Физика. 10 класс. Углублённый уровень
Покупка
ФПУ
Тематика:
Физика. Астрономия
Издательство:
Просвещение
Под ред.:
Пинский Аркадий Аронович
Год издания: 2022
Кол-во страниц: 416
Дополнительно
Вид издания:
Учебник
Уровень образования:
Среднее общее образование
ISBN: 978-5-09-101637-6
Артикул: 815939.01.99
В учебнике, начинающем предметную линию учебно-методических комплектов по физике для учащихся 10—11 классов, рассмотрены вопросы классической механики, молекулярной физики, электродинамики. Учебный материал содержит задания, позволяющие обеспечить достижение личностных, метапредметных и предметных результатов образования.
Учебник подготовлен в соответствии с требованиями Федерального государственного образовательного стандарта среднего (полного) общего образования и реализует углублённый уровень образования учащихся 10 класса.
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 22.3я721.6
Ф50
Авторы: О. Ф. Кабардин, В. А. Орлов, Э. Е. Эвенчик,
С. Я. Шамаш, Н. И. Шефер, С. И. Кабардина
В научном редактировании активное участие приняли:
д-р пед. наук, канд. физ.-мат. наук М. Ю. Королев,
д-р пед. наук Е. Б. Петрова
На учебник получены положительные заключения
научной (заключение РАО № 954 от 18.11.2016 г.),
педагогической (заключение РАО № 725 от 21.11.2016 г.)
и общественной (заключение РКС № 440-ОЭ от 19.12.2016 г.) экспертиз.
Издание выходит в pdf-формате.
Физика : 10-й класс : углублённый уровень : учебник : издание
в pdf-формате / О. Ф. Кабардин, В. А. Орлов, Э. Е. Эвенчик
[и др.] ; под ред. А. А. Пинского, О. Ф. Кабардина. — 8-е изд.,
стер. — Москва : Просвещение, 2022. — 416 с. : ил.
ISBN 978-5-09-101637-6 (электр. изд.). — Текст : электронный.
ISBN 978-5-09-088063-3 (печ. изд.).
В учебнике, начинающем предметную линию учебно-методических комплектов
по физике для учащихся 10—11 классов, рассмотрены вопросы классической
механики, молекулярной физики, электродинамики.
Учебный материал содержит задания, позволяющие обеспечить достижение
личностных, метапредметных и предметных результатов образования.
Учебник подготовлен в соответствии с требованиями Федерального государственного
образовательного стандарта среднего (полного) общего образования и
реализует углублённый уровень образования учащихся 10 класса.
УДК 373.167.1:53+53(075.3)
ББК 22.3я721.6
ISBN 978-5-09-101637-6 (электр. изд.) © АО «Издательство «Просвещение», 2014, 2019
ISBN 978-5-09-088063-3 (печ. изд.)
© Художественное оформление.
АО «Издательство «Просвещение», 2014, 2019
Все права защищены
Ф50
З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ »
.
»
Как работать с учебником
Постарайтесь при чтении понять основную суть изложенного материала.
Коечто надо выучить наизусть, например определения физических величин,
законы, основные формулы. Потеря даже одного символа в формуле делает
её бессмысленной.
Мы постарались удобно структурировать учебные материалы, используя
следующие условные обозначения:
— определения и формулировки, которые необходимо запомнить
— фрагменты текста, на которые надо обратить особое
внимание
— дополнительные сведения
* — параграфы или фрагменты текста для дополнительного чтения
— ключевые слова — слова, несущие главную смысловую нагрузку по изложенной
теме, по которым вы можете найти дополнительный материал
в Интернете
— вопросы, на которые нужно ответить, изучив текст параграфа
— примеры решения задач
— задачи для самостоятельного решения
— предложение провести простые опыты, обратить внимание на явления,
наблюдаемые в повседневной жизни
— темы докладов на дополнительных занятиях, которые могут быть проведены
в виде круглых столов, интернетконференций и т. п.
— описание возможной проектной и исследовательской деятельности
— подведение итогов главы по вопросам
—
задания, аналогичные заданиям ЕГЭ, которые помогут вам оценить
качество ваших знаний и умений, а также составить представления об
уровне сложности заданий на ЕГЭ
З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ »
.
« 4 Введение. МЕТОДЫ НАУЧНОГО ПОЗНАНИЯ И ФИЗИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА § 1. ЭКСПЕРИМЕНТ И ТЕОРИЯ В ПРОЦЕССЕ ПОЗНАНИЯ ПРИРОДЫ Зарождение физики. Слово «физика» произошло от греческого слова physis — природа. Первым в Европе физиком считается Ф а л е с (640—550 гг. до н. э.) из греческого города Милета. Фалес изучал явление притяжения магнитом железа, притяжения тел после натирания янтарём, высказал гипотезы о строе- нии вещества и Вселенной. На протяжении около четырёх столетий учёныефилософы Древней Греции, от Фалеса Милетского до Архимеда, достигли замечательных успехов в познании окружающего мира. Из наблюдений самых простых, повседневных явлений Л е в к и п п и Д е м о к р и т (460—370 гг. до н. э.) сумели прийти к правильным выводам об атомном строении вещества, П и ф а г о р (582—500 гг. до н. э.) высказал догадку о шарообразности Земли, а Эр а т о с фе н (276—195 гг. до н. э.) измерил радиус Земли. За 18 столетий до Николая К о п е р - н и к а Аристарх С а м о с с к и й (около 280-х гг. до н. э.) утверждал, что Солнце находится в центре мира, а Земля движется вокруг него. А р х и м е д (287—212 гг. до н. э.) сделал много замечательных изобретений в механике, открыл условия плавания тел и даже изготовил первый планетарий, демонстрирующий движение Луны и планет, явление затмения Солнца. При всём восхищении достижениями древнегреческих учёных необходимо обратить внимание, что значительных успехов они достигли в области математики и астрономии, а в области физики высказали лишь общие смелые гипотезы. Этот факт объясняется существенными различиями роли опыта в развитии математики и физики. Опыт и теория в математике. Математика как наука оперирует такими абстрактными понятиями, как точка, линия, Фалес Милетский Демокрит З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ » .
Введение 5 » плоскость, поверхность, число, множество и многими другими. Эти термины общепонятны, так как сформировались на основе практических действий человека с предметами материального мира. Если абстрактные математические понятия и правила действий с ними определены логически непротиворечиво, то появляется возможность выводить логические следствия о свойствах математических понятий и результатах действий с ними по выбранным правилам. При удачно выбранных определениях математических понятий и правил действий с ними с помощью математики могут быть получены результаты, полезные в человеческой практике. Такие результаты были получены ещё во времена Древнего Вавилона и в эпоху строительства египетских пирамид. Однако результаты, получаемые в математике, необязательно сразу находят практическое применение, а многие её важнейшие аксиомы и выводы, полученные на основании этих результатов, не могут быть ни подтверждены, ни опровергнуты на опыте. Бессмысленным является спор о том, какая геометрия «правильная» — геометрия Евклида, в которой через одну точку вне прямой проходит одна и только одна прямая, не пересекающаяся с первой прямой, или геометрия Лобачевского, в которой таких прямых много, или геометрия Римана, в которой нет ни одной такой прямой. Все три геометрии одинаково «правильные», так как в них нет логических ошибок или противоречий. Можно рассмотреть вопрос о том, какая из этих геометрий пригодна для использования в физике при описании свойств материального мира. Однако, если в изученной части Вселенной оказывается применимой, например, геометрия Евклида, это вовсе не означает «неправильность» других геометрий. Они могут оказаться полезными при расширении наших знаний о мире. Но если даже и не будет найден в природе объект, для описания которого была бы пригодна одна из созданных геометрий, это не сделает такую геометрию «неправильной», она останется одной из мыслимых геометрий. Опыт и теория в физике. В отличие от математики для возникновения физики как самостоятельной науки одних лишь наблюдений за природными явлениями, размышлений над их результатами и логических рассуждений оказалось недостаточно. Пример с построением систем из абстрактных моделей в геометрии показывает, что логически непротиворечивыми могут быть различные взаимоисключающие теории, претендующие на описание одних и тех же фактов. Именно такими были результаты усилий древнегреческих учёных при их попытках объяснить все физические свойства окружающего мира на основе Мир математики — самостоятельный, абстрактный, придуманный мир. Опровергнуть какоелибо математическое утверждение можно лишь внутри этого мира обнаружением логических противоречий в определениях понятий или последовательности логических действий и заключений. Архимед З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ » .
« 6 очень небольшого числа простых опытных фактов. Одни из них считали все тела состоящими из одинаковых неделимых и неразрушимых атомов, отличающихся друг от друга лишь размерами и формой, другие полагали, что видов атомов бесконечно много и свойства их различны, третьи отрицали возможность существования атомов и видели весь мир заполненным единой прама- терией с различной плотностью в разных телах, но без малейших участков пустоты. Даже самые смелые гипотезы современных физиков, от гипотезы Большого взрыва и расширяющейся Вселенной до обсуждения возможности рождения звёзд и галактик в результате столкновения двух сверхэнергичных элементарных частиц, не удивили бы древнего грека А н а к с а г о р а, учителя П е р и к л а. Анаксагор учил, что бесконечно не только разнообразие материальных частиц, но и каждая отдельная частица подобна целому, заключает в себе качества всего существующего и в этом смысле содержит в себе бесконечность. По представлениям Анаксагора, Вселенная непрерывно увеличивается в размерах, неограниченно расширяясь, а каждая отдельная частица допускает возможность беспредельного деления. Таким образом, отправляясь от одной исходной точки, возможные пути познания в форме построения гипотетических физических моделей расходятся в разные, часто противоположные стороны. Но в физике в отличие от математики нельзя признать, что разные теоретические модели строения мира имеют равные права на существование, так как физические модели претендуют на описание действительных свойств реально существующего мира, а мир мы знаем лишь один. Эксперимент как критерий истинности теории. Во времена Демокрита, Сократа, Аристотеля и затем на протяжении ещё двух тысячелетий большинство учёных считали возможным только рассуждениями доказать правоту своих гипотез о строении мира и законах, управляющих миром. Но такое предположение оказалось заблуждением. О необходимости выполнения опытов для установления истины высказывались такие учёные Средневековья, как Роджер Б э к о н (около 1214—1294), Френсис Б э к о н (1566— 1626) в Англии, Николай К у з а н с к и й (1401—1464) в Германии, великий Леонардо да В и н ч и (1452—1519) в Италии. От общих утверждений о необходимости опоры на эксперимент при изучении природы решительные шаги к систематическим экспериментальным исследованиям природы сделал великий итальянский учёный Галилео Г а л и л е й (1564—1642). Он же обогатил физику использованием математики для количественного описания физических явлений. Поэтому Галилея называют основателем новой физики. Роджер Бэкон Леонардо да Винчи Галилео Галилей З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ » .
Введение 7 » Многовековой спор о том, являются ли небесные тела идеальными телами, непохожими на Землю, или они подобны Земле, Галилей разрешил экспериментальным путём, направив изготовленный им телескоп сначала на Луну, а затем и на Солнце. На Луне он обнаружил горы и долины, подобные земным, а на диске Солнца — тёмные пятна. Тем самым стиралась грань между земным и небесным, Земля получала права одной из планет Солнечной системы. На протяжении почти двух тысячелетий в науке господствовало мнение А р и с т о т е л я (384—322 гг. до н. э.) о том, что тяжёлые тела падают на Землю быстрее лёгких. Галилей, бросая шары, имеющие различный вес, с Пизанской башни, наглядными опытами доказал, что все тела независимо от их веса падают на Землю с одинаковым ускорением. Далее Галилей теоретически вывел, что при свободном падении тел пройденные пути должны быть пропорциональны квадрату времени движения. Этот вывод он проверил в специально поставленных опытах и доказал правоту своей теории. Переход от качественного описания наблюдаемых природных явлений в таких терминах, как большой — маленький, горячий — холодный, быстрый — медленный, к количественному описанию физических объектов и процессов потребовал разработки специальных приборов. Галилей обосновал возможность применения маятника для изготовления часов и измерения времени, сделал прибор для измерения температуры, являющийся прообразом современного термометра. Чувственный опыт, считал Галилей, привлекает наше внимание к наблюдаемому явлению, но не открывает законов природы, так как книга природы «...написана на языке математики...». Выдвижение гипотезы является творческим процессом, в котором силой ума создаётся абстрактная упрощённая модель наблюдаемого явления, способная сделать его понятным для нас. Особенностями нового этапа в развитии физики, начиная с работ Галилея, стали поиски количественных закономерностей, связывающих физические величины, и проведение специальных экспериментов для установления предсказанных закономерностей. Начиная с работ Галилея можно выделить следующие этапы в изучении природного явления. На первом этапе изучения природного явления происходит его непосредственное наблюдение. За чувственным опытом (наблюдением) должно следовать выдвижение аксиомы, или, по современной терминологии, гипотезы. За выдвижением гипотезы следует этап её математического развития. Если математическое развитие гипотезы приводит к выводу следствий, до сих пор неизвестных науке, и эти следствия могут быть проверены экспериментально, то такое развитие гипотезы заслуживает названия физической теории. З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ » .
« 8 Галилей обосновал необходимость экспериментальной проверки следствий из теории тем, что «...наши рассуждения должны быть о чувственном мире, а не о бумажном мире». Существенным препятствием для развития науки в древности и в Средние века было противостояние научных и религиозных воззрений на природу и её законы. Поскольку мир уже был объяснён до зарождения физики и астрономии на основе представлений о богах (или Боге), создавших этот мир и управляющих им, попытки объяснить природные явления без привлечения сверхъестественных сил встретили в большинстве случаев резкое противодействие сторонников прежних взглядов. Грека Анаксагора суд приговорил к смерти за то, что «...афиняне признавали солнце богом, [он] учил, что оно — огненный жернов». Заступничество его ученика Перикла спасло Анаксагора от смерти, но не от ссылки и запрещения всех сочинений. И через две тысячи лет после суда над Анаксагором спор о природе небесных светил и месте человека в этом мире не был закончен. В 1600 г. в Италии по приговору суда инквизиции был сожжён Джордано Б р у н о за учение о множественности обитаемых миров, так как судьи считали такую гипотезу «неправильной». Галилео Галилей под страхом сурового наказания судом инквизиции был вынужден публично отречься от своих взглядов на устройство мира и признать заблуждениями свои замечательные астрономические открытия. Наблюдение. Гипотеза. Следствие. Физическая теория. Эксперимент 1. С чего начиналось зарождение физики как науки? 2. Что общего в отношении математики к опыту и в отношении физики к опыту? 3. В чём различие отношения математики к опыту и отношения физики к опыту? 4. Почему Галилео Галилея называют основателем новой физики? 5. Каковы основные этапы научного изучения природного явления? 6. Можно ли только путём логических рассуждений доказать, что Солнце неподвижно, а Земля движется вокруг него? А можно ли доказать обратное? 7. Может ли быть разрешён научный спор приговором суда? Если в экспериментах подтверждаются следствия, предсказанные физической теорией, то и сама теория может считаться подтверждённой экспериментом. З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ » .
Введение 9 » § 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЯВЛЕНИЙ И ОБЪЕКТОВ ПРИРОДЫ Практика и теория. Процесс познания окружающего мира имеет две стороны — практику и теорию. В отличие от практики теория не содержит процесса непосредственного взаимодействия человека с реальным миром. Предметом изучения теории являются абстрактные понятия, сформулированные человеком на основе практики, т. е. взаимодействия человека с реальным миром. Понятия о предметах. Каждый человек уже в детском возрасте на опыте взаимодействия с различными предметами приобретает разные практические знания. Когда родители предупреждают ребёнка об опасности словом «горячо!» при его приближении к различным горячим предметам и он имеет возможность убедиться на собственном опыте, что эти предметы действительно горячие, то у ребёнка постепенно формируется обобщённое понятие о горячем как свойстве, которое может быть присуще любому предмету. Аналогично формируются понятия о том, что означают слова «холодный», «сладкий», «горький», «тяжёлый», «лёгкий» и другие понятия, характеризующие свойства предметов реального мира. Понятия о предметах и явлениях природы существенно отличаются от самих предметов и явлений. Так, Солнце существует объективно и оно одинаково для всех людей, а понятие о том, что такое Солнце, у каждого человека своё особенное, субъективное. Солнце остаётся одним и тем же, смотрит ли на него ребёнок или учёныйастроном, а понятие человека о Солнце развивается, изменяется с приобретением жизненного опыта, научных знаний. Физические модели. Для теоретического обобщения полученных знаний о материальном мире и природных явлениях используется метод моделирования. Для успешного использования модели её свойства должны быть возможно близкими к свойствам изучаемого объекта. Практика предполагает взаимодействие человека с предметами материального мира и является основой формирования элементарных знаний об окружающем мире. Теория — это система обобщённых знаний, которая описывает, объясняет совокупность явлений реального мира и предсказывает какието новые явления или свойства исследуемых объектов. Предметы и явления объективны, одинаковы для всех наблюдателей, а понятия о них у людей различны, индивидуальны, субъективны. Моделирование — это процесс замены одного объекта другим, специально созданным и называемым моделью. З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ » .
« 10 Модели бывают материальные и теоретические. Примером материальной модели может служить манекен, являющийся моделью человека. Он может быть признан хорошей моделью человека, если хорошо воспроизводит форму его тела, однако очевидно, что самый лучший манекен и даже говорящий робот совсем не то же самое, что человек. Любая модель не тождественна объекту, а лишь упрощённо воспроизводит некоторые из его свойств. Например, уменьшенную модель самолёта изготавливают для испытания его в аэродинамической трубе, модели машин — для детских игр. В физике широко используются физические модели, относящиеся к теоретическим моделям. Свойства физической модели или её составных частей задаются создателем модели такими, чтобы она обладала всеми основными известными свойствами реального объекта. Например, идеальный газ, являющийся моделью реального газа, можно представить состоящим из идеально упругих точечных атомов или молекул. Если при анализе свойств физической модели обнаруживаются новые, неизвестные ранее закономерности, то открывается возможность экспериментальной проверки соответствия физической модели реальному объекту. Так, на основе использования модели идеального газа английский физик Джеймс Клерк М а к с в е л л (1831—1879) теоретически вывел закон распределения молекул идеального газа по скоростям. Экспериментальное подтверждение правильности теоретического предсказания Максвелла в опытах немецкого физикаэкспериментатора Отто Ш т е р н а (1888—1969) и других учёных показало, что модель идеального газа вполне пригодна для теоретического исследования свойств газов. Модель идеального газа оказывается неприменимой для описания свойств реальных газов при высоких давлениях и низких температурах, когда становится неоправданным пренебрежение размерами молекул и силами притяжения между ними. Модель электрического взаимодействия электрона и про- Физические модели — модели, в которых сложный природный объект заменяется мысленным, более простым воображаемым объектом, свойства которого близки к свойствам реального объекта. При экспериментальном подтверждении существования свойств и явлений, предсказанных на основе использования физической модели, она признаётся пригодной для дальнейшего развития физической теории. Джеймс Клерк Максвелл Однако любая физическая модель является лишь воображаемым объектом и упрощённо представляет некоторые, но не все свойства реального объекта. З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ » .