннего сгорания работает на... а) нефти; б) каменном угле; в) бензине; г) керосине. 10. Какие изменения энергии происходят во время падения метеорита? A. Потенциальной и кинетической. Б. Потенциальной и внутренней. B. Кинетической и внутренней. Г. Потенциальной, кинетической и внутренней. 11. При торможении поезда была выполнена работа 150 000 кДж. Какое количество теплоты выделилось в тормозах? A. Менее 150 000 кДж. Б. Больше 150000 кДж. B. 150 000 кДж. Г Правильного ответа нет. 12. На практике используют установки, в которых применяют водород и природной газ. У какой из них больший КПД? A. У той, что работает на водороде. Б. У той, что работает на природном газе. B. Одинаковые. Г. Правильного ответа нет. ( 1СП0МАГ*Т1ЛЬНЫ1 ИАТ1Н1ЛЯЫ И5| ФИЗИЧЕСКИЕ ЗАДАЧИ ВОКРУГ НАС 1. Лётчик посадил спортивный самолёт на крышу грузового автомобиля. При каких физических условиях это возможно? 2. На винт навинчивается гайка. Какова траектория движения центра гайки? 3. Какую форму имеют траектории движения детей, вращающихся на карусели? 4. Какого вида движения осуществляют разные части швейной машины? 5. Пассажир рассказывает; «Наш автобус двигался с малой скоростью. Я посмотрел в окно и увидел, как мимо меня промелькнули передние двери, окна и задние двери другого автобуса. Почему это наш автобус дал задний хоя спросил я мысленно, но, взглянув в сторону тротуара, убедился, что автобус едет вперёд». Объясните причину такого впечатления. На основе чего пассажир сделал вывоя ^ его автобус ехал вперёд? 6. Мотоциклист движется в направлении ветра со скоростью 10 Будет ли он ощущать ветер, у которого такая же скорость? 7. Почему тяжело расколоть орех на мягкой опоре и легко - на твёрдой? 8. Почему капли дождя при резком встряхивании слетают с одежды? 9. Существуют два способа раскалывания полена. В первом случае по полену ударяют быстродвижущимся топором. Во втором - лёгким ударом загоняют топор в полено, а потом, подняв топор с насаженным поленом, бьют обухом об бревно. Объясните явления, которые при этом наблюдаются. 10. Строитель, держа на ладони кирпич, ударяет по нему молотком. Почему он не ощущает боли в руке от удара молотка? 11. Всадник быстро скачет на коне. Что произойдёт с всадником, если конь споткнётся? 12. Посреди бассейна плавает мяч. Чтобы приблизить его к краю бассейна, мальчик палкой создаёт волны. Достигнет ли он цели таким образом? Ответ обоснуйте. 13. Можно ли пользоваться маятниковыми часами в состоянии невесомости? 14. Почему в пустой комнате хорошо слышно даже шёпот? 15. В хоре иногда вторые голоса слышно лучше, чем первые, хотя высота тона их ниже. Объясните, почему так. 16. Почему, наблюдая на расстоянии за работой плотника, сначала видим удар топора по дереву, а потом слышим звук удара? 17. Может ли возникнуть эхо в степи? 18. Почему вода всегда течёт с высшего уровня к низшему? 19. Почему капли дождя падают на Землю быстрее, чем мелкие капельки тумана? 20. При изготовлении гири в ней высверливают небольшое углубление, в которое запрессовывают свинцовую или медную пробку. Для чего это делают? 21. Изменяется ли плотность воздуха в кабине космического корабля или станции в состоянии невесомости? 22. Предложите способ измерения силы, с которой игрушечный автомобиль тянет по столу деревянный брусок. • 23. Почему мел оставляет след на классной доске? 24. Почему металлические ступени (стремянки, подножки трамвая, вагона поезда) не гладкие, а имеют рельефные выступы? 25. Почему кусок хозяйственного мыла легче разрезать крепкой нитью, чем ножом? 26. Почему медицинские иглы полируют до зеркального блеска? 27. Почему тяжело держать в руках живую рыбу? 28. На автомобиле с прицепом нужно перевезти массивный груз. 1де его лучше поместить: в кузове автомобиля или прицепа? Почему? 29. Члены экипажа космического корабля «Аполлон-12» Ч. Конрад и А. Бин рассказывали, что по Луне легко ходить, но они часто теряли равновесие, так как -7ТППГ"^^ьные МАТЕРИАЛЫ даже при небольшом наклоне вперёд можно было упасть. Объясните это явление. Почему приятнее класть голову на подушку, чем на наклонную деревянную доску? Почему буря, которая валит живые деревья летом, не может свалить высохшее дерево, которое стоит рядом? К человеку, под которым раскололся лёд, подходить нельзя. Для его спасения кидают канат, кладут стремянку или длинную доску. Объясните, почему таким способом можно спасти человека. Для чего затачивают долота, пилы и другие режущие инструменты? При работе новым напильником приходится прикладывать ббльшие усилия, чем при пользовании старым. Почему же все-таки пользуются новым напильником? Объясните, как наждачной бумагой шлифуют металлические предметы. Почему лимонад или минеральная вода в закрытой бутылке ^спокойны», а если открыть бутылку, то сразу начинают «кипеть»? . Каким простым способом можно удалить вмятину в мяче для настольного тенниса? В нефтяной промышленности для откачивания нефти на поверхность применяется сжатый воздух, который компрессорами нагнетается в поверхностное пространство нефтеносного пласта. Действие какого физического закона проявляется при этом? Будет ли действовать гидравлический пресс на Луне так же, как и на Земле? Почему вода из ванны вытекает быстрее, если в неё погружается человек? Почему пловец, погрузившийся на большую глубину, ощущает боль в ушах? Почему чайник с коротким носиком неудобен? Почему иногда на верхних этажах дома вода не течёт из кранов водонапорной сети, тогда как она течёт из кранов на нижних этажах? Почему человеку приходится прикладывать значительные усилия, чтобы вытянуть ногу из болотистого грунта, а парнокопытные животные легко с этим справляются? Почему вода из опрокинутой бутылки выливается рывками, с бульканьем, а из резиновой медицинской грелки - равной сплошной струёй? Почему в ртутном барометре чашка намного шире трубки? Можно ли считать медицинский шприц насосом? Какое строение клапанов, которые дают возможность нагнетать воздух насосом в велосипедную шину, и где они размещены? Для действия всасывающего водяного или воздушного насоса нужны меньшие усилия, чем в случае нагнетательного. Почему? Собака-спасатель легко передвигает в воде тонущего человека, однако на берегу она не может сдвинуть его с места. Почему? Для подводных лодок устанавливается глубина, ниже которой они не должны опускатися. Чем объясняется такое ограничение? Какие выводы можно сделать о значении архимедовой силы, выполняя соответствующие опыты на Луне, где сипа тяжести в 6 раз меньше, чем на Земле? Подтверждается ли действие закона Паскаля и архимедовой силы на искусственных спутниках Земли? Человек лежит неподвижно на воде на спине и делает глубокие вдох и видох. Как изменяется при этом положение тела человека относительно поверхности воды? Почему? Может ли спасательный круг удержатъ любое количество лкюей, котс^зые за него у®атились? Как изменился бы уровень воды в океане, если бы растаяли все айсберги? Почему молоко опускается на дно стакана, когда его доливают в чай? Почему нельзя гасить горящий керосин, заливая его водой? Лактометром определяют плотность молока. В каком молоке: с бдльшим или меньшим содержимым жира - лактометр погрузится глубже? Почему? Можно ли пользоваться земными ареометрами на Луне? Водород и гелий под действием силы тяжести должны опускаться вниз. Но наполненные ими летательные аппараты (дирижабли, зонды, аэростаты) поднимаются вверх. Как объяснить такое противоречие? азиямчргк HF яАДАчи flOKPvrtmayaiiW 12271 Можно ли на Луне для передвижения астронавтов использовать воздушные шары? Выполняет ли лошадь механическую работу, увеличивая скорость движения телеги? Почему корабль с грузом движется медленнее, чем без груза? Мощность двигателей в обоих случаях одинакова. Почему плечи коромысла весов никогда не делают короткими? Как известно, неподвижный блох выигрыша в силе не даёт. Однако при проверке динамометром оказывается, что сила, которая удерживает груз на неподвижном блоке, немного меньше силы тяжести, которая действует на груз, а при равномерном подъёме — больше неё. Чем это можно объяснить? Почему в подъёмных строительных кранах крюки, на которых переносят грузы, закреплены не на конце троса, а на обойме подвижного блока? Осуществлять прыжок в высоту легче «перекатом», чем «прямо». Почему? Автомобиль спускается с горы с отключённым двигателем. За счёт какой энергии движется при этом автомобиль? С помощью понтонов поднимают со дна моря затонувший корабль. За счёт какой энергии происходит этот подъём? За счёт какой энергии поднимается аэростат или зонд для исследования верхних слоёв атмосферы? Водителю нужно переехать на автомобиле лужу с болотистым дном. Он решил разогнать автомобиль и на большой скорости преодолеть ее. Правильно ли он сделал? Почему у грузовых автомобилей должны быть тормоза «мощнее», чем у легковых? Гимнаст сначала прыгает на гибкую додку - трамплин, а потом - вверх. Почему в этом случае прыжок получается выше, чем прыжок без трамплина? Почему иногда автомобиль не может въехать на гору, если он у подножия не разгонится (не приобретёт соответствующую скорость)? Какой ветер, зимний или летний, при одной итой же скорости имеет большую мощностъ? Почему при недостаточном смазывании выходят из строя шатунные и коренные подшипники трактора? Чем объясняется значительное нагревание колёс автомобиля при продолжительной поездке? Механизаторы при сборе урожая внимательно следят, чтобы солома не накручивалась на валы комбайна. Почему? Когда автомобиль затрачивает больше горючего: при поездке без остановок или с остановками? Почему внешние части сверхзвуковых самолётов приходится охлаждать с помощью специальных аппаратов? Когда космический корабль больше нагревается: при запуске или посадке на Землю? В каком сосуде - медном или чугунном - чаше no^ropaют продукты при их приприготовлении? Почему? Почему металлическая чашка с чаем обжигает губы, а фарфоровая чашка с чаем нет? При какой температуре и дерево, и металл будут казаться при прикосновении одинаково нагретыми? Какая почва прогреется солнечными лучами быстрее: влажная или сухая? Какое назначение толстого пласта подкожного жира у китов, тюленей и других животных, обитающих в полярных водах? Человек не ощущает прохлады на воздухе при температуре 20 °С, а в воде ощущает ее при температуре 25 °С. Почему? В каком случае быстрее остынет чайник с кипятком: если он стоит на льду или если лед положили на крышку чайника? Почему тонкая полиэтиленовая плёнка защищает растения от ночных заморозков? Почему листва осины «трепещет» даже в безветренную погоду? |НЫЕ МАТЕРИАЛЫ 100. 101. 102. 103. 104. 105. 106. 107. 109. 110. 111. 112. 113. 115. 116. 118. 119. 120. 122. 123. 124. 125. Почему трубу, по которой вода возвращается в котёл водяного отопления, подводят к нему снизу, а не сверху? Экономично ли изготовлять радиаторы парового отопления хорошо отполированными, не лучше ли их красить в чёрный цвет? Почему в холодную погоду некоторые животные спят, свернувшись в клубочек? Почему термосы изготовляют круглого, а не квадратного сечения? Земля непрерывно излучает энергию в космическое пространство. Почему же Земля не замерзает? Как воспользоваться для измерения температуры воздуха термометром, на шкале которого сохранились только два деления: 20 и 40 °С? Островной климат умереннее и ровнее, чем климат больших материков. Почему? Почему в пустынях днём жарко, а ночью температура воздуха падает ниже О °С? Какие преим^ества имеет ртуть перед другими жидкостями (спирт, эфир), что позволяет применять её в термометрах? Почему внутренние сосуды калориметров изготовляют из тонкой латуни или алюминия, а не из стекла? Почему соль, которую бросили на раскалённый уголь, треид^т? Как проще всего определить, какое из двух тел твёрже? Расплавится ли небольшой кусочок олова, если его бросить в тигель с расплав-леним свинцом? Где ноги в обуви замерзают больше: на заснеженном тротуаре или на том же тротуаре, но посыпанном солью? Почему морской лед, образующийся из солёной воды, в дальнейшем становится почти совсем пресным? Почему мокрые пальцы зимой примерзают к металлическим предметам и не примерзают к деревянным? Как объяснить, что в начале осени в реках и озерах вода не замерзает, хотя температура воздуха на несколько градусов ниже О °С? Почему тёплым зимним днём лыжи оставляют на свежем снегу лыжню? Ускорится ли таяние льда в тёплой комнате, если накрыть его шубой? Почему в сильный мороз для восстановления гладкости льда каток поливают горячей водой? Чем объяснить, что в сильный мороз в лесу трещат деревья? Для осушения болот в субтропиках сажают эвкалипты. Куда девается вода, которую они поглощают? Почему глина, мучное тесто при нагревании не становятся мягкими, а твердеют? Что охлаждается быстрее в одинаковых условиях; жирный суп или чай? Чтобы молоко не скисло в знойный день, сосуд нужно поместить в воду и накрьпь салфеткой, края которой погружеды в воду. На чём основывается этот способ хродения молока? Почему в сухом воздухе человек выдерживает температуру, превышающую 100 °С? Почему летом на лугу после заката Солнца туман сначала появляется в низинах? Для чего в крышке чайника делают дырочку? Чем объяснить, что продолжительность варки картофеля, начиная с момента закипания, не зависит от мощности нагревателя? Почему удельная теплота сгорания топлива сырых дров меньше, чем сухих той же породы? Почему мы сильно дуем на пламя спички, свечки, когда хотим их погасить? Раскалённый уголь, положенный на металлическую пластинку, быстро гаснет, а на деревянной доске продолжает тлеть. Почему? На дне и крышке консервных банок штампуют концентрические круги (гофры). С какой целью это делают? В каком случае газ в цилиндре двигателя имеет ббльшую внутреннюю энергию: после проскакивания искры или в конце рабочего хода? СЛОВАРЬ ФИЗИЧЕСКИХ ТЕРМИНОВ А Амплитуда колебаний А - это наибольшее отклонение тела от положения равновесия. Единицей амплитуды колебаний в СИ является один метр (1 м). реометр - прибор для измерения плотности жидкости по глубине его погружения в неё. Атмосфера Земли - воздушная оболочка вокруг Земли, вращающаяся вместе с Землёй как единое целое. Аэростат - аппарат для воздухоплавания легче воздуха, наполняется водородом или гелием. Б Барограф - прибор для автоматической непрерывной записи изменений атмосферного давления. Барометр - прибор для измерения атмосферного давления. Барометр-анероид — безжидкостный прибор для измерения атмосферного давления. Батискаф ~ глубоководный самоходный аппарат для проведения исследований в морях и океанах. Батисфера - прочная стальная камера, оборудованная специальной аппаратурой для наблюдений под водой; опускается с корабля на стальном тросе. Блок - простой механизм в форме колеса с жёлобом, через который перекинута цепь, трос или верёвка. В Ватерлиния - линия сечения корпуса судна поверхностью воды; показывает максимально допустимую осадку нагруженного судна. Вес тела Р - сила, с которой тело вследствие притяжения к Земле действует на опору или подвес. Взаимодействие - взаимное влияние тел или частичц, обусловливающее изменение состояния их движения. В механике количественной характеристикой взаимодействия являются сила и потенциальная энергия. Взвешивание тела -- процесс определения массы или веса тела с помощью весов. Винт - простой механизм, разновидаость наклонной плоскости. Внутренняя энергия тела - энергия движения и взаимодействия частиц, из которых состоит тело. Внутреннюю энергию тела можно изменить путём выполнения работы или теплообмена. Г Громкость звука - физическая величина, являющаяся мерой слухового ощущения, вызванного звуком. Д Давление р - величина, опрюделяемая отношением значения силы, действующей перпендикулярно к поверхности, к плошдди этой поверхности. Единицей давления является один паскаль (1 Па). Давление гидростатическое р - давление жидкостей, обусловленное силой тяжести. Давление нормальное атмосферное - давление атмосферы, равное давлению столба ртути высотой 760 мм при температуре 0 °С. Единицами атмосферного давления является 1 мм рт, ст., один паскаль (1 Па) и один гектопаскаль (1 гПа). Двигатели тепловые - машины, в которых внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию. К тепловым двигателям относятся: паровая машина, двигатель внутреннего сгорания (карбюраторный, дизельный), паровая и газовая турбины, реактивный двигатель. Движение относительное - движение тела относительно других тел. Все тела природы находятся в движении, поэтому всякое движение или покой являются относительными, т. е. состояние тела зависит от того, относительно какого тела это состояние рассматривают. Движение равномерное - движение, при котором тело за любые одинаковые интервалы времени проходит одинаковые пути. Движение равномерное по окружности - движение по окружности со скоростыо, постоянной по значению, но изменяющейся по направлению. Движение тепловое - беспорядочное движение молекул и атомов, которое определяет температуру тела. шавя^ ВСПОМСТАТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ 4 размеров твёрдого тела Деформация - физическое явление изменения формы v под действием внешних сил, изменения температуры и т. п. Динамометр - прибор для измерения сил. И Излучение - вид теплообмена, который не нуждается в промежуточной среде между телами и обусловлен испусканием и поглощением ими тепловых лучей. Инерция - явление сохранения скорости движения тела при отсутствии действия на него других тел. К Калориметр - прибор для измерения количества теплоты, которое выделяется или поглощается в результате какого-либо физического процесса. Кипение - интенсивное испарение жидкости не только с её свободной поверхности, но и во всём объёме внутрь образующихся пузырьков пара. Колебания - движения тел, которые точно или приблизительно повторяются через определенные интервалы времени. Колебания инфразвуковые (инфразвук) - колебания, частота которых меньше минимальной частоты звуковых колебаний - 16 Гц. Колебания ультразвуковые (ультразвук) - колебания, частота которых больше наивысшей частоты звуковых колебаний - 20 000 Гц. Количество теплоты О - мера внутренней энергии, переданной во время теплообмена от одного тела к другому без выполнения работы. Она зависит от вещества, из которого состоит тело, от массы этого тела и от разности его конечной и начальной температур. Единицей количества теплоты, как и энергии, является один джоуль (1 Дж). Конвекция - процесс перенесения энергии струями жидкости или газа. Конденсация пара - физический процесс перехода вещества из газообразного состояния (при температуре конденсации) в жио(ое вследствие охлаждения пара. Коэффициент полезного действия (КПД) механизма т) показывает, какая часть энергии, которая подводится к механизму, идёт на выполнение им полезной работы. Коэффициент полезного действия (КПД) нагревателя ii - отношение той части энергии, которая затрачивается на выполнение полезной работы нагревателя, ко всей энергии, которая выделяется вследствие сгорания топлива или во время работы электрического нагревателя. Кристаллизация - физический процесс перехода вещества из жидкого состояния (при температуре кристаллизации) в твёрдое вследствие охлаждения жидкости. М Манометры - измерительные приборы, предназначенные для измерения давления или разности давлений. Масса тела т - физическая величина, характеризующая инертность тела. Единицей массы в СИ является один килограмм (1 кг). Машина - механизм или сочетание механизмов для преобразования энергии одного вида в другой. В каждой машине имеются три основные части - рабочий орган, передающий механизм и двигатель. Наличие этих трёх частей отличает машину от других технических устройств. Механическая ра^та А - работа, которая выполняется при перемещении тела под действием приложенной к нему силы. Она прямо пропорциональна приложенной к телу силе и расстоянию, на которое это тело перемещается в направлении действия этой силы. Единицей работы в СИ является один джоуль (1 Дж). Механическое движение - изменение положения тела со временем относительно других тел. Мощность N - физическая величина, определяемая отношением выполненной работы к затраченному времени. Единицей мощности в СИ является один ватт (1 Вт). п Парообразование - физический процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное, происходит при сообщении веществу определённого количества теплоты. Паскаля закон. Давление, производимое на жидкость или газ внешними силами, передаётся жидкостью или газом одинаково во всех направлениях. СЛОВАРЬ ФИЗИЧЕСКИХ Период колебаний Т - наименьший интервал времени, через который скорость и положение тела повторяются. Единицей периода колебаний в СИ является одна секунда (1с). Период обращения Г - интервал времени, за который материальная точка делает один оборот при равномерном движения по окружности. Единицей периода обращения в СИ является одна секунда (1 с). Плавление - физический процесс перехода вещества из кристаллического (твёрдого) состояния (при температуре плавления) в жидкое, сопровождается поглощением, энергии. Плечо силы - кратчайшее расстояние от оси обращения тела до линии действия силы. Пресс гидравлический - это гидравлическая машина, предназначенная для прессования (сжатия) пористых тел (внутри которых есть пустбты). Простые механизмы - устройства, предназначенные для преобразования силы. Ни . один из простых механизмов не даёт выигрыша в работе: во сколько раз выигрываем в силе, во столько же раз проигрываем в расстоянии. Это утверждение назвали «золотым правилом» механики. Путь - длина траектории, описываемой телом во время движения на протяжении определенного интервала времени. Единицей пути в СИ является один метр (1 м). С Сила - физическая величина, мера взаимодействия тел и причина изменения их скоростей. Характеризуется направлением в пространстве, значением и точкой приложения. Сила Архимеда Яд - сила, действующая на погружённое в жидкость или газ тело, направлена вертикально вверх, зависит от плотности жидкости или газа и объёма погружённой части тела. Сила упругости Яу„р - сила, возникающая при деформации тела и направленная противоположно направлению деформации. Сила трения - сила, возникающая при взаимодействия между твёрдыми телами в местах их касания и препятствующая их относительному перемещению. Сила тяжести Я,„^ - сила, с которой Земля притягивает к себе тела. Скорость равномерного движения тела v - физическая величина, определяется отношением пути, пройденного телом, ко времени его движения. Единицей скорости в м ' СИ является один метр в секунду (1 с" ). Спидометр - прибор для измерения скорости движения транспортных средств. Сообщающиеся сосуды - соединённые между собой сосуды, в которых жидкость может свободно перетекать из одного сосуда в другой. Т Тело отсчета - тело, относительно которого рассматривают движение. Температура тела - физическая величина, характеризующая интенсивность теплового движения молекул тела и пропорциональная средней кинетической энергии поступательного движения молекул тела. Теплообмен - процесс изменения внутренней энергии тел без выполнения работы над ними и самими телами. Теплопроводность - передача тепла от более нагретой к менее нагретой части тела вследствие теплового движения и взаимодействия частиц тела. Термометр - прибор для измерения температуры путем его контакта с исследуемой средой. Траектория - это мнимая линия, которую описывает тело во время движения. Частота колебаний v - число колебаний в единицу времени. Единицей частоты колебаний в СИ является один герц (1 Гц = 1 -^). Частота обращения п - число оборотов, совершённых материальной точкой при равномерном движении по окружности за единицу времени. Единицей частоты обращения в СИ является единица, разделённая на секунду (1 ■^). В^!?ШГОГ/^ЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ Шлюз - гищ)отехническое сооружение для переведения судов на реке или канале с одного уровня на другой. Э Энергия Е - физическая величина, определяющая способность тел выполнять работу. Единицей энергии в СИ является один джоуль (1 Дж). Энергия кинетическая - физическая величина, характеризующая энергию движения механической системы: зависит от скоростей движения и масс тел, входящих в эту систему. Энергия потенциальная Е„ - энергия, определяемая взаимодействием тел, зависит от взаимного расположения тел или отдельных частей тела. Энергии сохранения закон. Энергия не исчезает и не создается из ничего. Она только превращается из одного вида в другой, при этом её полное значение сохраняется. ОТВЕТЫ К ЗАДАЧАМ И УПРАЖНЕНИЯМ 2. Примеры механического движения тел: ласточка ловит насекомых в воздухе; ветер поднял вверх лист бумаги. 4. Нельзя выбрать тело отсчета. 6. В покое. Движется. Прямая линия. 9. Равномерно прямолинейно. 11. Одинаково. 12. 16^. 13. 10^. 16. а) В покое; б) в движении; в) в движении. В покое относительно всех тел. 19. Окружности. 21. Легковой автомобиль двигался вдвое быстрее. 23. 320 ч. 24. 41 698 800 м = = 41 698,8 км. 27. 81 000 км. 28. 2.56 с. 30. 1)50 с; 2) 1000 м;3) 1,25 5 2.5 33. По прямой линии. 34. 0,008 с. 35. 74 ^. 36. 50 Гц. 37. 1,7 4; 0,84 ^. 38. 0,40 м. 39. о ; 5 с-; 10 с-. 44. Журчание ручья обусловлено звуком, возникающим при лопании воздушных пузырьков в воде. 45. По ним стучат металлическим предметом (молотком, ложкой). 47. 0,0625 с; 0,00005 с. 48. Комар. 49. 3310 м = 3,13 км. 51. Вата поглощает звук. 53. Так как звук отражается от стен туннеля. 56. Инфразвуков; 0,11 с. 60. Так как воздух разрежён. 62. Мухи; 0,003 с; 0,5 с. 64.50 с; 3 с. 65. Для поглощения звуков, доходящих до стен, и устранения шума. 66. Мы слышим гром длительное время, так как звук, возникший при молнии, отражается от туч. 70. Мы не слышим отраженного звука. Вследствие многократного отражения звука от деревьев трудно определить направление на источник звука. 74. Они воспринимают инфразвуковые колебания. 75. 2 175 м = 2,175 км. 78. Лодка будет двигаться от берега вследствие взаимодействия с человеком. 80. Когда человек идёт против ветра, то ощущает сопротивление. Человек взаимодействует с ветром и Землей. 82. Взаимодействием ружья и пули при выстреле. 84. Явления инерции. 86. Автобус повернул вправо. 89. Чтобы автомобиль, мотоцикл, велосипед не занесло на повороте. 91.522 г 700 мг = 0,5227 кг, 92. Так как цена деления шкалы торговых весов составляет 50 г. 94. Рессоры разгибаются. 96. Так как собака имеет ббльшую массу, то она более инертна. 98. Нужно взвесить, например, 10 гвоздей. Зная массу всех гвоздей и 10 гвоздей, можно определить их количество. 99. Нет необходдимости, 101. Нужно взвесить 1 м провода, потом - моток провода. Чтобы знать длину провода в мотке, нужно массу всего провода поделить на массу 1 м провода. 103. Сила тяжести. 105. Сила тяжести. Град - воздух - Земля. 106. Чтобы не было перегрузки, которая может привести к разрыву тросов. 109. На молоток массой 1,4 кг; в 1,6 раза. 111. За счет силы упругости и силы тяжести. 113. 745,56 Н. 114. 98,1 Н. 115. 76,45 кг. 116. 49,05 Н. 117. Одинаковую. 118. Не всегда. 120. Под действием силы тяжести. 122. Жёсткостью. 123. 121,5 Н. 125, 24,5 см. 126. 2,45 Н. 127. 133 Н. 128. В 146 раз. 129. 37 кг. 130. Вес. 132. а) Одинаковые; б) одинаковые; в) разные. ОТВЕТЫ К ЗАДАЧАМ И УПРДЖН&1ИЯМ->. Л I233I 134. Притягиваются. 135. 220 Н. 136.70 Н. 137. Так как на шайбу действует сила трения скольжения. 140. Ткань распалась бы на нити. 142. Это связано с тем, что конькобежец переходит с одной поверхности на другую, на которых действуют разные силы трения скольжения. 144. Когда сила трения на оси колеса больше, чем сила трения скольжения. 145. Чтобы улучшить сцепление колеса с дорогой, т. е. увеличить силу трения качения. 150. 6 Н. 151. Нужно приложить силу к двум динамометрам одновременно. 154. Это связано с силой трения. 158. Чтобы увеличить силу трения. 160. Уменьшается сила трения. 163. Чтобы уменьшить силу трения при закручивании шурупов. 164. Для создания давления, при котором разрушается дерево, на большую площадь лезвия нужно действовать с большою силой. 166. Чтобы уменьшить давление локомотива на рельсы. 168. На ведро без деревянной ручки. 169. 1 мм2. 170. Максимальное - 60 минимальное - 6 171. Зайцу. 172. 2 400 Н. 173. Нужно, чтобы площадь, на которую действует сила, равнялась 0,02 м* = 200см'. 175.73,575 МПа. 177.19,075 кПа; 38,150 кПа. 178. В 167 759 раз. 179. 450 м2. 180. 1 кН; 2кН;4кН, 181.4 893 кг. 184. За счет малой площади жала. 185. При резком увеличении давления внутри жидкости бутылка может лопнуть. 187. Так как на больших глубинах - высокое давление, которое может повредить здоровью водолаза. 190.1 765,8 Па. 191.9 417,б Па, 192.74 м. 194. В сыром яйце действует закон Паскаля. 196. Наибольшее - в сосуде со ртутью, наименьшее - в сосуде с керосином. 198. Если самовар полный, то стакан наполнится кипятком быстрее. 200. Не изменились - масса молока, сила тяжести, вес молоха, обьём молока, силздавления; изменилосьдавление. 201.10104300Па; 11 114730Н. 202 7602,75Па. 203. За счет атмосферного давления. 207. Так как происходит резкое уменьшение атмосферного давления. 208.0,0000529 Н = 52,9 мкН. 216. Для того чтобы масло могло выливаться из бидона. Если бы не было малого отверстия, то под действием атмосферного давления масло не выливалось бы и мы не могли наполнить им бидон. 219. Будет бездействовать. 220. 162 120 Па. 222. 3200 Н. 226. Нагнетательный. 229. 248 475 Па. 231. Чтобы трубки не сплющивались. 232. Так как на ноги действует выталкивающая сила, направленная вертикально вверх. 234. Чтобы легче было погружаться в воде на определенную глубину. 236. Когда якорь находится в воде, то натяжение цепи меньше. 237.19620Н; 15696 Н. 238.4,08 дм2. 239. 800 ^ (керосин), 240. Отливка свинца всплывёт в ртути: дубовый брусок потонет в бензине; кусок льда потонет в керосине; масло будет плавать на поверхности воды. 245. 10 000 т. 246. 970 г. 247. Нет. Нет, нарушится. 249. Так как плотность газов намного меньше плотности жидкостей. 254. Поставить молоко в холодное место. Более тяжелый стакан молока. 256 Нет. 262. Так как на подводную лодку не действует сила Архимеда. 263. 60,6 Мпа. 265. 253 кН. 266. 126,5 Н. 267. а) Сила тяжести: 6) сила трения; в) сила, которую прикладывает спортсмен: г) сила Архимеда. 268 Груз массой 200 кг; в 2,5 раза. 269. 500 Дж. 270. 3434 Дж. 271. 41 см. 273. 39,6 МДж. 274. 576 кДж. 275, 20 м. 276. 147 Вт. 277. 33 кВт. 278. 42 500 Вт. 279. 0,1 мВт. 280, 2.5 кВт. 284. За счет потенциальной энергии молотка. 285. Тело массой 5 кг. 289. 294,3 Дж. 290. 20 кг. 291.0,32 Дж. 292.3,5 хДж. 293. Могут, если они будут двигаться с разными скоростями. 296. Потенциальной энергии. Означает сообщить пружине потенциальную энергию. 297. За счет потенциальной энергии топора. 305. 1962 Дж; 2943 Дж. 306. Потенциальную - 24 кДж; кинетическую - 400 кДж. 308. 30 Дж. 309. 48 Дж. 310. 750 Вт. 311. 5 кВт. 312. 147 Дж. 316. Легче разломить спичку посередине, так как действует ббльшее плечо силы. 321. Для обеспечения устойчивости подъёмного крана при подъёме грузов. 323. Уравновесить как рычаг. 325.400 Н. 326.360 Н. 329. Различие в резьбе. 331. При перемещении тела на расстояние 8 м под действием силы 25 Н. 332.736 Вт. 335. Неодинаковую. 336. Никакого. 342. 83 %. 343.78 %. 344. Внутренняя I 234] вада^»г^:г1^<.;У^г-.'^ак1эмстуш1ьнь1Е материалы енергия горячей воды больше, так как температура её выше. 345. Нет. 347. Можно обжечь руки. 350. Чтобы энергия от варенья не забиралась металлической ложкой. 352. Кирпич. 365. Нет. Да. 369. В первом случае внутренняя энергия увеличилась, а во втором - уменьшилась. 375. Кирпичному. 376. Для увеличения тяги. 382. Изменится. 383. Нет. Для нагревания на 1 °С 1 кг алюминия нужно 920 Дж. 1 кг железа - 460 Дж, 1 кг латуни - 380 Дж. 1 кг свинца - 140 Дж. 388. Так как вода имеет наибольшую удельную теплоёмкость. 390.336 кДж. 391.92 кдж. 392.750 кДж. 394.241,92 Мдж. 395.96,72 Мдж; 767,6 кг. 396. 24 г. 398. Так как олово имеет низкую температуру плавления - 232 °С. 399. 174,6 кДж. 400. 3324 кДж. 401. 1,87 кг. 402. 1662 кДж. 404. Можно. 405. 234 кДж. 406. 276,4 кДж. 407. Нет. 408. Для серебра. 411. Чтобы увеличить поверхность высыхания. 413. 345 кДж. 414. 23 Мдж. 418 13,18 Мдж; при конденсации 5 кг пара. 419. 6.147 Мдж. 425. Так как часть энергии идет на испарение воды. 426. 324 Мдж. 427. 6,6 кг. 428.36,4 г; 6,8 г; 54,5 г углерода и 145,6 г кислорода. 429, 8 кг. 430. 510 Мдж; 175 Мдж. 432. а) 28 МДж; б) 46 МДж/кг; в) метан; твердое ракетное топливо; г) 1,8 кг; д) 1 кг; е) 0,14 кг. 435. При работе двигатель нагревается, вода забирает от него энергию, охлаждая его. 438. Для охлаждения двигателя. Вода имеет наибольшую удельную теплоёмкость среди жидкостей. 441. Двигатель внутреннего сгорания. 442.4. 443. Кинетическую энергию пара. 445. 1389 м. 447. На изменение внутренней энергии куска металла. 451. Часть энергии пара израсходовалась на вращение лопастей турбины. 454. Для работы реактивного двигателя не нужен воздух. 455. 128 человек. 456. На 24 т. ОТВЕТЫ К РАЗДЕЛУ «ЧТО Я ЗНАЮ И УМЕЮ ДЕЛАТЬ» Глава 1. 3. 2040 м. 4. 50 Гц. 5. 850 м. колеса. 12. 0,9 с. ). Чтобы проверить целостность бандажа Глава 2. 1. 153 т; 50 кН. 3. А. Силой земного тяготения. Б. Силой трения, В. Силой упругости. 4. 1, Силу тяжести. 2. Силу упругости. 3. Вес тела. 5. Динамометры; 100 г; 500 г; 1 Н; 5 Н, 6. 2 Н; 2 Н; 200 г. 7. 12,8 Н, 8. 687 Н. 9. Неравномерно, так как F > F^onp-11. Поэтому что плотность железного цилиндра больше плотности воды, а льда -меньше. 12. Нет, он потонет. Глава 3. 2. Мальчики выполнили одинаковую работу - 19620 Дж. 3.64 Вт. 4.216 ГДж. б. 0,25 Дж; 1,58 м/с; 9,25 Дж. 9. В 4 раза. 10. В 6 раз. 11. Нарушится. 12. 83 %. Глава 4. 2. Внутренняя энергия 1 460 Дж. 3.324 кДж. 4. Можно. 5.7 90 не растает. т воды увеличилась на 4 200 Дж, а 1 кг железа - на 1 кДж. 6. Хватит. 9. Нет. 10. Не изменится, пока лед ОТВЕТЫ К РАЗДЕЛУ «ФИЗИЧЕСКИЕ ЗАДАЧИ ВОКРУГ НАС» 1. Если самолет относительно автомобиля неподвижен, т. е. если самолет движется почти горизонтально с такой же скоростью относительно Земли, что и автомобиль. 2. Прямая линия. 3. Окружности. 4. Поступательный и врашдтельный. 5. Так как другой автобус двигался с ббльшей скоростью. 6. Нет. 7. 8 случае мягкой опоры сила удара в основном идет на изменение скорости движения ореха - сначала он приобретает скорость, а потом, углубившись в опору, останавливается. Скорлупа почти не изменяет ОТВЕТЫ < РАЗДЕЛУ «ФИЭИЧЕСЮ1С'18Ж1 [23S1 своей формы и поэтому ме разрушается. Если орех размещается на твердой опоре, то этого не происходит, и он раскалывается. 8. За счёт инертности капель воды. 9. В юм случае, когда колют дрова, ударяя по полену топором, он, продолжая движение вследствие инертности, входит глубоко в неподвижное полено Если же учаряют обухом топора, частично углубленного в полено, об колоду, для раскалывания дров, топор останавливается, а полено продолжает движение вследствие инертности и раскалывается. 10. Вследствие инертности кирпич при ударе не успевает заметно измененить свою скорость движения и не давит на руку строителя, поэтому он не ощущает боли. 11. При остановке лошади всадник, двигаясь по инерции, упадёт через голову лошади. 13. Нет. 15. Сила звука зависит от значения амплитуды колебаний re;ia. 16. Потому, что звук распространяется намного медленнее, чем свет. 17. Нет. 18. Благодаря силе тяжести. 19. Потому что они имеют большую массу. 20. Для обеспечения уточнения массы гири при её проверке. 21. Нет. 23. За счет силы трения. 24. Чтобы увеличить силу трения скольжения подошв обуви об ступени. 25. При разрезании нитью возникает значительно меньшая сила трения, чем при разрезании ножом. 26. Для уменьшения силы трения иглы об кожу при уколе. 27. Тело рыбы покрыто слизью, уменьшающей силу трения, и она высклизывает из рук. 28. 8 кузове автомобиля для увеличения силы трения покоя, т. е. сцепления колес с дорожным полотном. 29. Устойчивость ходьбы человека определяется силой трения между подошвами обуви и грунтом. Поскольку сила тяжести на Луне в 6 раз меньше, чем на Земле, то там при ходьбе возникает меньшая сила трения. 30. Голова оказывает на подушку меньшее давление, чем на доску. 31. Живые деревья имеют бёльшую площадь сопротивления ветру при одинаковом давления, чем сухие деревья. 32. Увеличивается площадь опоры, и лед не проваливается. 33. Для уменьшения.площади режущего инструмента. 34. Новый напильник глубже заходит в металл, за счет чего возрастает скорость обработки детали. 36. В напитках растворённый углекислый газ находится под ббльшим давлением, чем атмосферное. Если бутылку открыть, газ внутри расширяется, вследствие чего жидкость «кипит». 37. Нагреть шарик в горячей воде. 38. Закон Паскаля. 39. Будет действовать. 40. Так как увеличивается высота вода) в ванне. 41. Так как увеличивается давление на барабанные перепонки в ушах. 42. Если чайник наполнен до краёв, то при незначительном наклоне из него выливается вода. 43. Так как уровень воды в водонапорной башне ниже уровня размещения кранов на верхних этажах дома. 44. Так как воздух проходит между раздвоением копыта, вследствие чего не возникает разности давлений над и под копытом. 45. Когда вода вытекает из бутылки, воздух в ней расширяется, давление его падает и становится меньше атмосферного. Вследствие этого внешний воздух пузырьками прорывается сквозь жидкость в бутылку. Возникает «булькание». Стенки резиновой грелки эластичны. При вытекании воды они сжимаются. Давление воздуха внутри грелки такое же, как и снаружи. Поэтому вода вытекает сплошной струёй. 46. Чтобы увеличить точность прибора. 47. Нельзя. 48. Одним клапаном является поршень, вторым - ниппель в шине. 49. При работе всасывающего насоса, который размещается сверху колодца, подъём воды осуществляется под действием силы атмосферного давления; в нагнетательном насосе, который размещается на дне колодца, подъём воды осуществляется под действием силы мышц человека. 50. В воде на человека действует выталкивающая сипа. 51. Так как существует предел прочности конструкции лодки, а значит, и предел глубины её погружения. 52. Значение одно и то же. 53. Закон Паскаля действует, сила Архимеда отсутствует. 54. При вдохе человек всплывает, при выдохе погружается глубже в воду, потому что изменяется объём грудной клетки. 55. Нет. 56. Повысился бы. 57. Так как молоко имеет большую плотность. 58. Керосин будет всплывать в воде и будет продолжать гореть. 59. Плотность жирного молока меньше, в нем лактометр погрузится глубже. 60. Можно. 61. Движение водорода и гелия вверх обусловлено аэростатическим давлением воздуха, который вытесняет эти газы. 62. Нет. 63. Выпол* няет. 64. С увеличением нагрузки корабль глубже погружается в воду. Это повышает 12361 ЮКГЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ силу сопротивления воды движению корабля, что приводит к потере им скорости. 65. Для увеличения чувствительности весов. 66. Действием силы трения. 67. Такое крепление дает возможность уменьшить натяжение троса вдвое. 68. В прыжке «перекатом" спортсмен не так высоко поднимает тело над планкой, как в прыжке 'Прямо*, поэтому выполняет меньшую работу. 69. За счет разности потенциальной энергии автомобиля на вершине и возле подножия горы. 70. За счет потенциальной энергии сжатого воздуха. 71. За счет потенциальной энергии, которую приобрел аэростат при наполнении газом. 72. Правильно. 73. При одинаковых скоростях тело, имеющее большую массу, имеет и ббльшую кинетическую энергию. 74. За счет потенциальной энергии упруго деформированного тела. 75. Если автомобиль разгоняется, то к механической энергии двигателей прибавляется кинетическая энергия автомобиля. 76. Зимний. 77. При недостаточном смазывании подшипников в результате трения механическая энергия превращается во внутреннюю. Температура баббита поднимается до точки плавления, и он плавится. 78. Колёса автомобиля нагреваются и за счет работы силы трения при частичном проскальзывании их по полотну дороги, и за счет работы деформации шин при качении. 79. При трении солома может разогреться и воспламениться, что приведёт к пожару. 80. С остановками. 81. Так как они потеряли бы свою прочность вследствие нагревания при трении о воздух. 82. При посадке. 83. В медной, так как теплопроводность меди больше, чем чугуна. 84. Алюминий имеет ббльшую теплопроводность, чем фарфор. 85. При температуре тела человека. 86. Влажный. 87. Жир имеет низкую теплопроводность и защищает организм животных от чрезмерного охлаждения в полярных водах. 88. Вода имеет намного большую теплопроводность, чем воздух, поэтому в воде тело человека охлаждается быстрее. 89. Когда лёд положить на крышку чайника. 90. Плёнка задерживает воздух определённой температуры возле растений. 91. За счет вертикальных восходящих потоков воздуха. 92. Чтобы обеспечить естественную циркуляцию воды в системе водяного отопления. 93. Лучше красить в черный цвет. 94. Чтобы уменьшить поверхность излучения тепла из тепа 95. Круглый термос имеет меньшую поверхность, поэтому он в меньшей степени поглощает и отдает теплоту, кроме того круглый термос прочнее. 96. Вместе с процессом излучения энергии в космос происходит и процесс поглощения энергии Солнца. 99. Песок имеет малую удельную теплоёмкость, поэтому быстро нагревается и охлаждается. 100. Малая удельная теплоёмкость, большая теплопроводность, не смачивает стекло, сравнительно легко получить в чистом виде, высокая температура кипения, низшая сравнительно с водой, точка отвердевания. 102. Вода внутри соли, превращаясь в пар, разрывает кристаллы. 103. Нанести царапину одним телом на поверхности другого. 104. Расплавится. 105. На тротуаре, посыпанном солью. 106. При морозе соль в виде раствора покидает лед. 107. Металл имеет ббльшую теплопроводность, чем дерево, поэтому он отводит от тонкой пленки еоды тепло настолько быстро, что она охлаждается ниже точки плавления и замерзает. 108. Большой удельной теплоёмкостью воды. 109. При трении лыж об снег он плавится, а потом снова отвердевает. 110. Нет, 111. Горячая вода «расплавляет» тонкий слой льда, успевает растечься, и поверхность льда становится гладкой. 112. Вода, замерзая при сильных морозах, разрывает волокна дерева. 113. Испаряется с поверхности листвы деревьев. 114. вследствие испарения воды. 115. Чай. 116. Постоянное испарение воды из салфетки способствует охлаждению молока. 117. В сухом воздухе пот испаряется и охлаждает тело человека. 118. В низинах температура воэдуха ниже, чемнааоэвышении. 119. Для выхода пара, иначе пар может вытеснить воду через носик чайника. 120. Мощность нагревателя не влияет на температуру кипения воды, в которой варится картофель. 121. Некоторое количество теплоты необходимо затратить на испарение воды, которая содержится в сырых дровах. 122. Поток воздуха срывает пламя со свечи и спички, охлаждает горючие вещества. 123. Так как металл намного быстрее отбирает энергию от угля, чем дерево. 124. Чтобы их не «раздувало» при нагревании. 125. После проскакивания искры. ПРЕДМПНО-ИМЕННОИ УКАЗАТЕЛЬ Акваланг 112 Акустика 31 Амплитуда колебаний 27 Ареометр 113 Барограф 99, 100 Барометр ртутный 99, 100 • - анероид 99, 100 Батискаф 112 Батисфера 112 Белл Грейам 33 Блок неподвижный 145 - подвижный 146 Бойль Роберт 37 Ватерлиния 113 Ватт 132 Векторная величина 13 Вес тела 65 Взаимодействие тел 52-53 Взвешивание гидростатическое 116 Винт 147 Водоизмещение 114 Волна звуковая 31,32, 36 Вброт146 Высота звука 33 Галилей Галилео 10, 54.122 Герике Отто 101 Герц 28 Герц Генрих 28 График движения 17 - скорости 17 Громкость звука 33' Гук Роберт 64, 121 Давление 82 - атмосферное 97, 98 - гидростатическое 87 • Двигатель внутреннего сгорания 209 - реактивный 211 - тепловой 208 Движение колебательное 26 - механическое 8 - неравномерное 12 - врашдтельное 23 - по окружности 23 - поступательное 10 - прямолинейное равномерйое 11,16 - тепловое 165 Движения периодические 24 Денсиметр 113 Децибелл 33, 41 Джоуль 130 Джоуль Джеймс 130 Динамометр 70-71 Дирижабль 114,115 Длина волны 35 Закон Архимеда 109 - Гука 65 - сохранения энергии в механических и тепловых процессах 214 --механической энергии 138, 139 - Паскаля 86, 87 - сообщающихся сосудов 94 «Золотое правило» механики 151, 152 Излучение 175, 176 Инерция 54 . Испарение 196 Камертон 32 Кипение 197 Клин 147 Колебания свободные 27 - звуковые 33 - инфразвуковые 39 - механические 26 - ультразвуковые 39 Количество теплоты 180, 182 Конвекция 174 Коэффициент полезного действия (КПД) механизмов 152 ----- нагревателя 215 Кристаллизация вещества 191 Кусто Жак-Ив 112 Манометр 102, 103 Материальная точка 8 Машина 144, 145 Машины гидравлические 91, 92 Метр 11 Механизм 143 Момент силы 149 Мощность 131 Наклонная плоскость 146, 147 Насос жидкостный 103, 104 Невесомость 66 Ньютон 62 Ньютон Исаак 121 Относительность движения 9 Парообразование 196 Паскаль 82 Паскаль Блез 122 Период колебаний 27, 28 • - вращения 24 Плавление вещества 191 Правило рычага 152 Пресс гидравлический 92 Простые механизмы 147 Путь 11 Работа механическая 130 Рычаг 145, 149 Сгорание топлива 202 Сила 60 - выталкивающая 108, 109 - сопротивления 76 - упругости 64. 65 - равнодействующая 78, 79 - трения 73 - давления 82 - тяготения 62 Скорость распространения звука 37, 38 - равномерного движения тела 12, 13, 15 - средняя 15 Спидометр 21 Сообщающиеся сосуды 93, 94 Стробоскоп 25 Температура кипения 197 - конденсации 197 - кристаллизации 191 - плавления 191 - тела 165 Тепловой баланс 185 Теплообмен 172 Теплопроводность 173 —^—ВВЯЭМЭВКГетЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ Термометр 165.168 Термоскоп Галилея 165 Тормоза гидравлические 93 Трение скольжения 73, 75 - качения 73, 75 - покоя 73, 75 Тело отсчета 9 Тон музыкальный 32 Торричелли Эванджелиста 122 Траектория 10 Турбина газовая 211 - паровая 210 Тяготение всемирное 63 Уатт Джеймс 213, 220 Удельная теплоемкость вещества 182 - теплота сгорания топлива 204 - парообразования вещества 199 - плавления вещества 193 Уравнение теплового баланса 186 Условие равновесия рычага 150 - плавания тел 111,112 Ухо 31 Фаренгейт Рафаэль 166 Частота колебаний 28 - вращения 24 Шестерня 147 Шкала Реомюра 166 - Цельсия 166, 167 Шлюзы 95 Шум 34,41-43 Шумомер 41 Энергия 135 - внутренняя 170 - кинетическая 137 - потенциальная 135, 1-36 Эхо 38 Эхолот 39