Физика. 10-й класс. Базовый и углублённый уровни
Покупка
ФПУ
Тематика:
Физика. Астрономия
Издательство:
Просвещение
Под ред.:
Парфентьева Наталия Андреевна
Год издания: 2023
Кол-во страниц: 432
Дополнительно
Вид издания:
Учебник
Уровень образования:
Среднее общее образование
ISBN: 978-5-09-103619-0
Артикул: 815932.01.99
В учебнике, начинающем предметную линию «Классический курс», рассмотрены преимущественно вопросы классической физики: классической механики, молекулярной физики, электродинамики. Учебный материал содержит информацию, расширяющую кругозор учащихся; темы докладов на семинарах, интернет-конференциях; ключевые слова, несущие главную смысловую нагрузку по изложенной теме; образцы заданий ЕГЭ. Учебник был переработан в соответствии с требованиями Федерального государственного образовательного стандарта среднего (полного) общего образования и реализует базовый и углублённый уровни образования учащихся 10 классов.
Тематика:
ББК:
УДК:
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ » .
УДК 373.167.1:53+53(075.3) ББК 22.3я721 М99 Серия «Классический курс» основана в 2007 году Раздел «Механика» («Кинематика», «Динамика», «Законы сохранения в механике» и «Статика») написан Н. Н. Сотским. Разделы «Молекулярная физика. Тепловые явления» и «Основы электродинамики» написаны Б. Б. Буховцевым и Г. Я. Мякишевым. На учебник получены положительные заключения научной (заключение РАО № 952 от 18.11.2016 г.), педагогической (заключение РАО № 723 от 21.11.2016 г.) и общественной (заключение РКС № 438-ОЭ от 19.12.2016 г.) экспертиз. Мякишев, Геннадий Яковлевич. Физика : 10-й класс : базовый и углублённый уровни : учебник / Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, Н. Н. Сотский; под ред. Н. А. Пар фенть- е вой. — 10-е изд., стер. — Москва : Просвещение, 2023. — 432 с. : ил. — (Классический курс). ISBN 978-5-09-103619-0. В учебнике, начинающем предметную линию «Классический курс», рассмотрены преимущественно вопросы классической физики: классической механики, молекулярной физики, электродинамики. Учебный материал содержит информацию, расширяющую кругозор учащихся; темы докладов на семинарах, интернет-конференциях; ключевые слова, несущие главную смысловую нагрузку по изложенной теме; образцы заданий ЕГЭ. Учебник был переработан в соответствии с требованиями Федерального государственного образовательного стандарта среднего (полного) общего образования и реализует базовый и углублённый уровни образования учащихся 10 классов. М99 © АО «Издательство «Просвещение», 2014, 2019 © Художественное оформление. АО «Издательство «Просвещение», 2014, 2019 Все права защищены УДК 373.167.1:53+53(075.3) ББК 22.3я721 ISBN 978-5-09-103619-0 З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ » .
КАК РАБотАтЬ С уЧЕБНИКоМ Мы, авторы и редакторы, надеемся, что учебник, который вы держите в руках, станет вашим надёжным помощником (справочником, путеводителем, наставником) в изучении одной из самых важных областей научного знания — физики. Мы считаем, что только при активной работе с учебным материалом процесс усвоения новых знаний становится эффективным. Поэтому мы выделили в каждом параграфе важные, с нашей точки зрения, части текста и ввели для них следующие обозначения: — параграфы, обязательные для всех учащихся; — параграфы для тех, кто изучает физику более подробно; ИНтЕРЕСНо — дополнительные сведения; вАжНо — фрагменты текста, на которые надо обратить более пристальное внимание; ЗАПоМНИ — определения и формулировки, которые необходимо запомнить; — обсудить в классе или с товарищем некоторые утверждения, привести собственные примеры или ответить на вопросы; — провести простые опыты, обратить внимание на явления, наблюдаемые в повседневной жизни; — темы докладов на дополнительных занятиях, которые могут быть проведены в виде «круглых столов», интернет-конференций и т. п.; — примерные темы проектной и исследовательской деятельности; — образцы заданий ЕГЭ; — вопросы к параграфу; — ключевые слова для поиска информации по теме параграфа. З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ » .
В конце каждой главы предложен примерный план для составления конспекта изученного материала. Эти конспекты помогут вам подготовиться к экзаменам. При работе с учебником можно использовать электронное приложение, которое размещено в электронном каталоге издательства «Просвещение» на интернет-ресурсе www.prosv.ru. Оно содержит подробные биографии учёных, примеры решения задач, рисунки, фотографии, тесты, анимации, опыты и т. д. Работа с электронным приложением также поможет вам глубже понять изучаемый материал. Искать нужную тему или определение следует по каталогу. В данном учебнике используются следующие обозначения, взятые из него: — биографии учёных; — анимации; — видеофильмы, в которых показаны опыты; — тесты; — периодическая таблица элементов Д. И. Менделеева; — примеры решения задач. Желаем вам испытать радость от познания окружающего мира, понимания основных законов его развития, осознания себя и своего места в нём! З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ » .
ВВЕДЕНИЕ ФИЗИКА И ПОЗНАНИЕ МИРА С самого рождения мы привыкаем к вещам и явлениям, окружающим нас. Так, мы узнаём, что предмет всегда падает вниз, что есть твёрдые предметы, о которые можно удариться, что огонь может обжечь и т. д. Однако как ни важны подобные знания, они ещё не образуют науку. Человек всегда задаёт вопросы: почему что-то происходит? В чём причина наблюдаемого явления? Поиск ответов на эти вопросы и есть предмет научной деятельности. Физика и другие науки. Развитие наук о природе привело к преобразованию окружающего мира и дало в руки человека современную технику. Основную роль сыграла физика — важнейшая наука, изучающая законы природы. А знание законов природы определяет представление об окружающем мире, формирует мышление. Физика составляет фундамент всех направлений техники. Так, открытие транзистора, сделанное в лаборатории физики твёрдого тела, определило современное развитие электроники, радиотехники и вычислительной техники. Изобретение лазера позволило осуществить связь на большие расстояния, получить высококачественные объёмные изображения (голография), предложить один из способов удержания высокотемпературной плазмы, создать уникальные технологии операций на глазах и многое другое. Учёные исследуют Вселенную, создают уникальные материалы, ведут поиск новых источников энергии. ВАЖНО Физика — это наука, занимающаяся изучением основополагающих и наиболее общих свойств окружающего нас материального мира. Поэтому понятия физики и её законы лежат в основе естествознания. Физика очень тесно связана с астрономией, геологией, химией, биологией и другими естественными науками. Например, открытие двойной спирали ДНК, «главной молекулы», было сделано в физической лаборатории. Это открытие определило пути развития молекулярной биологии, призванной ответить на вопрос, что такое жизнь. Квантовая теория позволила химикам объяснить химическое строение вещества, законы распространения звука помогают геологам изучать земные недра. Физика способствовала развитию многих областей математики. Английский физик Дж. М а к с в е л л говорил: «Точные науки стремятся к тому, чтобы свести загадки природы к определению некоторых величин путём операций с числами». Английский учёный И. Н ь ю т о н создал дифференциальное и интегральное исчисления, пытаясь написать уравнения движения тел. Стремление к простоте математического описания позволило австрийскому физику Э. Ш р ё д и н г е р у записать уравнение, которое описывает мир атомов. Физическими методами исследования пользуются учёные практически всех областей науки. З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ » .
ВВЕДЕНИЕ Открывая законы природы, человек научился применять их для своих целей, создавать устройства, без которых немыслима современная комфортная жизнь. вАжНо Физика — составляющая общечеловеческой культуры, заставляющая человека познавать новое и в конечном счёте позволяющая ему ориентироваться в современном мире. Научный метод. Какими же путями добывается научная истина? Несколько сотен лет назад были выработаны основы физического метода исследования: опираясь на опыт, делая предположения о сути того или иного явления, отыскивают сначала качественные, а затем количественные (формулируемые математически) законы природы; открытые законы проверяются практикой. Таким образом, схема научного познания выглядит так: наблюдение — гипотеза — теория — эксперимент. ЗАПоМНИ вАжНо Именно эксперимент является критерием правильности теории. «К физике относится только то, что может быть измерено» — это высказывание принадлежит американскому физику П. Бриджмену (1882— 1961) и точно отражает особенность физики. Главным судьёй, который призван утвердить или отбросить данную теорию, является эксперимент. Физика имеет дело с воспроизводимыми ситуациями. Повторяя эксперимент при различных условиях, мы можем оценить влияние этих условий на данное физическое явление. Модели в физике. Одним из мощных методов исследования в физике является метод моделирования. Моделирование — это процесс замены реального объекта, процесса или явления другим, называемым моделью. Модель — это идеализация реального объекта или явления при сохранении основных свойств, определяющих данный объект или явление. ЗАПоМНИ Подчеркнём, что модель должна сохранять те свойства реального объекта, которые определяют его поведение. Модели бывают теоретическими и лабораторными, в последнее время широко используются компьютерные модели. При создании теоретической модели используются результаты наблюдений и экспериментов. Очевидно, что проблема становится более понятной с помощью конкретных образов, именно поэтому модель чаще всего бывает механической. Например, движение молекул газа наглядно можно представить как движение упругих шариков, строение атома сначала предполагалось аналогичным строению Солнечной системы. Одна из первых моделей, которой мы будем пользоваться, — это материальная точка, т. е. тело, размерами и формой которого можно пренебречь в условиях данной задачи. Последние слова являются ключевыми: именно условия конкретной задачи позволяют применить данную модель. Сначала, когда данных мало, модель, как правило, получается грубой, но по мере накопления экспериментальных фактов она уточняется. Однако для ответов на некоторые вопросы достаточно и примитивной модели. З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ » .
ВВЕДЕНИЕ В лаборатории моделируются, как правило, явления, изучение которых в природных условиях представляет значительные трудности. Например, течение реки, изменение её русла моделируются в гидравлических лотках, испытание моделей самолётов проводится в аэродинамической трубе. При этом должны выполняться разные условия подобия — геометрическое, кинематическое и т. д. Теоретическое решение любой физической задачи сводится к математическому моделированию, т. е. написанию уравнений. Часто эти уравнения получаются достаточно сложными, и их решают с помощью компьютеров. Научные гипотезы. Научная гипотеза — высказанное суждение, недоказанное утверждение, предположение, объясняющие наблюдаемые явления или результаты лабораторных экспериментов. ЗАПоМНИ Научная гипотеза всегда выдвигается для решения конкретной проблемы, чтобы объяснить полученные экспериментальные данные или устранить разногласия между теоретическими и экспериментальными результатами, полученными в ходе проверки ранее выдвинутых гипотез. Например, немецкий физик-теоретик, основоположник квантовой теории М. П л а н к, разрабатывая квантовую гипотезу, опирался как на выводы, полученные в рамках классической теории излучения, так и на отрицательные результаты проверки предыдущих гипотез. Слова русского учёного Д. И. М е н д е л е е в а подтверждают важность научных гипотез в процессе научного познания: «Они (гипотезы. — Авт.) науке и особенно её изучению необходимы. Они дают стройность и простоту, каких без их допущения достичь трудно. Вся история наук это показывает. А потому можно смело сказать: лучше держаться такой гипотезы, которая может оказаться со временем неверною, чем никакой. Гипотезы облегчают и делают правильною научную работу — отыскание истины, как плуг земледельца облегчает выращивание полезных растений». Физические величины и их измерение. Для того чтобы понять и описать эксперименты, учёные вводят целый ряд физических величин, таких как скорость, сила, давление, температура, электрический заряд и многие другие. Каждой величине надо дать точное определение, ввести её наименование в определённой системе единиц, указать, как эту величину можно измерить, как провести необходимый для такого измерения опыт. Чаще всего в определениях физических величин просто уточняют и придают количественную форму тому, что непосредственно воспринимается нашими органами чувств. Так вводят понятия силы, температуры и т. д. Есть, конечно, величины, которые не воспринимаются непосредственно нашими органами чувств (например, электрический заряд). Но они выражаются через другие величины, на которые органы чувств человека реагируют. Так, электрический заряд определяется по силам взаимодействия между заряженными телами. Для измерения физической величины необходим эталон, стандарт, т. е. некоторое средство измерения, позволяющее хранить единицу, передавать и повторять её размер. Эталоны метра, килограмма и многих других величин, хранятся в Международном бюро мер и весов в Севре (Франция). Точные копии эталонов разосланы в разные лаборатории мира. З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ » .
ВВЕДЕНИЕ А существует ли вообще точное значение физической величины? Мы знаем, что любое тело состоит из атомов. При увеличении точности измерения мы приходим к необходимости измерения объектов очень малых размеров, таких как атомы и молекулы. Одним из существенных выводов квантовой механики был вывод о том, что бессмысленно даже ставить вопрос о точном значении физической величины, причём неопределённость лежит в основе самих законов природы, а не в несовершенстве приборов. Теория. Изучая количественные связи между отдельными величинами, можно выявить частные закономерности. На основе таких закономерностей развивают теорию явлений. Теория должна объяснять частные закономерности с общей точки зрения. Теория позволяет не только объяснять уже наблюдавшиеся явления, но и предсказывать новые. Так, например, Д. И. Менделеев на основе открытого им периодического закона предсказал существование нескольких химических элементов, которые в то время не были известны, а английский физик Дж. М а к с в е л л предсказал существование электромагнитных волн. Если между теорией и экспериментом появляется несоответствие, то теорию надо изменить, чтобы можно было объяснить все новые полученные данные, т. е. теорию надо усовершенствовать. Практически всякая известная теория является результатом последовательных уточнений. Физический закон. Чтобы из наблюдений за физическими явлениями сделать общие выводы, найти причины этих явлений, следует установить количественные зависимости между различными физическими величинами. Проводя физический эксперимент, стремятся проследить зависимость данной величины от характера изменения каждого из условий в отдельности, Например, давление газа зависит от его массы, объёма и температуры. Чтобы исследовать эту зависимость, надо сначала изучить, как влияет на давление изменение объёма, когда температура и масса остаются неизменными. Затем нужно проследить, как давление зависит от температуры при постоянном объёме и т. д. Таким образом, в процессе исследований учёные получают научные факты. Научными фактами называют утверждения, которые можно всегда проверить и подтвердить при выполнении заданных условий. ЗАПоМНИ вАжНо Физический закон — основанная на научных фактах устойчивая связь между повторяющимися явлениями, процессами и состояниями тел и других материальных объектов в окружающем мире. Физические законы обычно выражаются в виде короткого словесного утверждения или компактной математической формулы, связывающей между собой определённые физические величины. Английский физик-теоретик П. Д и - р а к сказал: «Физический закон должен обладать математической красотой». Границы применимости физических законов. Теория, проверенная и подтверждённая многочисленными экспериментами, может рассматриваться как физический закон. Однако у каждого закона есть границы применимости. Эти границы прежде всего определяются той теоретической моделью, в рамках которой мы рассматриваем данный закон. Все законы, которым подчиняется реальный газ, выведенные на основе модели идеального газа, справедливы только для тех условий, при которых свойства реального газа приближены к свойствам идеального газа. З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ » .
ВВЕДЕНИЕ Так, мы уже знаем закон Ома: сила тока на участке цепи прямо пропорциональна приложенному к нему напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению этого участка: I U R = . Однако этот закон справедлив не для всех проводников. Например, он неприменим для ионизованного газа. Кроме того, им можно пользоваться только в определённом интервале значений силы тока, в котором можно считать сопротивление постоянным. На самом деле при прохождении тока проводник нагревается, сопротивление проводника увеличивается, и сила тока будет отличаться от расчётной. Открытия в физике. Физика продолжает бурно развиваться. Каждый новый эксперимент позволяет усовершенствовать теорию. Между теорией и экспериментом существует неразрывная связь, непрерывное взаимодействие. Необходимо помнить, что любая физическая теория основывается на определённой модели объектов и явлений. В процессе добывания новых научных фактов любая физическая модель совершенствуется и усложняется. Однако очевидно, что окружающий нас мир гораздо сложнее, многообразней и совершенней любой самой сложной, созданной человеческим умом модели. Поэтому завершённость какой-либо физической теории отнюдь не означает полного познания законов природы. В настоящее время учёные получают в лабораториях новые материалы и исследуют их свойства. Так, в 2010 году была присуждена Нобелевская премия по физике А. Гейму и К. Новосёлову за открытие графена, который обладает сверхпрочными свойствами и наибольшей электропроводностью из существующих материалов. Учёные решают глобальные вопросы: открытие новых элементарных частиц, новых физических законов, новых видов энергии. Разрабатывают теории, подтверждение которых требует создания очень сложных установок, таких как, например, Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе. Длина его основного кольца около 27 км. Создание таких установок требует огромных затрат и сложной подготовки. Однако часто случается так, что теории долго не находят экспериментального подтверждения. Так, например, ещё не обнаружены кварки, хотя считается, что все элементарные частицы состоят из них, и создана стройная теория кварков. Так что сегодня нет никаких оснований считать, что раскрыты почти все законы природы и мы находимся у границ познания. Поле для деятельности будущих учёных практически не имеет границ. Физика. Законы природы. Теория. Эксперимент. Научный факт «Что мы знаем о физике» 1. Известные нам физические величины. 2. Физические явления — примеры и попытки объяснения. 3. Физические модели. Компьютерное моделирование физических явлений. 4. Использование моделей в других науках, например в биологии, химии и географии. 5. Истории открытий некоторых физических законов. З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ » .
МЕХАНИКА Механика — это наука о причинах и общих законах механического движения тел. ЗАПоМНИ Законы механики были сформулированы великим английским учёным И. Н ь ю т о н о м. На могильной плите в Вестминстерском аббатстве в Лондоне высечены знаменательные слова: Здесь покоится Сэр Исаак Ньютон, Который почти божественной силой своего ума Впервые объяснил С помощью своего математического метода Движения и формы планет, Пути комет, приливы и отливы океана. Он первый исследовал разнообразие световых лучей И проистекающие отсюда особенности цветов, Которых до того времени никто даже не подозревал. Прилежный, проницательный и верный истолкователь Природы, древностей и Священного Писания. Он прославил в своём учении всемогущего Творца. Требуемую Евангелием простоту он доказал своей жизнью. Пусть смертные радуются, что в их среде Жило такое украшение человеческого рода. Родился 25 декабря 1642 г. Умер 20 марта 1727 г. На протяжении многих лет учёные были уверены, что единственными основными (фундаментальными) законами природы являются законы механики Ньютона. Однако оказалось, что не все явления можно объяснить на основе механической картины мира, например, у электромагнитных явлений иная физическая природа, и они не подчиняются законам Ньютона. Было выяснено также, что законы Ньютона, как и любые другие законы природы, не являются абсолютно точными. При движениях со скоростями, близкими к скорости света, тела обнаруживают свойства, о существовании которых Ньютон не подозревал. Механика изучает движение тел. В физике пользуются абстрактным понятием « физическое тело» или просто «тело». Под телом мы понимаем любой объект, это может быть бегущая собака, человек, автомобиль, Земля, обращающаяся вокруг Солнца, и т. д. Изучив законы движения физического тела, мы можем ответить на практические вопросы, например, о скорости движения поезда, ракеты, человека и т. д. Движение окружающих нас тел можно объяснить на основе законов Ньютона, область применения которых очень обширна. Механика, основанная на законах Ньютона, называется классической механикой. ЗАПоМНИ И. Ньютон (1642—1727) З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ » .