Фізика 10 клас

 

ПРОЧИТАТЬ ОБЯЗАТЕЛЬНО И ОЧЕНЬ ВНИМАТЕЛЬНО

Порядок работы:

1. Внимательно читаете теоретическую часть урока, просматриваете видеофрагменты, иллюстрации которые помогут вам лучше понять новую тему.

2. Делаете конспект в рабочую тетрадь в который записываете термины, определения, формулы.

3. Отвечаете на "запитання для уроку" устно. Если они требуют письменного ответа, то даёте его в рабочую тетрадь.

4. После задач вы можете увидеть надпись (Перейдіть за посиланням для перегляду розв’язку задачі), которая даёт возможность просмотреть решение задачи кликнув на ее номер.

5. При выполнении д/з обязательно работаете с учебником, и выполняете в рабочей тетради задачи, фото которых отправляете мне на электронную почту. 

6. После некоторых тем есть тестовые задания которые обязательны к выполнению. Контрольные работы тоже обязательны для выполнения.

7. ПІСЛЯ ТЕСТІВ ТА ЗАВДАНЬ КОНТРОЛЬНИХ ТА САМОСТІЙНИХ РОБІТ ВИ МОЖЕТЕ ПОБАЧИТИ НАПИС "Заполните форму для ответа", ПЕРЕЙШОВШИ ЗА ЯКИМ ВИ МОЖЕТЕ ВПИСАТИ ВАРІАНТИ ВІДПОВІДЕЙ ТА ВІДРАЗУ ПОБАЧИТИ КІЛЬКІСТЬ НАБРАНИХ БАЛІВ. Фото тестов присылать не нужно.

8. ВАЖНО  При выполнении тестов, самостоятельных и контрольных работ в форму заносить только цифру в единицах СИ (если не указано другого), без единиц измерения и с точностью указанной в условии задачи, иначе ответ будет засчитан как не правильный.

9. Семестровое оценивание будет выставлятся на основе выполненных работ указанных выше. 

10. Отсутсвие вышеперечисленного будет караться неаттестацией.

РОЗВ’ЯЗКИ ДОМАШНІХ ЗАДАЧ, ПИСЬМОВИХ РОБІТ НАДСИЛАТИ НА ЕЛЕКТРОННУ СКРИНЬКУ MUHACHOV15081976@GMAIL.COM 

ВАЖНО  При выполнении тестов, самостоятельных и контрольных работ в форму заносить только цифру в единицах СИ (если не указано другого), без единиц измерения и с точностью указанной в условии задачи, иначе ответ будет засчитан как не правильный

Тема Насичена пара. Вологість повітря.   16/03/20

Вологість повітря. На Землі безупинно відбувається кругообіг води. Вона випаровується з поверхні світових океанів, вологих ґрунтів, листків рослин,  легенів і шкіри тварин та людини,  а вітри розносять її по всій планеті. Відомо, що людина на 80-90% складається з води, але не всі знають, що рівень вологості в атмосфері відіграє значну роль в її житті. Відхилення цього параметра від нормальних значень здатне непомітно і поступово знизити імунітет, погіршити стан шкіри, підвищити втомлюваність, особливо негативно це позначається на маленьких дітях.

Джерелом вологи в повітрі є вода, що випаровується з відкритих водних поверхонь, землі і рослин. В атмосфері волога може знаходитися в трьох станах: газоподібному — у вигляді пари, рідкому — у вигляді різної величини крапель і твердому — у вигляді снігу або граду.

Наочний приклад рідкого і твердого стану вологи в атмосфері — хмари, що складаються з дрібних крапельок води, кристаликів льоду або їхньої суміші. Необхідна умова утворення хмар — насичення водяної пари до стану конденсації (перетворення пари у воду) або сублімації (перетворення пари в крижані кристали, минаючи рідку фазу) і зниження температури повітря до критичної. Крім того, у повітрі повинні знаходитися так звані ядра конденсації (або сублімації). Звичайно такими ядрами є кристалики солі, що зриваються вітром із гребенів морських хвиль, або мікроскопічний пил, піднятий з поверхні землі, частки гару над виробничими об'єктами. Оскільки над сучасними містами пилу і гару завжди багато, погода в містах завжди гірша ніж за містом. Особливо це виявляється в приморських містах.

Вологість повітря -  фізична величина, що визначає вміст водяної пари в повітрі,  — є одним з найважливіших параметрів атмосфери, що визначає погоду, а також те, наскільки комфортно почуває себе людина в цей момент часу.

Насичена пара. Пара, що знаходиться в динамічній рівновазі з власною рідиною, є насиченою.

Динамічна рівновага між рідиною і парою виникає тоді, коли кількість молекул, що вилітає з вільної поверхні рідини дорівнює кількості молекул, які повертаються в неї.

Тиск насиченої пари будь-якої хімічної сполуки залежить тільки від температури. Насичена пара має за даної температури найбільшу кількість молекул в одиниці об’єму й чинить найбільший тиск. Густина ненасиченої пари менша за густину насиченої.

Абсолютна вологість повітря. Абсолютна вологість характеризує масу водяної пари, що міститься при даній температурі в 1 м3 повітря:

.

За низьких температур, коли пара далека від насичення, її можна вважати ідеальним газом і застосовувати рівняння Менделєєва - Клапейрона. Абсолютна вологість переважно збільшується із підвищенням температури повітря.

Абсолютна вологість не визначає ступінь вологості повітря.

Абсолютна вологість біля поверхні землі коливається від десятих г/м³ (у приполярних та холодних країнах) до 20 г/м³ і вище (у приекваторіальних зонах).

Відносна вологість повітря. Відносна вологість - це відношення парціального тиску водяної пари p за даної температури до тиску насиченої пари за тієї самої температури pн:

 або .

Відносна вологість з підвищенням температури зменшується; вона менша влітку та більша взимку. У межах України відносна вологість у середньому становить 65-75%.

При 100% відносній вологості в повітрі може відбутися конденсація водяних пар з утворенням туману, випаданням води. Температура, при якій це трапляється, називається точкою роси.

Точкою роси називають температуру, за якої наявна в повітрі водяна пара стає насиченою, що сприяє її конденсації на охолодженій поверхні.

Визначити точку роси можна за допомогою конденсаційного гігрометра - пристрою, що має дзеркальну поверхню. Цю поверхню охолоджують під час випаровування леткої рідини типу ефіру і це зумовлює  конденсацію пари в шарах повітря, що прилягають до дзеркальної поверхні.

За виміряним термометром значенням точки роси знаходять густину пари, що відповідає абсолютній вологості ρ. Густину насиченої пари при температурі досліду ρн  знаходять за психрометричними таблицями.

• Таблиця. Психрометрична таблиця

Знаючи температуру точки роси, за допомогою таблиці “Залежність тиску і густини насиченої водяної пари від температури” можна визначити парціальний тиск водяної пари повітря даної вологості - він дорівнює тиску насиченої пари при цій температурі.

• Таблиця. Залежність тиску і густини насиченої водяної пари від температури

Якщо покази сухого та вологого термометрів однакові, це означає, що різниця між сухим та вологим повітрям відсутня. Якщо вологість менша за 100%, то покази вологого термометра менші за покази сухого, оскільки при випаровуванні води внутрішня енергія, а отже, і температура системи зменшується. Якщо різниця між показами термометрів відсутня, це означає, що випаровування рідини не відбувається, а це можливо за відносної вологості повітря 100%.

---

3. Вчимося розв’язувати задачі.

Задача 48.1.С. (Перейдіть за посиланням для перегляду розв’язку задачі) Сухий і вологий термометри показують температури   та  . Визначте відносну вологість повітря.

Задача 48.3.С. (Перейдіть за посиланням для перегляду розв’язку задачі) Парціальний тиск водяної пари при температурі   дорівнює 1,59 кПа. Визначте відносну вологість повітря. (76,8%)

Задача 48.3.Д. Визначте густину насиченої водяної пари за температури ? Атмосферний тиск дорівнює 100 кПа. (В. 581 г/м3)

---

4. Запитання до уроку.

Запитання 48.1. Під час випаровування й кипіння відбувається їхнє перетворення в пару. Поясніть, у чому відмінність цих процесів.

Запитання 48.2. Якщо у відкритій банці залишити небагато води , то вона вся висохне. Чому цього не відбувається у щільно закритій банці?

Запитання 48.3. Чому за однакової температури волога погода переноситься гірше, ніж суха?

Запитання 48.4. Чому в прогумованому одязі важко переноситься спека?

Запитання 48.5. Чому, якщо подихати собі на руку, виникне відчуття тепла, а якщо подмухати - холоду?

Запитання 48.6. Питома теплота пароутворення ефіру значно менша ха питому теплоту пароутворення води. Чому ж при змочуванні руки ефіром відчувається більш сильне охолодження, ніж при змочуванні водою?

Запитання 48.7. Для зниження високої температури тіло хворого можна обернути розчином оцту. Поясніть, чому це допомагає.

Запитання 48.8. Чому за абсолютною вологістю повітря не можна визначити, сухе це повітря чи вологе?

Запитання 48.9. Коли абсолютна вологість повітря більша: взимку чи влітку? Відповідь обґрунтуйте.

Запитання 48.10. Чому в морозні дні над ополонкою в річці утворюється туман?

Запитання 48.11.  Чому запотівають окуляри, коли людина з морозу входить до приміщення?

Запитання 48.12. Як вологість впливає на самопочуття людини?

---

5. Домашнє завдання.

Підручник: параграфи 47-48.

Задача 48.6.С. Відносна вологість повітря за температури  дорівнює 60 %. Визначте тиск водяної пари в повітрі. (В. 1,4 кПа)

Задача 48.7.Д. Вологий термометр психрометра показує , а сухий - . Знайдіть відносну вологість і тиск водяної пари. (В. 60%; 0,96 кПа)

6. Перевір себе.

6. тест до Теми Насичена пара. Вологість повітря.

6. ВАЖНО  При выполнении тестов, самостоятельных и контрольных работ в форму заносить только цифру в единицах СИ (если не указано другого), без единиц измерения и с точностью указанной в условии задачи, иначе ответ будет засчитан как не правильный
7. 
   
8. Заполните форму для ответа

Тестові завдання

Запитання 1.За стовідсоткової вологості повітря...

                А. … риби можуть дихати на повітрі.

                Б. … неможливе довге дихання ссавців.

                В. … птахи не можуть літати.

                Г. … на рослинах може з’явитися роса.

                Д. … комахи п’ють воду з повітря.

Запитання 2.Парціальний тиск газу - це…

                А. тиск суміші газів.

                Б. тиск газу, що входить до складу суміші, який він створює разом з іншими газами в даному об’ємі.

                В. тиск газу, що входить до складу суміші, який би створював він за відсутності інших газів у даному об’ємі.

                Г. тиск насиченої водяної пари в атмосфері.

Запитання 3.Під час вимірювання відносної вологості повітря обидва термометри психрометра, вологий і сухий, показують однакову температуру. Це означає, що…

А. повітря дуже сухе, відносна вологість дорівнює 0%.

Б. відносна вологість повітря дорівнює 50%.

В. відносна вологість повітря дорівнює 100%.

Г. температура повітря становить 0 ∘С.

Запитання 4.

Запитання 5.

Запитання 6. За якої вологості повітря людина легше переносить високу температуру повітря і чому?

А. за низької вологості, тому що при цьому більш інтенсивно відбувається випаровування рідини з поверхні тіла людини

Б. за низької вологості, тому що при цьому менш інтенсивно відбувається випаровування рідини з поверхні тіла людини

В. за високої вологості, тому що при цьому більш інтенсивно відбувається випаровування рідини з поверхні тіла людини

Г. за високої вологості, тому що при цьому менш інтенсивно відбувається випаровування рідини з поверхні тіла людини

6. 
   

2. Вчимося розв’язувати задачі.

Таблиця. Тиск насиченої водяної пари та його густина при різних температурах

 Задача 69.1.С.  (Перейдіть за посиланням для перегляду розв’язку задачі) У повітрі об’ємом 6 м3 міститься 51,3 г водяної пари за температури  . Визначте абсолютну й відносну вологість повітря.

Задача 69.2.Д. (Перейдіть за посиланням для перегляду розв’язку задачі)  Чому дорівнює точка роси повітря, відносна вологість якого за температури   становить 28%?

 Задача 69.3.Д.  (Перейдіть за посиланням для перегляду розв’язку задачі) Відносна вологість повітря в закритому балоні дорівнювала 60 % за температури 30 ∘C. Визначте відносну вологість повітря в балоні після охолодження повітря до 11 ∘C.

3. Запитання до уроку.

Запитання 49.1. За якої умови відносна вологість повітря може зменшуватися, незважаючи на збільшення абсолютної вологості?

Запитання 49.2. Чому вода в чайнику перестає кипіти, якщо вимкнути конфорку?

Запитання 49.3. Чи кипітиме вода у склянці, яку розташовано в каструлі з окропом? Чи кипітиме спирт?

Запитання 49.4. Від чого залежить температура кипіння води?

Запитання 49.5. Яким співвідношенням пов’язані тиск насиченої пари за температури кипіння рідини та тиск над поверхнею води? (1:1)

Запитання 49.6. Чи можна “змусити” кипіти воду за кімнатної температури, не підігріваючи її? Відповідь обґрунтуйте.

Запитання 49.7. Поясніть, чому в сучасних скороварках підтримується високий тиск - до 2 атм.

Запитання 49.8. Після того як у каструлю з водою, практично доведеною до кипіння, всипали жменю солі, спостерігається бурхливе закипання води, тобто по всьому об’єму води утворюється велика кількість повітряних бульбашок. Поясніть явище, що спостерігається.

Запитання 49.9. Як за зовнішнім виглядом відрізнити в бані трубу з холодною проточною водою від труби з гарячою водою?

Запитання 49.10. Чим пояснюється поява взимку паморозі на шибках? З якого боку вона з’являється?

Запитання 49.11. Взимку в кімнаті, де достатньо тепло й волого, при відкриванні кватирки утворюються клуби туману, які в кімнаті опускаються, а на вулиці піднімаються. Поясніть явище, що спостерігається.

Запитання 49.12. Як пояснити утворення хмарного сліду за реактивним літаком, що летить на великій висоті?

---

4. Домашнє завдання.

Підручник: повторити параграфи 47-48.

Задача 49.8.С. Температура повітря  , а його точка роси -  . Яка абсолютна й відносна вологість цього повітря? (В. 9,4 г/м3; 54,34%)

Задача 49.9.Д. Визначте масу (у грамах) водяної пари в повітрі кімнати, якщо відносна вологість повітря становить 60 %. Густина насиченої пари дорівнює 20 г/м3, об'єм кімнати − 50 м3. (В. 600 г)

    Тема Поверхневий натяг рідин. Капілярні явища.  18/03/2020

Всі ви, напевне, милувалися маленькими краплями роси, які на листках рослин набувають форми майже правильних кульок. Це явище спостерігав ще Галілео Галілей, якого дуже дивувало, чому великі краплі води не розпливаються по всьому листку капусти, а набувають форми маленьких кульок. Таку ж форму мають краплі води на парафіні чи жирній поверхні, пролита на стіл ртуть тощо. Якщо ці краплі стикаються, вони зливаються в одну краплю, форма якої також наближається до кулястої.

а) б) 

Мал. а) Краплини роси на траві; б) краплі ртуті на дерев’яній поверхні.

Ці явища здаються дуже дивними. Адже ми звикли, що рідина набуває форми посудини, в якій вона знаходиться, і власної форми не має. Виявляється, що так буває не завжди.

Галілей спостерігав, як змащена жиром голка може плавати на воді, як легкі комахи-водомірки швидко ковзають по поверхні води, ніби ковзанярі по льоду. Ці спостереження начебто суперечать існуванню архімедової сили. Але якщо голка прорве поверхню рідини, вона тоне, як і має бути під час дії архімедової сили. Це означає, що властивості поверхні рідини відрізняються від властивостей решти рідини. Як пояснити ці явища?

а)   б)  в) 

Мал. а) Голка на воді; б) прогинання поверхні води під скрепкою; в) водомірка на поверхні води.

• Демонстрація. Голка на воді (посудина з водою, голка).
• Відео. Голка на воді

Поверхневий натяг. Кожна молекула, розміщена всередині об’єму рідини, рівномірно оточена сусідніми молекулами і взаємодіє з ними, а рівнодійна цих сил дорівнює нулю.  Досліди та розрахунки показали, що молекулярні сили діють помітно лише між частинками, що перебувають на відстані, яка не перевищує см, в усіх напрямках однаково.

В поверхневому шарі внаслідок неоднорідності оточення на молекулу діє сила, не скомпенсована силами з боку інших молекул рідини. Внаслідок цього рідина в поверхневому шарі перебуває в розтягнутому напруженому стані. Густина рідини в цьому шарі менша, ніж усередині. Молекули поверхневого шару перебувають на більших відстанях одна від одної, ніж молекули всередині рідини, тому їх потенціальна енергія взаємодії більша, ніж в інших молекул. Вони намагаються перейти в таке положення, в якому їх потенціальна енергія стала б найменшою. Зменшення потенціальної енергії поверхневого шару рідини відбувається за рахунок зменшення площі поверхні. Наприклад, якщо з допомогою трубки надувати мильну бульбашку, а потім припинити надування, то під дією сил поверхневого натягу бульбашка буде зменшуватись у розмірах, виштовхуючи повітря назовні. Інший приклад. На мильну плівку в дротяному кільці покладемо петлю з тонкої шовкової нитки і проколемо плівку в петлі. Мильна плівка рівномірно розтягне петлю, утворивши кільце.

   

У невагомості рідини приймають форму кулі, оскільки з математики відомо, що сфера має найменшу площу поверхні з-поміж інших фігур однакового об’єму. У космічному кораблі, кулястої форми набувають не тільки окремі краплі, а й великі об'єми рідини.

Різницю між потенціальними енергіями молекул усередині рідини та молекул у її поверхневому шарі називають поверхневою енергією (позначають Wр).

Поверхневий натяг — фізичне явище, суть якого в прагненні рідини скоротити площу своєї поверхні при незмінному об'ємі.

• Демонстрація. Поверхневий натяг рідини (посудина з мильним розчином, рамка)

Кількісною характеристикою поверхневого натягу рідини є коефіцієнт поверхневого натягу (позначають - (сигма)). За величиною коефіцієнт поверхневого натягу рідини дорівнює поверхневій енергії, що припадає на одиницю площі: . У СІ коефіцієнт поверхневого натягу вимірюється в Дж/м2 = Н/м.

Поверхневий натяг залежить від роду рідини, наявності в ній домішок. Існують речовини, наприклад, мило і пральні порошки, які можуть у кілька разів зменшувати поверхневий натяг води. Цю властивість використовують для прання білизни. Такі речовини, як бензин, спирт, за природою мають малий поверхневий натяг, і тому їх застосовують під час хімічного очищення одягу. А от цукор, сіль, навпаки збільшують коефіцієнт поверхневого натягу. Це пояснюється тим, що їх молекули взаємодіють з молекулами рідини сильніше, ніж молекули рідини між собою. Наприклад, якщо посолити мильний розчин, то у поверхневий шар рідини виштовхується молекула мила сильніше, ніж у прісній воді. У миловареній техніці мило «висолюється» цим способом з розчину.

Поверхневий натяг зменшується зі зростанням температури.

Силу, яка діє уздовж поверхні рідини і спрямована в бік її скорочення, називають силою поверхневого натягу. 

Силу поверхневого натягу можна визначити  за допомогою динамометра з рамкою.

     

Мал. Динамометр з рамкою для визначення сили поверхневого натягу.

• Демонстрація. Визначення коефіцієнту поверхневого натягу води (динамометр для вимірювання поверхневого натягу рідини, вода, штатив з двома муфтами)
• Відео. Визначення коефіцієнту поверхневого натягу води (Час показу 1:28 хв.)

Знаючи силу поверхневого натягу рідини розрахуємо її коефіцієнт поверхневого натягу. При збільшенні площі рамки сили натягу виконують роботу . Врахувавши, що плівка має дві поверхні визначимо коефіцієнт поверхневого натягу рідини: .

Якщо рідина знаходиться в посудині: , де - довжина лінії, що обмежує поверхню рідини.

 

• Демонстрація. Поверхневий натяг рідини (банка з водою, монети)
• Відео. Поверхневий натяг води

Визначити коефіцієнт поверхневого натягу можна й іншим способом. Піпеткою накрапати  капель рідини, зважити їх (знайти ). При відриванні краплі рідини від піпетки долається сила поверхневого натягу, що діє по колу навколо шийки краплі, радіус якої можна вважати приблизно рівним внутрішньому радіусу піпетки.

 

Cила поверхневого натягу рівна вазі краплі . Звідки: .

Взаємодія молекул рідин на межі з твердими тілами. Взаємодію молекул рідин на межі з твердими тілами також не можна нехтувати.

Якщо сили притягання між молекулами рідини й твердого тіла переважають сили взаємодії між самими молекулами рідини, кажуть, що рідина змочує тверде тіло.

Якщо сили притягання між молекулами рідини переважають сили взаємодії між молекулами рідини й молекулами твердого тіла, кажуть, що рідина не змочує тверде тіло.

Змочування чи незмочування рідинами поверхні твердих тіл на межі їх дотику зумовлено їхньою міжмолекулярною взаємодією. З’ясувати чи змочує рідина тверде тіло, можна за формою краплі на його поверхні: якщо рідина розтікається по ній, то вона змочує поверхню твердого тіла, якщо збирається в кульку - не змочує поверхню.

а) б)

Мал. а) Рідина змочує поверхню; б) рідина не змочує поверхню.

Змочування і незмочування – поняття відносні: рідина, що змочує одну тверду поверхню, не змочує іншу. Наприклад, вода змочує скло, але не змочує парафін; ртуть не змочує скло, але змочує чисті поверхні металів.

Властивість рідин змочувати чи не змочувати поверхні твердих тіл виявляється у викривленні їхньої вільної поверхні на межі з посудиною. При змочуванні крайовий кут  , при незмочуванні   . Якщо при змочуванні  , то змочування називають повним.

а)  б)

Мал. а) Рідина змочує поверхню посудини; б) рідина не змочує поверхню посудини.

• Демонстрація. Змочування та незмочування рідинами твердих поверхонь.

Для того, щоб захистити металеві вироби від хімічної корозії, їх покривають мастилом, яке викликає незмочування рідиною поверхні металу.

Капілярні явища. Першовідкривачем капілярних явищ вважається Леонардо да Вінчі. Однак перші спостереження капілярних явищ на трубках і скляних пластинках були пророблені Френсисом Хоксбі в 1709 році.

Внаслідок взаємодії молекул рідини і твердого тіла відбувається викривлення вільної поверхні рідини. Взаємодія ж між молекулами самої рідини намагається її вирівняти, оскільки сили поверхневого натягу прагнуть зробити поверхню найменшою. 

Капіляри - вузькі циліндричні трубки з діаметром близько міліметра й менше.

а)  б) в)

 Мал. а) Підняття рідини по капілярах; б) рідина, що змочує поверхню, ніби піднімається по її краях, утворюючи увігнутий меніск, незмочуюча рідина має опуклий меніск; в) капілярні явища між скляними пластинками.

Викривлену вільну поверхню в капілярах  називають – меніском.

В рідині виникає додатковий тиск, так званий лапласівський тиск, який спрямований на вирівнювання вільної поверхні: для увігнутого меніска - з рідини назовні, для опуклого - усередину, у рідину:

,

де - радіус сферичної поверхні, що утворює меніск; - радіус поверхні, що обмежує рідину.

   

        У капілярах, лапласівський тиск спричиняє підняття в них рівня рідини, або його зниження. Це явище називають капілярним.

Висоту стовпа рідини, що піднімається по капіляру при повному змоченні або опускається при повному незмоченні, можна обчислити за формулою  .

У положенні рівноваги модулі сили поверхневого натягу та сили тяжіння рівні:      . Якщо змочування неповне, то  .

Капілярні явища в природі і техніці. Капілярні явища мають велике значення в природі і техніці. Завдяки капілярним явищам відбувається проникнення вологи з ґрунту в стебла і листя рослин. Стовбури дерев, гілки рослин пронизані великою кількістю капілярних трубочок, по яких поживні речовини піднімаються до самих верхніх листочків. Коренева система рослин, в свою чергу, закінчується найтоншими капілярами.

Саме в капілярах відбуваються основні процеси, пов'язані з диханням і живленням організмів. У тілі дорослої людини приблизно  капілярів, загальна довжина яких сягає 60 - 80 тис. км.  В тонких капілярах рідина піднімається досить високо.

а)   б) в) 

Мал. а-б) Проникнення вологи з ґрунту в кореневу систему та стебла рослин;

в) мережа кровоносних капілярів альвеол легені.

У будівництві враховують можливість підняття вологи по капілярних порах будівельних матеріалів. Для захисту фундаменту і стін від дії ґрунтових вод та вологи застосовують гідроізоляційні матеріали: толь, смоли тощо.

Завдяки капілярному підняттю вдається фарбувати тканини. Часто капілярні явища використовують і в побуті. Застосування рушників, серветок, гігроскопічної вати, марлі, промокального паперу можливе завдяки наявності в них капілярів.

 

Капілярні явища використовуються при видобутку нафти. Сили взаємодії води з гірською породою більше, ніж у нафти. Тому вода здатна витиснути нафту з дрібних тріщин у більш великі. Для збільшення нафтовіддачі шарів використовуються спеціальні поверхнево-активні речовини.

На явищі змочування грунтується, наприклад, метод збагачення, флотації руди, – відокремлення руди від порожньої породи. Дрібно роздроблену руду збовтують в рідині, яка змочує порожню породу і що не змочує руду. Через цю суміш продувається повітря, а потім вона відстоюється. При цьому змочені рідиною частинки породи опускаються на дно, а крупинки мінералів «прилипають» до бульбашок повітря і спливають на поверхню рідини.

В даний час дослідження в області капілярних і поверхневих сил продовжуються, що обумовлено як їхньою важливістю в різних областях науки, так і широким спектром практичних додатків.

---

3. Запитання до уроку.

Запитання 72.1. Чому виникає сила поверхневого натягу? Від чого вона залежить?

Запитання 72.2. Наведіть приклади прояву капілярних явищ у природі.

Запитання 72.3. Чому водоплавні птахи виходять сухими з води?

Запитання 72.4. Чому маленькі краплі роси на листі деяких рослин мають форму кульок, тоді як листя інших рослин роса вкриває тонким шаром?

Запитання 72.5. Чим пояснити, що солом’яна покрівля на даху, що складається з окремих стебел, між якими є безліч порожнин, надійно захищає від дощу?

Запитання 72.6. Навіщо перед фарбуванням поверхонь їх рекомендують знежирювати?

Запитання 72.7. Перш ніж припаяти будь-яку деталь до плати її спочатку покривають каніфоллю. Навіщо?

Запитання 72.8. Чому крапля води або рослинної олії розтікається по поверхні дошки, а крапля ртуті не розтікається?

Запитання 72.9. Від яких величин залежить висота капілярного підняття рідини?

Запитання 72.10. Як зміниться висота рівня води в капілярі, якщо за інших умов взяти капіляр удвічі меншого радіуса? якщо перенести дослід на Місяць?

Запитання 72.11. Коли висота капілярного підняття води в ґрунті більша: навесні чи влітку? Чому?

Запитання 72.12. Чому вода піднімається по тонких трубках і має ввігнутий ме­ніск, а ртуть опускається і її поверхня має опуклий меніск?

---

4. Домашнє завдання.

Підручник: §49.

---

5. Перевір себе.

тест Поверхневий натяг рідин

ВАЖНО  При выполнении тестов, самостоятельных и контрольных работ в форму заносить только цифру в единицах СИ (если не указано другого), без единиц измерения и с точностью указанной в условии задачи, иначе ответ будет засчитан как не правильный

ЗАПОЛНИТЕ ФОРМУ ДЛЯ ОТВЕТА

Запитання 1.Т. Після розмішування цукру, щойно доданого до чаю, учень помітив, що об’єм рідини став помітно меншим, ніж був одразу після засипання цукру. З чим це пов’язано?

                А. Дифузією молекул цукру й води.

                Б. Зміною поверхневого натягу солодкої води.

                В. Випаровуванням рідини.

                Г. Охолодженням рідини.

                Д. Зміною кількості розчиненого у рідині повітря.

Запитання 2.Т. Якщо занурити в широку посудину з рідиною скляний капіляр, рівень рідини в ньому встановиться вище, ніж у посудині. Яку форму матиме крапля цієї рідини на горизонтальній поверхні скла?

Запитання 3Т. Установіть відповідність між явищем та причиною, що його зумовлює.

Запитання .4.Т. На відео Ви спостерігаєте рух крупинок меленого перцю, які розбігаються  на поверхні води від дотику пальця. Чим вкрили пальця, щоб досягти такого ефекту?

А. Розчином цукру;

Б. Слиною;

В. Миючим засобом;

Г. Смальцем;

Д. Спиртом.

Запитання 5.Т. Якщо у посудину з водою опустити паперову смужку зі звичайного офісного паперу, вода підніметься на певну, незначну висоту. Що заважає воді піднятися вище? Оберіть дві найбільш вагомі причини.

А. Недостатньо вузькі капілярні отвори у папері, отже відносно невелика сила поверхневого натягу;

Б. Досить вузькі капілярні отвори у папері і пов’язана з цим відносно велика сила внутрішнього тертя;

В. Занадто велика сила тяжіння, що не дозволяє воді підійматися вище;

Г. Мала вологість повітря у приміщенні;

Розв'язування задач

на поверхневий натяг рідин

Таблиця. Коефіцієнт поверхневого натягу рідини

У задачах цього розділу, якщо немає спеціальних застережень, змочування вважати повним.

Задача 74.1. (Перейдіть за посиланням для перегляду розв’язку задачі)   Дротову рамку з рухомою перемичкою АВ завдовжки 5 см занурюють у мильний розчин і акуратно витягають, внаслідок чого на рамці утворюється мильна плівка. Яку силу необхідно прикласти до перемички АВ, щоб утримати її на місці? Коефіцієнт поверхневого натягу мильного розчину 40 мН/м.(4 мН)

Задача 74.2.  (Перейдіть за посиланням для перегляду розв’язку задачі) Щоб відірвати від поверхні рідини тонку горизонтальну дротину довжиною 8 см і масою 0,48 г, до неї необхідно прикласти силу 12 мН, напрямлену вертикально вгору. Визначте поверхневий натяг рідини.

Задача 74.3.  (Перейдіть за посиланням для перегляду розв’язку задачі)  Для визначення поверхневого натягу мильного розчину скористались динамометром і шкіряним кільцем діаметром 20 см. У момент відривання кільця від поверхні рідини динамометр показав силу 0,194 Н. Маса кільця 15 г. Яке значення поверхневого натягу отримали внаслідок експерименту?

3. Запитання до уроку.

Запитання 74.1. У посудину з гарячою водою помістили капілярну трубку. Як змінюватиметься рівень води в трубці під час охолодження води? Відповідь обґрунтуйте.

Запитання 74.2. Куди напрямлена сила поверхневого натягу мильної плівки, яка має форму кола?

Запитання 74.3. Одна колба наполовину заповнена водою, а інша - ртуттю. Яку форму матимуть ці рідини в стані невагомості?

Запитання 74.4. Чи можна змазувати тертьові поверхні машин рідкими мастилами, які не змочують ці поверхні? Чому?

Запитання 74.5. Чи можна відливати метал у форми, які змочуються цим металом? Чому?

Запитання 74.6. Чому зорі мають кулясту форму?

Запитання 74.7. Чому гострі краї скла в ході нагрівання до температури плавлення стають закругленими?

Запитання 74.8. Чому волейбольна сітка сильно натягається після дощу?

Запитання 74.9. Як відомо, піщані замки й “пасочки” можна будувати тільки з мокрого піску. Сухі піщинки й піщинки, що цілком занурені у воду, не прилипають одна до одної. Поясніть, чому.

Запитання 74.10. Волоски пензлика розходяться у воді, але відразу злипаються, якщо пензлик вийняти з води. Поясніть це явище.

Запитання 74.11. Людині необхідно прийняти певну кількість крапель ліків. Як слід змінити іх число, якщо краплі відміряють у дуже натопленому приміщенні?

Запитання 74.12. Мильний розчин має таку саму густину, як і вода. Чому в посудині він завжди розміщується поверх води?

---

4. Домашнє завдання.

Підручник: §49 - повторити.

Задача 74.9. Капіляр радіусом 5 мм помістили у воду. Знайдіть силу поверхневого натягу води, що виникла всередині капіляра. 

6. Для допитливих.

Вода у ситі. Якщо покрити дно сита тонким шаром парафіну, так щоб отвори залишилися і сухі речовини могли просипатися крізь отвори, а потім обережно налити туди воду -  то за рахунок того, що вода незмочує парафін остання не може пролитися крізь сито.

Найвище дерево у світі. Гіперіон був відкритий 25 серпня 2006 натуралістами Крісом Аткінсом і Майклом Тейлором. Дерево було виміряно, його висота склала 115,55 метрів у висоту. Дерево було знайдено у віддаленому районі Національних та Державних Парків Редвуд, придбаних в 1978 році. Точне місце розташування дерева не було відомо громадськості, із за страху що туристичний потік може порушити екосистему життя дерева. Площа дерева оцінюється в 502 квадратних метра, а його приблизний вік  в 700 — 800 років.

Так, при повному змочуванні вода в капілярі діаметром 10 мкм піднімається на висоту h = 3 м.

          Тема Будова та властивості твердих тіл.

20/03/2020

2. Властивості твердих тіл.

Тверді тіла ділять на дві групи: кристалічні й аморфні.

Кристалічні тіла. Частинки кристалів розміщені у вузлах кристалічної решітки у строгому порядку, який називають дальнім. Весь кристал можна отримати шляхом багаторазового повторення того самого структурного елемента, який називають елементарною коміркою. Строгий порядок у розміщенні частинок кристала зумовлює його правильну геометричну форму та блиск.

  

Мал. Монокристал кухонної солі, полікристал мідного купоросу, кристали халькопіриту.

Типи кристалічних граток.

Іонна. У вузлах решітки містяться позитивні та негативні йони. Стійкість решітки забезпечують електричні сили притягання між різнойменними іонами. Такі речовини, як правило, тугоплавкі, з малою летючістю.Типовими іонними кристалами є , ,  та інші.

 

Мал. Кристалічна гратка кухонної солі (.

Атомна. У вузлах решітки містяться нейтральні атоми. Стійкість решітки зумовлена дуже міцними ковалентними зв’язками між кожною парою сусідніх атомів. Таким речовинам властива тугоплавкість, нерозчинність у воді. Деяким (наприклад, вуглецю у вигляді алмазу) — винятково висока твердість. Атомну решітку мають кристали германію, кремнію, сірки, фосфору, вуглецю.

  

Мал. Кристалічні гратки алмазу та графіту.

Молекулярна. У вузлах - нейтральні молекули. Решітка утримується порівняно слабкими силами молекулярної взаємодії. Речовини з таким типом решітки не проводять струм, летючі, мають низькі температури плавлення. Молекулярний тип кристалічної решітки зустрічається у речовин, що знаходяться при нормальних умовах в рідкому або газоподібному стані. Молекулярними кристалами є лід, сухий йод, нафталін.

Мал. Кристалічна гратка льоду.

Металева. У вузлах решітки розміщені позитивні йони, а у просторі між вузлами хаотично рухаються вільні електрони. Стійкість решітки забезпечується електричною взаємодією позитивних іонів та електронного газу. Ці речовини характеризуються, як правило, високою температурою плавлення, металевим блиском, твердістю, є хорошими провідниками електричного струму. Таку решітку мають усі метали.

Решітка кристала може мати дефекти (вакансії, включення, дислокації), які впливають на міцність решітки.

  

Мал. Кристалічні гратки міді та заліза.

Види кристалів. Монокристал - один суцільний кристал.

  

Полікристал - сукупність хаотично розміщених монокристалів, що зрослись.

  

Мал. Полікристали снігу та галію.

• Демонстрація. Колекція кристалічних тіл.

        

Властивості кристалів.

Анізотропія - неоднаковість фізичних (механічних, теплових, електричних, магнітних, оптичних) властивостей у різних напрямках. Анізотропія характерна лише для монокристалів, полікристали є ізотропними, тобто їхні властивості у різних напрямках однакові.

 

Мал.Слюда

Поліморфізм - кристали, що складаються з однакових атомів, мають різні решітки і тому різні властивості (наприклад, алмаз та графіт).

Кристали мають сталу температуру плавлення.

Аморфні тіла. Кристалічної решітки аморфні тіла не мають. Строгого порядку у розміщенні частинок немає. Відстані між частинками менші, ніж у рідині, але більші, ніж у кристалів.

   

До аморфних тіл належать бурштин, скло, смола, плавлений цукор, плавлений кварц та ін. До аморфних тіл відносять і полімери (деревина, природний та синтетичний каучук, поліетилен, пластики), молекули яких мають вигляд довгих ланцюгів, що містять сотні тисяч атомів.

   

• Демонстрація. Колекція аморфних тіл.

Властивості аморфних тіл:

• Ізотропія - властивості в усіх напрямках однакові.
• Відсутність сталої температури плавлення: аморфні тіла стають рідкими у певному інтервалі температур.
• Аморфний стан є нестійким: з часом аморфні тіла кристалізуються.

Механічні деформації. Механічні деформації - це зміна форми і розмірів тіла під дією зовнішніх сил. Унаслідок деформації виникають сили пружності, які їй протидіють. Сили пружності є рівнодійними сил міжмолекулярної взаємодії.

        Види деформації:

• Пружна - деформація, яка зникає після припинення дії зовнішньої сили, що спричинила цю деформацію.
• Пластична - деформація, яка повністю або частково зберігається після припинення дії зовнішньої сили.

Пружні і пластичні властивості тіла залежать від його хімічного складу, температури, розмірів, величини деформації.

Деформацію розтягу або стиску описують такі фізичні величини:

• Абсолютне видовження , де  - кінцева довжина тіла,   - початкова довжина тіла. Одиницею вимірювання абсолютного видовження в СІ є  м (метр).

 

• Відносне видовження  - відношення абсолютного видовження до початкової довжини тіла: , яке є безрозмірною величиною.
• Механічна напруга  - скалярна величина, що дорівнює відношенню сили пружності до площі поперечного перерізу тіла: . Одиницею вимірювання механічної напруги у СІ є 1 Па=1Н/1м2.
• Потенціальна енергія деформованого тіла: , де  - жорсткість тіла.

Закон Гука: при невеликих деформаціях розтягу або стиску механічна напруга прямо пропорційна до відносного видовження: , де - модуль Юнга (модуль пружності), що залежить від роду речовини. Дані про модуль пружності містяться в таблицях. Одиницею вимірювання модуля Юнга в СІ є 1 Па.

Оскільки , то , де  - жорсткість тіла.

Діаграма розтягу - експериментально отриманий графік залежності механічної напруги від відносного видовження.

Ділянка ОА: при малих деформаціях напруга  прямо пропорційна відносному подовженню . Виконується закон Гука:  Деформація пружна.

Ділянка АВ: закон Гука не виконується, але деформація пружна. Максимальна напруга, за якої ще не виникає помітна залишкова деформація, називається межею пружності σпруж.

Ділянка ВС: пластична деформація.

Ділянка СD: ділянка плинності матеріалу. Видовження відбувається практично без збільшення навантаження.

Ділянка DЕ: зміцнення матеріалу: видовження відбувається при значному збільшенні навантаження.

При досягненні максимального значення механічної напруги σм.м. (межа міцності) матеріал розтягується без збільшення зовнішнього навантаження до самого зруйнування в точці К.

Запас міцності  - відношення межі міцності (м.м ) до прикладеної механічної напруги: м.м/.

---

3. Запитання до уроку.

Запитання 76.1. Дайте короткий опис будови кристалів. Назвіть властивості кристалів?

Запитання 76.2. Назвіть типи кристалічних граток та дайте коротку характеристику кожного типу.

Запитання 76.3. Назвіть види кристалів та дайте коротку характеристику кожного з них.

Запитання 76.4. Дайте коротку характеристику аморфним тілам. Вкажіть їх властивості.

Запитання 76.5. Аморфні тверді тіла іноді називають рідинами з надвисокою в’язкістю. Чому?

Запитання 76.6. У старому віконному склі нижня частина зазвичай товща, ніж верхня. Чим це пояснити? Чому в таблиці температур плавлення різних речовин відсутня температура плавлення скла?

Запитання 76.7. З монокристала вирізали деталь кубічної форми й нагріли. При цьому змінився не тільки обсяг деталі, а й її форма. Поясніть це явище.

Запитання 53.8. Що таке механічна деформація. Назвіть види деформацій. Які фізичні величини описують деформацію розтягу чи стиску?

Запитання 53.9. Що таке абсолютне видовження? Як його розраховують?

Запитання 53.10. Що таке відносне видовження? Як його розраховують?

Запитання 53.11. Що таке механічна напруга? Як її розраховують? Сформулюйте закон Гука та опишіть діаграму розтягу.

Запитання 53.12. Як розраховують потенціальну енергію деформованого тіла?

---

4. Домашнє завдання.

Підручник: параграфи 50-51.

Творче завдання. Секрет деревини. Як, не порушивши цільності дерев’яної заготівки та металевого болта, було створено даний предмет?

Робота учня 8-А класу ЗОШ №19 м. Черкаси Будкіна Б. (2016 р)

---

5. Перевір себе.

Запитання 1.Т. Укажіть правильне продовження речення: “Анізотропією кристалів називають залежність фізичних властивостей від...”

                А. напрямку в кристалі;

                Б. маси кристала;

                В. густини твердого тіла;

                Г. виду кристалічної гратки.

Запитання 2.Т. Установіть відповідність між властивостями речовини та її станом.

Запитання 3.Т. Перші в історії медичні інструменти, виготовлені з цього природного матеріалу вирізнялися надзвичайною гостротою. Їх можна було заточувати до молекулярного рівня. Вони не ржавіли, а за здатністю до заточування металевий скальпель і сьогодні поступається скальпелю, виготовленому з…

А. топазу;

Б. опалу;

В. кришталю;

Г. рубіну;

Д. обсидіану.

Запитання 4.Т. Модель демонструє твердотільний тепловий двигун, який працює за рахунок різниці температур води. Робочим тілом цього двигуна є спіраль, виготовлена зі сплаву двох металів. Яка властивість цього сплаву є ключовою для роботи двигуна?

Відео. Модель твердотільного теплового двигуна

А. Пам’ять форми;

Б. Пластичність;

В. Теплове розширення;

Г. Теплопровідність;

Д. електропровідність.

                              Розв'язування задач.

Вчимося розв’язувати задачі.

3. Домашнє завдання.

Підручник: параграфи 50-51 (повторити).

Задача 78.6. Дві пружини, які мають жорсткості 40 Н/м і 50 Н/м, з’єднані а) послідовно; б) паралельно. Яким буде видовження цієї системи пружин, якщо до неї прикласти силу 10 Н?

Задача 78.7. Яка механічна напруга виникає у дротині, діаметр якої 1 мм, якщо до неї підвісити вантаж, маса якого дорівнює 3,14 кг? (В. 40 Мпа)

Задача 78.8. Залізобетонну плиту, маса якої 314 кг, рівномірно піднімають на сталевому тросі, що складається з 40 дротин діаметра 1 мм кожен. Який запас міцності забезпечить такий трос? (В. 5)

Підготуватися до контрольної роботи.

Контрольна робота з теми: «Властивості газів,рідин та твердих тіл»

30/03/2020

Заполните форму для ответа

ВАЖНО  При выполнении тестов, самостоятельных и контрольных работ в форму заносить только цифру в единицах СИ (если не указано другого), без единиц измерения и с точностью указанной в условии задачи, иначе ответ будет засчитан как не правильный

1.Яка із зазначених властивостей є обов’язковою ознакою кожного аморфного тіла?

а)пластичність;    б)прозорість;    в)анізотропність;    г)ізотропність.

2.Чому температура води у відкритих водоймах майже завжди у літню пору нижча від температури навколишнього середовища?

а)тому,що вода не встигає прогрітися;

б)тому,що вода випаровується і втрачає енергію;

в)тому,що повільно відбувається конвекція;

г)тому,що значна частина енергії відбивається від поверхні.

3.У якому агрегатному стані речовини існує ближній порядок розміщення молекул?

а)твердому;   б)газоподібному;  в)рідкому;   г)у всіх станах.

4.Установіть відповідність «назва фізичної величини-символ для позначення»

1.Відносна вологість повітря                                                    А.  ρ 

2.Висота підняття рідини в капілярі                                         Б. φ 

3.Коєфіцієнт поверхневого натягу                                           В     

4.Абсолютна вологість повітря                                                 Г. h

 5.Визначте діаметр капілярів у промокальному папері,якщо вода піднімається в ньому на висоту 30 см. Коефіцієнт поверхневого натягу води 73 10^-3 Н/м.  ВІДПОВІДЬ НА ЗАДАЧУ ПІСЛЯ РОЗВЯЗАННЯ ЗАПИСАТИ ДО ФОРМИ У ВИГЛЯДІ ДЕСЯТИЧНОГО ДРОБУ ОКРУГЛИВШИ ДО 6 ЗНАКІВ ПІСЛЯ КОМИ. (g вважати рівним 10)

                 Тема Внутрішня енергія тіла.

01/04/2020

Термодинамічні системи та процеси. Стан термодинамічної системи визначається її внутрішніми параметрами, наприклад, станом руху мікрочастинок, з яких складається тіло: чим більша швидкість їх руху, тим вища температура тіла.

Внутрішній стан будь-якого тіла досить важко визначити через параметри руху мікрочастинок, оскільки їх дуже багато. Щоб спростити опис стану термодинамічної системи, його пов’язують з фізичними величинами, які характеризують тіло загалом, незалежно від його молекулярної будови. До таких величин належать, зокрема, маса, об’єм, густина, тиск, температура тощо. Їх називають макроскопічними параметрами термодинамічної системи.

Температура - один з основних макропараметрів термодинамічної системи. Тіла з вищою температурою віддають теплову енергію тілам з нижчою температурою; теплообмін відбувається доти, доки їхні температури не вирівняються.

Стан системи, за якого всі макроскопічні параметри системи як завгодно довго залишаються незмінними, називають тепловою рівновагою.

Перехід термодинамічної системи з одного стану в інший, коли параметри системи із часом змінюються, називається термодинамічним процесом.

 Внутрішня енергія. Внутрішня енергія тіла U - це енергія руху і взаємодії частинок цього тіла. Під внутрішньою енергією ідеального газу в термодинаміці розуміють сумарну енергію молекул, з яких складається газ. Сюди входить кінетична енергія хаотичного руху молекул і потенціальна енергія взаємодій молекул між собою. Для ідеального газу, силами взаємодій між молекулами можна знехтувати. У реальних газах, рідинах та твердих тілах енергію взаємодії мікрочастинок слід враховувати. Тому внутрішня енергія реального газу більша за внутрішню енергію ідеального газу.

Позначають внутрішню енергію тіла - U, одиницею вимірювання в СІ є 1 Дж.

• Матеріал для повторення. Фізика 8 Урок 03.

Важливо розуміти, що кінетична енергія молекули - це не тільки енергія її поступального руху, вона може включати ще й енергію обертального руху молекули та енергію коливальних рухів атомів молекули. Для знаходження енергії всіх видів руху молекули використовують поняття про ступені вільності молекули і принцип рівномірного розподілу енергії молекули за ступенями її вільності.

Матеріальна точка має три ступені вільності поступального руху. Одним з основних положень молекулярно-кінетичної теорії газів є визнання хаотичності поступальних, обертальних, коливальних рухів молекул і того, що жодному з цих рухів не можна надати переваги. Тому при обчисленні енергії всіх видів руху молекули природно гадати, що кінетична енергія молекули рівномірно розподіляється за ступенями вільності всіх її рухів. Таким чином:

• одноатомна молекула газу має : всі три ступені вільності поступального руху;
• двохатомна -  : три ступені вільності поступальні , та два – обертальні;
• багатоатомна – : три поступальні і три обертальні  (крім  СО2, який має 5 ступенів вільності).

Внутрішню енергію одноатомного ідеального газу обчислюють за формулою:

 

Загальний вигляд формули внутрішньої енергії ідеального газу:

,

де і - число ступенів вільності молекули.

 Зміна внутрішньої енергії. Щоб змінити внутрішню енергію тіла потрібно фактично змінити або кінетичну енергію теплового руху мікрочастинок, або потенціальну енергію їх взаємодії (або і ту і іншу разом). Це можна зробити двома способами: в результаті теплообміну; виконанням роботи. Теплообмін (теплопередача) - це процес передачі енергії від більш  нагрітого до менш нагрітого тіла (частин тіла). Види теплообміну: теплопровідність, конвекція, випромінювання.

• 
  

Зміна внутрішньої енергії ідеального газу визначається:

(2).

Для довільного процесу:

   

 (3).

Для ізохорного процесу:  .

Для ізобарного процесу:  .

Для ізотермічного процесу:   .

Якщо  - газ отримує тепло, якщо  газ віддає тепло.

---

3. Закріплюємо теоретичний матеріал.

Тести онлайн. Внутрішня енергія тіла. (Версія для друку)

---

4. Запитання до уроку.

Запитання 81.1. Який процес називають термодинамічним? Назвіть макропараметри термодинамічної системи.

Запитання 81.2. Яку енергію називають внутрішньою? Як розраховують внутрішню енергію ідеального газу?

Запитання 81.3. Що потрібно зробити, щоб змінити внутрішню енергію ідеального газу? Назвіть способи зміни внутрішньої енергії тіла.

Запитання 81.4. Як розраховують зміну внутрішньої енергії ідеального газу?

Запитання 81.5. Що таке теплообмін? Назвіть види теплообміну.

Запитання 81.6. Що відбувається між тілами, які мають різну температуру й перебувають у контакті? У якому “напрямі” відбувається цей процес?

Запитання 81.7. Як відомо, борошно з-під жорнів виходить гарячим, хліб з печі виймають теж гарячим. Яка причина підвищення температури?

Запитання 81.8. Порівняйте внутрішню енергію ідеального і реального газів, взятих за однакових температур й кількості молекул. Відповідь обґрунтуйте.

Запитання 81.9. Порівняйте внутрішню енергію 1 моля гелію й 1 моля кисню, взятих за однакових температур. Відповідь обґрунтуйте.

Запитання 81.10. В одному з однакових балонів зберігається гелій, а в другому - водень. Обидва гази перебувають за однакових умов. Який із газів має більшу внутрішню енергію? Відповідь обґрунтуйте. (В. Водень)

Запитання 81.11. Як змінюється внутрішня енергія ідеального газу внаслідок: а) ізобарного нагрівання; б) ізохорного охолодження; в) ізотермічного стискання?

Запитання 81.12. Тепле повітря піднімається вгору. Чому ж у тропосфері внизу тепліше, ніж угорі?

---

5. Домашнє завдання.

 Підручник: параграф 52-55.

Розв’язування задач

на зміну внутрішньої енергії газу

2. Вчимося розв’язувати задачі.

 Задача 82.1.  (Перейдіть за посиланням для перегляду розв’язку задачі) На скільки градусів слід збільшити температуру 100 г аргону, щоб його внутрішня енергія збільшилася на 3,3 кДж. (В. На 106 К)

Задача 82.2.  (Перейдіть за посиланням для перегляду розв’язку задачі) Один моль пари ртуті та один моль гелію мають однакову температуру. Порівняйте внутрішні енергії обох газів.(В. однакові)

Задача 82.3.  (Перейдіть за посиланням для перегляду розв’язку задачі) При зменшенні об’єму одноатомного газу в 4 рази його тиск збільшився на 20%. У скільки разів змінилася внутрішня енергія?

 (В.3)

3. Домашнє завдання.

 Підручник: параграф 52-55 - повторити.

Задача 82.9. Знайдіть внутрішню енергію 2 кмоль ідеального одноатомного газу, взятих за температури 300 К. (В. 7,5 МДж)

Задача 82.10. Який об’єм займає аргон за тиску 0,2 МПа, якщо його внутрішня енергія дорівнює 6 кДж?

                      Тема Перший закон термодинаміки

03/04/2020

Кількість теплоти. Кількість теплоти - це скалярна величина, що чисельно дорівнює енергії, яку отримує чи віддає тіло під час теплообміну.

Одиницею вимірювання кількості теплоти у СІ є 1 Дж. Позасистемною одиницею вимірювання кількості теплоти є калорія: 1 кал=4,19 Дж.

• 
  

        І закон термодинаміки: кількість теплоти, що підводиться до системи, йде на зміну внутрішньої енергії та виконання системою роботи: , де  - зміна внутрішньої енергії системи, А - робота, яку виконує система,   - кількість теплоти, що отримує система.

Для ізотермічного процесу , тоді  і І закон термодинаміки має вигляд: .

Для ізохорного процесу , тоді  і І закон термодинаміки має вигляд .

Для ізобарного процесу  і І закон термодинаміки має вигляд: .

Адіабатним називають процес, що відбувається без теплообміну із зовнішніми тілами: . При цьому І закон термодинаміки записують так: , тобто система виконує роботу за рахунок зменшення своєї внутрішньої енергії.

Процес називають необоротним, якщо самовільно він не може протікати лише у певному напрямку. Зворотний до нього процес може відбуватися лише під дією зовнішніх чинників. Наприклад, перетворення механічної енергії у внутрішню, передача енергії від більш нагрітого тіла до менш нагрітого тіла, дифузія тощо.

Робота зовнішніх сил.  І закон термодинаміки матиме вигляд:  або .

---

3. 
   

4. Запитання до уроку.

Запитання 85.1. Дайте визначення кількості теплоти. Як її позначають, в яких одиницях у СІ вимірюють? Назвіть позасистемну одиницю вимірювання кількості теплоти.

Запитання 85.2. Назвіть формули для розрахунку кількості теплоти при нагріванні (охолодженні), плавленні (кристалізації), випаровуванні (конденсації), згоранні палива.

Запитання 85.3. Сформулюйте перший закон термодинаміки. Який вигляд має І закон термодинаміки для ізотермічного, ізобарного та ізохорного процесів?

Запитання 85.4. Який процес називають адіабатичним? Який вигляд матиме І закон термодинаміки для адіабатичного процесу?

Запитання 85.5. Чому робота газу і робота зовнішніх сил над газом відрізняються за знаком?

Запитання 85.6. Установіть відповідність між назвою процесу (1—4), що відбувається з ідеальним газом незмінної маси, та записом першого закону термодинаміки для цього процесу (А—Д), де Q — кількість теплоти, надана газу, A — робота, яку виконав газ, ΔU — зміна внутрішньої енергії.

---

5. Домашнє завдання.

Підручник: параграф.

3. Закріплюємо теоретичний матеріал.

Тестові завдання до теми Перший закон термодинаміки

Для ответа на тест заполните форму
ВАЖНО  При выполнении тестов, самостоятельных и контрольных работ в форму заносить только цифру в единицах СИ (если не указано другого), без единиц измерения и с точностью указанной в условии задачи, иначе ответ будет засчитан как не правильный

Запитання .1.Т. Під час якого процесу газ не виконує роботу?

А. ізохорне нагрівання;

Б. ізобарне нагрівання;

В. адіабатне нагрівання;

Г. ізобарне охолодження.

Запитання .2.Т. Вкажіть правильно записані процеси та умови:

А. для ізотермічного процесу: ;

Б. для ізобарного процесу: ;

В. для адіабатного процесу: ;

Г. для ізохорного процесу:;

Д. для ізохорного процесу: .

Запитання .3.Т. Вкажіть правильні формулювання першого закону термодинаміки:

А. збільшення внутрішньої енергії термодинамічної системи дорівнює сумі наданої системі кількості теплоти і роботи, виконаної зовнішніми тілами над системою;

Б. збільшення внутрішньої енергії термодинамічної системи дорівнює сумі наданої системі кількості теплоти і роботи, виконаної системою над зовнішніми тілами;

В. кількість теплоти, надана термодинамічній системі, йде на збільшення її внутрішньої енергії та виконання зовнішніми тілами роботи над системою;

Г. кількість теплоти, надана термодинамічній системі, йде на збільшення її внутрішньої енергії та виконання системою роботи над зовнішніми тілами;

Д. робота, виконана системою над зовнішніми тілами, дорівнює з протилежним знаком роботі, виконаній зовнішніми тілами над системою.

Запитання .4.Т. За рахунок чого ідеальний газ при ізотермічному розширенні виконує роботу?

А. зменшення внутрішньої енергії;

Б. підведення до газу певної кількості теплоти;

В. зменшення внутрішньої енергії, та підведення до газу деякої кількості теплоти.

Запитання .5.Т. За рахунок чого ідеальний газ при адіабатичному розширенні виконує роботу?

А. зменшення внутрішньої енергії;

Б. підведення до газу певної кількості теплоти;

В. зниження тиску.

Запитання .6.Т. За рахунок чого виконується робота при ізобаричному розширенні газу?

А. передачі йому певної кількості теплоти, яка вся пішла на виконання роботи;

Б. передачі йому певної кількості теплоти, частина якої пішла на виконання роботи;

В. зменшення його внутрішньої енергії.

---

Тема Розв'язування задач на І закон термодинаміки

06/04/2020

2. Вчимося розв’язувати задачі.

Задача 86.1. (Перейдіть за посиланням для перегляду розв’язку задачі) Визначте зміну внутрішньої енергії ідеального газу, який отримав 40 Дж теплоти, якщо при цьому над газом було виконано роботу, що дорівнює 15 Дж.

Задача 86.2. (Перейдіть за посиланням для перегляду розв’язку задачі) Яку кількість теплоти отримав одноатомний ідеальний газ під час процесу, який показано на графіку.

Задача 86.4.  (Перейдіть за посиланням для перегляду розв’язку задачі) Газу передали кількість теплоти 0,5 МДж. Скільки відсотків кількості теплоти пішло на збільшення внутрішньої енергії газу, якщо в ході розширення газ виконав роботу Дж? 

Задача 86.6. (Перейдіть за посиланням для перегляду розв’язку задачі) На скільки градусів підвищиться температура ідеального одноатомного газу кількістю речовини 3 моль, якщо за сталого тиску йому передати енергію кількістю 2490 Дж?

Задача 86.8. (Перейдіть за посиланням для перегляду розв’язку задачі) Знайдіть роботу, яку виконують 5 моль ідеального одноатомного газу при його адіабатичному охолодженні на 10 К.

3. Домашнє завдання.

Підручник: параграф.

(В. 341 К)

Задача 86.9. Під час нагрівання газу його внутрішня енергія збільшилася на 600 Дж, при цьому він виконав роботу 200 Дж. Яку кількість тепла передали газу? (В. 800 Дж)

Задача 86.10. Знайдіть температуру ідеального одноатомного газу, якщо внутрішня енергія 5 моль цього газу дорівнює 20 кДж. (В. 321 К)

Задача 86.11. Порівняйте роботи, які виконує газ у процесах та .

Тема Теплові та холодильні машини.

08/04/2020

2. Теплові та холодильні машини.

Теплові машини. Теплові машини — машини призначені для перетворення внутрішньої енергії палива на механічну енергію. Механічна енергія згодом може перетворитись на електричну енергію й будь-які інші види енергії. У більшості сучасних теплових машин механічну роботу здійснює газ, що розширюється в процесі нагрівання. Цей газ називають робочим тілом. Найпоширенішими тепловими машинами є теплові двигуни.

Складним був шлях людства до першої теплової машини. Лише в середині XVIII століття здійснилась давня мрія людини про використання енергії пари для виконання роботи.

Тепловий двигун - пристрій, що виконує механічну роботу за рахунок процесів теплообміну.

Як виконується робота в паровій машині? У топці горить паливо. В результаті його згоряння звільняється певна кількість енергії.

Вона передається воді, яка нагрівається до кипіння. Утворюється пара, її спрямовують у циліндр з поршнем. Пара діє на поршень з певною силою. Поршень рухається? долаючи опір, що його чинять зв'язані з ним механізми. Якщо, наприклад, з поршнем парової машини зв'язаний через передавальний механізм підіймальний пристрій, то енергія пари здійснює роботу, долаючи тертя в з'єднаннях машини і силу тяжіння вантажу, який піднімається.

Скільки роботи може виконати парова машина? Скільки завгодно. Якщо підтримувати вогонь у топці і своєчасно замінювати зношені внаслідок тертя деталі машини, то можна задовольнити в принципі будь-яку потребу в роботі. Але тут виникає принципово важливе запитання: скільки палива потрібно для виконання певної роботи? Адже паливо — річ відносно дорога. Його треба видобувати, підвезти, завантажити в топку. Крім того, паливо згоряє не повністю, утворюються відходи, які треба періодично прибирати. Усе це потребує затрат праці.

Скільки ж можна дістати роботи, спаливши дану кількість палива? Досвід показує, що в роботу перетворюється лише частина енергії, одержаної при спалюванні палива. Якщо позначити її Q, а кількість виконаної роботи А, то відношення А / Q дає величину, яка характеризує так званий коефіцієнт корисної дії машини.

Мал. Принцип дії теплової машини

ККД теплового двигуна: , де - робота газу за цикл,  - кількість теплоти, яку отримав газ під час циклу.

Під час замкнутого циклу робота газу чисельно дорівнює площі фігури, обмеженої графіком циклу в координатах pV.

Перевіримо справедливість даного твердження. Знайдемо площу фігури, обмеженої графіком: (а). Знайдемо роботу газу під час замкнутого циклу:

        (б).

Врахуємо, що , де  - кількість теплоти, яку газ (робоче тіло) передав холодильнику:

.

Для теплового двигуна, робочим тілом якого є ідеальний газ, у даному інтервалі температур ККД буде максимальним, якщо робочий цикл такого двигуна (цикл Карно) складається з двох ізотерм (нагрівання та охолодження) та двох адіабат.

  

Мал. Коловий процес ідеальної теплової машини.

Максимальний ККД теплового двигуна:

 .

ККД теплової машини Карно менший одиниці. Це означає, що навіть за ідеальних умов, коли всі етапи цього процесу оборотні, а тому виконана робота максимальна, всю кількість теплоти, взятої від нагрівника, не можна без втрат перетворити у механічну роботу. Щоб підвищити ККД теплового двигуна потрібно підвищити температуру нагрівника і знизити температуру холодильника . ККД реальних теплових машин значно менший від ККД ідеальної теплової машини, яка працює за циклом Карно.

Холодильна машина. Тепловою машиною є також холодильник, принцип дії якого ґрунтується на оборотності циклу теплової машини. Холодильна машина працює як тепловий насос: вона передає теплоту від холодного тіла до більш нагрітого. Це не суперечить законам термодинаміки, оскільки охолодження відбувається за рахунок виконання роботи.

Ефективність холодильної машини характеризується відношенням кількості теплоти , відібраної в тіла, до виконаної при цьому роботи : . Цей коефіцієнт може бути більшим від 1.

У реальних холодильників коефіцієнт  може наближатися до 3.

Теплові машини й охорона природи. Коефіцієнт корисної дії сучасних парових машин і турбін становить 26-30 %, автомобільних і авіаційних двигунів внутрішнього згоряння – 30 - 40 %. Це означає, що з кожної тонни палива 600—700 кг витрачається даремно.

Коли врахувати, яка величезна армія теплових двигунів обслуговує людину і яка кількість палива спалюється ними щодня, то легко зрозуміти, наскільки важливою науковою і технічною проблемою є збільшення енергії, що перетворюється двигуном , у корисну роботу, або, іншими словами, підвищення ККД двигунів.

Зробимо невеликий підрахунок. ККД автомобільних легкових двигунів становить приблизно 30%. Це означає, що коли залити в бензобак 10 л бензину, то на рух автомобіля витрачається енергія лише 3 л. бензину. Куди ж зникає енергія решти 7 л? Насамперед вона витрачається на подолання сил тертя, які. неминуче виникають між поршнем і стінками циліндра, між шестернями і в усіх з'єднаннях. Тертя веде, як відомо, до нагрівання двигуна.

Чи можна уникнути цих втрат? Ні, тому що тертя можна лише зменшити, удосконаливши систему змащення. Але це не головне. Велика частина енергії палива виділяється у повітря. Усі відчували гаряче дихання двигуна, який викидає через вихлоп¬ну трубу продукти згоряння робочої суміші. А чи можна запобігти цим втратам?

Не можна побудувати таку теплову машину, яка повністю перетворювала б енергію палива в роботу.

Повсюдне застосування теплових двигунів для добування зручної у використанні енергії негативно впливає на навколишнє середовище.

         За законами термодинаміки електричну й механічну енергію у принципі неможливо виробляти без відведення в навколишнє середовище  значної  кількості  теплоти.  Це не може не призводити до поступового підвищення середньої температури на Землі. Тепер споживана потужність двигунів становить приблизно 1010 кВт. Коли ця потужність досягне 3*1012 кВт, то середня температура підвищиться приблизно на один градус. Дальше підвищення температури може створити загрозу танення льодовиків і катастрофічного підвищення рівня Світового океану.

          Крім  того, температура на Землі може загрозливо підвищитися внаслідок збільшення в атмосфері кількості вуглекислого газу (СО2), який виділяється в процесі згорання палива у великих масштабах. Вуглекислий газ в атмосфері поряд з водяною парою призводить до виникнення « парникового ефекту». Атмосфера в малій кількості  поглинає видиме сонячне проміння, яке нагріває поверхню Землі.  Нагріта поверхня Землі в  свою чергу випромінює невидиме (теплове) проміння, яке поглинається в основному атмосферним вуглекислим  газом.  При ясній погоді  лише  10-20% сонячного  проміння, що падає на Землю, повертається в космос. Температура  на поверхні  Землі  внаслідок «парникового ефекту»  приблизно на 350С вища за ту,яка була б без нього. Збільшення концентрації  СО2 призведе до ще більшого поглинання теплового проміння з поверхні Землі. Це  спричинить підвищення температури Землі.

---

3. Запитання до уроку.

Запитання 57.1. Який принцип дії теплової машини? Які обов’язкові складові вона має?

Запитання 57.2. Чому дорівнює ККД теплової машини? Чи може він бути більшим за 1?

Запитання 57.3. За яким принципом працює холодильна машина? У чому її відмінність від теплової машини?

Запитання 57.4. Що характеризує ефективність холодильної машини? Чи може вона бути більшою за 1?

Запитання 57.5. Чому пальне, що подається наприкінці такту стискання в циліндр дизеля, запалюється?

Запитання 57.6. Коли автомобіль витрачає більше пального, коли їде з зупинками, чи без них?

Запитання 57.7. Чи можна було б користуватися вітровими двигунами, якби атмосферне повітря мало скрізь однакову температуру?

Запитання 57.8. Чи можна термос тимчасово використовувати як холодильник?

Запитання 57.9. Чи можна вважати кулемет тепловою машиною?

Запитання 57.10. Чому в паровій турбіні температура відпрацьованої пари нижча, ніж температура пари, що надходить на лопаті турбіни?

---

4. Домашнє завдання.

Підручник: параграф 56.

        Задача 57.1. Доведіть, що під час замкнутого циклу робота газу чисельно дорівнює площі фігури, обмеженої графіком циклу в координатах pV.

6. Перевір себе.
7. 
   

Тестові завдання до теми Теплові та холодильні машини.

Для ответа на тест заполните форму

ВАЖНО  При выполнении тестов, самостоятельных и контрольных работ в форму заносить только цифру в единицах СИ (если не указано другого), без единиц измерения и с точностью указанной в условии задачи, иначе ответ будет засчитан как не правильный

Завдання 1.Т. Як можна збільшити ККД теплової машини?

А. підвищити температуру холодильника;

Б. зменшити температуру холодильника;

В. зменшити температуру нагрівача;

Г. підвищити температури нагрівача.

Запитання 2.Т. Вкажіть, що саме є робочим тілом у теплових двигунах:

А. охолоджене повітря;

Б. охолоджена пара;

В. нагріте повітря;

Г. нагріта пара або газ;

Д. лід.

Запитання .3.Т. Чи може ККД теплового двигуна дорівнювати 100% :

А. може, якщо тертя в деталях звести до нуля;

Б. не може, оскільки неможливо досягти абсолютного нуля температур;

В. може, якщо процес адіабатний;

Г. не може, оскільки це суперечило б другому закону термодинаміки;

Д. може, якщо двигун працює за циклом Карно.

Запитання .4.Т. Вкажіть пристрої, в яких можлива передача тепла від менш нагрітого тіла до більш нагрітого:

А. парові машини;

Б. двигуни внутрішнього згорання;

В. холодильні машини;

Г. газові турбіни;

Д. парові турбіни.

Запитання 5.Т. Виберіть принципову відмінність в роботі холодильної машини і теплового двигуна:

А. робота виконується не робочим тілом холодильної машини, а над ним;

Б. температура нагрівника холодильної машини нижча, ніж нагрівника теплового двигуна;

В. температура нагрівника холодильної машини вища, ніж у теплового двигуна;

Г. ККД холодильної машини більший, ніж теплового двигуна.     

        Запитання 6.Т. Назвіть пристрій, під час роботи якого можлива передача теплоти від холодного тіла до більш нагрітого.

                А. Газова турбіна.

                Б. Парова турбіна.

                В. Двигун внутрішнього згорання.

                Г. Холодильник.

        

  Тема Розв'язування задач.Підготовка до контрольної роботи.

10/04/2020
13/04/2020

2. Вчимося розв’язувати задачі.

Задача 61.1 (Перейдіть за посиланням для перегляду розв’язку задачі) За один цикл ідеальна теплова машина виконує роботу 15 Дж. Яка кількість теплоти передається холодильнику при цьому, якщо ККД машини дорівнює 30%?

Задача 61.2.  (Перейдіть за посиланням для перегляду розв’язку задачі) Нагрівник передав робочому тілу теплової машини в  разів більше теплоти, ніж воно повернуло холодильнику. Обчисліть ККД теплової машини.

Задача 61.3. (Перейдіть за посиланням для перегляду розв’язку задачі) Визначте роботу (у джоулях), яку виконав газ під час циклічного процесу, якщо під час ізобарного розширення він виконав роботу 300 Дж.

Задача 61.4. (Перейдіть за посиланням для перегляду розв’язку задачі) Теплова машина, робочим тілом якої є 1 моль ідеального одноатомного газу, здійснює цикл, зображений на рисунку. Яким є ККД цього циклу?

Задача 61.6. (Перейдіть за посиланням для перегляду розв’язку задачі) В ідеальній тепловій машині нагрівником є резервуар з водою, що кипить, а холодильником — ємність з льодом, який тане. Яка маса льоду розтане внаслідок виконання машиною роботи 110 кДж? Уважайте, що питома теплота плавлення льоду становить 330 кДж/кг. Відповідь запишіть у грамах.

Задача 61.7.  (Перейдіть за посиланням для перегляду розв’язку задачі) Нагрівають три тіла однакової маси. На рисунку зображено графіки залежності температури T для цих трьох тіл (1, 2, 3) від часу t. Вважаючи, що кожному з тіл щосекунди передавалася одна й та сама кількість теплоти, укажіть співвідношення між питомими теплоємностями c1, c2, c3 цих тіл.

---

3. Запитання до уроку.

Запитання 61.1. Як примусити воду замерзнути кипінням?

Запитання 61.2. Чи можна надати тілові деяку кількість теплоти, не спричиняючи цим підвищення його температури?

Запитання 61.3. Чому вентиль балона, в якому міститься стиснений газ, при випусканні газу покривається інеєм?

---

4. Домашнє завдання.

Підручник: параграф 56 - повторити.

Задача 61.6. Тепловий двигун виконує роботу 200 Дж. Визначте кількість теплоти, яку віддано холодильнику. ККД двигуна 12%. (В. 1467 Дж)

Задача 61.7. Визначте температуру холодильника ідеальної теплової машини, якщо її ККД становить 25%, а температура нагрівача дорівнює 374

 Тема Тематичне оцінювання: "Термодинаміка"

                               15/04/2020

ВАЖНО  При выполнении тестов, самостоятельных и контрольных работ в форму заносить только цифру в единицах СИ (если не указано другого), без единиц измерения и с точностью указанной в условии задачи, иначе ответ будет засчитан как не правильный

Контрольна робота з теми «Основи термодинаміки»

ЗАПОЛНИТЕ ФОРМУ ДЛЯ ОТВЕТА

1. Вид теплопередачі, який зумовлений хаотичним рухом частинок речовини та не супроводжується перенесенням цієї речовини (1 бал)

 а) Термодинаміка                           б)  Конвекція

 в) Випромінювання                        г) Теплопровідність

2. Процес під час якого робота газу дорівнює нулю. (1 бал)

 а) Ізобарний                     б) Адіабатний               

 в) Ізотермічний                г) Ізохорний

3. Встановіть відповідність між назвою формули та математичним її записом, де 𝐴зс − робота зовнішніх сил, 𝐴г − робота газу, ∆𝑈 − внутрішня енергія,𝑄 − кількість теплоти, 𝜂 − коефіцієнт корисної дії:

1) Перший закон термодинаміки для ізотермічного процесу 
2) Перший закон термодинаміки для ізобарного процесу 
3) Коефіцієнт корисної дії теплового двигуна 

А. ΔU = Aзс + Q,
Б. Q = Aг
В. 
Г. ΔU = A - Q

4. Вкажіть процес, у якому газ не виконує роботу:
 А. ізобарний; 
Б. ізотермічний; 
В. ізохорний; 
Г. адіабатний.

5. Який вид теплопередачі неможливий у твердих тілах? 
А. теплопровідність; 
Б. конвекція; 
В. випромінювання; 
Г. охолодження.

6. На рисунку наведено графік процесу, що відбувається з ідеальним одноатомним газом. Яку кількість теплоти передано газу?

7. Ідеальна теплова машина має як нагрівник резервуар з водою, що кипить за температури 373 K, а як холодильник – ємність з льодом, що тане за температури 273 K. Визначте масу льоду, який розтане в результаті виконання машиною корисної роботи, що дорівнює 110кДж. Уважайте, що питома теплота плавлення льоду дорівнює 330 кДж/кг.(Відповідь записати округлюючи до сотих за правилами округлення)

ТЕМА Захист Навчальних Проектів. Теплові явища.

                                       17/04/2020

Виконані проекти в електронному вигляді надіслати на мою електронну скриньку.

ТЕМА Електричне поле. Закон Кулона.

20/04/2020

Серед численних явищ природи одне з провідних місць займає явище електризації. Пригадаємо, що потерта хутром ебонітова паличка починає притягувати різноманітні дрібні предмети. Подібне спостерігається і зі скляною паличкою, потертою шовком або папером. Розміщені поруч на невеликій відстані, наелектризовані тіла притягуються або відштовхуються між собою. Такі взаємодії назвали електричними.

Електричне поле. Вивчаючи взаємодію наелектризованих тіл, учені  Майкл Фарадей (1791-1867) і Джеймс Кларк Максвелл (1831-1879) установили, що в просторі навколо електричного заряду існує електричне поле. За допомогою цього поля і здійснюється електрична взаємодія.

Електричне поле - це особливий вид матерії, який відрізняється від речовини і існує навколо будь-яких заряджених тіл.

Властивості електричного поля:

• Зміни в електричному полі поширюються зі швидкістю світла у вакуумі ( км/с), яка є граничною швидкістю поширення взаємодій у природі.

• Електричне поле зарядженого тіла діє з певною силою на будь-яке інше заряджене тіло, що перебуває в цьому полі.
• Сила взаємодії електричного поля тіла зменшується із збільшенням відстані.
• Органами чуття людини не можна сприйняти електричне поле, його можна виявити лише за його дією на електричні заряди.

Силу, з якою електричне поле діє на заряджені тіла, що перебувають у цьому полі, називають електричною силою. Позначають електричну силу  , вимірюють в ньютонах .

Під дією сил електричного поля будь-який заряд, внесений в поле (наприклад, іншого заряду), буде переміщуватися вздовж деяких ліній. Такі лінії називають  електричними силовими лініями. Силові лінії електричного поля - це умовні лінії, що вказують напрям сили, яка діє в цьому полі на розміщене в ньому позитивно заряджене маленьке тіло. На основі цього можна сказати, що електричні силові лінії мають початок і кінець, починаються біля позитивного заряду і закінчуються біля негативного або прямують в нескінченність, не перетинаються.

а)   б)  

Мал. Силові лінії а)полів утворених позитивним та негативним точковими зарядами; б) експеримент візуалізації силових електричних ліній зарядженої кульки.

• Демонстрація. Візуалізація силових ліній електричного поля (скляна кювета, рицинова олія, манна крупа, набір електродів, джерело постійного струму, тіньовий проектор).

Електричне поле нерухомих зарядів називають електростатичним.

В електризації завжди беруть участь два тіла. При цьому електризуються обидва. Під час електризації тіло приймає, або віддає деяку кількість електронів, набуваючи, відповідно, негативного чи позитивного заряду. Тіла, що мають заряди протилежних знаків, притягуються; тіла, що мають заряди одного знака, - відштовхуються. 

Набути електричного заряду тіло може під час:

• електризації тертям;
• електризації через дотик;
• електростатичної індукції (електризації через вплив) (під дією світла та інших взаємодій).

 

Враховуючи явище електризації через вплив при вимірюваннях електрометром металевий корпус потрібно з’єднувати з Землею - заземлювати.

Закон Кулона. Закон Кулона — один з основних законів електростатики, який визначає величину та напрямок сили взаємодії між двома нерухомими  точковими зарядами. Експериментально з задовільною точністю був вперше доведений Генрі Кавендішем у 1773, який використовував метод сферичного конденсатора, але його роботи не були опубліковані. В 1785 році закон був встановлений Шарлем Кулоном за допомогою спеціальних крутильних терезів.

   

Закон Кулона: електростатична сила взаємодії F двох точкових нерухомих зарядів q1 та q2 у вакуумі прямо пропорційна добутку абсолютних значень зарядів і обернено пропорційна квадрату відстані r між ними: .

Коефіцієнт пропорційності k має назву електростатичної сталої та залежить від вибору одиниць виміру. Так в Міжнародній системі одиниць СІ: (Н·м2)/Кл2, де - електрична стала (Кл2/(Н·м2). Якщо точкові заряди взаємодіють у певному середовищі, то закон Кулона слід записувати так: , де  - діелектрична проникність середовища (діелектрична стала, для різних речовин різна і подається в таблицях; для вакууму ).

Сила взаємодії спрямована вздовж прямої, що з'єднує точкові заряди.  Сила взаємодії двох точкових зарядів не залежить від появи біля них інших зарядів. Сила, з якою система зарядів діє на певний заряд, дорівнює векторній сумі сил, що діють на нього з боку кожного заряду системи: .

Це твердження називають принципом суперпозиції.

Необхідні умови для виконання закону Кулона:

• Точковість зарядів — відстань між зарядженими тілами має бути набагато більшою від розмірів тіл.
• Нерухомість зарядів. У протилежному випадку потрібно враховувати магнітне поле заряду, що рухається.

---

3. Вчимося розв’язувати задачі.

Задача 91.1.  (Перейдіть за посиланням для перегляду розв’язку задачі)Електроскопу надали заряд, що дорівнює -6,4 нКл. Скільки надлишкових електронів отримав електроскоп?

Задача 91.2. (Перейдіть за посиланням для перегляду розв’язку задачі) Заряджені провідні кульки мають однакові розміри. Заряди кульок: ; ; . Яким стане заряд першої кульки, якщо нею спочатку торкнутись третьої кульки, а потім другої?

Задача 91.3.  (Перейдіть за посиланням для перегляду розв’язку задачі) На якій відстані два точкових заряди 40 нКл і -20нКл притягуються один до одного із силою 2 мН?

---

4. Запитання до уроку.

Запитання 91.1. Як взаємодіють однойменно та різнойменно заряджені тіла?

Запитання 91.2. Як позначають заряд тіла, в яких одиниця його вимірюють?

Запитання 91.3. Який заряд має найменше значення? Як представити значення заряду тіла через елементарний заряд?

Запитання 91.4. Поясніть процес електризації тіл. Чи змінюється маса тіла під час електризації?

Запитання 91.5. Хто встановив існування електричного поля? У чому цінність теоретичних досліджень Дж. Максвела?

Запитання 91.6.  Що таке електричне поле? З якою швидкістю поширюються зміни в електричному полі?

Запитання 91.7. Яке електричне поле називають електростатичним? Як графічно зображають електричне поле?

Запитання 91.8. Сформулюйте закон Кулона. Чи є обмеження щодо області дії закону Кулона?

---

5. Домашнє  завдання.

Підручник: §.

Рівень С

Задача 91.6.С. Унаслідок електризації маса кульки зменшилась на кг. Скільки електронів втратила кулька?  кг.

Задача 91.7.С. Заряди двох однакових металевих куль відповідно дорівнюють -5,5 нКл та +1,5 нКл. Визначте заряд кожної кульки після дотику.

. 30 см)

Тест  Електричне поле. Закон Кулона.

ВАЖНО  При выполнении тестов, самостоятельных и контрольных работ в форму заносить только цифру в единицах СИ (если не указано другого), без единиц измерения и с точностью указанной в условии задачи, иначе ответ будет засчитан как не правильный

ЗАПОЛНИТЕ ФОРМУ ДЛЯ ОТВЕТА

Запитання.1.Т. Вкажіть заряди, які створюють електростатичне поле:

        А. заряди, що в обраній системі відліку рухаються рівномірно;

        Б. заряди, що в обраній системі відліку рухаються рівноприскорено;

        В. заряди, що в обраній системі відліку нерухомі;

        Г. заряди, що в обраній системі відліку рухаються по колу.

Запитання.2.Т. Визначте, як зміниться сила кулонівської взаємодії двох точкових заряджених тіл, якщо відстань між ними зменшити в n разів.

А. збільшиться в n разів

Б. зменшиться в n разів

В. зменшиться в n2 разів

Г. збільшиться в n2 разів

Запитання 3.Т. Дві однойменно заряджені кульки однакової маси підвішені на нитках однакової довжини до одного цвяха. Яким стане кут між нитками при вільному падінні гвіздка з підвішеними кульками?

                А. ;

                Б. ;

                В. 9;

                Г. ;

Запитання 4.Т. Як зміниться маса зарядженого електроскопа після того, як до нього доторкнутися рукою?

                А. збільшиться;

                Б. зменшиться;

                В. не зміниться;

                Г. відповідь залежить від знака заряду електроскопа;

                Д. спочатку збільшиться, а потім зменшиться.

       Запитання 5.Т. Вкажіть заряд, що виникає на скляній паличці при натиранні її шовком:

А. негативний;

Б. позитивний;

В. точковий;

Г. елементарний;

Д. паличка не зарядиться.

Запитання 6.Т. Вкажіть знаки заряду султанчиків:

        А. однакові;

        Б. протилежні;

        В. можуть бути і однакові і протилежні;

        Г. на кульках заряду немає;

Тема Напруженість електричного поля.

  22/04/2020

Напруженість електричного поля. Електричні поля досліджують за їх дією на пробний заряд, який поміщають у різні точки поля. Пробним вважають настільки малий заряд, що він не викликає внаслідок електростатичної індукції перерозподілу електричних зарядів на довколишніх тілах.

Дія електричного поля на заряджене тіло може мати різну інтенсивність. Сила, яка характеризує цю дію, залежатиме не лише від значення заряду даного тіла, а й від характеристик поля. Установлено, що відношення сили, що діє на електричний заряд, до його значення буде однаковим для певної точки поля:

.

Фізичну величину, яка дорівнює відношенню сили, з якою поле діє на позитивний пробний заряд, поміщений в дану точку простору, до величини цього заряду, називають напруженістю електричного поля:

.

  .

Напруженість електричного поля (силова характеристика електричного поля) – векторна фізична величина, яка визначає значення сили, що діє на заряджене тіло, та її напрям. Вектор напруженості в будь-якій точці (А, В) електричного поля спрямований вздовж прямої, що сполучає цю точку і заряд: від заряду, якщо q > 0, і до заряду, якщо q < 0.

    

Напрям вектора напруженості співпадає в кожній точці простору з напрямом сили, яка діє на додатний пробний заряд. 

   

Густина ліній (кількість ліній напруженості, що перетинають одиничну поверхню, розміщену перпендикулярно до ліній) тим більша, що більша напруженість поля у даній точці.

Напруженість електричного поля, яке створене точковим зарядом  у вакуумі на відстані  від нього, дорівнює по модулю:

.

Вона збігається з напруженістю поля рівномірно зарядженої металевої сферичної поверхні радіуса R поза її межами (для r>R). Всередині сфери (для r<R) зарядів немає, Е=0.

Електричне поле називають однорідним, якщо в усіх точках поля на певне заряджене тіло діє однакова сила ( - густина ліній однакова). Лінії напруженості однорідного електричного поля паралельні одна одній і знаходяться на однаковій відстані.

       

Практично однорідним буде поле між двома різнойменно зарядженими металевими плоскими паралельними пластинами, якщо відстань між ними значно менша за їх розміри. Поза пластинами напруженість електричного поля Е=0. Заряд на пластинах називають розподіленим і характеризують поверхневою густиною:

.

Поверхнева густина заряду вимірюється у Кл/м2.

Якщо напруженість у різних точках поля має різні значення, то поле називають неоднорідним.

Принцип суперпозиції електричних полів: напруженість електричного поля, яке створене системою зарядів в деякій точці простору, дорівнює векторній сумі напруженостей електричних полів, створених в тій же точці кожним зарядом зокрема:

        

   

Ця властивість електричного поля свідчить, що для електричного поля справджується принцип суперпозиції. Завдяки принципу суперпозиції для знаходження напруженості поля системи заряджених частинок у будь-якій точці А досить знати вираз для напруженості поля точкового зарядженого тіла і додати вектори за правилом паралелограма. Принцип суперпозиції дозволяє обчислити напруженість поля довільної системи зарядів, а не тільки точкових, зокрема і рівномірно зарядженої площини.

• Відео. Лінії напруженості електричного поля (Час показу 10:07 хв.)

З означення випливає і найпростіший спосіб вимірювання напруженості електричного поля: знаючи значення заряду тіла, достатньо виміряти силу, яка діє на нього в електричному полі.

   

За відсутності електричного поля (мал. 1) на кульку діє лише сила тяжіння, що викликає натяг нитки підвісу, і тому вона займає вертикальне положення. В електричному полі (мал. 2) на кульку, крім сили тяжіння, діятиме також сила електричної взаємодії.

---

3. Вчимося розв’язувати задачі.

Задача 92.1.  (Перейдіть за посиланням для перегляду розв’язку задачі) Електричне поле створене накладанням двох однорідних полів з напруженостями 300 В/м і 400 В/м. Визначити модуль напруженості результуючого поля, якщо силові лінії: а) спрямовані в один бік; б) протилежно спрямовані; в) взаємно перпендикулярні.

Задача 92.2.  (Перейдіть за посиланням для перегляду розв’язку задачі) Електрон під дією лише однорідного електричного поля напруженістю 182 Н/Кл рухається з прискоренням. Визначити прискорення електрона.

Задача 92.3.   (Перейдіть за посиланням для перегляду розв’язку задачі)  Маленьку кульку масою 0,3 г, яка має заряд Кл , підвішено на тонкій непровідній нитці. На яку відстань потрібно піднести знизу другу кульку з однойменним зарядом Кл , щоб натяг нитки зменшився вдвічі?

---

4. Запитання до уроку.

Запитання 92.1. Яку властивість електричного поля описує напруженість? Яку фізичну величину називають напруженістю електричного поля? Які одиниці вимірювання напруженості електричного поля?

Запитання 92.2. Що відбувається при внесенні провідника в електричне поле? Яке явище називають електростатичною індукцією?

Запитання 92.3. Як зарядити два тіла різнойменно, не доторкуючись до них зарядженим тілом?

Запитання 92.4. Чому в провіднику напруженість електричного поля дорівнює нулю? Яке призначення металевих екранів?

Запитання 92.5. Яка особливість будови діелектриків? Яке явище спостерігається при внесенні діелектрика в електричне поле?

Запитання 92.6. Чому за звичайних умов діелектрик не має електричного поля? Що відбувається при поляризації діелектрика? Як змінюється напруженість електричного поля в діелектрику при його поляризації?

Запитання 92.7. Що таке діелектрична проникність речовини? Чому діелектрична проникність різних речовин має різні значення?

Запитання 92.8. Які властивості електретів? Чому рідкі кристали змінюють фізичні властивості в електричному полі?

Запитання 92.9. На рисунку схематично зображено рамки у вигляді геометричних фігур: кола та рівносторонніх восьмикутника, трикутника й квадрата. Заряд рівномірно розподілений по довжині дротин, з яких виготовлено рамки. У якому випадку в геометричному центрі фігури напруженість поля дорівнює нулю?

Запитання 92.10. Чому рівна напруженість поля у центрі кільця, радіусом R, по якому рівномірно розподілений заряд .

Запитання 92.11. Яке електричне поле називають однорідним? неоднорідним?

Запитання 92.12. Як формулюється принцип суперпозиції полів? Яку властивість полів покладено в основу принципу суперпозиції?

---

5. Домашнє завдання.

Підручник: §.

Задача 92.4. На тіло, яке має заряд Кл, діє сила Н. Яка напруженість електричного поля в цій точці?

---

6. Перевір себе.

Тестові завдання: Тема Напруженість електричного поля.

ВАЖНО  При выполнении тестов, самостоятельных и контрольных работ в форму заносить только цифру в единицах СИ (если не указано другого), без единиц измерения и с точностью указанной в условии задачи, иначе ответ будет засчитан как не правильный

ЗАПОЛНИТЕ ФОРМУ ДЛЯ ОТВЕТА

Запитання 1.Т. Виберіть фізичну величину, яка є силовою характеристикою електричного поля:

        А. електричний заряд;

        Б. сила взаємодія зарядів;

        В. діелектрична проникність;

        Г. напруженість;

        

Запитання.2.Т. Вкажіть назву електричного поля, в кожній точці якого напруженість однакова:

        А. електростатичне;

        Б. неоднорідне;

        В. однорідне;

        Г. вихрове.

Запитання 3.Т. Виберіть одиниці напруженості електричного поля:

        А. Н/м;

        Б. В/м;

        В. В/Кл;

        Г. Н/Кл;

        Д. Нм.

Запитання 4.Т. До електроскопа, що має позитивний заряд, підносять по черзі (не торкаючись): 1 - долоню руки; 2 - позитивний заряд. Як зміниться в кожному випадку кут розходження листочків електроскопа?

А. 1 - не зміниться; 2 - зменшиться;

Б. 1 - збільшиться; 2 - зменшиться;

В. 1 - зменшиться; 2 - зменшиться;

Г.  1 - зменшиться; 2 - збільшиться.

.

Запитання 5.Т. До позитивно зарядженої кулі торкнулись: 1 - пальцем; 2 - заземленою дротиною; 3 -металічною кулькою з позитивним зарядом; 4 - нейтральною ізольованою металевою кулькою. У якому випадку електроскоп повністю розрядиться?

                А. 1, 2;

                Б. 2, 3;

                В. 3, 4;

                Г. 4, 1;

                Д. 2, 4.

Запитання 6 Т. Вкажіть назву електризації тіл під дією електричного поля:

                А. електризація тертям;

                Б. електризація дотиком;

                В. електризація через вплив;

                Г. електризація навіюванням;

ТЕМА Розв'язування задач на закон Кулона 

   24/04/2020

2. Вчимося розв’язувати задачі.

Задача 93.1.  (Перейдіть за посиланням для перегляду розв’язку задачі) Визначити напруженість поля в точці, розміщеній посередині між точковими тілами із зарядами Кл і  Кл, які розміщені на відстані 10 см одне від одного.

Задача 93.2.   (Перейдіть за посиланням для перегляду розв’язку задачі) Два точкові заряджені тіла мають заряди Кл  і Кл та перебувають на відстані 10 см одне від одного. Де потрібно розмістити третє тіло, щоб воно перебувало в рівновазі?

Задача 93.3.   (Перейдіть за посиланням для перегляду розв’язку задачі)  Легка кулька масою 0,4 г підвішена на нитці і має позитивний електричний заряд Кл. Після внесення її в електричне поле вона відхиляється на кут . Чому дорівнює напруженість електричного поля?

Задача 93.4.   (Перейдіть за посиланням для перегляду розв’язку задачі)  Два точкові тіла із зарядами  Кл і   Кл розміщені на відстані 5 см одне від одного. Знайти напруженість електричного поля в точці, яка віддалена від першого заряду на 3 см, а від другого - на 4 см.

 Задача 93.5.   (Перейдіть за посиланням для перегляду розв’язку задачі) У вершинах рівностороннього трикутника зі стороною   містяться однакові позитивні заряди, величина кожного з них дорівнює . Який заряд  слід розмістити в центрі трикутника, щоб система була в рівновазі?

Задача 93.6.   (Перейдіть за посиланням для перегляду розв’язку задачі) У вершинах квадрата із стороною   містяться однойменні позитивні точкові заряди однакової величини . Яка сила діє на позитивний точковий заряд , що міститься на середині однієї із сторін?

 Задача 93.7.  (Перейдіть за посиланням для перегляду розв’язку задачі)   На нитках завдовжки 1 м, закріплений в одній точці, причеплено дві кульки по 40 мг кожна. Після того як кулькам надали однакових за величиною зарядів, нитки розійшлися, утворивши кут . Визначте заряд кожної кульки.

---

3. Домашнє завдання.

Підручник: повторити §.

Задача 93.8. Два точкові тіла із зарядами Кл і Кл віддалені на 12 см одне від одного. У якій точці напруженість електричного поля цих тіл дорівнює нулю?

Задача 93.9. В однорідному електричному полі, утвореному двома вертикальними пластинками, розмістили кульку масою 2 г, підвішену на тонкій нерозтяжній і непровідній нитці. Кульці надали заряду Кл. Визначити напруженість електричного поля, якщо нитка відхилилася на  від вертикалі.

Тема Робота в електричному полі. 

Потенціал електричного поля

27.04.2020

Робота в електричному полі. З погляду теорії близькодії на заряд безпосередньо діє електричне поле, створене іншим зарядом. Під час переміщення заряду, діюча на нього з боку поля сила виконує роботу. Тому можна стверджувати, що заряджене тіло в електричному полі має енергію.

Розглянемо дві пластинки, розміщені вертикально. Нехай ліва пластинка заряджена позитивно, а права - негативно.

    

Обчислимо роботу, що виконується полем під час переміщення позитивного заряду q із точки А, яка знаходиться на відстані d1 від негативної пластини у точку В, розміщену на відстані d2<d1 від тієї ж пластинки. Точки А і В лежать на одній силовій лінії.

Якщо вектор переміщення позитивного заряду співпадає з вектором напруженості поля, електричне поле виконує додатну роботу, якщо протилежні - від’ємну. Для від’ємного заряду навпаки.

На ділянці шляху = d1 - d2 електричне поле виконує додатну роботу:

A == qE(d1 - d2) = - (qEd2 - qEd1)       (1)       

Робота з переміщення зарядженого тіла в електричному полі не залежить від форми траєкторії руху, а визначається положенням початкової і кінцевої точок руху.

Поля, у яких робота не залежить від форми тарєкторії і визначається лише положенням тіла в початковий і кінцевий моменти руху, називають потенціальними полями (гравітаційні, електростатичні).

            Оскільки ця робота не залежить від форми траєкторії, то вона дорівнює зміні потенціальної енергії, взятій з протилежним знаком:

A =  - Wp= - (Wp2 - Wp1)    (2)                         

Порівнюючи рівняння (1) і (2) бачимо, що потенціальна енергія заряду в однорідному електричному полі Wp = qEd, де заряд q може бути і позитивним, і негативним.

При переміщенні зарядженого тіла в електростатичному полі замкнутою траєкторією робота дорівнює нулю: A = Wp = - (Wp2 - Wp1) = 0.

Потенціал електричного поля. Потенціальна енергія в електростатичному полі пропорційна заряду (Wp = qEd), тому відношення Wp до q не залежить від вміщеного в поле заряду. Це дозволяє ввести нову кількісну характеристику поля - потенціал - відношення потенціальної енергії до заряду:

,   [φ] = В = Дж/Кл.

Потенціал - скалярна фізична величина, що є енергетичною характеристикою електричного поля і визначає потенціальну енергію заряду q в довільній точці електричного поля.

Потенціал поля в даній точці рівний тій роботі, яку виконає поле переміщуючи одиничний заряд з даної точки в нескінченність, тобто туди, де поля немає.

Напруженість електричного поля завжди спрямована в бік зменшення потенціалу.

Потенціал однорідного поля: .

Потенціал поля точкового заряду: .

Електричне поле рівномірно зарядженої кулі радіусом R, повний заряд якої q, співпадає ззовні з електричним полем точкового заряду q, поміщеного в центр кулі. Тому напруженість електричного поля і потенціал точок  поля, створеного кулею на відстанях  визначають за формулами, що відповідають напруженості електричного поля і потенціалу, точок поля, створеного точковим зарядом.

Потенціал в довільній точці поля визначають як суму потенціалів, створених окремими точковими зарядами: .

Практичне значення має не сам потенціал, а його зміна. Оскільки , то робота

,

де  - різниця потенціалів або напруга. Вона дорівнює:

 .

Різниця потенціалів (напруга) між двома точками - це фізична скалярна величина, що дорівнює відношенню роботи поля, яка виконується для переміщення заряду із початкової точки поля в кінцеву, до величини цього заряду.

Знаючи потенціал в кожній точці поля, можна знайти напруженість поля. Між напруженістю електростатичного поля E і напругою існує зв'язок. Оскільки A = qEd і A = qU, то у разі рівності лівих частин рівними будуть і праві частини цих формул. Отже, звідси

.                

Ця формула показує:

1) чим менше змінюється потенціал на відстані d, тим меншою є напруженість електричного поля;

2) якщо потенціал не змінюється, то напруженість дорівнює нулю;

3) напруженість електричного поля спрямована в бік зменшення потенціалу.

Під час переміщення заряду під кутом 90° до силових ліній електричне поле не виконує роботу, оскільки сила перпендикулярна до переміщення, а це означає, що всі точки поверхні, перпендикулярної до силових ліній, мають однаковий потенціал. Поверхні однакового потенціалу називають еквіпотенціальними.

Еквіпотенціальне поле - це геометричне місце точок однакових потенціалів.

Еквіпотенціальні поверхні однорідного поля є площинами, а поля точкового заряду - концентричними сферами.

    

Анімація. Заряди і поля.

Силові лінії, так само, як і еквіпотенціальні поверхні, якісно характеризують розподіл поля в просторі. 

Вектор напруженості електричного поля перпендикулярний до еквіпотенціальних поверхонь.

Еквіпотенціальною є будь-яка поверхня провідника в електростатичному полі.

Мал. Еквіпотенціальні лінії поля над Землею та над заземленими провідниками.

---

3. Закріплюємо теоретичний матеріал.

Вправа 94.1. Напруженість та потенціал електричного поля.

---

4. Запитання до уроку.

Запитання 94.1. За яких умов в електричному полі виконується робота?

Запитання 94.2. Від чого залежить робота в однорідному електричному полі?

Запитання 94.3. Чому робота при русі зарядженого тіла замкнутою траєкторією в електричному полі дорівнює нулю?

Запитання 94.4. Чому електростатичне поле потенціальне?

Запитання 94.5. Яку властивість поля характеризує потенціал?

Запитання 94.6. Яка поверхня називається еквіпотенціальною?

Запитання 94.7. Що називається різницею потенціалів? Які одиниці вимірювання?

Запитання 94.8. Ви помічали, що птахи люблять сидіти на проводах? Але чому ж вони не гинуть від удару струмом?

---

5. Домашнє завдання.

Підручник: §.

Тестування онлайн. Робота в електричному полі. Потенціал електричного поля. 

ЗАПОЛНИТЕ ФОРМУ ДЛЯ ОТВЕТА

Запитання 04.1.Т. Виберіть енергетичну характеристику електричного поля:

        А. напруженість поля;

        Б. потенціал;

        В. поверхнева густина заряду;

        Г. діелектрична проникність.

Запитання 04.2.Т. З точки М на поверхні зарядженої металевої сфери електричний заряд може бути переміщеним у точку К трьома різними траєкторіями: 1 - всередині сфери, 2 - поза сферою, 3 - по поверхні сфери. Під час переміщення заряду якою траєкторією робота електричного поля буде найменшою?

        А. траєкторією 1.

        Б. траєкторією 2.

        В. траєкторією 3.

        Г. на всіх траєкторіях робота однакова.

Запитання 04.3.Т. Порівняйте потенціали точок в однорідному електричному полі, зображеному на рисунку.

А .  Б.  B.  Г.

Запитання 04.4.Т.

Тема Розв’язування задач

29.04.2020

04.05.2020

2. Вчимося розв’язувати задачі.

Задача 95.1. Визначте, яку роботу виконує електричне поле при переміщенні частинки із зарядом 10 нКл з точки, потенціал якої дорівнює 700 В, у точку з потенціалом 300 В. (В. 4 мкДж)

Задача 95.2. (Перейдіть за посиланням для перегляду розв’язку задачі) На відстані 30 м від відокремленого точкового тіла потенціал його електричного поля дорівнює 3000 В. Визначити заряд цього тіла.

Задача 95.3.  (Перейдіть за посиланням для перегляду розв’язку задачі) Яке значення електричного заряду тіла, якщо при його переміщенні на 10 см в однорідному електричному полі напруженістю Н/Кл вздовж силової лінії виконано роботу Дж?

Задача 95.4.  (Перейдіть за посиланням для перегляду розв’язку задачі)  В однорідному полі напруженістю 60 кВ/м перемістили заряд 5 нКл. Переміщення дорівнює за модулем 20 см і утворює кут 600 із напрямком силової лінії. Знайти роботу поля.

Задача 95.5.  (Перейдіть за посиланням для перегляду розв’язку задачі)  Знайти опір куба, якщо опір кожного ребра R. 

---

3. Домашнє завдання.

Підручник: §  - повторити.

Задача 95.6. Тіло із зарядом Кл переміщується в полі між точками з різницею потенціалів 2000 В. Яка робота при цьому виконується?

---

Тема Провідники та діелектрики в електричному полі

05.05.2020

Провідники та діелектрики в електричному полі. За відсутності електричного поля зовнішнього походження всі молекули розміщені хаотично і здійснюють тепловий коливальний рух. Речовини, внесені в електричне поле, можуть суттєво змінити його. Це пов’язано з тим, що речовина складається з заряджених частинок.  При наявності зовнішнього поля відбувається перерозподіл заряджених частинок, і в речовині виникає власне електричне поле. 

Повне електричне поле  складається з зовнішнього поля  і  внутрішнього поля - індукційного, яке створюють заряджені частинки речовини.

Найбільш широкими класами  речовин є провідники і діелектрики. Головна особливість провідників – наявність вільних  зарядів (електронів), які беруть участь в тепловому русі і можуть пересуватися по всьому об’єму провідника під дією електричного поля.  Типові провідники – метали.

Якщо провідник, внесли в електричне поле, в ньому відбувається перерозподіл вільних зарядів, внаслідок чого на поверхні провідника виникають нескомпенсовані додатні та від’ємні заряди. Цей процес називають електростатичною індукцією, а заряди, які з’явилися на поверхні провідника – індукційними зарядами.

Повне електростатичне поле всередині провідника дорівнює нулю. Всі внутрішні ділянки провідника, внесеного в електричне поле, залишаються електронейтральними. Якщо видалити деякий об’єм, виділений всередині провідника, і утворити порожнину, то електричне поле всередині порожнини буде дорівнювати нулю.

 На цьому ґрунтується електростатичний захист – чутливі до електричного поля прилади для виключення впливу електричного поля поміщають в металеві корпуси.

а)  б)

Мал. Електричне (а)  та магнітне (б) поля навколо високовольтних ліній електропередач.

Вивчаючи електричне поле в провідниках необхідно пам’ятати наступне:

• Електричне поле всередині провідника дорівнює нулю (сумарний від’ємний заряд електронів скомпенсований додатнім зарядом іонів).
• В середині провідника, що перебуває в зовнішньому електричному полі, поле відсутнє: .
• В середині зарядженого провідника надлишкові заряди розподілені по поверхні (чим менший радіус кривизни поверхні, тим більша поверхнева густина заряду).
• Силові лінії результуючого поля поблизу поверхні провідника повинні бути спрямовані  перпендикулярно поверхні в кожній її точці.

При внесенні діелектрика в електричне поле відбувається орієнтація молекул уздовж ліній напруженості. Такий стан діелектрика називається поляризацією.

Поляризація діелектриків приводить до появи в них додаткового електричного поля. Відповідно напруженість електричного поля в діелектрику буде меншою, ніж напруженість зовнішнього поля.

Отже, діелектрик послаблює електричне поле. Внаслідок того, що в різних діелектриків це послаблення різне, для характеристики їх електричних властивостей користуються фізичною величиною, яка називається діелектричною проникністю середовища.

Діелектрична проникність середовища показує, у скільки разів напруженість електричного поля в діелектрику менша, ніж поза ним:

.

В однорідному ізотропному (однаковість фізичних властивостей речовини в усіх напрямках)  середовищі сила взаємодії між зарядами зменшується в ε разів:

 ,

а напруженіть електричного поля розраховується за формулою:

.

Діелектрична проникність суттєво залежить від хімічного складу і внутрішньої структури речовини. Завдяки цьому створені численні речовини з унікальними електричними властивостями для застосування в електронній і електрохімічній галузях виробництва.

Серед них чільне місце посідають електрети. Електрети - діелектрики, які зберігають стан поляризації за відсутності стороннього поля (аналоги постійних магнітів).  Їх використовують для виготовлення високоефективних електретних мікрофонів, елементів пам’яті для комп’ютерної техніки тощо. Відсутність заліза в цих присртоях робить їх легкими і технологічними у виробництві.

У сучасній техніці широкого поширення набули так звані рідкі кристали, які змінюють свої фізичні властивості під дією електричного поля. Так, якщо рідина, що належить до класу рідких кристалів і має полярні молекули, у звичайному стані повністю прозора, то накладання на неї електричного поля спричиняє зміни в прозорості. Це явище спостерігається, коли дивитися на дисплей мікрокалькулятора.

3. Домашнє завдання.

Підручник:  §.

Задача 96.4. Який потенціал точкового тіла з електричним зарядом 2 мкКл в точці, віддаленій від тіла на 3 м?

Задача 96.5. Яку роботу виконує однорідне електричне поле наруженістю 50 Н/кл при переміщенні тіла із зарядом 4 мкКл на 5 см у напрямі, який утворює кут  з напрямом лінії напруженості поля?

Тема Електроємність. Ємність плоского конденсатора

08.05.2020

Електроємність провідника. Якщо ми зарядимо відокремлений  провідник, (такий що розміщений достатньо далеко від інших провідників) зарядом q, то він матиме потенціал φ (зрозуміло, однаковий в усіх точках цього провідника). Будемо змінювати заряд q1, q2, q3 ...  qn і, відповідно, потенціал нашого провідника становитиме φ1,φ2,φ3, ....  φn. При цьому відношення заряду провідника до його потенціалу залишатиметься сталим. В випадку іншого за розмірами чи формою провідника це відношення буде іншим, але теж сталим.

Електроємність провідника - це величина, що характеризує його здатність накопичувати заряд і дорівнює відношенню заряду q, наданого провіднику до його потенціалу : .

Одиниця електричної ємності в СІ – фарад, [C] = Кл/В=Ф.

Оскільки заряд 1 Кл дуже великий, то й ємність 1 Ф дуже велика (наприклад, електроємність земної кулі Сз = 0,7·10-3 Ф). Тому на практиці часто використовують частки цієї одиниці:

• мікрофарад (мкФ) - Ф;
• пікофарад (пФ) - Ф.

Електроємність провідника не залежить а ні від  заряду, а ні від потенціалу, а залежить  лише від розмірів та форми провідника (тобто є його характеристикою) і від середовища, в якому знаходиться провідник (від його відносної діелектричної проникності).

Наприклад, для кулі:  якщо , то .

Під час зарядження двох провідників між ними виникає різниця потенціалів чи напруга. Із підвищенням напруги електричне поле між провідниками підсилюється. Чим меншим є зростання напруги між провідниками зі збільшенням заряду, тим більший заряд можна накопичити.  Напруга U між двома провідниками пропорційна величині електричних зарядів, утворених на провідниках. Тому відношення заряду q одного з провідників до різниці потенціалів між цими провідниками не залежить від заряду, а визначається геометричними розмірами провідників, їх формою, взаємним розміщенням та електричними властивостями навколишнього середовища.

Існують такі конфігурації провідників, при яких електричне поле виявляється зосередженим (локалізованим) лише в деякій області простору. Такі системи називаються конденсаторами, а провідники, що становлять конденсатор, – обкладками.

Система з двох провідників розділених шаром діелектрика, товщина якого мала порівняно з розмірами провідників, називається конденсатором. 

У 1745 році в Лейдені німецький фізик Евальд Юрген фон Клейст та голландський фізик Пітер ван Мушенбрук створили перший конденсатор — «лейденську банку». Назву винаходу дав французький фізик Жан-Антуан Нолле. Це була закупорена наповнена водою скляна банка, обклеєна всередині і зовні фольгою. Крізь кришку у банку був уведений металевий стрижень. Лейденська банка дозволяла накопичувати і зберігати порівняно великі заряди, порядку мікрокулона. Завдяки Лейденській банці вдалося вперше штучним шляхом отримати електричну іскру. Дослід з лейденською банкою було повторено Ж.Нолле в присутності французького короля. Вчений створив ланцюг із 180 солдатів-гвардійців, що тримались за руки, причому перший у ланцюгу тримав банку в руці, а останній — торкався дроту,

викликаючи проскакування іскри. Ймовірно, звідси бере початок термін «електричний ланцюг».          Винайдення лейденської банки стимулювало вивчення електрики та електропровідних властивостей деяких матеріалів. Досліди з лейденською банкою стали проводити фізики різних країн, а в 1746–1747 роках перші теорії лейденської банки розробили знаменитий американський вчений Бенджамін Франклін та англієць В. Уатсон. З'ясувалося, що метали — найкращі провідники електрики. Одним з найважливіших наслідків винаходу лейденської банки стало встановлення впливу електричних розрядів на організм людини, що призвело до зародження електромедицини — це було перше порівняно широке практичне застосування електрики, котре зіграло значну роль у поглибленні вивчення електричних явищ.    При проведенні досліджень з банкою було встановлено, що кількість електрики, накопиченої у банці, пропорційна до розміру обкладок і обернено пропорційна товщині ізоляційного шару. Перший плоский конденсатор створив у 1783 італійський фізик Алессандро Вольта. Відео. Створення лейденської банки в домашніх умовах

Найпростіший конденсатор – система із двох плоских провідних пластин, розташованих паралельно одна одній на малій в порівнянні з розмірами пластин відстані й розділених шаром діелектрика. Такий конденсатор називається плоским. Електричне поле плоского конденсатора в основному локалізоване між пластинами; однак, поблизу країв пластин і в навколишньому просторі також виникає порівняно слабке електричне поле, яке називають полем розсіювання. У цілому ряді завдань приблизно можна зневажати полем розсіювання й вважати, що електричне поле плоского конденсатора цілком зосереджене між його обкладками.

  

Конденсатори бувають плоскі, циліндричні, сферичні.    

   

За видом шару діелектрика розрізняють паперові, електролітичні тощо.

 

Мал. Будова паперового конденсатора.

Часто використовують конденсатори змінної ємності з повітряним або твердим діелектриком.

   

Конденсатор змінної ємності призначений для демонстрації будови і його роботи. Являє собою набір металевих чи пластмасових рухомих та нерухомих пластин, електрично з’єднаних між собою. Максимальна ємність конденсатора не менше 600 пФ. Дозволяє продемонструвати залежність електроємності конденсатора від площі перектриття рухомих і нерухомих пластин та наявності діелектрика.

• Відео. Конденсатор змінної ємності

Електроємність плоского конденсатора. Електроємність плоского конденсатора прямо пропорційна площі обкладок і обернено пропорційна відстані між обкладками.

     

• Демонстрація. Дослідження залежності електроємності конденсатора від відстані між обкладками, площі перекриття пластин, діелектричної проникності діелектрика (2 штативи з муфтами та лапками, скляна пластинка, електрометр з сферичним кондуктором, електрофорна машина, конденсатор на підставці)
• Відео. Електроємність плоского конденсатора (Час показу 1:38 хв)

Анімація. Конденсатор.

Електроємність плоского конденсатора:

   ,

S – площа пластини, d – відстань між пластинами,  – діелектрична проникність діелектрика, 8,85·10-12 Ф/м - електрична стала.

Ємність конденсатора з n пластин: 

.

Основними параметрами довільного конденсатора є його ємність і максимальна напруга, яку він може витримати без пробою діелектрика. Щоб підібрати потрібну електроємність для заданої робочої напруги, конденсатори з'єднують у батареї. Можливими є три типи з'єднань конденсаторів: послідовне, паралельне і змішане.

Паралельне з’єднання:

 

Напруги на всіх конденсаторах однакові:

U1=U2=…=Un

q = q 1+ q2 + … + qn

Тоді 

Послідовне з’єднання:

 

Заряди усіх конденсаторів при послідовному їх з’єднанні однакові :

()

Загальна електроємність:

 .

Для двох конденсаторів: .

Застосування конденсаторів. Енергія конденсаторів звичайно не дуже велика, зате вони здатні накопичувати її впродовж тривалого часу, а під час розрядження віддають її майже миттєво. Саме ці якості конденсаторів використовують найбільше на практиці. Основне застосування конденсатори знаходять в радіотехніці. Їх використовують як згладжувачі пульсацій у випрямлячах змінного струму, в електромагнітних коливальних контурах, для накопичення великої кількості енергії, під час проведення експериментів у галузі ядерної техніки і керованого термоядерного синтезу.

---

3. Запитання до уроку.

Запитання 97.1. Яка фізична величина називається електроємністю? Як обчислити електроємність окремого тіла? Одиниці вимірювання електроємності.

Запитання 97.2. Будова конденсатора. Основна властивість конденсатора. Для чого застосовують конденсатори? Історія відкриття найпростішого конденсатора.

Запитання 97.3. Будова плоского конденсатора. Як з’ясувати від яких параметрів залежить  ємність конденсатора? Формула електроємності плоского конденсатора.

Запитання 97.4. Визначення електроємності батарей паралельно та послідовно з’єднаних конденсаторів. Порівняйте значення електроємності  складових конденсаторів  батареї з електроємністю батареї при послідовному та паралельному з’єднаннях.

---

4. Домашнє завдання.

Підручник: 

5. 
   

Тестові завдання Тема Електроємність. 

Ємність плоского конденсатора

ЗАПОЛНИТЕ ФОРМУ ДЛЯ ОТВЕТА

Запитання .1.Т. За яким виразом можна обчислити ємність плоского конденсатора?                

Запитання 2.Т. Укажіть формулу, за якою визначається ємність плоского конденсатора.

                А. .

                Б. .

                B. .

                Г. .

Запитання .3.Т. На малюнку зображені схеми електричних кіл. У якому з них може проходити постійний струм?

Запитання .4.Т. На рисунку зображено схему електричного кола, що містить два однакових конденсатори і вимикач K. Перед початком експерименту конденсатор C1 було заряджено до напруги 10 В, а конденсатор C2 був розряджений. Після замикання вимикача K напруга на обох конденсаторах набула однакового значення 5 В. Про збереження якої з фізичних величин свідчить цей дослід?

А. енергії

Б. заряду.

В. напруженостi.

Г. напруги

Запитання 5.Т. Вкажіть величину, що характеризує здатність тіл накопичувати електричний заряд.

                А. напруженість поля;

                Б. діелектрична проникність;

                В. поверхнева густина заряду;

                Г. електроємність.

---

6. Для допитливих.

Інформаційна сторінка. Звідки береться потенціал електричного поля Землі? Система “Земля-Іоносфера” діє як гігантський конденсатор, ємність якого становить 1,8 Ф. Враховуючи величезний розмір площі поверхні Землі, на 1 м2 поверхні припадає всього 1 нКл електричного заряду.

Саме блискавки, які б’ють на поверхню Землі є тим джерелом, що заряджає її поверхню негативним зарядом. Блискавка має струм порядка 1800 А, а кількість розрядів і блискавок за добу становить близько 300. <<Читати детальніше>>

Тема Розв'язування задач на ємність конденсатора.

13.05.2020

2. Вчимося розв’язувати задачі.

Задача 98.1. На рисунку зображено графік залежності напруги U на конденсаторі від його заряду q. Визначте ємність конденсатора. (В: 2*10-6Ф)

Задача 98.2. (Перейдіть за посиланням для перегляду розв’язку задачі)   Конденсатор змінної електроємності складається з 12 пластин, площа кожної з них становить 10 см2. Повітряний проміжок між між сусідніми пластинами становить 1 мм. Яку максимальну ємність має конденсатор?

Задача 98.3.  (Перейдіть за посиланням для перегляду розв’язку задачі)   Конденсатор електроємністю 0,05 мкФ з’єднали з джерелом струму, внаслідок чого він отримав заряд 50 нКл. Визначити напруженість поля між пластинами кондесатора, якщо відстань між ними становить 0,5 мм.

Задача 98.5. (Перейдіть за посиланням для перегляду розв’язку задачі)  Плоский повітряний конденсатор підключено до акумулятора. Як потрібно змінити відстань між пластинами конденсатора, щоб напруженість електричного поля всередині нього зменшилася вдвічі?

Задача 98.6. Конденсатор складається з двох круглих металевих пластин радіусом 10 см, між якими розташовано пластину текстоліту товщиною 6,28 мм такого самого радіуса. Під час вимірювання електроємності фарадометр показав значення С=308 пФ. Визначте діелектричну проникність текстоліту. Уважайте, що електрична стала Ф/м. (В. 7)

---

3. Домашнє завдання.

Підручник:  - повторити.

Задача 98.7. Визначити площу аркуша алюмінієвої фольги, необхідну для виготовлення плоского конденсатора електроємністю 1 мкФ, якщо діелектриком буде парафіновий папір завтовшки 0,25 мм.

Задача 98.8. Чотири конденсатори мають електроємності 2 пФ, 5 пФ, 10пФ і 20 пФ. Визначити їх загальну електроємність при паралельному і послідовному з’єднанні.

---