Естествознание. Базовый уровень. 10 класс

Задания

1. Подберите эпиграф к данному параграфу.

2. Установите наклонную плоскость, которую можно покрывать различными материалами: деревом, стеклом, металлом, тканью и т. п. Положите на неё предмет определённой массы. Изменяя наклон плоскости, проследите, как будут двигаться предметы в зависимости от типа покрытия. Пронаблюдайте за характером движения в зависимости от массы положенного предмета. Объясните результаты наблюдений.

3. На горизонтальном столе лежит доска, а на ней кубик. К доске прикладывают силу, в результате чего она начинает двигаться по столу. Кубик при этом остаётся неподвижным относительно доски. Действует ли при этом на кубик сила трения и если действует, то в какую сторону она направлена?

4. Используя знания, приобретённые в курсе биологии, объясните, почему у большинства хищных морских рыб обтекаемая, торпедообразная форма тела. Какие особенности внешнего строения птиц связаны с их основным типом движения?

§ 36 Законы сохранения в природе

Но все встречающиеся в природе изменения происходят так, что если к чему-либо нечто прибавилось, то это отнимается у чего-то другого. Так, сколько материи прибавляется к какому-либо телу, столько же теряется у другого, сколько часов я затрачиваю на сон, столько же отнимаю у бодрствования и т. д. Так как это всеобщий закон природы, то он распространяется и на правила движения: тело, которое своим толчком возбуждает другое к движению, столько же теряет от своего движения, сколько сообщает другому, им двинутому.

М. Ломоносов. Из письма к Л. Эйлеру. 1748

Итак, мы с помощью примеров убедились в том, что энергия при некоторых процессах переходит из потенциальной в кинетическую или наоборот. Может быть так, что кинетическая энергия одного тела превращается в кинетическую энергию других тел. Во всех случаях суммарная энергия остаётся постоянной.

Попытки опровергнуть закон сохранения энергии.

Что касается экспериментов, призванных опровергнуть этот закон, то их было предостаточно. На протяжении долгого времени предпринимались попытки изобрести «вечный двигатель» (лат. perpetuum mobile), т. е. устройство, способно совершить полезную работу, большую, чем количество сообщённой ему энергии. Всевозможным комиссиям и академиям наук предлагались самые разнообразные проекты и чертежи «вечных двигателей» от самых наивных до чрезвычайно остроумных, таких, с которыми экспертам приходилось долго разбираться (рис. 92, 93). Однако в конце концов все проекты таких двигателей оказывались несостоятельными, и постепенно все академии и патентные комиссии мира отказались от их рассмотрения. Машину, способную бесконечно совершать работу без затрат топлива или других энергетических ресурсов, называют вечным двигателем первого рода. Существовали ещё и проекты вечного двигателя второго рода, которые тоже оказались неосуществимыми. О них вы узнаете позднее.

Виды энергии.

Рассмотрим, в каких формах может существовать энергия. Мы уже знаем о кинетической и потенциальной энергии в гравитационном поле. Мы говорили о том, что если изучать только движение различных тел в поле тяготения, то сумма этих двух энергий никогда не будет оставаться в точности постоянной, так как из-за наличия трения часть этой энергии перейдёт в тепло. Но тепло, в свою очередь, представляет собой кинетическую энергию движущихся молекул и потенциальную энергию их взаимодействия.

Рис. 92. Модель вечного двигателя, основанная на идее использования колеса с неуравновешенными грузами

Существует ещё потенциальная энергия упруго деформированного тела. Если растянуть пружину, она приобретёт потенциальную энергию, которая позволит ей, например, поднять груз. Если пружину растянуть, то расстояние между атомами увеличится и силы притяжения начнут преобладать над силами отталкивания. Если же её сжать, то она приобретёт потенциальную энергию. Если подвесить к пружине груз, он будет опускаться под действием силы тяжести и растягивать пружину, увеличивая её потенциальную энергию. Затем пружина начнёт поднимать груз, расходуя потенциальную энергию. Эти процессы будут повторяться, и возникнут колебания, которые могли бы продолжаться вечно, если бы при каждом колебании часть энергии не превращалась бы во внутреннюю энергию пружины. А поскольку такое превращение неизбежно, колебания пружины с подвешенным на ней грузом рано или поздно прекратятся.

Рис. 93. Модель вечного двигателя, основанная на идее использования архимедова винта

Одной из самых используемых человечеством видов энергии является химическая энергия. Она работает в тепловых электростанциях, котельных и газовых плитах. Эта энергия, содержащаяся в нефти и природном газе, является основным предметом российского экспорта. Химическая энергия высвобождается в химических реакциях. У русского поэта-декабриста А. И. Одоевского есть знаменитая строка: «Из искры возгорится пламя». Откуда берётся энергия пламени, например лесного пожара, абсолютно несопоставимая с энергией искры? Естественно, она возникает из других источников. Искра содержит в себе небольшое количество очень быстро движущихся, т. е. обладающих большой кинетической энергией, частиц. Попадая в подходящую (горючую) среду, эти частицы своим движением разрывают связи между её атомами. В результате разрыва этих связей потенциальная энергия притяжения, которая раньше удерживала атомы и которую мы можем назвать энергией химических связей, переходит в кинетическую энергию их движения. Они, в свою очередь, освобождают химическую энергию в соседних участках, и процесс приобретает лавинообразный характер, приводя в конечном счёте либо к движению автомобиля, либо к масштабному бедствию в виде пожара. Химическая энергия, таким образом, складывается из двух частей: кинетической энергии движения частиц внутри молекул и атомов и потенциальной энергии притяжения электронов к протонам.

Существует энергия излучения, в частности, энергия света. Её можно считать одной из форм электрической энергии, так как свет, как мы знаем, является электромагнитным излучением.

Ещё одним известным видом энергии является ядерная энергия, связанная с расположением частиц, из которых состоит атомное ядро. Эта энергия не связана ни с тяготением, ни с электрическими силами, а является следствием двух других фундаментальных взаимодействий, которые мы обсудим в следующей главе.

Таким образом, кинетическая энергия обусловлена каким-либо движением, она зависит от скорости, с которой изменяется расстояние между частицами или предметами. Потенциальная же зависит не от изменения расстояний, а от самих расстояний между телами, т. е. от их положения. Потенциальная энергия существует тогда, когда в пространстве, где находится тело, имеется физическое поле, которое способно действовать на это тело с какой-либо силой. Если пока не рассматривать процессы, происходящие внутри атомных ядер, то таких полей существует всего два – гравитационное и электромагнитное. Все остальные виды энергии можно свести к этим основным, или фундаментальным, видам. В следующих главах мы ещё расскажем о различных способах превращения одного вида энергии в другие. Особое внимание мы уделим тепловой энергии, которая играет огромную роль в природе и жизни человека.

Закон сохранения зарядов

Энергия не единственное в природе, что подчиняется закону сохранения. К числу законов сохранения, которые Ричард Фейнман называл великими, помимо уже известных нам законов сохранения энергии и импульса, относится также закон сохранения электрических зарядов. Существует полный электрический заряд изолированной системы, который при любых изменениях остаётся постоянным. Когда вы теряете заряд в одном месте, он всегда обнаруживается в другом. Если стеклянную палочку натереть мехом, она зарядится положительно, но при этом мех, которым её натёрли, приобретёт точно такой же отрицательный заряд, а суммарный заряд всегда будет равен нулю. Электрические заряды в окружающих нас предметах возникают вследствие потери или приобретения атомами электронов. Электроны гораздо подвижнее протонов и потому относительно легко покидают одни атомы и присоединяются к другим. Атомы, потерявшие отрицательно заряженные электроны, приобретают соответствующий положительный заряд, а те атомы, к которым электроны присоединились, приобретают такой же отрицательный. Заряд всегда передаётся порциями, величина которых кратна заряду электрона. А поскольку электроны и протоны ниоткуда не появляются и никуда не исчезают, то их общее количество, т. е. общий суммарный заряд, всегда остаётся нулевым. Правда, из следующей главы мы узнаем, что во время процессов, происходящих в атомном ядре, электроны и протоны всё-таки могут появляться и исчезать, однако и в этом случае закон сохранения заряда сохраняет свою справедливость.

Закон сохранения момента количества движения.

Если пока не касаться строения атома, а говорить только о том мире, который мы можем наблюдать непосредственно, то надо упомянуть ещё один закон сохранения – закон сохранения момента количества движения.

Рис. 94. Гироскопы

Мы не будем говорить об этом законе подробно, скажем только, что он связан с криволинейным движением тела и особенно важен при вращательном движении: быстро катящееся колесо не падает. На этом законе основано действие гироскопов – приборов, способных сохранять постоянное вращение в одной плоскости и даже восстанавливать это движение после не очень больших отклонений (рис. 94).

С первым гироскопом, который называется волчком или юлой, мы знакомимся в раннем детстве. В современной технике гироскопы применяются для автоматического управления движением самолётов, морских судов, ракет и других объектов. Они используются также в астрономии и навигации для определения горизонта и географического меридиана.

Проверьте свои знания

1. Что такое вечный двигатель первого рода?

2. Перечислите известные вам виды энергии.

3. Какие физические величины подчиняются законам сохранения?

4. Объясните, почему все существующие в природе виды энергии можно свести к двум основным видам – потенциальной и кинетической?

5. Как вы думаете, почему законы сохранения называют великими?

Задания

Предлагаем вам рассмотреть два известных проекта вечного двигателя первого рода. Поскольку мы знаем, что вечный двигатель невозможен, оба эти двигателя «вечными» не являются. Однако причины, по которым они не смогут «вечно» работать, различны. Познакомьтесь с устройством обоих проектов и объясните их несостоятельность.

1. Идея основана на применении колеса с неуравновешенными грузами (см. рис. 92, Б). К краям колеса прикреплены откидные палочки с грузами на концах. При всяком положении колеса грузы на правой стороне будут откинуты дальше от центра, нежели на левой; эта половина, следовательно, должна перетягивать левую и тем самым заставлять колесо вращаться. Значит, колесо будет вращаться вечно.

2. Архимедов винт (вспомним § 3), вращаясь, поднимает воду в верхний бак, откуда она вытекает из лотка струёй, попадающей на лопатки водяного колеса (см. рис. 93). Водяное колесо двигает с помощью ряда зубчатых колёс тот самый архимедов винт, который поднимает воду в верхний бак. Винт поворачивает колесо, а колесо – винт! Этот проект, изобретённый ещё в 1575 г. итальянским механиком Страдою Старшим, затем повторялся в многочисленных вариациях.

Ваша будущая профессия

1.  Докажите, что знание основных физических законов необходимо не только физикам и инженерам, но и всем людям в современном обществе.

2.  В одной из существующих классификаций профессий, основанной на предмете труда, все профессии делят на пять групп: человек – техника, человек – природа, человек – человек, человек – знаковая система, человек – художественный образ. Как вы думаете, какой группе (каким группам) профессий знания, представленные во 2 главе, будут наиболее важны? Обменяйтесь мнениями с одноклассниками и обсудите ваши точки зрения в классе.

Объекты и законы микромира

§ 37 Миры, о которых мы знаем

Он, прищурившись, смотрит через линзу… Он что-то глухо бормочет, прерывисто дышит.

И вдруг раздаётся громкий взволнованный голос Левенгука:

– Поди сюда! Скорей! В дождевой воде маленькие животные. Они плавают! Они играют! Они в тысячу раз меньше любого существа, которое мы можем видеть простым глазом! Смотри! Ты видишь? Вот что я открыл!

П. де Крюи. Охотники за микробами

Микро-, макро– и мегамиры.

Все явления и закономерности, о которых говорилось в предыдущей главе, по большей части доступны обычному наблюдению, и мы часто сталкиваемся с ними в повседневной жизни. Конечно, для точного измерения физических величин, установления соответствия между ними и представления их в виде математических законов необходимо использование приборов. Но приборы эти относительно просты, а законы достаточно понятны и вполне соответствуют нашим представлениям об устройстве мира. Это мир, в котором мы непосредственно живём и действуем, ориентируемся и приспосабливаем к нему своё поведение. Об этом мире знали первобытные люди, его исследовали в Античности, и представления, с ним связанные, в значительной мере устраивали науку вплоть до начала XX в. Такой мир иногда называют макромиром. Приставка макро- по-гречески означает «большой». Почему мир, в котором мы живём, называют большим? Потому что он действительно очень большой по сравнению с миром атомов и элементарных частиц с ничтожными по нашим понятиям объектами и расстояниями между ними, который принято называть микромиром. Как мы узнаем из данной главы, эти миры различаются не только количественно, но и качественно: в микромире законы физики имеют несколько иной характер, чем в привычном для нас макромире. Однако наш «большой» мир ещё не самый большой из всех существующих. Давайте подумаем, с какими размерами предметов, расстояниями и скоростями нам приходится иметь дело.

Самые высокие горы на Земле поднимаются над её поверхностью меньше чем на 10 км. Самое большое расстояние на планете по прямой линии равно примерно 20 000 км. Скорость самого быстрого самолёта немного больше 2000 км/ч. Конечно, мы уже освоились с незначительной частью околоземного пространства. Люди побывали на Луне, расстояние до которой 384 000 км, а космические аппараты долетали до Марса и Венеры, отдалённых от Земли более чем на 100 млн км. Но эти расстояния, которые кажутся нам огромными, ничтожно малы по сравнению с размерами части Вселенной, доступной нашим наблюдениям. Эти расстояния так велики, что для их характеристики применяют единицу, называемую световым годом и равную приблизительно 9,5 трлн км. Расстояние до самых отдалённых от Земли известных нам объектов – квазаров составляет 13 млрд световых лет! Умножив 13 млрд на 10 трлн, вы получите представление о размерах Вселенной. Даже ближайшая к Земле звезда – Проксима Центавра находится от неё на расстоянии 40 трлн км. Скорости наших космических аппаратов также явно недостаточны для того, чтобы «покорить Вселенную». Если лететь со второй космической скоростью, достаточной для выхода за пределы притяжения Земли, то потребуется четыре месяца для того, чтобы долететь до Солнца. Свет же проходит это расстояние за восемь минут. Обо всём этом мы подробно поговорим в дальнейшем, а пока что требуется просто понять, что этот мир настолько велик, что заслуживает специального наименования. Поэтому его часто называют мегамиром, т. е. «огромным миром».

История создания микроскопа и телескопа.

Для того чтобы понять, что происходит в микро– и мегамире, требуются сложно устроенные приборы. Первыми шагами на пути познания этих миров были изобретения соответственно микроскопа и телескопа.

Еще в Средневековье было известно, что с помощью искривлённого стекла можно изменять зрительное восприятие. Активным пропагандистом использования луп и линз был английский монах Роджер Бэкон[9], живший в XIII в. Примерно в то же время люди стали пользоваться очками для исправления дефектов зрения. Однако все эти примитивные оптические приборы не давали возможности увидеть что-то новое по сравнению с тем, что может видеть человек с нормальным зрением. Попытки усилить увеличивающее действие линз привели к изобретению так называемого составного микроскопа – прибора, состоящего из двух линз (объектива и окуляра), последовательно проходя через которые свет создаёт на чувствительной оболочке глаза увеличенное изображение рассматриваемого предмета. Это произошло в конце XVI или начале XVII в., но кто был первым изобретателем такого микроскопа, в точности неизвестно. Во всяком случае, в 1609 г. Галилей впервые продемонстрировал научному обществу сконструированный им прибор, который он назвал «оккиолино», что значит «маленький глаз». Возможно, это и был первый микроскоп, хотя позже находились и другие претенденты на это изобретение. Само же слово «микроскоп» было придумано другом Галилея Джованни Фабером по аналогии с уже существовавшим в то время телескопом.

Однако первые микроскопы не позволяли получать чёткое изображение из-за несовершенной шлифовки стёкол. Несмотря на это, Роберт Гук в 1664 г., исследуя срез пробки, открыл клетки. Подлинную революцию в развитии микроскопических исследований произвёл в 1674 г. голландец Антони ван Левенгук (рис. 95, А).

Рис. 95. Микроскопы: А – микроскоп Левенгука был крайне прост и представлял собой пластинку, в центре которой была линза; Б – современный световой микроскоп; В – электронный микроскоп

Работая сторожем в местной ратуше, он во время дежурства упражнялся в шлифовании линз и вскоре достиг такого совершенства, что, просто взглянув на каплю воды через отшлифованную им линзу при подходящем освещении, увидел совершенно новый мир. Это был мир никому не известных до тех пор живых организмов, которых Левенгук назвал «зверушками». За это открытие он был избран членом-корреспондентом Лондонского Королевского общества, хотя совершенно не разбирался ни в какой науке.

В дальнейшем усовершенствованная техника шлифовки линз позволила увеличить разрешающую способность составного микроскопа (рис. 95, Б). Этим термином обозначают способность микроскопа создавать чёткое раздельное изображение двух точек объекта. Проще говоря, это наименьшие размеры предмета, который можно различить в микроскопе. Всё, что мы видим вообще и в микроскопе в частности, является отражением света от рассматриваемого предмета. Но мы знаем, что свет представляет собой электромагнитную волну, которая обладает такими качествами, как частота и длина. Кроме того, такие волны, как и все остальные, обладают свойством дифракции, т. е. способностью огибать мелкие предметы. Из-за дифракции оказывается невозможным различить под микроскопом предметы, меньшие, чем половина длины волны отражённого света. Напомним, что длина волны электромагнитного излучения в видимой части спектра приблизительно составляет от 400 до 700 нм. Это значит, что традиционные оптические микроскопы, которые используют в качестве источника освещения видимый свет, могут позволить нам увидеть объекты, размеры которых не меньше этой величины (рис. 96). Поэтому максимальное увеличение, которого можно добиться с их помощью, не может быть больше, чем 2000.

Для того чтобы повысить разрешающую способность, требуется осветить рассматриваемый объект излучением, длина волны которого меньше, чем у видимого света.

Рис. 96. Глаз стрекозы, видимый при наблюдении невооруженным глазом (А) и под микроскопом (Б)

Рис. 97. Телескоп Галилея.

Таким излучением оказались электроны. В начале XX в. было обнаружено, что электрон можно рассматривать не только как частицу, но и как излучение, с длиной волны, находящейся в диапазоне рентгеновских лучей. А так как электроны, в отличие от света, имеют ещё и электрические заряды, их лучи можно сфокусировать с помощью магнитных линз. На основе этих представлений в 1931 г. началась разработка электронного микроскопа, позволяющего получать изображение объектов с увеличением до миллиона раз (рис. 95, В). В дальнейшем техника создания микроскопов постоянно совершенствовалась, и сейчас современные микроскопы позволяют увидеть даже отдельные атомы.

Исследование объектов, находящихся на больших расстояниях от Земли и принадлежащих к мегамиру, началось с изобретения телескопа (рис. 97). Телескопу предшествовала подзорная или, как её называли, зрительная труба, находившаяся в употреблении с начала XVII в. Однако она не получила большого распространения до того момента, как попала в руки Галилею. Он усовершенствовал это приспособление и впервые в 1609 г. догадался направить эту трубу на небо, превратив её тем самым в телескоп. Хотя прибор Галилея был достаточно примитивным, учёному удалось за несколько лет повысить его увеличивающую способность с трёх– до тридцатидвухкратной, что позволило ему сделать ряд важных открытий. Подробнее о последующих усовершенствованиях телескопа и проводимых с их помощью исследованиях будет рассказано в следующей главе. А сейчас мы продолжим знакомиться с устройством микромира.

Проверьте свои знания

1. Когда был изобретён микроскоп? Из каких линз он состоит?

2. Какие открытия были сделаны Р. Гуком и А. Левенгуком с помощью микроскопа и увеличительного стекла?

3. Что такое разрешающая способность микроскопа?

4. Каково максимальное увеличение, которое можно получить с помощью оптического микроскопа, и какой степени увеличения позволяли достичь первые электронные микроскопы?

Задания

1. Рассмотрите мелкие предметы с помощью лупы и микроскопа. Зарисуйте их изображение. Опишите полученные результаты.

2. При синем или красном освещении можно различить в световой микроскоп более мелкие объекты? Каковы их примерные размеры?

§ 38 Атомы: от Демокрита до Томсона

Быть может, эти электроны—Миры, где пять материков,Искусства, знанья, войны, троныИ память сорока веков!Ещё, быть может, каждый атом —Вселенная, где сто планет;Там всё, что здесь, в объёме сжатом,Но также то, чего здесь нет.В. Брюсов

Как устроен материальный мир и из чего состоит вещество, волновало мыслящую часть человечества с глубокой древности. У античных мыслителей существовали различные точки зрения по этому вопросу. Главная проблема заключалась в том, состоит ли вещество из отдельных мельчайших частиц, чётко отграниченных друг от друга, или представляет собой непрерывное единство без разрывов на какие-либо составляющие его элементы. Первое свойство называется дискретностью материи, второе, противоположное ему, – непрерывностью.

В древнегреческой традиции преобладало представление о непрерывной материи, существование которой лежит в основе всего. Считалось, что она обладает двумя парами взаимно противоположных свойств: тепло – холод и влажность – сухость. Их различные сочетания, по мнению Аристотеля, образуют четыре основных элемента. Огонь представляет собой соединение тёплого и сухого, воздух – тёплого и влажного, вода – холодного и влажного, а земля – холодного и сухого. Из этих первоэлементов строятся все вещества, воспринимаемые человеческими ощущениями.

В то же время в Древней Греции существовали представители другой философской школы, которые назывались атомистами. Основателями этой школы были два философа: Левкипп и его ученик Демокрит (рис. 98).

Демокрит, живший во второй половине V и в первой половине IV в. до н. э., разработал философское учение, в основе которого лежит идея о существовании атомов. По мнению Демокрита, атомы представляют собой мельчайшие неделимые (атом по-гречески означает «неделимый») частицы, составляющие всю материю. Сами атомы никогда не подвергаются никаким изменениям, а все свойства реальной материи объясняются сочетаниями различных атомов.

Рис. 98. Демокрит

Между атомами находится пустота.

«Из ничего не возникает ничего, – говорит Демокрит, – ничто существующее не может быть уничтожено. Всякое изменение есть только соединение или разделение частей».

 Всем атомам свойственно непрерывное движение, даже внутри твёрдых тел они совершают колебания. Друг от друга атомы отличаются формой, размером и «поворотом», т. е. положением в пространстве. Душа по Демокриту тоже состоит из атомов, а их взаимодействие с атомами внешнего мира создаёт ощущения. (Тело, состоящее из «круглых и умеренно больших» атомов, кажется сладким, а из «округлённых, гладких, косых и малых по величине» – горьким и т. д.)

Представления Демокрита не нашли признания среди современников, и атомизм приобрёл известность только на рубеже IV и III вв. до н. э., когда популярный в то время философ Эпикур воспринял идею существования неделимых атомов, разделённых пустотой. По мнению Эпикура, в пустоте непрерывно движутся неделимые атомы, обладающие только формой, величиной и тяжестью. Все остальные свойства материи происходят от движения атомов и от их сочетания.