Будова речовини

 

Вступ

Що вивчає фізика

Повітря, вода, земля, люди, рослини, тварини, планети, Сонце, зірки - весь світ, що оточує нас, називається природою. Людина вносить в природу зміни завдяки своєму розуму і праці. В результаті пізнання людиною природи виникли науки.

Вивчаючи зміни, що відбуваються в природі, учені встановили, що усі вони відбуваються закономірно, тобто завжди існує яка-небудь причина явища. Наприклад, причиною падіння на Землю різних предметів являється протягування їх Землею. Зміна дня і ночі пояснюється обертанням Землі навколо своєї осі. Поява на небі веселки пояснюється відхиленням світлових променів дощовими краплями або краплями в хмарах.

Мета наук про природу - відкрити, вивчити її закони і використовувати їх для потреб людей. Науки про природу увесь час розвиваються. Ми все повніше і глибше пізнаємо явища природи і знаходимо їм все більше практичних застосувань.

Фізика - одна з наук про природу. Слово фізика походить від грецького слова фюзис, що означає природа. У фізиці вивчають механічні, теплові, електричні, світлові явища. Усі ці явища називаються фізичні. Танення льоду, кипіння води, падіння каменю, світіння розжареного заліза - це приклади різних фізичних явищ.

Існують і інші науки, які вивчають природу, такі, як хімія, астрономія, географія, ботаніка, зоологія. Усі ці науки застосовують закони фізики. У географії, наприклад, їх застосовують для пояснення клімату, течії річок, утворення вітрів. У зоології з їх допомогою пояснюють, як відбувається рух тварин на землі, риб у воді, як різні тварини видають і сприймають звуки, як влаштовані їх органи зору і багато що інше.

Фізика - одна з самих стародавніх наук. Одними з перших фізиками були античні учені, що жили за декілька сотень років до нашої ери. Вони уперше намагалися пояснити спостережувані явища природи.

Найвидатнішим із стародавніх учених був Аристотель (384-322 рр. до н.е.), який і ввів в науку слово фізика. Його " Фізика" (у 8 книгах) на довгий час визначала загальний фізичний світогляд.

Усе, що відкрито і вивчено у фізиці, є результат наполегливої праці багатьох вчених різних країн і народів.

Фізичні величини. Вимір фізичних величин

Кожен знає, що лід в теплому приміщенні тане, вода на морозі замерзає, магніт притягує залізні предмети і так далі. Звідки з'явилися ці знання? Багато знань здобуто людьми з власних спостережень. Саме завдяки спостереженням накопичилися багато знань про природу.

Учені теж добувають знання із спостережень. Крім того, вони проробляють спеціальні досліди. Наукові досліди завжди ставлять обдумано, з певною метою.

Спостереження і досліди - джерела фізичних знань.

Щоб отримати наукові знання про світ, що оточує нас, потрібно ще обдумати і пояснити результати виконуваних дослідів, знайти причини спостережуваних явищ.

Для виконання дослідів потрібні різні фізичні прилади. Одні прилади призначені для нескладних вимірів. До них відносяться, наприклад, вимірювальна лінійка, вимірювальний циліндр. Є і складніші вимірювальні прилади: амперметр, вольтметр, термометр.

По мірі розвитку фізики і техніки прилади удосконалилися і ускладнювалися.

Щоб отримати точніші знання про фізичні явища, треба під час досліду проводити виміри. Фізичними величинами є: довжина, площа, час, швидкість, маса, температура, сила та ін.

Фізичну величину завжди можна виміряти.

Виміряти фізичну величину - означає порівняти її з однорідною величиною, прийнятою за одиницю цієї величини. Так, наприклад, виміряти довжину столу - означає порівняти її з іншою довжиною прийнятої за одиницю довжини, наприклад метром. В результаті виміру величини набувають її чисельного значення, вираженого в прийнятих одиницях. Для кожної фізичної величини прийняті свої одиниці. Для виміру площі - квадратний метр (1м²), для виміру часу секунда (1с), для виміру сили електричного струму ампер (1 А) і так далі. Для зручності усі країни світу прагнуть користуватися однаковими фізичними величинами.

Будова речовини

У фізиці, окрім звичайних слів, використовують спеціальні слова, або терміни, що означають фізичні поняття. Деякі з таких слів увійшли до нашої розмовної мови, наприклад, такі, як " електрика", " енергія", " космос". А деякі слова з розмовної мови використовуються у фізиці, але вони іноді тут мають інший зміст. Так в буденному житті словом " тіло" називають тіло людини або тварини. У фізиці ж фізичним тілом називають не лише ці тіла, але і автомобіль, піщинку, м'яч, тобто всякий предмет.

Те, з чого складається фізичне тіло, називають речовиною. Залізо, вода, водень - це усе речовини. Вода - речовина, крапля води - фізичне тіло, алюміній - речовина, а алюмінієва ложка - фізичне тіло.

Речовина - це один з видів матерії. А словом " матерія" в науці називають усе, що існує об'єктивно, тобто незалежно від нашої свідомості.

У фізиці не лише спостерігають і описують явища і властивості тіл, але і прагнуть пояснити їх. Наприклад, як пояснити, чому вода, пролита на підлогу, розтікається? Чому газ легко стискувати, а тверде тіло і рідину - дуже важко? Чому нагрітий шматок сталі легше зігнути або розплющити, чим холодний? Відповісти на ці і інші питання можна, але для цього необхідно знати будову речовини.

Вивчивши будову тіл, можна пояснити їх властивості, а також створити нові речовини з новими властивостями. За допомогою науки створені такі речовини, як пластмаси, штучна гума, капрон і так далі.

Дослід показує, що об'єм тіла може збільшуватися або зменшуватися. Чому це відбувається? Це явище можна пояснити, припустивши, що усі тіла складаються з окремих часток, між якими є проміжки.

Про те, що речовини складаються з окремих часток, люди здогадувалися давно. Це стверджував ще близько 2500 років тому грецький учений Демокрит. Але якщо в давнину вчені тільки припускали, що речовини складаються з окремих часток, то на початку 20 століття існування таких часток було доведене наукою.

Частки, з яких складаються речовини, називають молекулами.

Молекула - найдрібніша частка речовини.

Відомо, що шматок цукру можна розтовкти на дуже маленькі крупинки, зерно пшениці можна розмолоти в борошно. Крапля масла, розтікаючись по поверхні води, може утворити плівку в 40000 разів менше людського волосся. Але і в крупинці борошна і товщі масляної плівки міститься не одна, а багато молекул. Значить, розміри молекул цих речовин ще менші, ніж розміри крупинки борошна і товщина плівки.

Можна привести наступне порівняння: молекула в стільки разів менше яблука середнього розміру, в скільки разів яблуко менше земної кулі.

Сучасні прилади - електронні мікроскопи - дозволили побачити і сфотографувати найбільш великі з молекул. Оскільки молекули дуже малі, то в кожному тілі їх міститься велика кількість. У одному см³ повітря міститься приблизно 2, 4 ·10 ²³ молекул.

Численні і складні досліди показали, що молекули однієї і тієї ж речовини однакові. Кожна чиста речовина складається з однакових молекул, властивих тільки йому.

Хоча молекули і дуже маленькі частки речовини, але вони не являються неподільними. Частки, з яких складаються молекули, називають атомами. Наприклад, молекула кисню складається з двох однакових атомів, а молекула води складається з двох атомів водню і одного атома кисню. Атоми теж не є неділимими частками, вони складаються з ще дрібніших часток, які називаються елементарними частинками.

Питання:

1. Яким чином ми отримуємо знання про явища природи?

2. Чим відрізняються спостереження від дослідів?

3. Що означає виміряти фізичну величину? Наведіть приклади фізичних величин.

4. Які вимірювальні прилади ви знаєте? Що у фізиці розуміють під словами " фізичне тіло"?

5. Що називають речовиною? Наведіть приклади фізичних тіл і речовин.

6. Для чого треба знати будову речовини?

7. Які ви знаєте матеріали, створені людиною?

8. Як називаються частки, з яких складаються речовини?

9. Які розміри молекул?

10. Що ви знаєте про склад молекули води?

11. Краплі масла розтікаються по поверхні води, утворюючи плівку. Чому при деякій товщині плівки масло перестає розтікатися?

Розділ 1

МЕХАНІКА

Механічний рух. Простір і час

У світі, що оточує нас, усе знаходиться в безперервному русі. Щоб з’ясувати, рухається тіло або ні, потрібно подивитися чи міняється положення цього тіла відносно інших тіл. Якщо, наприклад, положення автомобіля міняється відносно будинків або дерев, то говорять, що автомобіль рухається відносно інших тіл.

Рух відносно Землі людини, автомобіля, літака, ракети, човна, політ птахів, течія води - усе це приклади механічних рухів. Рух окремої молекули також є механічним рухом.

Механічним рухом тіла називають зміну його положення в просторі відносно інших тіл.

Розділ фізики, який вивчає рух тіл, називають механікою.

Слово " механіка" пішло від грецького слова " механе" - машина.

Механіка, як наука почала формуватися з III ст. до н.е. У той час давньогрецький вчений Архімед (287-212 до н. е.) сформулював правило важеля і закон рівноваги плаваючих тіл. Величезний внесок у розвиток механіки вніс італійський фізик і астроном Г. Галілей (1544-1642). Остаточно закони механіки були сформульовані англійським ученим І. Ньютоном (1643-1727).

Механіка Ньютона називається класичною механікою. Класична механіка вивчає закони руху макроскопічних тіл, швидкості яких набагато менші швидкості світла у вакуумі. Закони руху макроскопічних тіл, швидкості яких близькі до швидкості світла вивчає релятивістська механіка, яка ґрунтується на спеціальній теорії відносності Ейнштейна (1879-1955). Для опису руху мікроскопічних тіл (атомів, молекул, елементарних часток) застосовуються закони квантової механіки.

У цьому розділі навчального посібника будуть розглянуті основні закони класичної механіки.

Всякий рух, а також спокій тіла (як окремий випадок руху) відносні. Відповідаючи на питання, покоїться тіло або рухається і як саме рухається, необхідно вказати, відносно яких тіл розглядається рух цього тіла.

Основним завданням механіки є визначення положення тіла в просторі відносно інших тіл.

Положення тіла або точки можна задати тільки відносно іншого тіла, яке називається тілом відліку.

Тіло відліку можна вибрати абсолютно довільно. Цим тілом може бути будинок, вагон потягу, і взагалі будь-яке тіло. Тілами відліку можуть бути Земля, Сонце, зірки. Нам жителям Землі, зручно визначати положення тіла відносно Землі. Астрономи проводять відлік відносно зірок.

Якщо тіло відліку вибране, то з ним можна зв'язати систему координат. Положення будь-якої точки тіла, що рухається або покоїться, визначають її координатами. Залежно від характеру руху вибирають або одну координатну вісь ОХ (у разі прямолінійного руху), або дві взаємно перпендикулярні координати ОХ, ОУ (у разі руху по площині). І нарешті, щоб задати положення тіла в просторі необхідно провести три координатні осі ОХ, ОУ, OZ.

І так положення точки на лінії, площини і в просторі визначається відповідно однією, двома або трьома координатами х, у, z. Простір, в якому ми живемо, є простором трьох вимірів, або тривимірним простором.

Визначаючи механічний рух, ми використали знайомі з раннього дитинства слова " простір" і " час". Ці два поняття у фізиці грають виключно важливу роль.

Усе, що існує у світі, існує і в просторі. Немає, і не може бути жодного тіла, яке б не займало простору, або існувало б поза простором. Іншими словами простір нерозривно пов'язаний з матерією. Простір нескінченний і безмежний.

Основні властивості простору: об'єктивне існування, нерозривність з матерією, нескінченність, протяжність, тривимірність (усі фізичні об'єкти мають довжину, ширину і висоту).

Тіла рухаються, тобто змінюють своє положення не лише в просторі, але і в часі. У класичній механіці, як і в повсякденному житті, час тече рівномірно. Це проявляється в тому, що одне і те ж фізичне явище в одних і тих же умовах займає однаковий час. Основна одиниця часу у фізиці 1 секунда.

Основні властивості часу: об'єктивне існування, безперервність, рівномірність, одновимірність (час тече тільки вперед - від минулого до майбутнього).

Час вимірюється за допомогою спеціальних приладів - годинників. Існує багато конструкцій годинника. Еталон часу відтворює секунду з точністю до чотирнадцятого знаку. Щоб уявити, що це за точність, скажімо, що похибка, рівна 1 с, накопичиться на цьому пристрої приблизно за 1000 000 років!

При дослідженні механічного руху найважливішим завданням являється з'ясування причин, що викликають рух. Частина механіки, присвячена розв’язанню цієї задачі, носить назву динаміки. Знаючи причини руху, можна передбачити, за яких умов досліджувані тіла знаходитимуться в стані рівноваги. Частина механіки, зайнята вивченням умов рівноваги, називається статикою. Усі закони статики можуть бути отримані із законів динаміки. Оскільки вивчення рівноваги тіл є менш складним, чим вивчення руху, то не дивно, що багато питань статики було вирішено раніше, ніж була розроблена динаміка.

Історично склалася традиція, вивчати рух тіл не розглядаючи причини, що викликають цей рух. Ця формальна частина механіки називається кінематика.

Тема 1

Елементи кінематики

§1. Система відліку. Траєкторія, шлях, переміщення

Кінематикою називають розділ механіки, в якому рух тіл розглядається без з'ясування причин цього руху.

Система координат, пов'язана з тілом відліку, і годинник для відліку часу утворює систему відліку, що дозволяє визначати положення рухомого тіла у будь-який момент часу.

Всяке тіло має певні розміри. Різні частини тіла знаходяться в різних місцях простору. Але в багатьох завданнях механіки немає необхідності вказувати положення окремих частин тіла. Якщо розміри тіла малі в порівнянні з відстанями до інших тіл, то це тіло можна вважати матеріальною точкою.

Тіло, розмірами якого за даних умов можна знехтувати, називається матеріальною точкою.

Слова за даних умов означають, що одне і те ж тіло в одних умовах можна вважати матеріальною точкою, а при інших - не можна.

Наприклад, вивчаючи рух Землі навколо Сонця, Землю можна вважати матеріальною точкою, оскільки відстань між Землею і Сонцем приблизно в 25000 разів більша за радіус Землі. Але тіло спортсмена, що робить сальто в повітрі, не можна замінити матеріальною точкою, тому що в цьому випадку розміри тіла лише у декілька разів менші відстані, яку долає спортсмен.

Якщо усі частини тіла рухаються однаково, то такий рух називається поступальним. Поступально рухаються, наприклад, кабіни в атракціоні " Гігантське колесо", автомобіль на прямолінійній ділянці шляху і так далі.

Переміщаючись протягом часу з однієї точки в іншу, матеріальна точка описує деяку лінію, яку називають траєкторією руху тіла.

Положення матеріальної точки в просторі у будь-який момент часу (закон руху) можна визначати або за допомогою залежності координат від часу:

x=x(t), у=y(t), z=z(t) - координатний спосіб

або за допомогою залежності від часу радіус-вектора), проведеного з початку координат до цієї точки: (рис.1.1).

- векторний спосіб.

S

 

 

Рисунок 1.1.

Оскільки декартові координати точки x, y, і z чисельно збігаються з проекціями вектора на осі координат, то має місце розкладання:

,

де , , – одиничні вектори (орти) вздовж додатних напрямків осей OX, OY, OZ відповідно. Довжина кожного з ортів дорівнює

.

Переміщенням тіла називають направлений відрізок, що сполучає початкове положення тіла з його наступним положенням. Переміщення є векторна величина.

Пройдений шлях S дорівнює довжині траєкторії, пройденої тілом за деякий час t. Шлях - скалярна величина.

Якщо рух тіла розглядати впродовж досить короткого проміжку часу, то вектор переміщення виявиться спрямованим по дотичній до траєкторії в цій точці, а його довжина дорівнюватиме пройденому шляху.

У разі досить малого проміжку часу Δ t пройдений тілом шлях Δ S майже співпадає з модулем вектору переміщення. При русі тіла по криволінійній траєкторії модуль вектору переміщення завжди менший за пройдений шлях (рис.1.2).

Рисунок 1.2.

§2. Швидкість і прискорення руху

Яка б не була траєкторія руху (прямолінійна або криволінійна), якщо за рівні проміжки часу матеріальна точка проходить рівні ділянки шляху, то такий рух називається рівномірним. Якщо шляхи, пройдені за рівні проміжки часу, не однакові, то рух називають нерівномірним.

Для характеристики руху вводиться поняття вектора середньої швидкості руху.

. (1.1)

У механіці швидкість визначають як вектор, що вказує і швидкість, і напрям руху. У зв'язку з цим, поняття швидкості в механіці пов'язане з уявленням про елементарне переміщення, оскільки кінцеве (неелементарне) переміщення при криволінійному русі не дозволяє визначити напрям руху.

У фізиці найбільший інтерес представляє не середня, а миттєва швидкість, яка визначається як межа, до якої прагне середня швидкість за нескінченно малий проміжок часу Δ t:

.

У математиці таку межу називають похідною і позначають:

(1.2)

За одиницю швидкості приймають 1 м/с.

Миттєва швидкість тіла в будь-якій точці криволінійної траєкторії спрямована по дотичній до траєкторії в цій точці. Відмінність між середньою і миттєвою швидкостями показано на рисунку 1.3.

Рисунок 1.3.

Чисельне значення вектора швидкості дорівнює відношенню елемента довжини шляху ds до проміжку часу dt:

(1.3)

Чисельне значення вектора швидкості дорівнює похідній першого порядку від шляху за часом. Якщо відома довжина шляху як функція часу S=f(t), тоді v=f ′ (t).

Коли точка здійснює елементарне переміщення , її координати змінюються на ; ці величини є проекціями елементарного переміщення на осі координат. Проекція швидкості на вісь координат (компонент швидкості) є швидкістю переміщення у напрямі цієї осі. Таким чином:

тоді