Sławomir Ziemicki Krystyna Puchowska

Transkrypt

1 2

2 Sławomir Ziemicki Krystyna Puchowska

3 Spis tre ci Jak korzystać z podręcznika VI VII Energia wewn trzna 1. Przemiany energii w ruchu z tarciem Cieplny przepływ energii Bilans cieplny Wyznaczanie ciepła właściwego Ciepło topnienia i ciepło parowania Jak zmienić energię wewnętrzną * 7. Silnik cieplny Podsumowanie rozdziału Fale mechaniczne 8. Fala jako sposób przekazywania energii Rozchodzenie się fal mechanicznych Ruch drgający Przemiany energii w ruchu drgającym...i Ciało drgające jako źródło fal...i Źródła i cechy dźwięków Rozchodzenie się fal dźwiękowych Instrumenty muzyczne Podsumowanie rozdziału wiat o VIII 16. Światło jako sposób przekazywania energii Rozchodzenie się światła Zjawisko załamania światła Soczewki Obrazy otrzymywane za pomocą soczewek Zwierciadła Obrazy otrzymywane za pomocą zwierciadeł Światło białe jako mieszanina barw Przyrządy optyczne Podsumowanie rozdziału Dowiedz się więcej Odpowiedzi Indeks ważnych pojęć * treści rozszerzające

4 16 ENERGIA WEWN TRZNA Skoro powietrze jest złym przewodnikiem ciepła, to jak wobec tego wytłumaczyć fakt, że kaloryfer ogrzewa całe pomieszczenie? Przecież od kaloryfera ogrzewa się tylko powietrze, które bezpośrednio się z nim styka. Podobnie ogrzewanie wody tylko w jednym miejscu wystarcza, aby zmieniła się jej temperatura w całym garnku. Jak to się dzieje? 2.4. Obserwujemy zjawisko konwekcji a. Do szklanego naczynia z wodą wrzuć grudkę barwnika, np. manganianu(vii) potasu (nadmanganianu potasu). Ustaw naczynie nad palnikiem lub na włączonej kuchence elektrycznej i obserwuj warstwy wody poruszającej się podczas ogrzewania. b. Wytnij z kartki papieru spiralę i nasadź ją na statyw zrobiony z kawałka drutu. Umieść spiralę nad świecącą żarówką i obserwuj jej zachowanie (ryc.). Podczas ogrzewania wody w naczyniu obserwujemy zjawisko konwekcji, czyli unoszenia się jej nagrzanych warstw ku górze. Ogrzana woda ma mniejszą gęstość, więc jest wypychana przez wodę chłodniejszą ku górze. Dotykając ścianek naczynia oraz docierając do powierzchni ochładza się i opada na dno, aby ponownie ulec ogrzaniu. Po pewnym czasie obserwujemy ciągłe krążenie (cyrkulację) wody. Krążąca woda rozprowadza dostarczane ciepło po całym naczyniu (ryc. 2.6). A B Ryc Konwekcja zachodząca w naczyniu z wodą, ustawionym na rozgrzanej płycie. Fotografie A i B ukazują dwie fazy doświadczenia Ruchy konwekcyjne obserwujemy również podczas podgrzewania powietrza. Ogrzane powietrze unosi się ku górze, oddaje ciepło chłodniejszym warstwom powietrza i po ochłodzeniu opada, aby ogrzać się ponownie. W naszym doświadczeniu 2.4b unoszące się powietrze wprawia w ruch spiralę i widzimy jej wirowanie. Konwekcja odgrywa bardzo dużą rolę w przyrodzie. Właśnie temu zjawisku zawdzięczamy powstawanie pasatów, wiatrów monsunowych oraz różnego rodzaju prądów powietrznych i wodnych. Ruchy konwekcyjne powietrza umożliwiają ptakom szybowanie bez wydatkowania energii. Zjawisko konwekcji wykorzystujemy bardzo często w codziennym życiu. Umożliwia ono ogrzewanie pomieszczeń, krążenie wody w domowej instalacji centralnego ogrzewania, w kominach wytwarza ciąg zasysający spaliny z paleniska. Przeanalizuj przykłady na s. 17.

