Физика. Молекулярная физика. Термодинамика. 10 класс. Углублённый уровень
Покупка
ФПУ
Тематика:
Физика. Астрономия
Издательство:
Просвещение
Год издания: 2022
Кол-во страниц: 352
Дополнительно
Вид издания:
Учебник
Уровень образования:
Среднее общее образование
ISBN: 978-5-09-101642-0
Артикул: 815944.01.99
В учебнике на современном уровне изложены фундаментальные вопросы школьной программы, представлены основные технические применения законов физики, рассмотрены методы решения задач, разнообразные вопросы и задания, способствующие эффективному усвоению учебного материала. Книга адресована учащимся физико-математических классов и школ, слушателям и преподавателям подготовительных отделений вузов, а также читателям, занимающимся самообразованием и готовящимся к поступлению в вуз. Учебник соответствует Федеральному государственному образовательному стандарту среднего общего образования. Включён в Федеральный перечень учебников в составе завершённой предметной линии.
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 » .
© АО «Издательство «Просвещение», 2021 © Художественное оформление. АО «Издательство «Просвещение», 2021 Все права защищены М99 Мякишев, Геннадий Яковлевич. Физика. Молекулярная физика. Термодинамика : 10-й класс : углублённый уровень : учебник : издание в pdf-формате / Г. Я. Мякишев, А. З. Синяков. — 11-е изд., стер. — Москва : Просвещение, 2022. — 351, [1] с. : ил. ISBN 978-5-09-101642-0 (электр. изд.). — Текст : электронный. ISBN 978-5-09-091915-9 (печ. изд.). В учебнике на современном уровне изложены фундаментальные вопросы школьной программы, представлены основные технические при- менения законов физики, рассмотрены методы решения задач, разнообразные вопросы и задания, способствующие эффективному усвоению учебного материала. Книга адресована учащимся физико-математических классов и школ, слушателям и преподавателям подготовительных отделений вузов, а также читателям, занимающимся самообразованием и готовящимся к поступ- лению в вуз. Учебник соответствует Федеральному государственному образовательному стандарту среднего общего образования. Включён в Федеральный перечень учебников в составе завершённой предметной линии. УДК 373.167.1:53+53(075.3) ББК 22.3я721 ISBN 978-5-09-101642-0 (электр. изд.) ISBN 978-5-09-091915-9 (печ. изд.) УДК 373.167.1:53+53(075.3) ББК 22.3я721 М99 Методический аппарат учебника разработан О. А. Крысановой, Н. В. Ромашкиной 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 » .
Глава 1 РАЗВИТИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О ПРИРОДЕ ТЕПЛОТЫ § 1.1. ФИЗИКА И МЕХАНИКА Механика составляет фундамент всей физики, но, конечно, не исчерпывает её. Теперь мы приступим к изучению других разделов физики. На очереди теплота. Что даёт механика Ньютона? Механика Ньютона, напомним, позволяет определить координаты и скорости тел в любой момент времени по известным значениям этих величин в начальный момент времени. Для решения этой задачи нужно знать силы, действующие между телами, т. е. знать, как зависят силы от расстояний между телами и их скоростей. Таким образом, механика количественно описывает движение: перемещение тел в пространстве с течением времени. Физика во времена Ньютона Во время создания классической механики были известны и изучались другие физические явления: тепловые, оптические, электрические и магнитные. Сам Ньютон много внимания уделял исследованию оптических явлений. Результаты этих исследований были им изложены в трактате «Оптика». Гораздо меньше внимания он уделял тепловым явлениям и, по-видимому, не проявлял заметного интереса к электричеству и магнетизму. Успехи в изучении всех перечисленных выше процессов были несравненно меньшими, чем в изучении механическо- З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ » .
го движения. Но и в самой механике оставался совершенно неясным вопрос о том, почему, вследствие каких физических причин появляются те или иные силы; какова природа сил. Силы необходимо было определять экспериментально. Всё это понимал и сам Ньютон. Ему принадлежат замечательные слова: «Я не знаю, чем я кажусь миру; мне же самому кажется, что я был только мальчиком, играющим на берегу моря и развлекающимся тем, что от времени до времени находил более гладкий камушек или более красивую раковину, чем обыкновенно, в то время как великий океан истины лежал предо мной совершенно неразгаданным». Механическая картина мира Последовавшие за созданием основных принципов механики успехи в изучении Солнечной системы, движения не только твёрдых, но и жидких и газообразных тел настолько захватили воображение учёных, что они стали склоняться к мысли, что механика Ньютона всесильна. Всё богатство, всё качественное многообразие мира — это результат различия в движении частиц, составляющих тела. Механика лежит в основе всех процессов в природе. Объяснить какое-либо явление — это свести его в конечном счёте к действию законов механики Ньютона. Такова сущность механической картины мира, сложившейся к середине XIX в. Считалось, что тепловые явления можно свести к механическому движению частиц — атомов и молекул*, из которых, предположительно, построены все тела Вселенной. Электрические, магнитные и оптические явления — в своей основе это механические явления в гипотетической всепроникающей среде — мировом эфире. Крах механической картины мира Применение законов механики к описанию движения атомов и молекул в телах привело к определённым успехам. Была построена молекулярно-кинетическая теория тепловых явлений или, как говорили в те времена, механическая теория тепла. Однако при построении этой теории выяснилось, что одни только законы механики не в состоянии объяснить своеобра- * От латинского слова moles — «масса», с уменьшительным суффиксом - cula — «наименьшая частица вещества». З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ » .
зие всей совокупности тепловых процессов. Для этого необходимы дополнительные гипотезы. С полной очевидностью ограниченность механической картины мира обнаружилась при развитии теории электромагнитных явлений. Выяснилось, что электромагнитное поле, осуществляющее взаимодействие между электрически заряженными частицами, не подчиняется законам механики Ньютона. Оно описывается своими специфическими законами — уравнениями Максвелла для поля. В XX в. было установлено, что законы механики Ньютона описывают движение атомов и молекул лишь приближённо. Далеко не все тепловые явления можно понять, допуская применимость законов Ньютона для движения микрочастиц. Была построена новая механика движения микрочастиц — квантовая механика. Тепловые и электромагнитные явления После изучения классической механики мы перейдём к знакомству с новыми видами явлений, объяснение которых в рамках одной механики невозможно. Вначале будем рассматривать тепловые явления, а затем электрические и магнитные. 1. Назовите фамилию учёного, исследования которого заложили основу классической механики. 2. В чём заключается сущность механической картины мира? 3. Укажите причины краха механической картины мира. 4. Сформулируйте основную задачу механики. § 1.2. ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ Тепловые явления в окружающем нас мире столь же распространены, как и механические. Это самые значительные, самые заметные после механического движения явления. Они, как правило, связаны с нагреванием или охлаждением тел, с изменением их температуры. Роль тепловых явлений Привычный облик нашей планеты существует и может существовать только в довольно узком интервале температур. Если бы температура превысила 100 С, то на Земле не стало бы рек, морей и океанов, не было бы воды вообще. Вся вода превратилась бы в пар. При понижении температуры на ? З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ » .
несколько десятков градусов моря и океаны превратились бы в громадные ледники*. При смене времён года на средних широтах изменение температуры на 20—30 С меняет весь облик планеты. С наступлением весны начинается пробуждение природы. Леса одеваются листвой, зеленеют луга. Зимой жизнь растений замирает. Толстый слой снега покрывает землю. Ещё более узкие интервалы температур необходимы для поддержания жизни теплокровных животных. Температура животных и человека поддерживается внутренними механизмами терморегуляции на строго определённом уровне. Достаточно температуре повыситься на несколько десятых градуса, как мы уже чувствуем себя нездоровыми. Изменение температуры на несколько градусов ведёт к гибели организмов. Поэтому неудивительно, что тепловые явления привлекали внимание людей с древнейших времён. Умение добывать и поддерживать огонь сделало человека относительно независимым от колебаний температуры окружающей среды. Это было одним из величайших открытий человечества. Роль огня отражена в поэтическом древнегреческом мифе о Прометее. Прометей похитил огонь с Олимпа и передал его людям. За это он был прикован Зевсом к скале и обречён на многолетние мучения. Свойства тел и температура Почти все свойства тел зависят от температуры. Так, при нагревании и охлаждении меняются размеры твёрдых тел и объёмы жидкостей. Значительно меняются при нагревании или охлаждении обычные механические свойства тел, например упругость. Кусок резиновой трубки не пострадает, если при комнатной температуре ударить по нему молотком. Но при сильном охлаждении резина становится хрупкой, как стекло, и от лёгкого удара резиновая трубка разбивается на мелкие кусочки. Лишь после нагревания резина вновь обретает прежние свойства. Кроме механических свойств, при изменении температуры меняются и другие свойства тел: сопротивление электрическому току, магнитные свойства, оптические и пр. Так, если сильно нагреть постоянный магнит, то он перестанет притягивать железные предметы. * Предполагается, что давление воздуха при этом остаётся равным обычному атмосферному. З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ » .
Тепловые процессы и строение вещества Течение тепловых процессов непосредственно связано со строением вещества, его внутренней структурой. Например, тот факт, что нагревание парафина на несколько десятков градусов делает его жидким, а нагревание железного стержня на столько же градусов заметным образом на него не влияет ( он только начинает обжигать пальцы), несомненно, связан с тем, что внутреннее строение парафина и железа различно. Поэтому тепловые явления можно использовать для выяснения структуры вещества. И наоборот, определённые представления о строении вещества способны пролить свет на физическую сущность тепловых явлений, дать им глубокое и наглядное истолкование. Тепловые явления в технике Очень важно, что открытие законов, которым подчиняются тепловые явления, позволяет с максимальной пользой применять эти явления на практике и в технике. Современные тепловые двигатели, холодильные установки, установки для сжижения газов и многие другие устройства конструируют на основе этих законов. 1. Как зависят физические свойства тел от их температуры? 2. Почему протекание тепловых процессов связано со строением вещества и, наоборот, каким образом строение вещества определяет протекание тепловых процессов? 3. Приведите примеры проявления тепловых явлений в быту и технике. § 1.3. КРАТКИЙ ОЧЕРК РАЗВИТИЯ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О ПРИРОДЕ ТЕПЛОВЫХ ЯВЛЕНИЙ Несмотря на видимую простоту и очевидность тепловых явлений, для понимания их сути учёным пришлось напряжённо работать несколько сотен лет. История создания теории тепловых процессов — пример того, каким сложным и подчас противоречивым путём добываются научные истины. Воззрения древних Большинство философов древности были склонны рассматривать огонь и связанную с ним теплоту как одну из стихий, которая наряду с землёй, водой и воздухом образует все ? З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ » .
тела. Одновременно были сделаны попытки связать теплоту с внутренними движениями в телах, так как было замечено, что при соударении тел или трении их друг о друга они нагреваются. Зарождение научной теории тепла Первые успехи на пути построения научной теории тепла относятся к началу XVII в., когда был изобретён термометр и появилась возможность количественного исследования теп ловых процессов. Этот прибор, к которому мы все так привыкли, по словам Р. Майера (одного из первооткрывателей закона сохранения энергии), явился «могущественным инструментом в титанической борьбе между истиной и заблуждением». Но о том, что же именно измеряют термометром, единого мнения не было. Вплоть до второй половины XVIII в. отсутствовало ясное разграничение понятий «температура» и «количество теплоты». Экспериментальные исследования с применением термометра вновь остро поставили вопрос о том, что же такое теплота. Чётко наметились две диаметрально противоположные точки зрения. Согласно так называемой в е щ е с т в е н н о й т е о р и и т е п л а, теплоту связывали с особого рода невесомой жидкостью, способной перетекать от одного тела к другому. Эта жидкость была названа т е п л о р о д о м. Чем больше теплорода в теле, тем выше температура тела. Согласно другой точке зрения, теплота — это вид внутреннего движения частиц, составляющих тела. Чем быстрее движутся частицы, тем выше температура тела. В этой теории тепловые явления связывались с атомистическим учением древних философов о строении вещества. Теория первоначально называлась корпускулярной теорией тепла (от лат. corpusculum — частица). Её придерживались такие выдающиеся учёные, как И. Ньютон, Р. Гук, Р. Бойль, Д. Бернулли и др. Большой вклад в развитие корпускулярной теории был сделан великим русским учёным М. В. Ломоносовым. Ломоносов рассматривал теплоту как вращательное движение частиц вещества. С помощью своей теории он дал правильное, в общих чертах, объяснение явлений плавления, испарения и теплопроводности. Им был сделан вывод о существовании «наибольшей или последней степени холода», когда движение частиц вещества прекращается. Благодаря работам Ломоносова и его авторитету среди русских учёных было мало сторонников вещественной теории тепла. З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ » .
Теория теплорода Несмотря на привлекательность и глубину корпускулярной теории тепла, к середине XVIII в. временную победу одержала теория теплорода. Это произошло после того, как экспериментально было доказано сохранение количества теп лоты при теплообмене. Отсюда был сделан вывод о сохранении ( неуничтожимости) тепловой жидкости — теплорода. На основе вещественной теории теплоты были введены понятия теплоёмкости тел, удельных теплот парообразования и плавления, построена количественная теория теплопроводности. Многими терминами, введёнными в то время, мы пользуемся и сейчас. С помощью корпускулярной теории теплоты не удавалось получить столь важные для физики количественные связи между различными величинами, характеризующими тепловые процессы. В частности, эта теория не смогла объяснить, почему теплота сохраняется при теплообмене. В те времена не была ясна связь между механической характеристикой движения частиц — их кинетической энергией и температурой тела. Понятие энергии вообще ещё не было введено в физику. Поэтому на основе корпускулярной теории в XVIII в. не могли быть достигнуты те немалые успехи в развитии количественной теории тепловых явлений, какие были сделаны с помощью простой теории теплорода. Для своего времени теория теплорода была прогрессивной. Ломоносов Михаил Васильевич (1711— 1765) — великий русский учёный-энциклопедист, поэт и общественный деятель, основатель Московского университета, носящего его имя. А. С. Пушкин назвал М. В. Ломоносова «первым русским университетом». М. В. Ломоносову принадлежат выдающиеся труды по физике, химии, горному делу и металлургии. Он развил молекулярно-кинетическую теорию теплоты, в его работах предвосхищены законы сохранения массы и энергии. М. В. Ломоносов создал фундаментальные труды по истории русского народа, он является основоположником современной русской грамматики. З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ » .
Крах теории теплорода В конце XVIII в. вещественная теория теплоты начала сталкиваться со всё бо́льшими и бо́льшими трудностями и к середине XIX в. потерпела полное и окончательное поражение. Большим числом разнообразных опытов было показано, что сохраняющейся «тепловой жидкости» не существует. Например, при совершении работы силами трения можно получить от двух тел любое количество теплоты; тем большее, чем большее время силы трения совершают работу. В то же время при совершении работы паровой машиной пар охлаждается, и теплота исчезает. Итак, простая идея о сохранении невесомой жидкости — теплорода оказалась ложной. Но нельзя сказать, что учёные с самого начала стали жертвами грубого, непростительного заблуждения. Сходная мысль о сохранении некой «электрической жидкости», высказанная в начале развития теории электричества, оказалась в общих чертах верной. В неё после открытия дискретного строения электричества и двух знаков электрических зарядов были внесены лишь поправки. В середине XIX в. опытным путём была доказана эквивалентность механической работы и количества теплоты, переданной телу. Подобно работе, количество теплоты оказалось мерой изменения энергии. Нагревание или охлаждение тела связано не с увеличением или уменьшением в нём количества особой невесомой жидкости, а с увеличением или уменьшением его энергии. Принцип сохранения теплорода был заменён более общим и глубоким принципом — законом сохранения энергии. § 1.4. ТЕРМОДИНАМИКА И МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ Термодинамика Открытие закона сохранения энергии позволило создать во второй половине XIX в. количественную теорию тепловых процессов — т е р м о д и н а м и к у. Термодинамика возникла при изучении оптимальных условий использования теплоты для совершения работы задолго до того, как молекулярно-кинетическая теория получила всеобщее признание. (Вещество обладает многими З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ » .