Физика. 11-й класс. Базовый и углублённый уровни
Покупка
ФПУ
Тематика:
Физика. Астрономия
Издательство:
Просвещение
Авторы:
Пурышева Наталия Сергеевна, Важеевская Наталья Евгеньевна, Исаев Дмитрий Аркадьевич, Чаругин Виктор Максимович
Год издания: 2022
Кол-во страниц: 334
Дополнительно
Вид издания:
Учебник
Уровень образования:
Среднее общее образование
ISBN: 978-5-09-101636-9
Артикул: 815938.01.99
Учебник соответствует Федеральному государственному образовательному стандарту среднего общего образования. Учебник предназначен для учащихся 11 классов и включает следующие разделы: «Электродинамика», «Элементы квантовой физики», «Астрофизика», лабораторные работы. Методический аппарат учебника составляют вопросы для самопроверки, система заданий, включающих качественные, графические и вычислительные задачи, вопросы для дискуссии, исследовательские задания, темы проектов. В учебнике имеется рубрика «За страницами учебника», в которую помещён дополнительный материал.
Раздел «Лабораторные работы» подготовлен С. В. Степановым.
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 Ф50 Физика : 11-й класс : базовый и углублённый уровни : учебник : издание в pdf-формате / Н. С. Пурышева, Н. Е. Важеевская, Д. А. Исаев, В. М. Чаругин. — 11-е изд., стер. — Москва : Просвещение, 2022. — 332, [4] с. : ил. ISBN 978-5-09-101636-9 (электр. изд.). — Текст : электронный. ISBN 978-5-09-087191-4 (печ. изд.). Учебник соответствует Федеральному государственному образовательному стандарту среднего общего образования. Учебник предназначен для учащихся 11 классов и включает следующие разделы: «Электродинамика», «Элементы квантовой физики», « Астрофизика», лабораторные работы. Методический аппарат учебника составляют вопросы для самопроверки, система заданий, включающих качественные, графические и вычислительные задачи, вопросы для дискуссии, исследовательские задания, темы проектов. В учебнике имеется рубрика «За страницами учебника», в которую помещён дополнительный материал. Раздел «Лабораторные работы» подготовлен С. В. Степановым. УДК 373.167.1:53+53(075.3) ББК 22.3я721 Ф50 ISBN 978-5-09-101636-9 (электр. изд.) ISBN 978-5-09-087191-4 (печ. изд.) © АО «Издательство «Просвещение», 2021 © Художественное оформление. АО «Издательство «Просвещение», 2021 Все права защищены 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). Издание выходит в pdf-формате. З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ » .
ЭЛЕКТРОДИНАМИКА В 10 классе вы начали изучать один из основных разделов курса физики — электродинамику и познакомились с тем, как происходит взаимодействие неподвижных электрических зарядов. Вы рассмотрели такие понятия, как «электрический заряд» и «электростатическое поле»; характеристики электростатического поля, такие как напряжённость, потенциал и разность потенциалов, а также изучили основной закон электростатики — закон Кулона и закон сохранения электрического заряда. В этом году изучение электродинамики будет продолжено, и вы познакомитесь с законами, которым подчиняется взаимодействие движущихся зарядов, с характеристиками поля, созданного движущимися зарядами. Развитие электродинамики имеет большое значение для научно-технического прогресса. Производство электроэнергии, без которой невозможна наша жизнь; современные средства связи; радио, телевидение, сотовая связь — всё это существует благодаря системе научных знаний, которая входит в состав электродинамики — фундаментальной физической теории. З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ » .
Постоянный электрический ток В основной школе вы изучали электрические явления и представляете, какие условия необходимо создать для того, чтобы в цепи существовал электрический ток. Вы имели возможность наблюдать тепловое, химическое, магнитное действия тока. Вам знаком закон Ома для участка цепи, закон Джоуля—Ленца. Однако ваши знания о законах электрического тока не являются полными: записывая их математические выражения, вы не учитывали такой элемент цепи, как источник тока, через который, так же как и через другие элементы цепи, протекает электрический ток. В этой главе будут расширены ваши знания об условиях существования электрического тока и о законах, которым подчиняется прохождение тока по цепи. § 1. Исторические предпосылки учения о постоянном электрическом токе 1. Опыты Луиджи Гальвани. Начало развитию учения об электрическом токе и практическому его использованию положили Гальвани и Вольта. Итальянский физик и физиолог Луиджи Гальвани (1737—1798), препарируя лягушку, обна- З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ » .
ружил в её ткани кратковременные импульсы тока, названные им «животным электричеством». Проделав многочисленные опыты, Гальвани заметил, что если соединить металлическим проводником мышцы лапки и спинной мозг только что препарированной лягушки, то мышцы сразу же сократятся. Этот эффект наблюдался и тогда, когда спинного мозга касался скальпель, если же его касалась костяная ручка ножа, то сокращений не было. Гальвани установил, что сокращение становится более сильным и заметным, если проводник состоит из двух разнородных металлов, например из железа и меди. Он сделал вывод о том, что сокращение мышц лягушки обусловлено возникновением в них электрического тока. Это явление Гальвани объяснял тем, что нервы и мышцы представляют собой своего рода электроды, а проводник служит разрядником. 2. Исследования Алессандро Вольты. В дальнейшем Вольта доказал, что гипотеза о существовании «животного электричества» является ложной и что основную роль в возникновении электрического тока играют про водники: электрические токи возникают вследствие соединения тканей живых организмов металлическим проводником. Проделав серию экспериментов, Вольта обнаружил, что электрический ток появляется только тогда, когда в контакт приведены два проводника из различных металлов. Он ввёл в науку понятие напряжения и сконструировал достаточно чувствительный прибор для его измерения, который пред- Алессандро Вольта (1745—1827) — итальянский физик, химик и физиолог. Известен своими работами в области электричества, химии и физиологии. Построил электрометр, конденсатор, электроскоп и другие электрические приборы; обнаружил и исследовал горючий газ — метан; сконструировал первый источник постоянного тока; открыл взаимную электризацию разнородных металлов при их контакте (контактная разность потенциалов) и расположил металлы в ряд по величине возникающего между ними напряжения; обнаружил электрическую раздражимость органов зрения и вкуса у человека. З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ » .
ставлял собой электрометр с конденсатором. С по мощью этого прибора было обнаружено, что при контакте разных пар проводников напряжение различалось. Вольта поставил перед собой задачу создать устройство, способное служить источником тока. Он изготовил первый источник тока, который состоял из цинковой и медной пластинок, разделённых лоскутком ткани, пропитанной раствором поваренной соли или кислоты. В 1799 г. Вольта сконструировал источник тока «длительного действия» — вольтов столб. Этот источник тока представлял собой цилиндрический столбик, состоявший из 20 пар медных и цинковых пластинок, которые были разделены суконными кружочками, смоченными солёной водой (рис. 1). 3. Опыты Георга Ома. Следующий этап развития учения об электричестве связан с поисками количественных закономерностей, характеризующих протекание тока по цепи. Связь между силой тока, напряжением и сопротивлением проводника была установлена экспериментально немецким физиком Георгом Омом (1787—1854). Используя представления о магнитном действии электрического тока, Ом предположил, что если над проводником подвесить на упругой нити магнитную стрелку, а затем по проводнику пропустить электрический ток, то стрелка повернётся на некоторый угол. Значение угла поворота зависит от параметров электрической цепи. Ом использовал идею Кулона и сконструировал крутильные весы. С их помощью он установил, что при увеличении длины проводника сила, действующая на магнитную стрелку, уменьшается. Он также показал, что при увеличении числа элементов вольтова столба угол закручивания нити увеличивается. Ому сразу не удалось получить точную количественную зависимость между силой тока, напряжением и сопротивлением проводника, однако в его опытах была установлена на качественном уровне верная связь между этими величинами. Более точные эксперименты Ом провёл после того, как были сконструированы усовершенствованные источники тока. Результаты проведённого Омом исследования имели огромное значение для развития учения об электрическом токе, поскольку стали основой для расчёта параметров электрических цепей. Рис. 1 З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ » .
Раньше всех приняли открытие Ома российские физики. Эмилий Христианович Ленц (1804—1865) и Борис Семё- нович Якоби (1801—1874) опирались на него при проведении своих исследований в области электромагнетизма и электротехники. Проверка закона Ома продолжалась в течение почти всего XIX в., его справедливость была доказана не только для металлических, но и для жидких проводников. Дальнейшие исследования электрических явлений были связаны с поиском ответа на вопросы о природе электрической проводимости различных веществ и о взаимосвязи электричества и магнетизма. Вопросы для самопроверки 1. В чём заключались эксперименты Гальвани? Проиллюстрируйте на примере опытов Гальвани процесс познания в физи ке. 2. В чём заключались опыты Вольты? Какое значение имели результаты его экспериментов для развития учения об электрическом токе? 3. Какие исследования проводил Ом? Каковы их результаты? Упражнение 1 1д. Подготовьте сообщение об одном из опытов, описанных в параграфе. 2д. Подготовьте сообщение об исследованиях российских учёных в области электричества, используя интернет-ресурсы и другие источники информации. 3д. Подготовьте краткое сообщение об электротехнических устройствах, разработанных отечественными учёными. Воспользуйтесь для этого интернет-ресурсами и другими источниками информации. § 2. Условия существования электрического тока 1. Электрический ток. Как вы уже знаете, электрическим током называют упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц. Приведённое определение вызывает, по крайней мере, два вопроса. Во-первых, как создать упорядоченное движение заряженных частиц? Вопрос этот связан с тем, что в обычных условиях свободные заряженные частицы в металлических провод- З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ » .
никах, в электролитах, газах совершают хаотическое движение. Соответственно необходимо выяснить, что следует предпринять, чтобы заряженные частицы двигались в одном направлении. Во-вторых, направленное движение каких заряженных частиц представляет собой электрический ток? Этот вопрос возникает в связи с тем, что к заряженным частицам, способным свободно перемещаться, относятся электроны, положительно и отрицательно заряженные ионы. В разных средах ток обусловлен движением разных заряженных частиц. Необходимо также понять, как создать заряженные частицы, способные свободно перемещаться. 2. Как создать электрический ток. Для ответа на первый вопрос обратимся к опыту. Зарядим электрометр, коснувшись его эбонитовой палочкой, потёртой о шерсть. Соединим этот электрометр с другим таким же незаряженным электрометром металлическим стержнем на пластмассовой ручке (рис. 2). Увидим, что заряд первого электрометра уменьшился, а на втором электрометре заряд появился. Поскольку электрометры одинаковые, то первоначальный заряд распределился на них поровну. В опыте наблюдалось кратковременное направленное движение зарядов, т. е. электрический ток. Первый электрометр получил от эбонитовой палочки отрицательный заряд (на нём образовался избыток электронов). При соединении с незаряженным электрометром часть электронов перешла на него по металлическому проводнику. Как только заряды электрометров сравнялись, ток прекратился. Объясним, почему это происходит. После того как первый электрометр получил заряд, вокруг него возникло электрическое поле напряжённостью , E электрометр приобрёл некоторый потенциал 1 ( 1 < 0). Потенциал незаряженного электрометра был равен нулю 2 = 0, между электрометрами сущест вовала разность потенциалов, или напряжение: 1 – 2 = U. При соединении электрометров свободные электроны под действием силы F = –eE со стороны электрического поля переходили с электрометра, имеющего меньший потенциал, на электрометр с большим потенциалом. Это происходило до тех пор, пока потенциалы электрометров не сравнялись и разность по- Рис. 2 З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ » .
тенциалов не стала равной нулю 1 – 2 = 0. Нулю стала равной и напряжённость электрического поля внутри проводника. В описанном опыте мы получили кратковременный электрический ток. Очевидно, для того чтобы ток существовал длительное время, необходимо поддерживать постоянную разность потенциалов. Для этого можно, например, соединить электрометры с устройством, которое обеспечивало бы перемещение заряда со второго электрометра на первый, т. е. в сторону, п ротивоположную направлению действия на отрицательные заряды электрического поля. Значит, для того чтобы в цепи существовал электрический ток, электрическая цепь должна быть, во-первых, замкнутой, а во-вторых, содержать устройство, создающее разность потенциалов. Такое устройство называют источником тока. 3. Сторонние силы. Выясним, что происходит внутри любого источника тока и позволяет поддерживать в цепи электрический ток. Полые металлические шары с отверстиями 1 и 2, насаженные на стержни электрометров, соединим металлическим проводником П, а проводниками П1 и П2 соединим шары с источником тока (рис. 3). Таким образом, получается замкнутая электрическая цепь, состоящая из двух участков: внешнего (шары и проводники) и внутреннего (источник тока). На внешнем и внутреннем (внутри источника) участках цепи на заряды действуют кулоновские силы. Как вам известно, электро статическое поле потенциально, т. е. работа, совершаемая им по перемещению зарядов по любой замкнутой траектории, равна нулю. Следовательно, работа по перемещению заряда на внешнем участке цепи равна по модулю и противоположна по знаку работе кулоновских сил внутри источника. Получается, что и внутри источника, и вне его заряды движутся от шара 1 к шару 2, и если действуют только кулоновские силы, то разности потенциалов не возникает. Очевидно, внутри источника должны действовать силы другой, не электростатической природы, которые за ставляли бы перемещаться отри- Рис. 3 З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ » .
цательные заряды к отрицательному полюсу источника, преодолевая силы кулоновского отталкивания. Такие силы называют сторонними. Сторонними силами называют силы неэлектростатической природы, вызывающие направленное движение электрически заряженных частиц. Сторонними силами, в частности, являются силы электромагнитной природы, возникающие в гальваническом элементе или в аккумуляторе за счёт химической реакции; силы, возникающие в фотоэлементе при облучении его светом; силы магнитной природы, возникающие в генераторе электрического тока за счёт явления электромагнитной индукции. 4. Электродвижущая сила (ЭДС). Из курса физики основной школы вам известно, что существуют разные источники тока. Каждый из них характеризуется определённой работой сторонних сил по перемещению единичного заряда от одного полюса источника к другому. Принято говорить о перемещении единичного положительного заряда от отрицательного полюса источника к положительному. Физической величиной, связанной с работой сторонних сил и характеризующей источник тока, является электродвижущая сила (ЭДС). Электродвижущей силой E называют физическую величину, равную отношению работы сторонних сил Aст по перемещению положительного электрического заряда q внутри источника тока от его отрицательного полюса к положительному к этому заряду. E = A q ст . ЭДС численно равна работе сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда внутри источника тока между его полюсами. Если электрическая цепь замкнута, то можно говорить, что ЭДС численно равна работе сторонних сил по перемещению заряда по всей замкнутой цепи, поскольку суммарная работа кулоновских сил в замкнутой цепи равна нулю. В СИ единицей ЭДС, как и разности потенциалов (напряжения), является вольт (В). 1 В = 1 Дж/Кл. З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ » .