Естествознание. Базовый уровень. 10 класс

Можно уйти ещё дальше от периодичности колебаний. Если, например, мы одновременно ударим по многим клавишам рояля в совершенно случайном сочетании, то вообще не получим музыкального звучания. Получаемый при этом звук называют шумом. Шумы состоят из огромного числа колебаний с разными частотами. Они могут быть либо длинными, но очень сложными по форме (скрип, шипение), либо короткими (стук, щелчок). К шумам можно также отнести все произносимые нами согласные звуки.

Проверьте свои знания

1. В каких средах может возникать звук?

2. Каков частотный диапазон слышимости человека?

3. Что такое ультра– и инфразвуковые колебания?

4. Чем определяется тембр звука?

Задания

Проведите исследование. Возьмите сосуд, из которого можно откачивать воздух, и поместите туда электрический звонок. Как будет меняться громкость звонка по мере откачивания воздуха? Почему?

§ 26 Электростатическое взаимодействие

Закон Кулона играет джаз,Закон Кулона волнует нас,Закон Кулона и здесь и там,Закон Кулона известен нам.Сила по Кулону – ку на ку,Сила по Кулону – ку на ку,Сила по Кулону – ку на ку,Делённая на эр квадрат.Студенческая песня

Слово «электричество» происходит от греческого названия янтаря («электрон»). Ещё в Древней Греции люди заметили, что, если потереть кусочек янтаря мягкой тканью или просто сухой ладонью, он начинает притягивать к себе мелкие предметы. Другие вещества тоже в какой-то мере обладали этой способностью, но поскольку янтарь по силе притяжения превосходил их все, то явление было названо в его честь.

История изучения электричества.

Экспериментальным изучением электричества никто не занимался вплоть до 1600 г., когда англичанин Уильям Гильберт (1544–1603) сконструировал прибор, состоящий из стерженька, подвешенного наподобие магнитной стрелки, назвал его версором и стал проводить исследования. С помощью этого первого электроскопа Гильберт показал, что притягивать может не только натёртый янтарь, но и алмаз, сапфир, опал, сера, сургуч и стекло (рис. 69). Все эти тела он назвал электрическими телами. Он также установил, что «электрические тела» могут притягивать «металлы, дерево, листья, камни, комки земли и даже воду и масло». В середине того же XVII в. появилось абстрактное понятие самого явления – электричество. Наиболее наглядно электрические явления были продемонстрированы немецким исследователем Отто фон Герике (1602–1686), который изготовил вращающийся шар из плавленой серы. После того как этот шар натирали сухой ладонью, он приобретал замечательные свойства. Особенно интересным был опыт с пушинкой, которая, оттолкнувшись от шара, продолжала ещё некоторое время находиться «в сфере его действия», перемещаясь вместе с ним по комнате.

Рис. 69. Янтарь и алмаз, сапфир и опал, серу, сургуч и стекло Уильям Гильберт назвал электрическими телами

Герике также заметил, что если наэлектризовать шар в темноте, то он сверкает «подобно сахару, раздробляемому пестиком», при этом слышно характерное потрескивание. Через некоторое время опыт Герике был воспроизведён англичанином Робертом Бойлем (1627–1691), который получил аналогичные результаты и, кроме того, показал, что воздействие электрической силы проявляется и в пустоте. Таким образом, были опровергнуты старые представления о действии электричества через воздух.

Многочисленные опыты, проведённые в конце XVII – начале XVIII в., показали, что в наэлектризованных предметах иногда возникают силы притяжения, а иногда – отталкивания. Это привело в 1733 г. к открытию, сделанному французским исследователем Шарлем Франсуа Дюфе (1698–1739). Проведя множество остроумных и изящных опытов, он пришёл к выводу о существовании двух видов электричества, которые он назвал «стеклянным» и «смоляным» в честь тех предметов, которые позволили ему сделать это открытие. Многие исследователи попытались объяснить этот удивительный феномен. Известный американский учёный и политический деятель Бенджамин Франклин (1706–1790), открывший электрическую природу молнии и увековеченный на стодолларовой купюре, полагал, что электричество представляет собой некую субстанцию (флюид), которая может присутствовать в заряженных телах либо в избытке, либо в недостатке. В первом случае Франклин называл тело положительно электризованным, а во втором – отрицательно электризованным. Однако вскоре появилась теория, утверждающая, что в каждом теле имеются оба флюида, а в нейтральном, т. е. неэлектризованном, состоянии они присутствуют в равных количествах. В принципе эта теория оказалась справедливой, и впоследствии эти два вида «флюида» были названы положительным и отрицательным электрическими зарядами. Названия эти чисто условные, они не отражают какие-то «положительные» или «отрицательные» качества электричества, это просто оставшееся от Франклина наследие. Как мы теперь знаем, разноимённые заряды притягивают друг друга, а одноимённые отталкивают (рис. 70). Когда положительно заряженное тело соприкасается с отрицательно заряженным, их заряды компенсируют друг друга. В результате тела становятся электрически нейтральными.

Закон Кулона.

Закон, согласно которому взаимодействуют электрические заряды, открыл в 1784 г. Шарль Огюстен Кулон (1736–1806). Усовершенствовав приспособление, с помощью которого Кавендиш измерил гравитационную постоянную, он изобрёл очень точные крутильные весы. С помощью этих весов Кулон провёл многочисленные эксперименты и установил, что сила отталкивания одноимённых электрических зарядов обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Опыты по изучению притяжения разноимённых зарядов проделать было сложнее, так как очень трудно помешать шарику войти в соприкосновение с другим, противоположно заряженным. Но Кулону удалось преодолеть эту трудность, и оказалось, что сила притяжения подчиняется такой же закономерности. Результаты экспериментов позволили Кулону сформулировать закон, который сейчас носит его имя. Согласно этому закону

сила притяжения (в случае разноимённых зарядов) или отталкивания (в случае одноимённых) прямо пропорциональна произведению величины этих зарядов.

Рис. 70. Притяжение и отталкивание разноимённых и одноимённых зарядов

Рис. 71. Зависимость силы притяжения разноимённых зарядов от расстояния между ними (А и Б) и от величины зарядов (В – заряды шариков увеличены)

F = k •q₁• q₂ / R 2 .

В этой формуле F – сила взаимодействия, q₁ и q₂ – величины зарядов, а R – расстояние между зарядами. Коэффициент k зависит от выбора единиц измерения и от свойств среды, разделяющей заряды. Единицей измерения заряда в СИ служит кулон. Силу, направленную от одного заряда к другому, называют электростатической.

Проверьте свои знания

1. В каком веке началось изучение электрических явлений?

2. Кто доказал электрическую природу молнии?

3. Как называется сила, благодаря которой электрические заряды испытывают притяжение или отталкивание?

4. Сформулируйте закон Кулона.

Задания

1. Объясните, почему после ношения одежды из некоторых материалов при прикосновении к различным предметам или к людям иногда чувствуется укол и слышится звуковой щелчок.

2. Тщательно натрите несколько предметов, сделанных из различных неметаллических материалов, сухой тканью и приблизьте их к мелким обрывкам бумаги. Объясните результаты происходящего.

3. Подготовьте сообщение или презентацию об опытах Дюфе.

4. Используя дополнительные источники информации, выясните, что такое лейденская банка. После её изобретения в XVIII в. было проведено множество наглядных демонстрационных опытов с её использованием. Найдите информацию об этих экспериментах и представьте её в форме сообщения или презентации.

§ 27 Физические поля

Подходит в вагоне метро милиционер к спящему студенту, у которого на коленях лежит учебник Ландау «Теория поля»: «Просыпайся, агроном! Конечная!»

Анекдот

Вероятно, вы уже заметили, как поразительно похожи математические формулы законов Кулона и закона всемирного тяготения. Действительно, между силой тяготения и электростатической силой есть много общего. В обоих случаях существует объект, обладающий некоторым качеством: массой или зарядом. Этот объект оказывает воздействие на другие тела, обладающие таким же качеством. Величина этого воздействия убывает пропорционально квадрату расстояния от объекта и на бесконечно большом расстоянии стремится к нулю.

Физические поля как один из видов материи.

Давно было известно, что электростатическое и гравитационное взаимодействие могут распространяться и в вакууме без какой-либо материальной среды, иначе говоря, в пустом пространстве. Представить себе это довольно сложно, поэтому физики до XIX в. считали, что пустого пространства не существует: всё заполнено тонкой неуловимой неподвижной средой, которую называли мировым эфиром. Через эфир и осуществляются все взаимодействия. Однако в начале XX в. выяснилось, что эфира не существует. Поэтому современная наука считает, что все взаимодействия осуществляются физическими полями. Если тело А создаёт в окружающем его пространстве силовое поле, которое оказывает действие на тело В, находящееся на расстоянии от тела А, то и тело В точно таким же образом действует на тело А. Поле, наряду с веществом, представляет собой один из видов материи.

Фундаментальные взаимодействия. Благодаря физическим полям осуществляются все возможные взаимодействия между физическими телами. Всего в природе существует четыре вида взаимодействия, которые называют фундаментальными. Все остальные взаимодействия можно свести к этим основным. Два из четырёх фундаментальных взаимодействий, сильное и слабое, действуют только на очень малых расстояниях – внутри ядер атомов. О них мы узнаем позже, а пока рассмотрим два взаимодействия, хорошо заметных в повседневной жизни, – гравитационное и электромагнитное. Последнее осуществляется при помощи электромагнитного поля, о котором мы поговорим в следующем параграфе. Электростатическое поле – частный случай электромагнитного поля.

Сила, с которой поле действует на единичную массу или на единичный заряд, равна напряжённости поля в данной точке. Напряжённость определяется как отношение силы, действующей на тело, к его массе (в случае гравитационного поля) или к его заряду (в случае электростатического поля). Отсюда видно, что напряжённость поля тяготения во всех точках равна ускорению свободного падения.

Отличия между гравитационным и электростатическим полями.

Несмотря на математическое сходство формул, которыми описываются гравитационное и электростатическое поля, между ними существуют и большие различия. Прежде всего благодаря гравитационному взаимодействию тела могут только притягиваться. Если в поле действия какой-либо массы окажется другая масса, то на неё всегда будет действовать сила, направленная в сторону первой. В то же время электростатическое поле может создаваться двумя видами зарядов, и в результате этого может возникать как притяжение, так и отталкивание.

Сила гравитационного поля ничтожно мала по сравнению с силой поля электростатического. Иначе и быть не может. Ведь в гравитационном поле существует только один вид взаимодействия – притяжение. Если бы гравитационное притяжение было таким же сильным, как электростатическое, все планеты, звёзды и галактики давно бы уже «слиплись» в единую массу. Никакой инерции не хватило бы для того, чтобы удержать планету на орбите, если бы сила притяжения Солнца была хотя бы приблизительно равна электростатической силе. А последняя, несмотря на свою огромную величину, не производит во Вселенной разрушительного действия из-за того, что все её притяжения в точности уравновешиваются отталкиваниями. Всё вещество является смесью положительных протонов и отрицательных электронов, притягивающихся и отталкивающихся с неимоверной силой. Но между зарядами этих частиц существует точный баланс, поэтому обычные тела не испытывают ни притяжения, ни отталкивания. Р. Фейнман приводит такой расчёт. Если бы в вашем теле или в теле вашего соседа, стоящего от вас на расстоянии вытянутой руки, электронов оказалось бы всего на 1 % больше, чем протонов, то сила вашего отталкивания была бы достаточно большой, чтобы поднять вес, равный весу Земли!

Вычислить, во сколько раз электростатическая сила превышает гравитационную, можно, измерив соотношение силы электрического отталкивания электронов (из-за того, что все они имеют одинаковый отрицательный заряд) и силы их взаимного притяжения (из-за того, что они имеют массу). Это отношение не зависит от расстояния между электронами и является одной из мировых констант. Оказывается, что сила притяжения равна силе отталкивания, разделённой на 1042!

Проверьте свои знания

1. Что называется напряжённостью гравитационного (электростатического) поля?

2. В чём заключаются сходства и различия гравитационного и электростатического полей?

3. Что произошло бы, если бы сила гравитационного поля была такой же, как и сила электростатического?

4. Почему между электронами существуют как силы притяжения, так и силы отталкивания? Каково их приблизительное соотношение?

Задания

Объясните, почему обрывки бумаги из задания 2 к § 26 отрываются от стола и взлетают вверх.

§ 28 Движение электрических зарядов

После электричества совершенно бросил интересоваться природой. Неусовершенствованная вещь.

В. Маяковский

Само слово «электростатический» говорит о некой статике, т. е. неподвижности. Электростатическая сила – это та сила, с которой неподвижный заряд действует на другие заряды, находящиеся на расстоянии от него. Но мы знаем, что электрические заряды могут двигаться. Их движение называют электрическим током. При движении зарядов возникают дополнительные силы. Однако, прежде чем их обсуждать, вспомним основные законы электродинамики – науки об электрических зарядах.

Электрические заряды в виде протонов и электронов существуют во всех телах, однако они не всегда способны свободно передвигаться. Способность вещества проводить электрический ток определяется его проводимостью. Противоположное проводимости свойство – сопротивление. Вещества, в которых движение электрических зарядов затруднено, обладают высоким сопротивлением и плохо проводят электрический ток. Их называют диэлектриками, или изоляторами. Вещества, в которых заряды могут свободно передвигаться, а прежде всего металлы, называют проводниками. Среднее положение между диэлектриками и проводниками занимают полупроводники, проводимость которых в большой степени зависит от температуры. Полупроводники широко используют в различных областях электронной техники. Многие химические элементы (кремний, германий и др.) и большое количество химических веществ являются полупроводниками.

Но для того чтобы по веществу проходил электрический ток, недостаточно, чтобы в нём были свободные заряды. Для приведения этих зарядов в движение требуется сила. Какая же сила может вызвать движение электрических зарядов? Очевидно, что это должна быть сила, создаваемая электростатическим полем и определяемая напряжённостью этого поля. Если в электростатическое поле поместить заряды, которые могут свободно перемещаться, то они будут двигаться вдоль вектора напряжённости от источника поля или к нему в зависимости от того, одинаковы или различны заряд источника и движущиеся заряды. Это упорядоченное движение заряженных частиц называют электрическим током. Сила этого тока измеряется тем, какой электрический заряд проходит через поперечное сечение проводника за единицу времени. Единицей измерения силы тока является ампер (А). Если за 1 с переносится заряд, равный 1 Кл (одному кулону), то сила тока составляет 1 А.

В промышленных и бытовых устройствах, электрический ток течёт по проводникам, сделанным из металла. В металлических проводах свободными зарядами являются отрицательно заряженные электроны, движущиеся по направлению к положительному полюсу источника (аноду). Противоположный ему, отрицательный полюс источника называют катодом. Хотя в металлических проводах носителем тока в основном являются отрицательные электроны, в физике за направление тока принято движение положительных зарядов от «плюса» к «минусу» источника тока. Так получилось, потому что основополагающие работы по электродинамике были выполнены задолго до открытия электронов. Носителями электрического тока могут быть не только электроны, но и положительные или отрицательные ионы. Ионные токи часто наблюдаются в тех случаях, когда электростатическое поле возникает в жидкостях или газах.

Различие в напряжённости электрического поля в разных участках проводящей среды зависит от разности потенциалов или электрического напряжения.

Рис. 72. Георг Симон Ом

Рис. 73. Алессандро Вольта

Рис. 74. Луиджи Гальвани

Эта величина измеряется в вольтах (В). Чем больше разность потенциалов между участками проводника, тем больше будет протекающий по нему ток. Но эта величина не определяется однозначно только разностью потенциалов, она зависит и от сопротивления среды, единицей измерения которого служит ом (Ом). В результате сила тока выражается формулой:

I = U/R,

где I – сила тока, U – разность потенциалов (напряжение), а R – сопротивление проводника. Этот закон был открыт немецким физиком Георгом Омом (1789–1854) и, так же как единица измерения сопротивления, назван его именем (рис. 72). Если на концах проводника создать разность потенциалов, а затем предоставить эту систему самой себе, то движение зарядов мгновенно выровняет эти потенциалы и электрический ток исчезнет. Поэтому, для того чтобы ток протекал постоянно, требуется поддерживать разность потенциалов на постоянном уровне. Для этого нужно действие внешней силы, которую называют электродвижущей силой. Приспособления, обеспечивающие поддержание разности потенциалов на концах провода, называют источниками питания. Первый источник питания был изобретён итальянским физиком Алессандро Вольта (1745–1827) (рис. 73). Его, как и его современника, земляка и постоянного научного оппонента Луиджи Гальвани (1737–1798) (рис. 74), в течение многих лет интересовал вопрос о том, как электрический угорь вырабатывает своё электричество. Гальвани считал, что это свойство присуще всем живым организмам, а Вольта пытался объяснить его с помощью химических процессов. Время показало, что правыми оказались оба исследователя. Гальвани открыл «животное электричество», о котором вы узнаете позже, а Вольта в результате многочисленных опытов заметил, что если в банку с кислотой опустить цинковую и медную пластинки и соединить их проволокой, то цинковая пластинка будет растворяться, а на медной станут выделяться пузырьки газа (рис. 75). Вольта показал, что по проволоке протекает электрический ток, который может поддерживаться в течение продолжительного времени. На основе этого эффекта он сконструировал первый в истории источник тока, состоящий из колец цинка и меди и сукна, пропитанного кислотой. Этот прибор имел форму столба и поэтому получил название вольтова столба, или, по иронии судьбы, гальванического столба – в честь Гальвани, постоянного научного оппонента Вольта. В настоящее время человечество использует во всевозможных приборах и механизмах самые разные источники питания.

Рис. 75. Простейший элемент Вольта состоял из двух металлических пластин – медной и цинковой, опущенных в водный раствор серной кислоты.

Проверьте свои знания

1. Что такое проводники, диэлектрики и полупроводники?

2. Сформулируйте закон Ома и напишите его формулу.

3. Какие участки электрической цепи называются анодом и катодом?

4. Кто сконструировал первый источник электрического тока (питания)?

Задания

Электрическая цепь состоит из источника питания, анод и катод которого соединены участком, состоящим из диэлектрического материала. Известно, что сопротивление диэлектрика снижается в два раза при увеличении температуры на каждые 10 °C. Во сколько раз изменится сила тока в цепи, если её температура возрастёт на 30 °C, а разность потенциалов на концах цепи снизится в четыре раза?

§ 29 Электромагнитное поле

Жил в итальянском городе Амальфи бедный ювелир и инкрустатор по имени Флавио Джойя, который влюбился в Анджелу, дочь богатого рыбака Доменико. Но отец не хотел, чтобы Анджела вышла за «сухопутного» Джойя, и поставил влюблённому тяжёлое условие – научиться плавать в темноте и тумане по прямой линии. Такое условие представлялось совершенно невыполнимым, но Флавио проявил неслыханную изобретательность. В работе для инкрустирования маленькими кусочками железа он использовал магнитный камень. Как-то Флавио заметил, что, если положить этот камень на кусочек пробки, плавающей в воде, он поворачивается всегда в одну сторону. Так был изобретён компас, а Флавио женился на Анджеле.

Итальянская легенда

А теперь обратим внимание на проблему, связанную с движением заряженных частиц. Поскольку они имеют заряд, то, само собой разумеется, должны служить источником электрического поля. Только в этом случае поле уже не будет электростатическим. Такое поле называется электромагнитным.

История открытия магнетизма.

Помимо притяжения мелких предметов к натёртому куску янтаря в древности хорошо знали ещё один вид притяжения. Ещё в Античности было известно, что кусок чёрного камня магнетита может притягивать к себе железо. Более того, он способен передавать данное свойство железу, делая его магнитом. Это невероятное свойство, названное магнетизмом, вызывало бурю ярких фантазий, рассуждений о целебных достоинствах магнетита. О его магическом действии складывались легенды. Однако только в XI в. магнетизм получил практическое применение. К этому времени относятся первые упоминания о компасе. Считается, что компас был изобретён много раньше в Китае, но прямых сведений об этом не сохранилось. В Европу же его привезли, скорее всего, арабы. К XIV в. компас с подвижной розой (картушкой) получил широкое распространение (рис. 76). В «Божественной комедии» Данте есть строки, в которых упоминается стрелка (игла) компаса:

Раздался голос, взор мой понуждаяОборотиться, как иглу звезда…

Однако природа магнетизма ещё долго оставалась неизвестной. Некоторые из первых исследователей высказывали мнение о его связи с электричеством, однако другие считали такое мнение предрассудком. Первая точка зрения подтвердилась в XVIII в., когда было обнаружено намагничивающее действие молнии, а затем и приборов, производящих электрические разряды.