Часть третья
Материя и энергия
Что нас окружает?
Ученые называют это материей. Конечно же, речь не о ткани – понятие «материя» охватывает все, что нас окружает. Часть материи мы можем воспринимать с помощью наших органов чувств – для нас она видима и осязаема, другая часть недоступна для непосредственного восприятия. Тот род материи, который воспринимают наши чувства, называют веществом. Вещество – это и металлы, и жидкости, и дерево, и различные газы.
Молекулы воды
Часть пространства, занятую веществом, называют телом. Телами являются любые предметы, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни: книги, мебель, стены, человек и животные, Солнце, Земля и даже облака, плывущие высоко над нами.
Из чего состоят тела?
Все без исключений тела состоят из мельчайших частиц, которые мы не можем увидеть невооруженным глазом. Эти частицы называются молекулами и атомами.
Демокрит (ок. 460 – ок. 370 до нашей эры)
Если разделить крохотную песчинку пополам, потом еще пополам и еще очень долго продолжать такое деление, мы в конце концов получим такую частичку, которую больше нельзя разделить. Это и есть молекула вещества, из которого состоит песок, – диоксида кремния. Молекула – самая маленькая частичка вещества, в которой сохраняются все его свойства.
Джон Дальтон (1766–1844)
Молекула диоксида кремния состоит из трех атомов: двух атомов кислорода и одного атома кремния. Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Но если разорвать связь между атомами, из которых состоит молекула, это будет уже не песок или вода, а совсем другие вещества: кислород, водород и кремний.
Атомы невероятно малы: в одной песчинке содержится столько атомов, сколько песчинок на всех пляжах мира.
Кто первым использовал понятие «атом»?
Понятие «атом» происходит от греческого слова «атомос», означающего «неделимый». Древнегреческий ученый и философ Демокрит еще в V веке до нашей эры считал, что все вещества во Вселенной состоят из атомов. Но только через 24 столетия, в 1802 году, английский химик Джон Дальтон доказал с помощью опытов, что большинство явлений природы невозможно было бы объяснить, если бы атомы не существовали.
Строение атома
1 – протон; 2 – нейтрон; 3 – нуклон; 4 – электрон
Атом и в самом деле нельзя «разобрать на части»?
Всякий атом состоит из еще более мелких частиц – протонов, нейтронов и электронов. Атомы разных видов состоят из различного количества протонов, нейтронов и электронов.
Схема работы атомной электростанции
В центре каждого атома имеется ядро, состоящее из массивных частиц – протонов и нейтронов. Они надежно соединены между собой – их связывают мощные ядерные силы. Вокруг атомного ядра вращаются электроны. Их в атоме всегда столько же, сколько протонов. Электроны очень маленькие, масса одного электрона в 200 раз меньше массы протона. Электроны являются носителями электрического заряда, они заряжены отрицательно. Протоны в ядре заряжены положительно, а у нейтронов вообще нет электрического заряда, поэтому все заряды в атоме как бы уравновешивают друг друга.
Ядерные испытания на атолле Бикини, 1946 год
Между ядром и электронами находится внутриатомное пространство. Ядро примерно в 10 тысяч раз меньше размеров самого атома.
Только в середине XX века ученые научились расщеплять и соединять ядра атомов. Когда атомное ядро делится или два ядра сливаются и образуют новое вещество, выделяется огромное количество энергии. Если этот процесс происходит под контролем, ядерная энергия выделяется постепенно и ее можно использовать для производства тепла и электроэнергии на атомных электростанциях. Но если энергия большого числа ядер выделяется мгновенно, происходит чудовищной силы взрыв. Это свойство материи лежит в основе ядерного оружия.
Сколько всего существует видов атомов?
Сегодня известно 118 различных типов атомов.
Вещества, состоящие из атомов одного типа, называются элементами, или простыми веществами. А те, что состоят из молекул, в состав которых входят атомы различных видов, называются соединениями. Кислород и медь – элементы. Вода и пищевая сода – соединения.
Графит и алмаз
Алмаз, самое твердое вещество из всех известных на Земле, и мягкий графит, пачкающий руки, состоят из одного и того же элемента – углерода. Различия в свойствах этих веществ объясняются тем, что атомы углерода в этих непохожих веществах связаны между собой различными способами.
Молекула обычной поваренной соли состоит из двух элементов – натрия и хлора. Натрий – серебристый металл, а хлор – зеленоватый газ. По отдельности оба этих элемента вредны для человека, а поваренная соль входит в состав пищи, которую мы ежедневно едим.
А воздух, которым мы дышим, – это простое вещество или соединение?
Воздух – это смесь нескольких газов: азота, кислорода, углекислого газа, аргона и некоторых других. Азот, кислород и аргон – простые вещества, углекислый газ – соединение углерода и кислорода. Молекулы этих газов перемешаны, но ничем не связаны друг с другом.
Как твердые тела сохраняют форму?
В твердых телах молекулы расположены в определенном порядке. При этом они образуют геометрические фигуры – решетки – и связаны очень надежно. Поэтому твердое тело почти не удается сжать или сломать, оно как бы стремится сохранять свою форму неизменной.
При температуре ниже 0 °C вода замерзает и превращается в твердое тело – лед. У льда тоже есть кристаллическая решетка
На заводах изготавливают детали из расплавленных металлов, заливая их в различные формы. Остывая, они становятся твердыми и долго сохраняют ту форму, которую придал им человек.
В металлах связи между молекулами так сильны, что кусок металла можно сравнить с одной огромной молекулой. Даже электроны двигаются здесь не только вокруг атомных ядер, но и «разгуливают» по всему телу, состоящему из металла. Благодаря «свободным» электронам металлы хорошо проводят электрический ток.
Почему лед твердый, а пар летучий, если и то и другое – просто вода?
Все вещества состоят из молекул. Молекулы находятся в постоянном движении, но при этом еще и притягиваются друг к другу. Чем ниже температура, тем крепче молекулы «цепляются» одна за другую. Чем выше температура вещества, тем «энергичнее» и беспорядочнее движутся молекулы, при этом связи между ними становятся все более слабыми, кристаллическая решетка разрушается и твердое тело превращается в жидкость. Если продолжать нагревать вещество, молекулы начинают отрываться от поверхности жидкости – испаряться, превращаясь в газ, каким, собственно, и является водяной пар.
Отчего жидкости текут?
В жидкостях молекулы расположены очень близко, но силы, связывающие их между собой, гораздо слабее, чем в твердых телах. К тому же в расположении молекул жидкостей нет строгого порядка, поэтому они принимают форму того сосуда, в который их наливают. Но сжать любую жидкость так же трудно, как и твердое тело, – расстояния между ее молекулами слишком невелико.
Жидкость принимает форму сосуда, в который ее налили
Жидкости и в самом деле не имеют формы?
Это не совсем так. Естественная форма, которую принимает любая жидкость, – шар. Но чтобы в этом убедиться, необходимо поместить жидкость в такие условия, чтобы на нее не действовали никакие внешние силы, в том числе и сила тяготения. Это возможно только в невесомости, где капли воды мгновенно превращаются в аккуратные шарики правильной формы. То же самое произойдет, если с помощью шприца ввести каплю растительного масла в сосуд со смесью воды и спирта.
Так выглядит вода в невесомости
Почему вода смачивает твердые тела?
Молекулы жидкости обладают способностью притягиваться к молекулам твердых тел – или отталкиваться от них. Этим объясняется такое явление, как смачивание. Благодаря смачиванию жидкости могут растекаться по поверхности твердого тела или проникать между волокнами тканей при стирке. Если силы взаимного притяжения молекул жидкости сильнее, чем их притяжение к молекулам твердых тел, жидкость собирается в капли на твердой поверхности.
Волоски смоченной кисточки слипаются – молекулы воды притягиваются друг к другу
Что такое газ?
Мы уже приводили пример газа – это водяной пар, образующийся, когда вода нагрета до 100 °C. Молекулы в газах располагаются на таких расстояниях друг от друга, что связей между ними практически нет. Газ заполняет любой сосуд, распространяясь по нему во всех направлениях. При этом каждая молекула газа ведет себя так, словно одна-одинешенька в сосуде, – она свободно двигается во все стороны, «не обращая внимания» на другие молекулы.
Газы хорошо сжимаются, потому что их молекулы расположены далеко друг от друга, но все же сопротивляются сжатию с различной силой. Газообразное состояние – самое распространенное состояние вещества во Вселенной.
Что случится, если продолжать нагревать твердое тело?
Лед при нагревании, как всем известно, плавится (тает) и превращается в воду. Вода, доведенная до точки кипения (+100 °C), начинает испаряться не только с поверхности, но и во всем объеме. В толще воды образуются пузырьки пара, и вся жидкость начинает «бурлить ключом».
Не только вода, но и многие другие вещества при изменении температуры могут превращаться из твердых в жидкие и газообразные и наоборот – из газообразных в жидкие и твердые. Но температура плавления и кипения у них разная.
Сталь, например, плавится при температуре +1400 °C. При температуре ниже –250 °C газ водород становится жидкостью. Жидкий водород – самая легкая жидкость на Земле. Литр сжиженного водорода весит всего 67 граммов.
Температура, при которой твердое тело становится жидкостью, называется точкой плавления.
Температура, при которой жидкость становится газом, называется точкой кипения.
Твердое, жидкое и газообразное состояние – это различные агрегатные состояния вещества.
Кроме того, существуют еще и так называемые аморфные тела. Они имеют структуру жидкости и обладают едва заметной текучестью, но в то же время способны сохранять свою форму. К таким телам относятся стекло, воск, парафин, различные клеи.
Мы часто повторяем: «энергия», «энергичный». Но что же это такое – энергия?
С раннего утра светит солнце, дует летний ветер, по улице движутся автобусы и автомобили, спешат люди. На ветке созрело яблоко и вот-вот упадет, а малыш забрался на горку на детской площадке и готовится скатиться вниз. По проводам в доме бежит электрический ток, который вырабатывает электростанция.
Вокруг нас полным-полно самых различных явлений, которые происходят только потому, что различные тела взаимодействуют между собой. Но для того чтобы такие взаимодействия могли происходить, необходима энергия – способность тел совершать действия, работу.
Все тела, имеющие способность что-либо сделать, обладают потенциальной энергией: тетива натянутого лука может направить стрелу к цели, лыжник, стоящий на макушке заснеженной горы, может помчаться вниз, а тарелка, стоящая на полке, может упасть и разбиться. Но в тот момент, когда стрелок отпускает тетиву или лыжник несется с горы, потенциальная энергия покоя превращается в кинетическую энергию движения.
Где прячется энергия?
Главным источником энергии на Земле является Солнце. Эта энергия практически неисчерпаема, она образуется при слиянии атомных ядер в недрах нашей звезды.
При спуске лыжника с горы потенциальная энергия покоя превращается в кинетическую энергию движения
Солнечный свет приносит на Землю тепло, без которого не могут развиваться растения. Растения превращают минералы и воду, находящиеся в почве, а также кислород, содержащийся в воздухе, в пищу для животных. Животные и человек получают из пищи энергию для того, чтобы жить и действовать.
Уголь, нефть и газ – топливо, необходимое для электростанций, заводов, транспорта, – добывают из земных недр. Все виды природного топлива образовались из останков растений и животных, живших на планете сотни миллионов лет назад. В XX веке люди научились использовать еще один вид энергии – энергию распада ядер атомов тяжелых металлов, или атомную энергию, а сейчас для производства электроэнергии все шире используют энергию Солнца и ветра.
Сколько видов энергии существует?
Наша Вселенная устроена так, что общее количество энергии в ней всегда одинаково, она никуда не исчезает.
Энергия, которой обладают физические тела, то есть предметы, которые нас окружают, называется механической.
Неважно, из какого вещества состоят эти предметы.
Когда речь идет об энергии, для нас важна только их способность совершать работу и взаимодействовать друг с другом.
В тех случаях, когда молекулы одних веществ соединяются с молекулами других, выделяется химическая энергия.
Энергия движения тока по проводам называется электрической энергией.
Энергию движения молекул тела называют тепловой энергией.
Энергия, выделяемая при слиянии или распаде атомных ядер, – это ядерная энергия.
Все виды энергии при определенных условиях способны превращаться из одного вида в другой, правда, при этом происходят некоторые потери.
Когда мы перевариваем съеденную пищу, выделяется химическая энергия. Эту энергию мы расходуем для движения и поддержания постоянной температуры тела.
Неизрасходованная энергия превращается в нашем организме в жир – естественную «кладовую» химической энергии.
Она хранится «про запас» и расходуется по мере необходимости.
В автомобильном двигателе при сгорании топлива химическая энергия превращается в кинетическую энергию (энергию движения) и в тепловую энергию.
Во время бега мы только четверть энергии тратим на движение. Остальные три четверти превращаются в тепловую энергию – нам становится жарко.
А какой вид энергии самый «универсальный»?
Самым удобным и универсальным видом энергии оказалась электрическая. Ее легко передавать на большие расстояния и преобразовывать в другие виды энергии.
Для производства электроэнергии используется химическая энергия сгорания топлива, кинетическая энергия падающей воды, атомная энергия, энергия ветра и солнечный свет. В наших домах различные приборы и устройства превращают электроэнергию в тепло, свет и звук, приводят в действие холодильники, кондиционеры, стиральные машины, компьютеры, телевизоры.
Почему предметы не могут двигаться сами по себе?
Для того чтобы неодушевленный предмет пришел в движение, что-то должно его или толкать, или тянуть. Сам по себе он на это неспособен. То, что приводит тела в движение, называется силой. Сила проявляется там, где существует взаимодействие, соприкосновение.
На тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила. Первым обнаружил и измерил эту силу величайший механик и математик древности Архимед. Она равна весу жидкости, которую вытесняет тело.
Ровенская атомная электростанция
Сила трения замедляет движение тел по наклонной плоскости.
Пытаясь сжать пружину, мы преодолеваем силу упругости
Сила, приложенная к телу, способна заставить его двигаться, изменять скорость и направление движения. Если тело не движется или движется с одной и той же скоростью по прямой линии, это значит, что все силы, которые на него действуют, уравновешивают друг друга. Как только равновесие сил нарушается, тело приходит в движение.
Что мешает оторваться от Земли?
На все тела действует сила тяготения, которую недаром называют «всемирной». Чем больше масса тел, тем сильнее они «тянутся» друг к другу. Эта сила удерживает планеты Солнечной системы на орбитах, не позволяет атмосфере Земли рассеяться в космическом пространстве и заставляет любой предмет падать не куда придется, а вниз. Если бы сила тяготения внезапно «отключилась», все тела, в том числе и мы с вами, оторвались бы от Земли и улетели в космическое пространство.
Сила тяготения действует между всеми телами, даже самыми маленькими, но обнаружить ее очень сложно.
Перетягивание каната наглядно показывает, что происходит, когда нарушается равновесие сил
Где бы мы ни находились, земное тяготение всегда направлено к центру Земли. Оно заставляет реки течь, не позволяет нам прыгать слишком высоко, мешает подниматься по лестнице и подгоняет, когда мы спускаемся с горы.
Исаак Ньютон (1643–1727)
Закон всемирного тяготения открыл в 1666 году великий английский ученый Исаак Ньютон. Ньютон вывел формулу, согласно которой притяжение между телами тем больше, чем больше масса этих тел, однако с увеличением расстояния между телами оно быстро уменьшается.
Когда мы взвешиваем какое-нибудь тело, то определяем его вес – силу, с которой оно притягивается к Земле. Вес – величина непостоянная. Чем дальше тело находится от центра Земли, тем его вес меньше. На вершине горы ваш собственный вес будет чуть-чуть меньше, чем у ее подножья. На Луне сила тяготения в шесть раз меньше, чем на Земле, значит, и все тела весят там в шесть раз меньше. При этом масса вашего тела не изменится, потому что масса – это количество вещества, которое не зависит от силы тяготения.
А почему Луна не падает на Землю?
Представьте, что вы бросаете камень с вершины высокой башни. Чем сильнее окажется ваш бросок, тем дальше полетит камень, тем меньшей окажется кривизна воображаемой линии его движения. Но если у вас хватит сил, чтобы бросить камень с такой скоростью, чтобы он вообще не упал, то камень начнет вращаться вокруг Земли – станет ее искусственным спутником. Эта ситуация похожа на то, как если бы вы вращали камень на веревке, держа ее конец в руке. Земное тяготение выполняет роль «веревки», а скорость движения Луны по орбите вокруг нашей планеты не позволяет ей «упасть».
Луна – крупное космическое тело, но силы тяготения не позволяют нашему естественному спутнику расстаться с Землей. Однако и Луна, в свою очередь, притягивает Землю. Сила притяжения Луны вызывает приливы и отливы в земных морях и океанах, ее ощущает даже земная кора.
Что такое свет?
Свет – электромагнитное излучение, которое способен воспринимать человеческий глаз. Невозможно представить себе мир без света. Даже ночью в самой темной комнате не бывает полной темноты. Благодаря свету мы видим то, что нас окружает.
Свет движется быстрее всего в вакууме – со скоростью 300 тысяч километров в час. Точную скорость света не раз пытались измерить ученые, но удалось это только физику Альберту Майкельсону в 1926 году. За короткое мгновение, которое требуется, чтобы моргнуть, луч света мог бы облететь вокруг Земли, но в действительности это невыполнимо – свет распространяется исключительно по прямой.
Если на пути света возникает преграда, он не может ее обогнуть. Вот почему возникает тень.
Что отражает зеркало?
Взгляните в зеркало: если вы поднимете правую руку, ваш зеркальный двойник поднимет левую. И если в зеркале отразится ваша тетрадь или книга, окажется, что она написана незнакомыми буквами неведомого языка.
Изображение в зеркале симметрично отображаемому предмету относительно плоскости зеркала
Изображение в зеркале возникает благодаря способности света отражаться от различных поверхностей. От гладкой поверхности он отражается примерно так же, как отскакивает от пола мяч.
Наш глаз может видеть только те предметы, которые отражают свет. Чем лучше предмет отражает свет, тем более светлым он выглядит. То, что мы видим как белое, отражает почти весь свет, а то, что кажется нам черным, полностью поглощает его.
Свет можно увидеть только тогда, когда ему есть от чего отразиться или на чем рассеяться. Глядя на луч карманного фонаря сбоку, мы видим его только потому, что свет рассеивается на мельчайших частицах пыли в воздухе. Поэтому в межзвездном пространстве, где нет даже пыли, совершенно темно.
Почему под водой предметы выглядят иначе, чем на берегу?
Вещества, которые свободно пропускают свет, называются прозрачными. Вода, воздух, стекло – прозрачные вещества. Однако эти вещества имеют различную плотность, и скорость распространения света в них не одинакова.
Когда луч света попадает из одного прозрачного вещества в другое, он преломляется – немного меняет направление движения. Поэтому прямой предмет, опущенный под углом в воду, со стороны выглядит «сломанным»
Световые волны перемещаются в пространстве так же, как морские волны по поверхности воды. Волнообразно распространяются в пространстве и тепло, и звук. Однако частота колебаний у тепловых и звуковых волн разная.
Как возникает радуга?
Каждый хотя бы однажды видел после дождя радугу. Как же возникает это многоцветное коромысло и откуда берутся его цвета? Оказывается, все цвета радуги (иначе они называются цветами солнечного спектра) получаются при разложении одного-единственного цвета – белого – при его прохождении через мельчайшие капельки влаги в облаках!
Это свойство света открыл Исаак Ньютон. Он проделал следующий опыт: пропустил белый свет через стеклянную призму, и луч стал разноцветным. Затем ученый с помощью второй призмы собрал все цветные лучи в один белый луч.
Но ответа, почему это происходит, не знал даже Ньютон. Только спустя два столетия стало ясно, что свет состоит из мельчайших колебаний – электромагнитных волн. Волны света разных цветов отличаются друг от друга – у них разная частота колебаний. Самая низкая частота у красного света, самая высокая – у фиолетового.
Цвета солнечного спектра располагаются в таком порядке: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый.
Почему мы видим мир «цветным»?
Это происходит потому, что различные предметы поглощают и отражают световые волны разных частей спектра. Так, красная ткань поглощает все волны, кроме красных. Красный свет отражается от нее и воспринимается нашим зрением как основная окраска самой ткани.
Не все люди способны различать цвета. У некоторых возникают проблемы с восприятием красного, зеленого, желтого, а иногда даже синего цвета. Первым обнаружил эту особенность у себя самого английский ученый Джон Дальтон – тот самый, который доказал, что атомы действительно существуют. С тех пор такую особенность зрения называют «дальтонизм».
«Приближает» ли увеличительное стекло?
Увеличительное стекло – это выпуклая линза. Ее форма напоминает семя бобового растения – чечевицы. Лучи света, падающие на поверхность выпуклой линзы, преломляются и собираются в одной точке, расположенной по другую сторону линзы. Благодаря тому, что лучи света проходят через линзу так, а не иначе, все рассматриваемые предметы кажутся больше, чем они есть на самом деле, то есть «приближаются».