Физика 7 класс (Казахстан): Просто о сложном

Введение в физику: физические величины, измерения и строение вещества

Физика — это одна из самых древних и удивительных наук. Само слово «физика» происходит от греческого physis, что означает «природа». Впервые этот термин появился в трудах величайшего мыслителя древности Аристотеля в IV веке до нашей эры. В русский язык слово «физика» ввел Михаил Васильевич Ломоносов, когда издал первый учебник физики в России.

Физика изучает мир, в котором мы живем, и законы, которым этот мир подчиняется. Почему гремит гром? Почему лед тает в тепле? Почему магнит притягивает железо, но не притягивает дерево? На все эти вопросы отвечает физика.

Физические явления

Все изменения, происходящие в природе, называются явлениями. В физике мы изучаем физические явления. Это такие изменения, при которых вещество не превращается в другое вещество (в отличие от химии), но меняется его состояние, положение или форма.

Физические явления делятся на несколько основных групп:

* Механические: движение автомобиля, падение камня, вращение Земли вокруг Солнца. * Тепловые: таяние льда, кипение воды, нагревание утюга. * Электрические: молния, работа компьютера, электрический ток в проводах. * Магнитные: притяжение магнитом скрепок, поворот стрелки компаса на север. * Световые (оптические): свет от лампы, радуга, отражение в зеркале. * Звуковые: музыка, гром, разговор людей.

!Примеры физических явлений: электрические, тепловые, механические, световые и магнитные

Часто одно и то же событие включает в себя сразу несколько явлений. Например, удар молнии — это и электрическое явление (разряд), и световое (вспышка), и звуковое (гром), и даже тепловое (воздух сильно нагревается).

Наблюдения и опыты

Как физики изучают природу? У них есть два главных метода: наблюдение и опыт (эксперимент).

Наблюдение — это когда мы просто смотрим на явление и не вмешиваемся в него. Например, мы можем наблюдать за движением облаков или за тем, как падает лист с дерева. Мы не трогаем их, просто фиксируем факты.

Опыт (эксперимент) — это когда мы специально создаем условия, чтобы изучить явление. Мы не ждем, пока яблоко упадет само, а берем мяч и бросаем его, засекая время падения секундомером. Эксперимент позволяет повторять явление много раз и менять условия (бросать мяч с разной высоты).

Физические величины и их измерение

В физике мало просто сказать «камень тяжелый» или «машина едет быстро». Эти слова неточны. Для одного человека камень тяжелый, для другого — легкий. Чтобы быть точными, физики используют физические величины.

Физическая величина — это характеристика тела или явления, которую можно измерить числом. Длина, масса, время, скорость, температура, объем — всё это физические величины.

Что значит «измерить»?

> Измерить какую-либо величину — это значит сравнить её с однородной величиной, принятой за единицу.

Например, измерить длину стола — значит сравнить его длину с эталоном метра и узнать, сколько раз метр укладывается в длине стола.

Международная система единиц (СИ)

В прошлом в разных странах использовали разные единицы: дюймы, футы, аршины, версты. Это было неудобно для науки и торговли. Поэтому в 1960 году была принята Международная система единиц (СИ — Система Интернациональная). В Казахстане, как и в большинстве стран мира, используют именно её.

Основные единицы СИ, которые вам нужно запомнить прямо сейчас:

| Величина | Обозначение | Единица измерения (СИ) | Обозначение единицы | | :--- | :---: | :--- | :---: | | Длина | (эль) | метр | м | | Время | | секунда | с | | Масса | | килограмм | кг |

Часто нам приходится использовать приставки для обозначения больших или маленьких величин: * кило (к) = 1000 (километр = 1000 метров) * санти (с) = 0,01 (сантиметр = 0,01 метра) * милли (м) = 0,001 (миллиметр = 0,001 метра)

Измерительные приборы и цена деления

Для измерений используют приборы: линейку, мензурку (для объема жидкости), секундомер, термометр, весы.

У большинства приборов есть шкала — это штрихи и цифры. Чтобы правильно провести измерение, нужно сначала определить цену деления прибора. Цена деления — это значение наименьшего деления шкалы (расстояние между двумя соседними штрихами).

Как найти цену деления ()?

