Физика. 10-й класс. Углублённый уровень
Покупка
ФПУ
Тематика:
Физика. Астрономия
Издательство:
Просвещение
Автор:
Касьянов Валерий Алексеевич
Год издания: 2023
Кол-во страниц: 480
Дополнительно
Вид издания:
Учебник
Уровень образования:
Среднее общее образование
ISBN: 978-5-09-103621-3
Артикул: 815941.01.99
Учебник соответствует Федеральному государственному образовательному стандарту среднего общего образования. Включён в Федеральный перечень учебников в составе завершённой предметной линии. Учебник предназначен учащимся 10 классов, изучающим физику на углублённом уровне. Данный учебник создан с учётом современных научных представлений и включает следующие основные разделы: «Механика», «Молекулярная физика», «Электростатика». Достоинством учебника является тщательно разработанный методический аппарат, включающий вопросы, задачи различной степени сложности, творческие задания, описания лабораторных работ. Книга хорошо иллюстрирована.
К учебнику изданы тетради для контрольных работ, дидактические материалы. Раздел «Лабораторные работы» подготовлен при участии Г. Г. Никифорова. Творческие задания составлены О. А. Крысановой и Н. В. Ромашкиной.
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 К28 ISBN 978-5-09-103621-3 Касьянов, Валерий Алексеевич. Физика : 10-й класс : углублённый уровень : учебник / В. А. Касьянов. — 11-е изд., стер. — Москва : Просвещение, 2023. — 480 с. : ил. ISBN 978-5-09-103621-3. Учебник соответствует Федеральному государственному образовательному стандарту среднего общего образования. Включён в Федеральный перечень учебников в составе завершённой предметной линии. Учебник предназначен учащимся 10 классов, изучающим физику на углублённом уровне. Данный учебник создан с учётом современных научных представлений и включает следующие основные разделы: «Механика», «Молекулярная физика», «Электростатика». Достоинством учебника является тщательно разработанный методический аппарат, включающий вопросы, задачи различной степени сложности, творческие задания, описания лабораторных работ. Книга хорошо иллюстрирована. К учебнику изданы тетради для контрольных работ, дидактические материалы. Раздел «Лабораторные работы» подготовлен при участии Г. Г. Никифорова. Творческие задания составлены О. А. Крысановой и Н. В. Ромашкиной. УДК 373.167.1:53+53(075.3) ББК 22.3я721 К28 © АО «Издательство «Просвещение», 2021 © Художественное оформление. АО «Издательство «Просвещение», 2021 Все права защищены Учебное издание Касьянов Валерий Алексеевич ФИЗИКА. 10 класс. Углублённый уровень Учебник Центр физики и астрономии Ответственный за выпуск Е. А. Гришкина Ответственный редактор А. О. Тупикин Оформление М. В. Мандрыкиной. Художник Л. Я. Александрова Художественный редактор М. В. Мандрыкина. Технический редактор И. В. Грибкова Компьютерная вёрстка С. Л. Мамедовой. Корректор Г. И. Мосякина Подписано к печати 22.11.2021. Формат 70 × 90 /16. Гарнитура «Школьная». Усл. печ. л. 35,1. Тираж экз. Заказ № . Акционерное общество «Издательство «Просвещение». Российская Федерация, 127473, г. Москва, ул. Краснопролетарская, д. 16, стр. 3, этаж 4, помещение I. Адрес электронной почты «Горячей линии» — vopros@prosv.ru. Учебник допущен к использованию при реализации имеющих государственную аккредитацию образовательных программ начального общего, основного общего, среднего общего образования организациями, осуществляющими образовательную деятельность, в соответствии с Приказом Министерства просвещения Российской Федерации № 254 от 20.05.2020 (в редакции приказа № 766 от 23.12.2020). З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ » .
ВВЕДЕНИЕ Физика в познании вещества, поля, пространства и времени § 1. Что изучает физика Возникновение физики. Любое природное явление в окружающем нас мире имеет множество характеристик и признаков. Например, море ассоциируется с водой и пеной, шумом приливов и отливов, водорослями и рыбами. Любознательность, стремление увидеть общее в разрозненных проявлениях и признаках природных явлений, понять причины, порождающие их, а также желание предсказать их возникновение неизменно стимулировали научное познание. Каждому любознательному человеку, несомненно, интересно узнать, чем отличаются различные звуки и что у них общего, что определяет разный цвет тел, что общего между падением тел на Землю и движением звёзд и планет. Физика как экспериментальная наука возникла из астрономии, фиксировавшей повторяемость в движении звёзд и планет. Сама природа принимала участие в астрономических экспериментах, подобно бесконечной рулетке выбрасывая повторяющиеся события. Смена времён года, смена дня и ночи, цикличность перемещения звёзд и планет по небесному куполу, чёткая периодичность солнечных и лунных затмений свидетельствовали об определённых закономерностях природных явлений. Астрономы фиксировали и классифицировали данные своих наблюдений и, что особенно важно, проводили измерения. На результатах этих измерений строились количественные объяснения основных закономерностей движения небесных тел. Количественный подход. Начало физике положил итальянский учёный Галилео Галилей, поставивший первые физические эксперименты и предложивший теоретическое объяснение движения тел. До Галилея изучение движения основывалось на чисто философских выводах и было описательным. З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ » .
Введение Физика — наука о наиболее общих и фундаментальных закономерностях, определяющих структуру и эволюцию материального мира. Физика, как и любая другая естественная наука, основывается на количественных наблюдениях. Изучая падение тел разной массы, Галилей не просто наблюдал за их движением, но и измерял высоту, с которой падают тела, и определял время их падения. В результате измерений Галилеем были получены количественные соотношения между величинами. Базовые физические величины в механике. Среди многочисленных физических величин выделяют основные, или базовые, величины, через которые с помощью определённых количественных соотношений выражаются все остальные. Такими величинами являются длина, время, характеризующие расположение тел в пространстве в определённый момент времени, и масса, определяющая гравитационные и инерционные свойства тел. Кратные и дольные единицы. Определив в Международной системе единиц основные единицы (метр — для длины, секунда — для времени, килограмм — для массы) в зависимости от диапазона измерений, удобно Т а б л и ц а 1 Приставки для образования десятичных кратных и дольных единиц Степень При- ставка Сим- вол Примеры Степень При- ставка Сим- вол Примеры 1018 экса- Э эксаджоуль, ЭДж 10–1 деци- д децибел, дБ 1015 пета- П петаватт, ПВт 10–2 санти- с сантиметр, см 1012 тера- Т терагерц, ТГц 10–3 милли- м миллиметр, мм 109 гига- Г гигавольт, ГВ 10–6 микро- мк микрограмм, мкг 106 мега- М мегаватт, МВт 10–9 нано- н нанометр, нм 103 кило- к килоом, кОм 10–12 пико- п пикофарад, пФ 102 гекто- г гектопаскаль, гПа 10–15 фемто- ф фемтометр, фм 10 декада деканьютон, даН 10–18 атто- а аттокулон, аКл З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ » .
Физика в познании вещества, поля, пространства и времени 5 использовать единицы, бо́́льшие или меньшие по величине. Эти кратные и дольные единицы отличаются от системных по порядку величины и обозначаются с помощью соответствующих десятичных приставок (табл. 1). Например, приставка «кило-» означает введение единицы в тысячу раз (на 3 порядка) большей, чем основная: 1 км = 103 м. В О П Р О С Ы 1. Какова роль астрономии в возникновении физики как экспериментальной науки? 2. Что является предметом изучения физики? 3. Почему именно Галилео Галилея считают первым физиком? 4. Какие физические величины называют базовыми или основными? 5. Приведите примеры кратных и дольных единиц. § 2. Органы чувств как источник информации об окружающем мире Диапазон восприятия органов чувств. Органы чувств человека сформировались в процессе длительной биологической эволюции. Являясь источником информации об окружающем мире, они обеспечивают необходимый уровень адаптации человека к возможным изменениям внешней среды. Вместе с тем органы чувств ограничивают возможности познания человеком природных явлений из-за сравнительно узкого диапазона воспринимаемых ими информационных сигналов. Органы осязания не позволяют отличать друг от друга достаточно мелкие шероховатости и различать слабые раздражители. Диапазон воспринимаемой температуры, а также концентрации вредных жидкостей на коже невелик и обеспечивает лишь режим биологического выживания организма. Рецепторы вкуса чувствительны только к ограниченному набору химических соединений и веществ, потребляемых организмом. Органы обоняния реагируют лишь на некоторые газы, пары́ и их смеси в узком диапазоне концентрации. Достаточно велики пороговые возможности восприятия малой и большой интенсивности звука органами слуха. Однако частотный диапазон сигналов, принимаемых человеческим ухом, ограничен (16 Гц — 20 кГц). Через орган зрения (глаз) человек получает наибольший объём информации по сравнению с другими органами чувств. Однако человеческий глаз не может воспринимать излучение сверхвысокой интенсивности и различать последовательные короткие сигналы (длительностью менее 0,05 с). Видимый свет занимает чрезвычайно узкий (по сравнению со спек- З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ » .
Введение тром возможных излучений) диапазон длин волн: от 0,38 до 0,78 мкм. Крайне невелика и разрешающая способность глаза: минимальный размер объекта, различаемого глазом, оказывается около 50—80 мкм. Узкий диапазон восприятия органов чувств по сравнению с широчайшим многообразием природных информационных сигналов всегда оставался существенным препятствием, тормозящим развитие научных представлений об окружающем мире. Органы чувств и процесс познания. Ограниченный объём информации, получаемый человеком от каждого органа чувств, позволяет уподобить процесс познания окружающего мира ситуации, которая описана в притче о пяти слепых, пытавшихся представить себе, что такое слон. Первый слепой, взобравшийся на спину слона, считал, что это стена. Второй, ощупывающий ногу слона, решил, что это колонна. Третий, взявший в руки хобот, принял его за трубу. Слепой, дотрагивающийся до бивня, думал, что это сабля, а слепой, поглаживающий хвост слона, заподозрил, что это верёвка. Аналогично недостаток чувственных восприятий, казалось бы, неизбежно должен был привести к неоднозначным и противоречивым представлениям о структуре окружающего мира. «Жизненный опыт» оказывается недостаточным при изучении явлений, характеризуемых пространственными размерами и временны́́м интервалом, недоступными для непосредственного наблюдения. В этих условиях дополнительную информацию можно получить лишь с помощью экспериментальных установок, существенно расширяющих диапазон принимаемых информационных сигналов, и нетривиальных физических теорий, адекватно описывающих основные закономерности физических явлений. Несмотря на ограниченный диапазон восприятия органов чувств, человек сумел определить структуру вещества и понять природу многочисленных эффектов вне этого диапазона. Физика и культура. Взаимосвязи физики и культуры многогранны. Художественная литература является источником знаний о единстве мира, путях его познания, о возможных направлениях развития приложений физических явлений (научная фантастика). Физические основы акустики совершенствуют запись и воспроизведение звука, музыкальных произведений, рассматривая музыкальные инструменты как физико- акустические приборы. В то же время компьютерная обработка информации позволяет интенсифицировать изобразительные средства телевидения и кинематографа. Новые строительные материалы, разрабатываемые в научных лабораториях, дают возможность современной архитектуре существенно совершенствовать строительные конструкции и З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ » .
Физика в познании вещества, поля, пространства и времени 7 проектировать их на основе физических законов. Радиоуглеродный метод геохронологии позволяет с большой точностью определить как возраст древнейших памятников культуры (рукописей, картин, скульптур, строений и т. д.), так и время вымирания доисторических животных. В О П Р О С Ы 1. Почему диапазон восприятия органов чувств человека достаточен для адаптации к жизни в земных условиях? 2. Как ограниченность диапазона восприятия органов чувств препятствует формированию научных представлений об окружающем мире? 3. Чем ограничен диапазон восприятия органов осязания, вкуса, обоняния и слуха? 4. Какой диапазон длин волн излучения, называемый световым, воспринимается глазом? 5. Что компенсирует недостаток восприятия органов чувств человека при формировании представлений об окружающем мире? § 3. Эксперимент. Закон. Теория Особенности научного эксперимента. Суть любого научного эксперимента состоит в наблюдении явления и получении данных, его характеризующих. Классификация и анализ экспериментальных данных выявляют характер изменения наблюдаемых величин или их постоянство. Результаты таких исследований формулируются в виде определённых закономерностей. Физический закон — соотношение между физическими величинами, устойчиво проявляющееся при определённых условиях в эксперименте. Особая ценность получаемого из опыта закона состоит в том, что с его помощью часто можно описать не только изучаемое явление, но и ряд других явлений и экспериментов. Сравнительно небольшое число основных, фундаментальных физических законов достаточно для описания многих природных явлений. Объяснить явление помогают интуиция, воображение, догадка. Научная гипотеза является предположением о том, что существует связь между известным и вновь объясняемым явлением. Дав количественное описание падения тел на землю, Галилей не ответил на вопрос, почему они падают. Исаак Ньютон, основоположник фундаментальной физической теории, высказал гипотезу, согласно которой причина падения тел — притяжение их к Земле. Ньютоном была создана классическая теория тяготения. Научная теория содержит постулаты, определения, гипотезы и законы, объясняющие наблюдаемое явление. З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ » .
Введение Любая физическая теория является некоторым приближением к реальности. Результаты теории постоянно проверяются экспериментом, являющимся критерием правильности теории. Даже временное совпадение теории с экспериментом не означает её абсолютной правильности. Расхождение теории с корректно поставленным экспериментом приводит к совершенствованию старой или созданию принципиально новой теории, даю щей новые законы и более глубокое понимание физической реальности. Фундаментальные физические теории. Особенно ценной в физике считается теория, предсказывающая новые экспериментальные эффекты, которые не могут быть объяснены в рамках прежней теории. Примером такой теории является общая теория относительности Альберта Эйнштейна, предсказавшая и количественно описавшая отклонение светового луча в поле тяготения — эффект, который нельзя было объяснить в рамках теории тяготения Ньютона. Особенностью фундаментальных физических теорий является их преемственность. Более общая теория включает частные, уже известные законы и определяет границы применимости предыдущей теории. Так, механика Ньютона в течение двух столетий прекрасно описывала наблюдаемое поведение макроскопических тел. Однако движение тел со скоростью, близкой к скорости света, она объяснить не смогла. Специальная теория относительности Эйнштейна, основанная на постулатах, отличных от ньютоновских, объяснила законы движения тел, движущихся со скоростью, сравнимой со скоростью света. Для небольшой скорости (много меньшей скорости света) результаты теории относительности совпадают с результатами классической механики Ньютона. Это совпадение и определяет одну из границ применимости теории Ньютона. 1) Классическая механика справедлива для описания движения тел, скорость которых много меньше скорости света. Существует и другая граница применимости классической механики. 2) С помощью теории Ньютона нельзя описать процессы в микромире, которые активно используют современная электроника, компьютерная техника, новые технологии. Ни одна физическая теория не может быть признана окончательной и верной навсегда. Всегда существует вероятность, что новые наблюдения потребуют уточнения теории. В этом смысле всё изучается лишь для того, чтобы через некоторое время снова стать непонятным или в лучшем случае потребовать исправления. В О П Р О С Ы 1. В каком случае соотношение между физическими величинами можно назвать физическим законом? З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ » .
Физика в познании вещества, поля, пространства и времени 9 2. В чём ценность фундаментальных законов? 3. Перечислите основные компоненты физической теории. 4. Что означает преемственность фундаментальной физической теории? 5. Почему эксперимент является критерием правильности физической теории? § 4. Физические модели Модельные приближения. Физические законы — лишь некоторые ступени в познании окружающего мира. Изучение сложных природных явлений в полном объёме часто невозможно без введения упрощающих предположений. В таком случае полученные теорией результаты могут служить в качестве приближения при описании реальной картины явления. Подобные приближения часто называют модельными. В повседневном разговоре слово «модель» используется достаточно часто (применительно к небоскрёбу, железной дороге, демонстраторам одежды и т. д.). Модель в физике — упрощённый аналог физической системы (процесса), сохраняющий её (его) главные черты. Например, при полёте теннисного мяча в воздухе следует иметь в виду, что он не идеально сферичен и не идеально твёрд. На его движение оказывают влияние сопротивление воздуха и ветер. При движении мяч может вращаться, а сила тяжести, действующая на мяч, изменяется с высотой. Вообще говоря, следует учитывать и вращение Земли. При учёте всех этих факторов проанализировать движение мяча практически невозможно. Тем не менее, пренебрегая размерами мяча, сопротивлением воздуха, вращением Земли и считая постоянной силу тяжести, можно рассчитать, что мяч движется по параболической траектории. Результаты теоретического расчёта достаточно точно описывают реальную траекторию движения мяча (хотя и несколько отличающуюся от параболической). Это означает, что созданная идеализированная модель содержит наиболее важные черты системы, а мы пренебрегли не самыми существенными её характеристиками. В то же время теория принципиально расходится с экспериментом, если пренебречь силой притяжения мяча к Земле. В этом случае мяч должен двигаться равномерно и прямолинейно, а не по параболе. Отсюда следует, что важнейшим фактором, который следовало учитывать при теоретическом рассмотрении данного движения, является сила тяжести. Границы применимости физической теории. Успех описания явления зависит от того, насколько удачно выбрана физическая модель, насколько она адекватна явлению. Наглядность моделей позволяет лучше представить, например, структуру вещества, а также природу физических процессов и явлений. З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ » .
Введение Для описания сложных физических систем используется целый ряд стандартных физических моделей: материальная точка, абсолютно твёрдое тело, математический маятник, идеальный проводник, изолятор и т. д. Любая теория является описанием некоторой модели физической системы, некоторым приближением к реальности и поэтому в дальнейшем может быть развита и обобщена. В этом смысле одни и те же модели могут использоваться для объяснения различных физических явлений. Эйнштейна восхищало то, что «можно так много сделать, зная так мало». В О П Р О С Ы 1. Чем определяются границы применимости физической теории? 2. Что такое модель в физике? 3. Приведите пример физической модели. 4. Что определяет адекватность модели физическому явлению? 5. В чём заключается взаимосвязь теории и физической модели? § 5. Идея атомизма Гипотеза Демокрита. Первой наиболее перспективной научной гипотезой о строении вещества была идея атомизма. Греческий философ Демокрит в V в. до н. э. предположил, что все вещества состоят из невидимых человеческим глазом малых частиц — атомов (от греч. atomos — неделимый). Атомистическая гипотеза впервые в научном познании предполагала существование объектов, недоступных восприятию органов чувств человека. Эта гениальная идея человеческого разума нашла своё экспериментальное подтверждение лишь через два тысячелетия, в XIX в., в работах английского физика и химика Джона Дальтона. Объясняя химические превращения и реакции, он пришёл к выводу, что каждому химическому элементу соответствует свой тип мельчайших невидимых атомов, а все вещества состоят из химических соединений атомов. Последующая классификация атомов в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева в порядке возрастания массы показала, что всего в настоящее время насчитывается 118 химических элементов. Это означает, что многообразный окружающий мир сконструирован примерно из сотни типовых блоков — атомов. Модели в микромире. Исследования структуры вещества на пространственных масштабах, меньших атомарных, привели к открытию новых простейших кирпичиков мироздания. В 1887 г. английский физик Джозеф Томсон обнаружил ещё одну частицу — электрон. По своим характеристикам электрон не вписывался в Периодическую систему химических элементов Д. И. Менделеева. З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ » .