Фізика і астрономія. Рівень стандарту. 11 клас. Сиротюк

ШАНОВНІ ОДИНАДЦЯТИКЛАСНИЦІ ТА ОДИНАДЦЯТИКЛАСНИКИ!

В 11-му класі ви вивчатимете електродинаміку, коливання і хвилі, квантову фізику та астрономію. Теоретичний матеріал цього підручника допоможе вам зрозуміти й пояснити відповідні процеси, явища, закони та теорії. Звертайте увагу на текст, виділений напівжирним шрифтом і кольором. Це фізичні й астрономічні терміни, означення, важливі правила і закони, які треба пам’ятати і вміти застосовувати.

Підручник містить багато ілюстрацій, у ньому описано досліди, які ви можете виконати самостійно чи з допомогою вчителя або вчительки. Виконавши їх, ви глибше зрозумієте фізичний зміст явищ, що вивчаються. Рубрика «Чи знаєте ви, що...» містить цікаві факти, які доводять, що в природі все відбувається за законами фізики та астрономії.

Наприкінці кожного параграфа є «Запитання до вивченого», щоб перевірити, як ви засвоїли матеріал, а також закріпити свої знання. Також є завдання для роботи в групах, завдання для дослідження та виконання навчальних проектів.

У рубриці «Розв’язуємо разом» наведено алгоритми та зразки розв’язування найважливіших видів фізичних та астрономічних задач. У підручнику є задачі, вправи й запитання різних рівнів складності: А — на закріплення, Б — творчого характеру, а також задачі підвищеного рівня складності, над якими треба поміркувати.

Розв’язування фізичних та астрономічних задач — це одне з важливих умінь, що формується у процесі навчання фізики й астрономії, тому наприкінці підручника подано «Практикум з розв’язування фізичних та астрономічних задач», де наведено загальні алгоритми з розв’язування задач із електродинаміки, коливань і хвиль, квантової фізики та астрономії. Це допоможе вам скласти план розв’язання задачі.

Виконуючи завдання з рубрики «Перевір свою компетентність», ви отримаєте навички, які допоможуть вам у майбутньому розв’язувати реальні проблеми і забезпечити здоровий спосіб життя.

Роботи фізичного практикуму сприятимуть поглибленому розумінню закономірностей фізичних явищ та навчать виконувати досліди й безпечно користуватися вимірювальними приладами.

Якщо виникне потреба дізнатися про якийсь фізичний чи астрономічний термін або правило, скористайтеся предметно-іменним покажчиком.

Намагайтеся бути максимально самостійними в засвоєнні матеріалу.

І налаштуйтеся на те, що вивчення фізики й астрономії — це нелегка праця.

Щасливої вам дороги до знань!

Фізика

Розділ 1. Електродинаміка

Ми живемо у світі, у якому відбуваються різноманітні електромагнітні явища, які є корисними, але іноді й шкідливими для людини. Сьогодні ми не можемо обійтися без побутових електроприладів, електротранспорту тощо. Щоб отримати чисті речовини потрібна електроенергія. Прилади, які використовуються в медицині, дають змогу провести діагностику організму людини. Завдяки роботі генераторів на електростанціях ми маємо освітлення в будівлях, впровадження технологічних процесів у різних сферах виробництва тощо.

§ 1. Електромагнітна взаємодія. Електричне поле. Закон Кулона. Напруженість електричного поля

З курсу фізики 7-9-х класів ви дізналися, що всі тіла, які нас оточують, складаються з атомів, а атоми можуть об’єднуватися в молекули. До складу всіх без винятку атомів (і молекул) входять так звані елементарні частинки — найменші частинки речовини, що мають електричні заряди, — електрони і протони. Електрони мають негативний заряд, а протони — такий самий за значенням, але позитивний.

Електрон (від грец. ηλεκτρον — «янтар», «бурштин») — стабільна елементарна частинка з негативним електричним зарядом е = -1,6021892(46) · 10^-19 Кл і масою m_е = 9,1095 · 10^-31 кг.

Тепер пригадаємо властивості заряджених тіл.

Дослід 1. Зарядимо натиранням об хутро ебонітову паличку і підвісимо її на нитці. Якщо піднести до неї так само заряджену іншу ебонітову паличку (мал. 1.1), то палички відштовхуватимуться одна від одної. Якщо до зарядженої ебонітової палички піднести заряджену тертям об шовк чи сухий папір скляну паличку, то палички притягуватимуться одна до одної (мал. 1.2).

Мал. 1.1

Мал. 1.2

Отже, однойменно заряджені тіла відштовхуються, а різнойменно заряджені тіла — притягуються.

Якщо заряджені тіла відштовхуються або притягуються, то кажуть, що вони взаємодіють між собою. Пригадаємо закон взаємодії, який експериментально відкрив у XVIII ст. французький учений Шарль Кулон (1736-1806).

Сила взаємодії двох заряджених нерухомих тіл, розмірами яких можна знехтувати порівняно з відстанню між ними, прямо пропорційна значенням їхніх зарядів і обернено пропорційна квадрату відстані між ними та напрямлена вздовж лінії, що сполучає ці тіла.

Математично закон Кулона записують так:

де q₁, q₂ — точкові заряди, що взаємодіють; r — відстань між ними; k — коефіцієнт, який залежить від вибору одиниць величин, що входять до закону, k = 9 · 10⁹ Н · м²/Кл².

Розглянемо детальніше саме явище електричної взаємодії.

Дослід 2. Закріпимо металеву кулю на стержні електрометра (мал. 1.3) і зарядимо її від ебонітової палички, потертої об хутро. Стрілка відхиляється від положення рівноваги, це свідчить про те, що куля має електричний заряд. Підвісимо на тонкій нитці легку, виготовлену з фольги гільзу і почнемо підносити її до кулі. На певній відстані помітимо, що гільза притягується до кулі, унаслідок чого нитка відхилиться від вертикального положення.

Мал. 1.3

Ми звикли до того, що дія одного тіла на інше відбувається внаслідок безпосереднього контакту між ними. Так, вагон почне рухатися лише тоді, коли локомотив буде тягти чи штовхати його. М’яч змінить напрямок руху в той момент, коли доторкнеться до ноги футболіста чи стійки (штанги) воріт.

Який механізм взаємодії заряджених тіл? Відповідь на це запитання дав англійський фізик Майкл Фарадей (1791-1867), осмисливши всі відомі на той час знання з електрики і дійшовши висновку про існування електричного поля як виду матерії.

Електричне поле — особлива форма матерії, нерозривно пов’язана з усяким електричним зарядом. Через електричне поле відбуваються всі електричні взаємодії.

Сили, з якими електричне поле діє на заряджені тіла, називають електричними силами.

Дослідження електричного поля можна проводити, поміщаючи в поле невеликі заряджені тіла. Це можуть бути легкі заряджені кульки чи гільзи.

Такі тіла ми далі називатимемо пробними зарядами (уявними зарядами, власне електричне поле яких досить слабке порівняно з досліджуваними). За їхньою допомогою виявляють наявність електричного поля в даній точці простору. Про наявність поля свідчить дія на заряджене тіло певної сили.

Дія електричного поля на заряджені тіла є основною характеристикою електромагнітного поля.

Це означає, що відношення

характеризує електричне поле, адже воно не залежить від значення вміщеного в дану точку поля пробного заряду і має одне й те саме значення для конкретної точки даного поля, але в різних точках поля може мати різні значення.

Фізичну величину, яка визначається відношенням сили, що діє на заряд, уміщений у дану точку поля, до значення цього заряду, називають напруженістю електричного поля. Позначають напруженість літерою Е і визначають за формулою:

Напруженість електричного поля — векторна фізична величина, яка є основною кількісною характеристикою електричного поля. Її називають силовою характеристикою поля.

Одиницею напруженості електричного поля в СІ є 1 вольт на 1 метр (1 В/1 м): 1 Н/1 Кл = 1 В/1 м.

Напрямок вектора напруженості збігається з напрямком сили, з якою поле діє на позитивний пробний заряд, розміщений у даній точці поля.

Якщо поле створено нерухомим точковим зарядом q₀, то на пробний заряд q діятиме сила

Тому значення напруженості електростатичного поля, створеного нерухомим точковим зарядом, визначатиметься так:

де Е — напруженість електричного поля; k = 9 · 10⁹ Н · м²/Кл²; q₀ — точковий заряд; r — відстань між зарядами.

Для того щоб визначити напруженість електричного поля, створеного системою нерухомих точкових заряджених тіл, слід виходити з принципу суперпозиції, згідно з яким:

Електричне поле можна зображати, проводячи вектори напруженості в кожній його точці. Проте таке графічне зображення є незручним, тому що вектори напруженості накладаються один на одного і спостерігається заплутана картина.

Майкл Фарадей запропонував більш наочний метод зображення електричних полів за допомогою силових ліній (ліній напруженості).

Силові лінії точкових зарядів є прямими лініями, що проходять через ці заряди.

Силові лінії електричного поля — це уявні криві, дотичні до яких у кожній точці збігаються з напрямком вектора напруженості.

Вважається, що силові лінії починаються на позитивно заряджених тілах і закінчуються на негативно заряджених (мал. 1.4).

Мал. 1.4

Лінії напруженості не перетинаються, адже в кожній точці поля вектор Е має лише один напрямок. З того, як густо розміщені силові лінії в полі, можна судити про напруженість поля.

Отже, силові лінії дають наочну картину розподілу електричного поля у просторі: щільність силових ліній та їхній напрямок характеризують значення і напрямок вектора напруженості електричного поля в кожній його точці. Силові лінії електричного поля ніде не перетинаються, вони можуть тільки сходитися до заряду або розходитися від нього.

На малюнку 1.4 показано приклади ліній напруженості позитивно та негативно заряджених кульок (мал. 1.4, а, б), двох різнойменно заряджених кульок (мал. 1.4, в), двох однойменно заряджених кульок (мал. 1.4, г), двох пластин, заряди яких однакові за модулем і протилежні за знаком (мал. 1.4, д).

Електричне поле, у якому напрямок і значення напруженості в усіх точках однакові, називають однорідним. В однорідному полі силові лінії паралельні одна одній, мають однаковий напрямок, однакову щільність. Прикладом однорідного поля може слугувати поле між двома паралельними металевими пластинами з однаковими за значенням і протилежними за знаком зарядами (мал. 1.5).

Мал. 1.5

Електричне поле не має меж, воно існує в усіх точках простору. Якщо й кажуть про певну межу, то мають на увазі певну точку поля, у якій прилади вже не можуть виявити це поле.

На основі закону Кулона і принципу суперпозиції полів можна визначити напруженість поля практично будь-якої сукупності заряджених тіл.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

• 1. Як проявляється взаємодія заряджених тіл?
• 2. Сформулюйте закон Кулона.
• 3. Що таке електричне поле?
• 4. Що є основною характеристикою електромагнітного поля?
• 5. Що називають пробним зарядом?
• 6. Що таке напруженість електричного поля? Що вона характеризує?
• 7. Як визначається напруженість електричного поля?
• 8. У чому полягає принцип суперпозиції?
• 9. Які лінії називають силовими?
• 10. Яке електричне поле називають однорідним?

Знайдіть в додаткових джерелах, Інтернеті відомості про вплив електричного поля на живі організми. Створіть мультимедійну презентацію та презентуйте її класу.

ЧИ ЗНАЄТЕ ВИ, ЩО...

Велике значення напруженості поблизу вістря на зарядженому провіднику спричиняє явище, відоме як «електричний вітер».

В атмосферному повітрі завжди є невелика кількість позитивних йонів і вільних електронів, які виникають під впливом космічних променів, випромінювання радіоактивних речовин тощо. У сильному електричному полі біля вістря позитивні йони рухаються і захоплюють за собою молекули повітря, утворюючи «електричний вітер». Якщо біля вістря розмістити полум'я свічки, то воно під дією «вітру» буде відхилятися.