где: * — цена деления прибора; * — большее значение, подписанное цифрой на шкале; * — меньшее значение, подписанное цифрой (соседнее с ); * — количество делений (промежутков) между этими двумя цифрами.

Пример: Представьте линейку. Вы берете два соседних числа, например, 5 см и 6 см. Разница между ними: см. Между этими цифрами 10 маленьких делений.

Значит, каждое маленькое деление на такой линейке равно 1 мм.

!Определение цены деления мензурки: разность значений делится на количество промежутков

Любое измерение невозможно выполнить абсолютно точно. Всегда есть погрешность. Обычно считают, что погрешность измерения равна половине цены деления шкалы прибора.

Строение вещества

Почему вода течет, а камень твердый? Почему запах духов распространяется по комнате? Чтобы понять это, нужно заглянуть внутрь вещества.

Еще 2500 лет назад древнегреческий ученый Демокрит предположил, что все тела состоят из мельчайших частиц. Он назвал их атомами (что значит «неделимый»). Сегодня мы знаем, что вещества состоят из молекул и атомов.

* Молекула — мельчайшая частица вещества, сохраняющая его химические свойства. Молекулы состоят из атомов. * Атом — еще более мелкая частица, из которых строятся молекулы.

Молекулы одного и того же вещества одинаковы. Молекула воды во льду, в паре и в стакане чая — это одна и та же молекула (). Разница лишь в том, как они расположены и как двигаются.

Три главных положения о строении вещества:

Все вещества состоят из частиц (молекул, атомов).

Эти частицы находятся в непрерывном беспорядочном движении.

Частицы взаимодействуют друг с другом (притягиваются и отталкиваются).

Доказательства движения молекул

Мы не видим молекулы глазом, они слишком малы. Но мы видим результаты их движения.

1. Диффузия

Если брызнуть духами в одном углу комнаты, через некоторое время запах почувствуется в другом. Это происходит из-за диффузии.

Диффузия — это явление взаимного проникновения молекул одного вещества в промежутки между молекулами другого вещества.

Диффузия происходит: * В газах: очень быстро (запахи). * В жидкостях: медленнее (если капнуть чернила в воду, они расплывутся не мгновенно). * В твердых телах: очень медленно (нужны годы, чтобы золото и свинец, плотно прижатые друг к другу, «смешались» на миллиметр).

Важно: Скорость диффузии зависит от температуры. В горячей воде чай заваривается быстрее, потому что молекулы горячей воды движутся быстрее и активнее проникают в чаинки.

2. Броуновское движение

В 1827 году ботаник Роберт Броун смотрел в микроскоп на пыльцу растений в воде. Он увидел, что частички пыльцы постоянно хаотично дергаются. Это не было живым движением. Причина в том, что невидимые молекулы воды постоянно ударяют пыльцу со всех сторон. Эти удары и заставляют её двигаться.

Броуновское движение — это тепловое движение взвешенных в жидкости (или газе) частиц.

Агрегатные состояния вещества

В природе вещества встречаются в трех основных состояниях: твердом, жидком и газообразном. Различие между ними кроется не в самих молекулах, а в их расположении и движении.

!Расположение молекул в твердых телах, жидкостях и газах

Твердые тела

* Строение: Молекулы расположены в строгом порядке (кристаллическая решетка). Они плотно упакованы и сильно притягиваются друг к другу. Они не могут свободно перемещаться, только колеблются (дрожат) на своих местах. * Свойства: Сохраняют объем и форму. Их очень трудно сжать.

Жидкости

* Строение: Молекулы расположены близко друг к другу, но строгого порядка нет. Они могут перескакивать с места на место (поэтому жидкость течет). * Свойства: Сохраняют объем, но не сохраняют форму (принимают форму сосуда). Жидкости практически несжимаемы.

Газы

* Строение: Расстояния между молекулами во много раз больше размеров самих молекул. Силы притяжения между ними очень слабые. Молекулы летают с огромными скоростями по всему доступному пространству. * Свойства: Не сохраняют ни форму, ни объем. Занимают весь предоставленный объем. Легко сжимаются.

Итоги

* Физика изучает физические явления (механические, тепловые, электрические и др.) и законы природы. * Для изучения природы используют наблюдения и эксперименты. Результаты экспериментов выражают через физические величины (длина, масса, время), которые измеряют в системе СИ (метры, килограммы, секунды). * Чтобы измерить величину прибором, нужно знать его цену деления (). Точность измерения ограничена погрешностью. * Все вещества состоят из молекул и атомов, которые постоянно движутся и взаимодействуют. Доказательства движения молекул — диффузия и броуновское движение. * Состояние вещества (твердое, жидкое, газ) зависит от того, как расположены молекулы и как сильно они взаимодействуют. Твердые тела сохраняют форму и объем, жидкости — только объем, газы — ничего.

Движение и взаимодействие тел: скорость, инерция, масса и плотность

В предыдущей главе мы узнали, что все тела состоят из мельчайших частиц, которые находятся в непрерывном движении. Но в физике нас интересует не только движение невидимых молекул, но и движение самих тел: автомобилей, планет, футбольных мячей и даже нас самих.

Почему, когда автобус резко тормозит, пассажиры наклоняются вперед? Почему маленький стальной шарик тяжелее большого куска пенопласта? Как правильно рассчитать время пути, если известна скорость? В этой статье мы разберем эти вопросы, опираясь на законы механического движения.

Механическое движение

Посмотрите вокруг. Некоторые предметы неподвижны (дом, дерево, гора), а другие движутся (птица, река, автомобиль). Но так ли это на самом деле?

Представьте, что вы сидите в поезде, который плавно трогается с места. Если вы посмотрите в окно на другой поезд, стоящий на соседнем пути, вам может показаться, что поехали не вы, а он. Или представьте, что вы сидите за партой. Вы неподвижны? Относительно парты — да. Но относительно Солнца вы мчитесь вместе с планетой Земля со скоростью 30 километров в секунду!

> Механическое движение — это изменение положения тела в пространстве относительно других тел с течением времени.

Главное слово здесь — относительно. Нельзя просто сказать «тело движется». Нужно уточнить: относительно чего? Это тело, относительно которого мы рассматриваем движение, называется телом отсчета.

!Относительность движения: пассажир покоится относительно поезда, но движется относительно земли

Траектория и путь

Когда тело движется, оно оставляет за собой невидимый (а иногда и видимый, как след от самолета) след.

Траектория — это линия, по которой движется тело. Траектория может быть прямой (падение камня) или кривой* (полет мяча, поворот машины). * Пройденный путь — это длина траектории. Обозначается буквой . Основная единица измерения пути в СИ — метр (м).

Скорость движения

Движение бывает разным по характеру. Если автомобиль за каждые 10 секунд проезжает ровно 200 метров, такое движение называют равномерным. Если же он то разгоняется, то тормозит — это неравномерное движение.

Главная характеристика быстроты движения — это скорость.

Формула скорости

При равномерном движении скорость показывает, какой путь проходит тело за единицу времени. Обозначается скорость буквой (греческая буква «ве», не путать с английской v).

где: * — скорость движения; * — пройденный путь; * — время, за которое этот путь пройден.

Единицы измерения скорости: В Международной системе (СИ) скорость измеряется в метрах в секунду (м/с). В жизни мы часто используем километры в час (км/ч).

Как перевести км/ч в м/с? Запомните простое правило: чтобы перевести км/ч в м/с, нужно разделить число на 3,6.

Пример: Автомобиль едет со скоростью 72 км/ч.

Средняя скорость

В реальности равномерное движение встречается редко. Обычно мы движемся неравномерно: идем, останавливаемся на светофоре, бежим. В этом случае говорят о средней скорости.

Чтобы найти среднюю скорость, нужно весь пройденный путь разделить на все время движения (включая остановки!).

где: * — средняя скорость; * — весь пройденный путь (сумма всех участков); * — все затраченное время.

Инерция

Представьте, что вы едете на велосипеде и перестали крутить педали. Велосипед не остановится мгновенно, он продолжит ехать еще какое-то время. Почему?

Древнегреческие ученые считали: чтобы тело двигалось, его нужно постоянно толкать. Если не толкать — оно остановится. Но в XVII веке итальянский ученый Галилео Галилей, а позже Исаак Ньютон, доказали обратное.

