ФИЗИКА

      1. ПРИРОДА И ЛЮДИ
      Воздух, вода, земля, небесные тела, растения, животные, то есть все, что нас окружает, называется природой.
      Природа существовала всегда. Она вечна: всегда была и всегда будет.
      Но на Земле многое создано человеком, его трудом и умом. Человек создал города и селения, построил фабрики и заводы, распахал поля, изобрел различные машины. Он же создал и науку, позволяющую познавать природу и использовать ее в своих целях.
      Изучая изменения, происходящие в природе, человек установил, что все они происходят в связи одно с другим — закономерно. Падение тел, например, происходит вследствие притяжения их Землей; смена дня и ночи на Земле связана с движением Земли вокруг своей оси (рис. 1); одна из причин возникновения ветра — неравномерное нагревание воздуха и т. д.
      Цель наук о природе — открыть, изучить ее законы и использовать их для нужд человека.
      Науки о природе все время развиваются. Человек все полнее и глубже узнает законы природы и находит им все больше практических применений.
      Найдя научные объяснения изменений, происходящих в природе, человек смог бороться с религией.
      В этой книге изложены начала одной из основных наук о природе — физики.
      1. Что такое природа? 2. В чем состоит роль человека в преобразовании природы? Э. В чем состоит цель наук о природе?
     
      2. ЧЕМ ЗАНИМАЕТСЯ ФИЗИКА?
      Слово физика происходит от греческого слова «фюзис», что значит «природа». Физика — наука о природе.
      Все, что происходит в природе, называют явлениями. Таяние льда, кипение воды, падение камня, свечение раскаленного волоска лампочки, молния — все это различные явления.
      В физике изучают механические, тепловые, световые, электрические явления. Все эти явления называют физическими. В физике изучают также свойства окружающих нас тел.
      Есть и другие науки, которые изучают природу: астрономия, ботаника, зоология, химия. Все эти науки используют законы физики. И это понятно почему. Двигаться в пространстве, например, может любое тело, живое и неживое, и законы движения, открытые физикой, выполняются для них одинаково. И другие перечисленные выше физические явления могуг происходить во всех телах, как неживых, так и живых. Поэтому законы физики используют в зоологии, физиологии, ботанике. В географии их применяют для объяснения климата, течения рек, образования ветров и других явлений.
      Физика — одна из самых древних наук. Первыми физиками были греческие ученые, жившие за несколько сотен лет до начала нашей эры. Эти ученые впервые пытались объяснить наблюдаемые явления природы.
      Величайшим из древних ученых был Аристотель (384—322 гг. до н. э.), который и ввел в науку слово «физика». В русский язык это слово ввел основоположник русской науки М. В. Ломоносов.
      Все, что открыто и изучено в физике, есть результат упорного труда многих ученых разных стран и народов.
      Многие важные открытия, благодаря которым развивалась физика, сделали ученые: Г. Галилей, П. Ньютон, М. В. Ломоносов, М. Фарадей, Д. П. А\енделсев, Пьер и Мария Кюри, Э. Резерфорд, А. Эйнштейн, Л. Ф. Иоффе, С. И. Вавилов, И. В. Курчатов и другие.
      Среди выдающихся русских ученых особое место в науке занимает Михаил Васильевич Ломоносов— первый русский академик. Проятвив огромное трудолюбие, М. В. Ломоносов достиг выдающихся успехов в различных областях науки. А. С. Пушкин писал о М. В. Ломоносове: «Он создал первый русский университет. Он, лучше сказать, сам был первым нашим университетом».
      1. Что такое физика? 2. Что изучают в физике? 3. Какие явления природы называют физическими? 4. Почему физику считают одной из основных наук о природе? 5. Кто ввел в науку слово «физика»?
     
      3. НЕКОТОРЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ПОНЯТИЯ
      Для описания физических явлений используют, кроме обычных слов, и специальные слова, обозначающие физические понятия. Некоторые из этих слов постепенно вошли в нашу разговорную речь, например, такие, как «электричество», «энергия», «космос». Сейчас с этими словами знакомы все, но когда-то их употребляли только в науке.
      Физическим телом (рис. 2) называют каждое из окружающих нас тел: дом, трактор, песчинку, Солнце, тело человека, каплю воды, воздух, находящийся в комнате, и т. д. Заметим, что в разговорной речи телом называют только тело человека или животного.
      Ломоносов Михаил Васильевич (1711 — 1765)
      Слово материя означает все, что существует в природе. Материя бывает в двух видах. Один вид материи называют веществом. Вещество — это то, из чего состоит физическое тело. Железо, водг£, воздух, соль, кислород и т. д — это все вещества. Вода — вещество, а капля воды — физическое тело. Алюминий — вещество, а алюминиевая ложка — физическое тело.
      Всякое физическое тело имеет форму и занимает некоторый объем.
      На рисунке 3 изображены тела разной формы, но одинакового объема, на рисунке 4 тела разного объема, но одинаковой формы.
      Примером другою вида материн, отличающегося от вещества, являются радиоволны, свет.
      1. Что понимают а физике под словами «физическое тело»?
      2. Что означает в физике слово «материя»? 3. Что называют веществом?
     
      4. НАБЛЮДЕНИЯ И ОПЫТЫ
      Каждый из нас знает, что тела падают на Землю, что лед в теплом помещении тает, а вода на морозе замерзает, магнит притягивает железо, зеркало отражает свет и т. д.
      Откуда появились у нас эти знания? Конечно, многому мы научились у других людей, но многие знания добыты нами из собственных наблюдений. Так, например, каждый из нас наблюдал, что ничем не удерживаемые тела надают на Землю. Благодаря наблюдениям накопились у нас и многие другие знания.
      Ученые тоже добывают знания из наблюдений. Кроме того, они проделывают специальные опыты. Научные опыты всегда ставят обдуманно, с определенной целью. Например, итальянский ученый Галилей, для того чтобы изучить, как происходит падение тел, ронял разные шары с наклонной башни в г. Пизе (рис. 5). Проделав такие опыты, он открыл законы падения тел.
      Опыт — источник физических знаний.
      Чтобы получить научные знания, надо еще обдумать и объяснить результаты опытов, найти причины явлений. Все это требует от исследователя напряженной умственной работы.
      Ученый-физик для своих опытов нуждается в физических приборах. Одни из них очень просты и предназначены для простых измерений. К таким приборам относятся, например, измерительная линейка (рис. 6), груз, подвешенный па нитке, который может служить отвесом (рис. 7), мензурка (рис. 8), применяемая для измерения объема жидкости, весы и другие приборы.
      По мере развития физики приборы усложнялись и совершенствовались. В физических кабинетах и лабораториях появились всевозможные измерительные приборы: амперметры, вольтметры (рис. 9), секундомеры, термометры (рис. 10) и другие.
      В наше время совместными усилиями ученых, инженеров, техников и рабочих созданы сложнейшие приборы, при помощи которых современные физики изучают строение вещества. Так, в подмосковном городе Дубне с этой целью сооружены громадные приборы — установки с очень сложным устройством. Один из них — синхрофазотрон — имеет диаметр, равный примерно 60 м на изготовление магнитов, входящих в его устройство, пошло 36 000 т стали. Мощность синхрофазотрона составляет почти четвертую часть мощности Днепровской гидроэлектростанции. На синхрофазотроне работают ученые из всех социалистических стран.
      1. Какими путями мы получаем знания о явлениях природы?
      2. Чем отличаются наблюдения от опыта, производимого ученым-физиком? 3. Достаточно ли одних опытов для того, чтобы получить научные знания? Что еще для этого требуется? 4. Какие физические приборы вы знаете?
     
      5. ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ.
      ИЗМЕРЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
      Чтобы получить возможно более точные знания о физических явлениях, нужно во время опыта производить измерения. Например, чтобы узнать, как зависит объем воды от ее температуры, нужно, нагревая воду, измерять обе эти величины. Объем и температура — примеры физических величин.
      Физическими величинами являются также длина, площадь, время, скорость, сила и другие.
      Физическую величину всегда можно измерить. Измерить какую-нибудь величину — это значит сравнить ее с однородной величиной, принятой за единицу этой величины. Так, например, измерить длину стола — значит сравнить ее с другой длиной, которая принята за единицу длины, например с метром.
      В результате измерения величины получается число, показывающее, во сколько раз эта величина больше или меньше однородной величины, принятой за единицу.
      Для каждой физической величины приняты свои единицы. Для измерения площади, например, принята единица площади (1 м2), для измерения времени— единица времени (1 сек), для измерения объема — единица объема (1 м3).
      Для удобства все страны мира стремятся пользоваться одинаковыми единицами физических величин.
      1. Что значит измерить какую-либо величину? 2. Какие единицы длины, площади и объема вы знаете?
     
      6. ФИЗИКА И ТЕХНИКА
      Изучение физических явлении имеет важное значение для техники. Так, двигатель, приводящий в движение автомобили, тракторы, тепловозы, был создан на основе изучения тепловых явлений. Со- временное кино возникло после того, как были изучены многие звуковые, световые и электрические явления.
      В свою очередь, развитие техники влияет па развитие науки. Например, космические полеты позволяют изучать явления, происходящие в околоземном пространстве.
      В развитии техники, как и пауки, большую роль сыграли работы отечественных ученых.
      Радио сейчас — важнейшее средство связи. Изобрел радио русский ученый Александр Степанович Попов. 7 мая 1895 г. он сделал сообщение об изобретении прибора, который принимал без проводов издалека электрические сигналы.
      Много сделал для развития авиации русский ученый Николай Егорович Жуковский, которого В. И. Ленин назвал «отцом русской авиации».
      Русские инженеры Павел Николаевич Яблочков и Александр Николаевич Лодыгин изобрели электрическое освещение.
      Константин Эдуардович Циолковский первым исследовал законы реактивного движения и разработал проект летательного аппарата — ракеты — для полетов с Земли на другие планеты Солнечной системы. Научные достижения Циолковского были использованы учеными и инженерами при подготовке полетов в космос.
      Всему миру известны замечательные достижения советской науки и техники. Примерами этих достижений являются создание первой в мире электростанции, работающей па атомной энергии, запуск первого в мире искусственного спутника Земли и первой космической ракеты, ставшей новой планетой Солнечной системы. Первой ракетой, которая достигла Луны, была советская ракета. Первым космонавтом был советский человек- Юрий Алексеевич Гагарин.
      Болыйой вклад в научную и техническую разработку первых полетов в космос внес советский ученый Сергей Павлович Королев.
      Развитие у нас в стране атомной энергетики связано с именем ученого Игоря Васильевича Курчатова.
      1. Какое значение имеет физика для техники? Покажите это 7 не примерах. 2. Каких ученых вы знаете? В какой области науки и техники они работали?
      Курчатов Игорь Васильевич (1903 — I960)
      Гагарин Юрий Алексеевич (1934 — 1968)
      Королев Сергей Павлович (1906—1966)
     
      ПЕРВОНАЧАЛЬНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СТРОЕНИИ ВЕЩЕСТВА
     
      7. ДЛЯ ЧЕГО НУЖНО ЗНАТЬ СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА?
      В физике не только наблюдают и описывают явления и свойства тел, но и стремятся объяснить их. Например, как объяснить, почему вода, пролитая на гладкий пол, растекается по нему, а не собирается в, каком-нибудь одном месте? Почему вода при охлаждении может превратиться в твердое тело— лед, а при нагревании — в газообразное тело — водяной пар? Почему газ легко сжать, а твердое тело и жидкость — очень трудно? Почему нагретый кусок стали легче изогнуть или расплющить, чем холодный?
      Ответить на эти и многие другие вопросы можно, но для этого нужно знать внутреннее строение вещества.
      Знания о внутреннем строении вещества позволяют не только объяснить многие физические явления. Они помогают предсказывать, как будет происходить явление, что нужно сделать, чтобы его ускорить или замедлить, то есть помогают управлять явлениями.
      Узнав внутреннее строение тел, можно объяснить их свойства, а также создать новые вещества с нужнымн человеку свойствами — твердые и прочные сплавы, жароупорные материалы. С помощью науки созданы, например, такие материалы, как пластмассы, искусственный каучук, капрон, нейлон. Все эти материалы нашли широкое применение в технике, медицине и быту.
     
      8. СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА
      Если сжать руками мяч, то объем воздуха, заполняющего мяч, уменьшится. Сжатием можно уменьшить также объем куска резины, воска. При ударе молотком по куску свинца в нем образуется вмятина и объем его немного уменьшается.
      Объем тела изменяется также при его нагревании и охлаждении.
      Па рисунке 11 изображена стеклянная колба, горлышко которой погружено в воду. При нагревании воздуха в колбе пузырьки его выходят из колбы, значит, объем воздуха увеличивается. При охлаждении колбы в нее входит вода — объем оставшегося в ней воздуха уменьшается.
      Стальной шарик, свободно проходящий через кольцо, после нагревания расширяется и застревает в кольце (рис. 12). После того как шарик охладится, его объем снова уменьшится и он пройдет сквозь кольцо.
      Расширение жидкости при ее нагревании можно обнаружить на опыте (рис. 13).
      Итак, опыты показывают, что объем тела может изменяться: уменьшаться или увеличиваться. Почему это происходит?
      Объем тел может изменяться потому, что вещества состоят из отдельных частичек, между которыми есть промежутки. Когда частички отодвигаются друг от друга, объем тела увеличивается. При сближении частичек объем уменьшается.
      Представление о размерах этих частиц дает следующий опыт (см. цветную вклейку I, вверху). Маленькую крупинку краски растворяют в воде, налитой в стакан. Затем немного окрашенной воды отливают в другой стакан и доливают его чистой водой. Во втором стакане раствор окрашен слабее, чем в первом. Из второго стакана отливают немного раствора в третий стакан и снова доливают его чистой водой. Так проделывают несколько раз и с каждым разом убеждаются, что раствор становится все более и более светлым.
      Рассмотрим последний раствор, — он хотя и очень слабо, но равномерно окрашен, следовательно, в каждой его капле содержатся частицы краски. А ведь в воде растворили очень маленькую крупинку краски, и лишь часть этой крупинки попала в последний раствор. Значит, крупинка состояла из оченьчмногнх частиц, размеры которых очень малы.
      Эти и другие наблюдения и опыты, о которых мы узнаем позже, позволяют сделать вывод, что все тела состоят из очень маленьких частиц.
      1. Какие явления показывают, что вещества состоят из частиц, разделенных промежутками? 2. Как изменяется объем тела при уменьшении или увеличении расстоянии между его частицами? 3. Как показать, что эти частицы очень малы?
     
      9. МОЛЕКУЛЫ
      О том, что вещества состоят из отдельных мельчайших частиц, люди догадывались очень давно, это утверждал еще около 2500 лет назад греческий ученый Демокрит.
      Но если в древности ученые лишь догадывались о существовании отдельных частиц вещества, то в XIX веке существование таких частиц было доказано наукой.
      Частицы, из которых состоят вещества, назвали молекулами (молекула — латинское слово, означает «маленькая масса»).
      Молекула — мельчайшая частица данного вещества.
      Каковы же размеры молекул?
      Известно, что кусок сахара можно растолочь на очень маленькие крупинки, зерно пшеницы размолоть в муку. Масло, растекаясь по воде, образует пленку, толщина которой в 40 000 раз меньше толщины человеческого волоса. Но и в крупинке муки и в толще масляной пленки содержится не одна,
      а много молекул. Значит, размеры молекул этих веществ еще меньше, чем размеры крупинки муки и толщина пленки.
      Можно привести следующие сравнения: молекула во столько же раз меньше яблока среднего размера, во сколько раз яблоко меньше земного шара. Если бы все тела стали длиннее в миллион раз (при этом рост среднего человека стал бы равен 1600 км, толщина его пальца 10 км, толщина волоса 80 м), то и тогда молекула оказалась бы размером всего в половину точки печатного шрифта этого учебника.
      Молекулы разных веществ отличаются друг от друга размерами, но все они очень малы. Современные приборы — электронные микроскопы — позволили увидеть и сфотографировать наиболее крупные из молекул (см. цветную вклейку II). Эти фотографии являются еще одним подтверждением существования молекул.
      Так как молекулы очень малы, то в каждом теле их содержится великое множество. В капле воды, например, молекул содержится в несколько десятков миллиардов раз больше, чем людей, живущих на Земле. В 1 см3 воздуха содержится такое число молекул, что если сложить столько же песчинок, то получится гора, которая закроет большой завод (рис. 14).
      Отличаются ли между собой молекулы одного и того же вещества? Отвечая на этот вопрос, будем иметь в виду такие вещества, которые не содержат примесей (например, чистая вода, не содержащая солей) и не представляют собой смесей нескольких веществ.
      В природе всетела отличаются друг от друга хоть чем-нибудь. Нет люден с одинаковыми лицами. Среди листьев, растущих на одном дереве, нет двух совершенно одинаковых. Даже в целой куче песка мы не найдем, одинаковых песчинок. Миллионы шариков для подшипников изготавливают на заводе по одному образцу, одинакового размера. Но если шарики затем измерить еще точнее, чем это делалось при обработке, то можно убедиться, что среди них не найдется и двух одинаковых.
      Многочисленные и сложные опыты показали, что молекулы одного и того же вещества одинаковы.
      Это удивительный факт. Нельзя, например, отличить воду, полученную из сока или из молока, от воды, полученной путем перегонки морской воды, так как все молекулы воды одинаковы.
      Все молекулы одного и того же вещества одинаковы.
      Молекулу вещества можно разделить на другие частицы.
      Частицы, на которые делится молекула, называют атомами. На два одинаковых атома, например, делится молекула кислорода, на три атома — молекула воды (в ее состав входят два атома водорода и один атом кислорода).
      Почему же тогда молекулу называют мельчайшей частицей данного вещества? Дело в том, что, разделив молекулу на части, уже получают атомы других веществ. Например, при делении двух моле-кул воды получаются четыре атома водорода и два Фатома кислорода. Каждые два атома водорода соединяются в молекулу водорода, а атомы кислорода — в молекулу кислорода. Это можно схематически изобразить так, как показано на рисунке 15.
      Но атомы тоже не являются неделимыми частицами, они состоят из более мелких частиц (о строении атома подробно рассказывается в учебниках физики и химии VII класса).
      1. Как называют частицы, из которых состоят вещества? 2. Из каких наблюдений следует, что размеры молекул очень малы? 3. Что вы знаете о размерах молекул? 4. Что вы знаете о со ставе молекулы воды?
      Как известно, капли маслянистой жидкости растекаются по поверхности воды, образуя тонкую пленку Может ли толщина такой пленки стать как угодно малой?
     
      10. ЯВЛЕНИЕ ДИФФУЗИИ В ГАЗАХ, ЖИДКОСТЯХ И ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ
      Многочисленные опыты показывают, что молекулы всех тел непрерывно движутся.
      Рассмотрим опыт, который можно объяснить только тем, что тела состоят из молекул и что молекулы находятся в непрерывном движении.
      В стеклянный сосуд наливают водный раствор медного купороса. Этот раствор имеет темно-голубой цвет, он тяжелее воды. Поверх раствора в сосуд очень осторожно, чтобы не смешать жидкости, наливают слой чистой воды. В начале опыта наблюдают резкую границу раздела между водой и раствором медного купороса.
      Сосуд оставляют в спокойном месте и продолжают наблюдать за границей раздела жидкостей. Через несколько дней обнаруживают, что граница раздела расплылась. Недели через две граница, отделявшая одну жидкость от другой, исчезает, в сосуде образуется однородная жидкость бледно-голубого цвета (см. цветную вклейку I, внизу). Значит, жидкости перемешались.
      Явление, при котором вещества сами собой смешиваются друг с другом, называют диффузией.
      Это явление объясняют так (рис. 16). Сначала обмениваются местами вследствие своего движения отдельные молекулы воды и медного купороса, находящиеся около границы раздела этих жидкостей. Граница раздела жидкостей становится расплывчатой, потому что, благодаря такому обмену местами, молекулы медного купороса попадают в нижний слой воды н, наоборот, молекулы воды попадают в верхний слой раствора медного купороса. Затем часть этих молекул обменивается местами с моле-кулами, лежащими в следующих слоях. Граница раздела жидкостей становится еще более расплывчатой. Так как молекулы движутся непрерывно и беспорядочно, то этот процесс продолжается до тех пор, пока раствор не становится однородным.
      В газах диффузия происходит быстрее, чем в жидкостях. Если в комнату внести какое-нибудь пахучее вещество, например нафталин, то очень скоро запах нафталина будет ощущаться во всех частях комнаты. Значит, туда проникают молекулы нафталина — происходит диффузия. Молекулы нафталина, сталкиваясь с молекулами воздуха и двигаясь во все стороны беспорядочно, разлетаются по комнате во всех направлениях.
      Явление диффузии происходит и в твердых телах, но очень медленно. В одном из опытов гладко отшлифованные пластинки свинца и золота положили одну на другую и сжали грузом. При обычной комнатой температуре (около 20° С) за 5 лет золото и свинец срослись, взаимно проникнув друг в друга на расстояние 1 мм. Получился тонкий слой из сплава золота со свинцом.
      Диффузия имеет большое значение в жизни человека и животных. Так, например, кислород из окружающей среды благодаря диффузии проникает внутрь организма через кожу человека. Питательные вещества благодаря диффузии проникают из кишечника в кровь животных.
      1. Что такое диффузия? Опишите опыт, в котором наблюдают диффузию жидкостей. 2. Как объясняется диффузия с точки зрения молекулярного строения вещества? 3. Какое значение имеет диффузия для процессов дыхания человека и животных?
      1. На каком явлении основана засолка огурцов, капусты, рыбы и других продуктов?
      2. В воде рек, озер и других водоемов всегда содержатся молекулы газов, входящих в состав воздуха. Благодаря какому явлению попадают эти молекулы в воду? Почему они проникают до дна водоема? Опишите, как происходит при этом перемешивание воздуха с водой.
     
      11. БРОУНОВСКОЕ ДВИЖЕНИЕ
      дополнительного К числу опытных доказательств того, что моле-чтения кулы движутся, относится явление, которое наблюдал в 1827 г. английский ученый Броун, рассматривая в микроскоп споры растений.
      Для оныга можно пользоваться также краской или тушью, растертой предварительно до таких мельчайших крупинок, что их можно увидеть лишь в микроскоп. Краску надо размешать в воде и полученную смесь рассматривать в микроскоп (рис. 17).
      Если проделать такой опыт, то можно увидеть, что крупинки краски непрерывно движутся. Самые мелкие из них перемешаются из одного места раствора в другое и при этом движутся беспорядочно. Более крупные лишь колеблются. Наблюдаемое движение крупинок краски называют броуновским движением.
      Наблюдения показывают, что броуновское движение никогда не прекращается. В капле воды (если не давать ей высохнуть) движение крупинок можно наблюдать в течение многих дней, месяцев, лет. Оно не прекращается ни летом, ни зимою, ни днем, ни ночью.
      Причина броуновского движения заключается в непрерывном, никогда не прекращающемся движении молекул той жидкости, в которой находятся крупинки краски. Конечно, крупинки краски во много раз крупнее самих молекул, и когда мы видим под микроскопом движение крупинок, то не следует думать, что мы видим движение самих молекул. Молекулы нельзя видеть в обычный микроскоп, но об их существовании и движении мы можем судить по тем ударам, которые они производят, толкая крупинки краски и заставляя их двигаться.
      Можно привести такое сравнение. Группа людей играет на воде в огромный мяч. Они толкают мяч руками, и от толчков мяч двигается то в одном, то в другом направлении. Если наблюдать эту игру издали, то людей не будет видно, а беспорядочное движение мяча будет казаться происходящим как будто без причины.
      Так же мы не видим молекул, но понимаем, что от их толчков непрерывно и беспорядочно двигаются крупинки краски.
      Открытие броуновского движения имело большое значение для изучения строения вещества. Оно показало, что тела действительно состоят из отдельных частиц — молекул и что молекулы находятся в непрерывном беспорядочном движении.
     
      12. СКОРОСТЬ ДВИЖЕНИЯ МОЛЕКУЛ И ТЕМПЕРАТУРА ТЕЛА
      Вокруг нас происходят различные физические явления, которые связаны с нагреванием и охлаждением тел, а также с переходом тел из одного состояния в другое. К таким явлениям относятся, например, нагревание и охлаждение воздуха, таяние льда, плавление металлов. Эти явления называют тепловыми.
      Мы знаем, что при нагревании холодная вода сначала становится теплой, а затем горячей. Нагретая печь постепенно охлаждается, а воздух в комнате нагревается.
      Словами «холодный», «теплый», «горячий» мы указываем на различную степень нагретости тел, или, как говорят в физике, на различную температуру тел.
      Температура горячей воды выше температуры холодной. Зимой температура воздуха на улице ниже, чем летом.
      Температуру тела, как известно, измеряют термометрами. Единицей температуры является градус.
      Если наблюдать диффузию жидкостей в двух сосудах, один из которых в начале опыта помешен в холодное место, а другой в теплое, то можно обнаружить, что диффузия при более высокой температуре происходит быстрее. Это означает, что скорость движения молекул и температура тела связаны между собой.
      Чем быстрее движутся молекулы тела, тем выше его температура.
      Теплая вода состоит из таких же молекул, как и холодная. Разница между ними заключается в том, что молекулы теплой воды движутся с большими скоростями, чем молекулы холодной воды.
      1. Какие тепловые явления вы знаете? 2. Что означает слово «температура»? 3. Как протекает диффузия при более высокой и более низкой температурах? 4. Как связана температура тела со скоростью движения его молекул? 5. Чем отличается движение молекул холодной и теплой воды?
      1. Почему сахар и соль быстрее растворяются в горячей воде, чем в холодной?
      2. В каком рассоле — горячем или холодном — быстрее просаливаются огурцы? Почему?
     
      13. ВЗАИМНОЕ ПРИТЯЖЕНИЕ МОЛЕКУЛ
      Мы видим, что твердые тела и жидкости не распадаются на отдельные молекулы, несмотря на то что молекулы разделены промежутками и находятся в непрерывном беспорядочном движении. Значит, есть причины, удерживающие молекулы друг около друга, не позволяющие им разлетаться.
      Тела не только не распадаются на отдельные молекулы, но твердое тело даже трудно растянуть или разломать. Чем же объяснить, что молекулы в телах не только удерживаются друг около друга, но и в некоторых случаях промежутки между ними трудно увеличить?
      Дело в том, что между молекулами существует взаимное притяжение. Каждая молекула притягивает к себе соседние молекулы и сама притягивается к ним.
      Разломим кусочек мела на две части и снова составим их. Они не будут удерживаться друг около друга. Почему?
      Притяжение между молекулами становится заметным лишь тогда, когда они находятся очень близко одна от другой. Уже на расстояниях, несколько больших размеров самих молекул, притяжение молекул значительно ослабевает. Ничтожно малой щели между частями мела (меньше 0,000001 см) уже достаточно, чтобы притяжение между молекулами сильно ослабло. Но куски мягкого материала, например замазки, слипаются легко. Это происходит потому, что куски замазки можно сблизить на такое расстояние, на котором действует притяжение молекул.
      Кусочки расколотого стекла не слипаются друг с другом. Но если края осколков нагреть так, что они начнут плавиться, то их можно прочно соединит!». На этом основано действие жидкого припоя, который употребляют при пайке металла.
      Два куска свинца, приложенные друг к другу свежими срезами, слипаются и не разрываются даже при сравнительно большой нагрузке (рис. 18).
      1. Почему твердые и жидкие тела не распадаются сами собой на отдельные молекулы? 2. При каких условиях притяжение между молекулами заметно? 3. Почему два куска мела не соединяются при сдавливании, а два куска замазки или свинца соединяются?
      Разрежьте пополам картофелину или яблоко. Прижмите половинки друг к другу. Объясните, почему они не распадаются.
     
      14. ТРИ СОСТОЯНИЯ ВЕЩЕСТВА
      Зимой вода на поверхности озер и рек замерзает, переходит в твердое состояние — лед. Подо льдом вода остается жидкой (рис. 10). Здесь мы можем одновременно видеть два различных состояния воды — твердое (лед) и жидкое (вода). Существует и третье состояние воды — газообразное: невидимый водяной пар находится в окружающем пас воздухе.
      Жидкую ртуть можно увидеть в резервуаре термометра. Над поверхностью ртути находятся ее пары, они представляют собой газообразное состояние ртути. При температуре —39° С ртуть отвердевает — переходит в твердое состояние.
      На примере воды и ртути мы видим, что вещества в природе могут находиться в трех состояниях — твердом, жидком и газообразном.
      В условиях, в которых мы живем, большинство веществ нельзя наблюдать одновременно в разных состояниях.
      Вещество, находящееся в твердом состоянии, называют твердым телом.
      Например, застывшее стекло, лед, твердый кислород — твердые тела.
      Твердое тело очень трудно сжать, оно сохраняет свой объем. И для изменения формы твердого тела, например, чтобы согнуть его, сдавить или разорвать, нужно приложить усилие (рис. 20).
      Сохранение формы и объема — свойство твердых тел.
      Вещество, находящееся в жидком состоянии, называют, жидкостью.
      Жидкость легко меняет свою форму, она принимает форму того сосуда, в который ее наливают. В обычных условиях только маленькие капельки жидкости имеют свою форму — форму шарика. Например, такие шарообразные капельки воды можно видеть при выпадении росы (рис. 21).
      Нужно небольшое усилие, чтобы отделить одну часть жидкости от другой. Опуская руку в воду, мы легко раздвигаем части воды, разбрызгиваем ее.
      Легко изменить форму жидкости, но нелегко изменить ее объем. Он не только сохраняется при переливании жидкости из одного сосуда в другой, но очень мало меняется при значительном ее сжатии. Сохранилось описание одного исторического опыта, в котором воду пробовали сжать таким способом: ее налили в свинцовый шар и шар запаяли, чтобы вода не могла выливаться при сжатии. После этого ударили по свинцовому шару тяжелым молотом, чтобы шар сжался и сжал воду. И что же? Вода не сжалась, она просочилась сквозь стенки шара.
      Итак, у всех жидкостей есть общие свойства — жидкости легко меняют свою форму и сохраняют неизменным объем. Этими свойствами жидкостей пользуются, когда изготавливают посуду из жидкого стекла (рис. 22).
      Вещество, находящееся в газообразном состоянии, называют газом.
      Многие газы прозрачны и бесцветны, поэтому мы их не видим. Мы не видим, например, воздух. Но можно обнаружить, что он окружает нас. При быстром движении, находясь в автомобиле, поезде, а также когда дует ветер, мы замечаем присутствие воздуха вокруг нас.
      Опустим в воду перевернутый вверх дном стакан,— вода не войдет в стакан, потому что он занят воздухом. Если опускать в воду воронку, соединенную резиновым шлангом со стеклянной трубкой (рис. 23), то воздух будет выходить из воронки через трубку. Оба эти опыта показывают, что газы занимают объем. Объем газа довольно легко изменить— в этом существенная разница между жидкостью и газом. Газ может быть сильно сжат. Даже руками можно сжать воздух в мяче так, что объем его заметно уменьшится.
      Форму газа тоже легко изменить. Газы принимают форму того помещения или сосуда, в котором находятся: комнаты, баллона, бутыли.
      Укажем еще одно свойство газов, которое отличает их от твердых тел и жидкостей: газ всегда целиком заполняет сосуд, в который его помещают. Если соединить сверху два баллона, один из которых наполнен газом, а другой — пустой, то часть газа сейчас же перейдет во второй баллон. Если же первый баллон наполнить жидкостью или поместить туда твердое тело, то, конечно, и жидкость, и твердое тело не перейдут во второй баллон.
      Итак, газы имеют следующие общие свойства: не оказывают сопротивления изменению формы, сжимаемы в тысячи раз более, чем жидкости, и не имеют собственного объема — заполняют нацело весь предоставленный им объем.
      Так как все тела могут переходить из одного состояния в другое, то нельзя говорить, что одни тела бывают только твердыми, другие — жидкостями или газами. Если вас спросят, к каким телам относится, например, олово, не торопитесь отвечать, что оно всегда является твердым телом. Ведь от окружающих условий зависит, в каком состоянии находится вещество: в твердом, жидком или газообразном.
      1. Приведите примеры твердого, жидкого и газообразного состояний вещества. 2. Назовите общие свойства твердых тел.
      3. Какие жидкости вы знаете? Перечислите общие свойства жидкостей. 4. Каковы общие свойства газов? 5. Можно ли утверждать, что ртуть всегда жидкость, олово — твердое тело, а кислород — газ?
      1. Тело сохраняет свой объем, но легко меняет форму. В каком состоянии находится вещество, из которого состоит это тело?
      2. Почему нельзя наполнить газом половину сосуда?
      3. Тело сохраняет свой объем и форму. В каком состоянии находится вещество, из которого состоит это тело?
     
      15. РАЗЛИЧИЕ В МОЛЕКУЛЯРНОМ СТРОЕНИИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ, ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ
      Лед, вода и водяной пар —три состояния одного и того же вещества — воды. Значит, молекулы льда, воды и водяного пара не отличаются друг от друга.
      Следовательно, эти три состояния различаются не молекулами, а тем, как молекулы расположены и как движутся. Как же расположены и как движутся молекулы газа, жидкости и твердого тела?
      Опыты показывают, что газ можно сжать так, что его объем уменьшится в несколько раз. Значит, в газах расстояния между молекулами большие, много больше размеров самих молекул. В среднем расстояния между молекулами газов таковы, что между каждыми двумя его молекулами может поместиться десять молекул. На таких расстояниях молекулы очень слабо притягиваются друг к другу. Поэтому-то газы не имеют собственной формы и постоянного объема. Нельзя наполнить газом, например, половину бутылки (рис. 24, а) или стакана, так как, двигаясь во всех направлениях и почти не притягиваясь друг к другу, молекулы быстро заполнят весь сосуд (рис. 24,6).
      Несжимаемость жидкостей объясняется тем, что промежутки между их молекулами малы — молекулы в жидкостях упакованы так плотно, что расстояние между каждыми двумя молекулами меньше самой молекулы.
      Но на таких расстояниях уже действует притяжение молекул друг к другу. Поэтому молекулы в жидкостях, хотя и движутся с большими скоростями, но, удерживаемые притяжением, не расходятся на большие расстояния. Жидкость не занимает весь предоставленный ей объем.
      Однако притяжение между молекулами жидкостей не настолько велико, чтобы жидкости сохраняли свою форму и были прочными, как твердые тела, поэтому жидкости принимают форму сосуда и их легко разбрызгать, перелить, отделить одну их часть от другой.
      Твердые тела прочны, они сохраняют и объем и форму. Некоторые из них имеют естественную, иногда правильную очень сложную и красивую форму, например снежинки (рис. 25.4). Чем это объясняется?
      Частицы (молекулы или атомы) большинства твердых тел, таких, как лед, соль, нафталин, металлы, расположены в определенном порядке. Такие твердые тела называют кристаллическими. Хотя частицы таких тел и находятся в движении, но каждая из них движется около определенной точки, подобно маятнику часов, то есть колеблется. Частица не может переместиться далеко от этой точки, поэтому твердое тело не растекается. Упорядоченным расположением молекул льда объясняется красивая форма снежинки.
      На рисунке 25. 1. 2. 3 изображено расположение частиц в кристаллах льда, поваренной соли и йода, на вклейке II — в кристалле золота.
      На цветной вклейке I, в середине, показано расположение молекул одного и того же вещества— воды — в разных состояниях: твердом (лед), жидком (вода) и газообразном (водяной пар).
      И в газах, и в жидкостях, и в твердых телах молекулы находятся в непрерывном беспорядочном движении. Но так как расстояния .между молекулами и взаимное притяжение их во всех случаях различны, то различен и характер движения молекул.
      В газах, например, в атмосферном воздухе, где межмолекулярные промежутки сравнительно велики, каждая молекула движется некоторое время по прямой линии, затем сталкивается с другой молекулой и меняет направление своего движения. Таких столкновений она испытывает несколько миллиардов в секунду.
      В жидкости молекула от одного до другого столкновения проходит расстояние, меньшее размеров самих молекул.
      В твердых телах из-за большого взаимного притяжения молекулы лишь колеблются около некоторого среднего положения, и только изредка переходят из одного места в другое.
      1. Имеется ли отличие между молекулами льда, воды и водяного пара? 2. Как расположены молекулы газов? 3. Почему газы заполняют весь предоставленный им объем? 4. Чем объясняется очень малая гжимаемость жидкостей? Почему они не сохраняют свою форму? 5. Почему кристаллические твердые тела хорошо сохраняют свою форму и объем?
     
      16. М. В. ЛОМОНОСОВ О СТРОЕНИИ ВЕЩЕСТВА
      Среди многочисленных трудов М. В. Ломоносова были сочинения о строении вещества, в которых он высказывал идеи, опередившие развитие науки более чем на сто лет. Он одним из первых указал, что тепловые явления связаны с изменением в движении и расположении невидимых частиц, из которых состоят тела. Объясняя, почему мы пе видим этого движения, он писал, «...нельзя также отрицать движения там, где глаз его не видит, кто будет отрицать, что движутся листья и вегви деревьев в лесу при сильном ветре, хотя издали он не заметит никакого движения. Как здесь из-за отдаленности, так и в горячих телах, вследствие малости частичек вещества, движение скрывается от взоров».
      А вот как представлял себе М. В. Ломоносов строение газов: частицы воздуха «сталкиваются с другими соседними в беспорядочной взаимности, отскакивают друг от друга и снова сталкиваются с другими, более близкими, снова отскакивают, так что стремятся рассыпаться во все стороны, постоянно отталкиваемые друг от друга такими очень частыми взаимными ударами».
      М. В. Ломоносов правильно объяснял и многие другие явления. Эти объяснения в некоторых случаях сходны с современными.
      Расположение атомов твердого золота (снимок сделан прн помощи электронного микроскопа).
     
      17. МЕХАНИЧЕСКОЕ ДВИЖЕНИЕ
      Тела, как мы знаем, состоят из молекул. Молекулы находятся в непрекращающемся движении.
      Движение всех молекул тела — очень сложное движение, так как молекул очень много и движутся они беспорядочно.
      Чтобы больше узнать о таком сложном движе-нии, как движение молекул, нужно сначала рассмотреть более простые виды движения.
      Чтобы судить о том, движется тело или нет, надо посмотреть, меняется ли с течением времени положение этого тела среди окружающих его других тел. Если, например, положение автомобиля меняется относительно домов или деревьев, то говорят, что автомобиль движется относительно этих тел. Вода в реке движется относительно берегов, поезд — относительно полотна железной дороги.
      Изменение положения тела в пространстве относительно других тел называют механическим движением.
      Человек, сидящий в поезде, движется относительно полотна железной дороги, но находится в покое относительно вагона поезда. Поэтому, говоря о движении тела, обязательно указывают, относительно каких тел происходит это движение.
      Движение относительно Земли человека, автомобиля, самолета (рис. 26), ракеты, лодки, полет птиц, течение воды, ветер — все это примеры механических движений. Движение отдельной молекулы является также механическим движением.
      Перемещаясь из одной точки в другую, тело Движется по некоторой линии. Линию, по которой движется тело, называют траекторией движения этого тела.
      Траектория движения молекулы газа — ломаная линия (рис. 27).
      Видимую траекторию — светящийся след — оставляет на ночном небе падающий метеор (рис. 28).
      Длину траектории, по которой движется тело в течение некоторого промежутка времени, называют пройденным путем за этот промежуток времени. На рисунке 29 показана траектория лыжника, спустив шегося с горы. Длина траектории ОА есть путь, пройденный лыжником за время спуска с горы
      Пройденный путь — физическая величина. Для его измерения служат единицы длины — метры, километры, сантиметры.
      1. Что называют механическим движением? 2. Почему нужно указывать, относительно каких тел движется тело? 3. Что такое траектория движения? 4. Что называют путем, пройденным за некоторый промежуток времени?
      1. Укажите, относительно каких тел пассажир движущегося поезда находится в покое, относительно каких тел он движется.
      2. Лодка плывет по течению реки. Почему в тумане, не видя берегов, нельзя указать направление движения лодки?
      3. Какую линию представляет собой траектория движения кониа часовой стрелки?
      4. Легкоатлет на соревнованиях бежит по беговой дорожке стадиона. От чего отсчитывают и как измеряют пройденный им путь?
      Измерьте длину своего шага и, пользуясь этой мерой, определите, какой путь вы проходите по школьному коридору. Заметьте время своего движения.
     
      18. РАВНОМЕРНОЕ И НЕРАВНОМЕРНОЕ ДВИЖЕНИЯ
      Равномерным движением называют такое движение, при котором тело за любые одинаковые промежутки времени проходит одинаковые пути.
      Если автомобиль за любые одинаковые промежутки времени проходит одинаковые пути: за каждый час — 60 км, за каждые полчаса — 30 км, за каждую четверть часа — 15 км и т. д. вплоть до минут, секунд, долей секунды, то его движение равномерное.
      На рисунке 30 изображена тележка, на которой установлена капельница. Из капельницы через одинаковые промежутки времени падают капли. Расстояния между следами, оставленными каплями на бумаге, одинаковы. Следовательно, тележка за одинаковые промежутки времени проходит одинаковые пути.
      Если приоткрыть кран капельницы больше, то капли будут падать чаще, промежутки времени между их падениями станут меньше. Но и в этом случае следы капель будут находиться на одинаковых расстояниях друг от друга. Значит, и за меньшие равные промежутки времени тележка проходит равные пути, поэтому ее движение равномерное.
      Равномерное движение встречается в природе очень редко. Довольно близким к равномерному движению является движение Земли вокруг своей оси, движение стрелок точных часов. Молекула газа от одного соударения до другого движется также равномерно.
      Большинство же движений не является равномерным. Например, поезд, отходя от станции, проходит за одинаковые промежутки времени все большие и большие пути. Подходя к станции, он, наоборот, проходит за одинаковые промежутки времени все меньшие пути. Конькобежец, участвуя в соревнованиях, тратит на прохождение одинаковых кругов различное время. Движение поезда и конькобежца — это примеры неравномерного движения.
      При неравномерном движении тело за одинаковые промежутки времени проходит неодинаковые пути.
      Неравномерное движение тележки можно так же наблюдать на опыте (рис. 31). По следам, оставляемым каплями, падающими через одинаковые промежутки времени, видно, что движение тележки неравномерное. Ведь капли падают через одинаковые промежутки времени, а расстояния между следами капель неодинаковы.
      1. Какое движение называют равномерным? 2. Приведите примеры движений, близких к равномерным. 3. На каком опыте можно наблюдать равномерное движение? 4. Приведите пример неравномерного движения. S. Какое движение называют неравномерным?