Если на тело не действуют другие тела, оно сохраняет свою скорость постоянной. Велосипед останавливается только потому, что на него действует трение о дорогу и сопротивление воздуха. Если бы трения не было совсем, велосипед катился бы вечно!

> Инерция — это явление сохранения скорости тела при отсутствии действия на него других тел.

Именно из-за инерции нельзя мгновенно остановить машину перед выбежавшим пешеходом. Именно из-за инерции вы «летите» вперед, когда автобус резко тормозит (ваше тело хочет сохранить скорость, а автобус уже остановился).

!Проявление инерции при торможении транспорта

Взаимодействие тел и масса

Мы выяснили, что изменить скорость тела (разогнать или остановить) можно только подействовав на него другим телом.

* Чтобы мяч полетел, нога должна ударить по нему. * Чтобы лодка остановилась, вода должна создать сопротивление.

Действие всегда взаимно. Это называется взаимодействие. Если вы ударите рукой по столу, столу будет «больно» (он может сломаться), но и вашей руке будет больно. Вы подействовали на стол, а стол подействовал на вас.

Масса тела

Но почему одни тела легко сдвинуть с места, а другие — трудно? Попробуйте толкнуть пустую тележку в супермаркете. Легко? А теперь попробуйте толкнуть ту же тележку, доверху груженную продуктами. Гораздо труднее!

У груженой тележки больше инертность. Она сильнее «сопротивляется» изменению своей скорости.

> Масса — это физическая величина, которая является мерой инертности тела.

Чем больше масса тела, тем труднее изменить его скорость (труднее разогнать и труднее остановить).

Обозначается масса буквой . Основная единица измерения в СИ — килограмм (кг). Также используют: * тонна (т) = 1000 кг * грамм (г) = 0,001 кг * миллиграмм (мг) = 0,000001 кг

Измеряют массу с помощью весов, сравнивая тело с эталонными гирями.

Плотность вещества

Возьмем два кубика одинакового размера (одинакового объема): один из дерева, другой из свинца. Какой будет тяжелее? Конечно, свинцовый. Но почему? Ведь объемы у них равны.

Дело в том, что разные вещества имеют разную плотность. Молекулы свинца тяжелее молекул дерева и расположены плотнее друг к другу.

> Плотность — это физическая величина, которая равна отношению массы тела к его объему.

Плотность показывает, чему равна масса 1 кубического метра (или 1 кубического сантиметра) данного вещества.

Формула плотности

где: * (греческая буква «ро») — плотность вещества; * — масса тела; * — объем тела.

Единицы измерения: В СИ плотность измеряется в килограммах на кубический метр (кг/м³). Часто используют грамм на кубический сантиметр (г/см³).

Связь единиц:

Например, плотность воды — . Это значит, что если мы возьмем куб воды размером 1x1x1 метр, он будет весить ровно 1000 кг (1 тонну).

!Сравнение массы тел одинакового объема, но разной плотности

Таблица плотностей (примеры)

| Вещество | Плотность (кг/м³) | Плотность (г/см³) | | :--- | :---: | :---: | | Золото | 19 300 | 19,3 | | Свинец | 11 300 | 11,3 | | Железо | 7 800 | 7,8 | | Вода (чистая) | 1 000 | 1,0 | | Масло подсолнечное | 930 | 0,93 | | Сосна (сухая) | 400 | 0,4 | | Воздух | 1,29 | 0,00129 |

Зная плотность и объем, мы всегда можем найти массу тела, не взвешивая его:

Или найти объем, зная массу и плотность:

Пример расчета: У нас есть железная деталь объемом . Какова её масса? Мы знаем плотность железа (из таблицы): .

Итоги

Механическое движение относительно. Тело может покоиться относительно Земли, но двигаться относительно Солнца. Линия движения — это траектория, а её длина — путь ().

Скорость () показывает быстроту движения. Формула: . Основная единица — м/с.

Инерция — свойство тела сохранять скорость, если на него никто не действует. Резко остановиться невозможно.

Масса () — мера инертности. Чем больше масса, тем сложнее изменить скорость тела. Измеряется в килограммах (кг).

Плотность () показывает, сколько весит единица объема вещества. Формула: . Разные вещества при одинаковом объеме имеют разную массу из-за разной плотности.