5 Cieplny przep yw energii Ruchy konwekcyjne powietrza 17 O krążeniu powietrza w pokoju możemy się przekonać, obserwując odchylanie się płomienia świecy ustawionej w drzwiach prowadzących na nieogrzewany korytarz. Dzięki konwekcji nagrzane od kaloryfera powietrze unosi się i przemieszcza do wszystkich miejsc w pokoju, a ochłodzone opada i powraca do kaloryfera. Nagrzane powietrze w dole komina unosi się do góry i wytwarza ciąg zasysający dym z tlącego się orzecha. Zgaszenie świeczki powoduje, że ustają ruchy konwekcyjne w kominie i komin przestaje zasysać dym.

6 54 FALE MECHANICZNE 10 Ruch drgaj cy Przyjrzyjmy się jeszcze raz sprężynie, wzdłuż której rozchodzą się fale. Obserwacja będzie łatwiejsza, gdy do jednego z jej zwojów przykleimy skrawek barwnej taśmy. Następnie przyklejamy ten skrawek do innego zwoju i powtarzamy obserwację kilkakrotnie. Jak się przekonasz podczas rozchodzenia się fal każdy punkt ośrodka wykonuje drgania. Drgania obserwujemy na każdym kroku. Wykonuje je huśtawka, boja wrzucona do wody, ciecz wlana do U-rurki, zanim nie wyrówna poziomów, kładka nad strumykiem, po której ktoś przebiegł, potrącone gałęzie drzew, struna gitary. Kika przykładów ruchu drgającego przedstawiono na rycinie Na pewno potrafisz podać jeszcze wiele innych. A Ryc Huśtawka (A), wahadło zegara (B) i obciążnik na sprężynie (C) po wychyleniu z położenia równowagi wykonują drgania B C Dlaczego niektóre ciała popchnięte po prostu przesuwają się, a inne zaczynają wykonywać drgania? Co należy zrobić, aby spoczywający wózek wprawić w ruch drgający? Siły w ruchu drgającym Przygotuj wózek do mechaniki (możesz zastąpić go wrotką, a nawet samochodem-zabawką), dwie długie sprężyny lub gumy, dwa statywy. a. Zamocuj wózek między dwiema sprężynami przymocowanymi do statywów. b. Przesuń trochę wózek, lekko rozciągając jedną ze sprężyn i jednocześnie zmniejszając naprężenie drugiej, i puść. c. Obserwuj ruch wózka aż do momentu, gdy się zatrzyma. po o enie równowagi

7 Ruch drgaj cy 55 Wózek zamocowany między dwiema sprężynami pozostaje w spoczynku, dopóki działające na niego siły się równoważą. Takie położenie wózka nazywamy położeniem równowagi. Po wychyleniu z położenia równowagi wózek zaczyna wykonywać drgania. Łatwo zrozumieć, dlaczego tak się dzieje. Gdy przesuwamy wózek w lewo (ryc. 10.2A), prawa sprężyna zostaje bardziej rozciągnięta, więc działa na wózek większą siłą niż lewa sprężyna, i to powoduje ruch wózka w prawo. Wydawać by się mogło, że wózek zatrzyma się w położeniu równowagi i rzeczywiście tak by było, gdyby nie prędkość, jaką nabył pod działaniem siły. Teraz do zatrzymania wózka potrzebna jest siła o zwrocie przeciwnym do prędkości i rzeczywiście taka siła pojawia się, gdy przesunie się on w prawo (ryc. 10.2B). Wózek zatrzyma się, ale sprężyna lewa będzie bardziej rozciągnięta niż prawa i cała sytuacja będzie powtarzała się okresowo. Wózek porusza się ruchem drgającym, ponieważ po wychyleniu z położenia równowagi działają na niego siły zwrotne, czyli siły zwrócone przeciwnie do wychylenia wózka z położenia z równowagi. A po o enie równowagi B po o enie równowagi Ryc Wychylenie wózka z położenia równowagi powoduje pojawienie się siły zwrotnej, ponieważ sprężyna z przeciwnej strony się napręża Pojawianie się sił zwrotnych jest również przyczyną ruchu drgającego obciążnika zawieszonego na sprężynie (ryc. 10.1c). Obciążnik pozostaje w spoczynku, dopóki działająca na niego siła ciężkości równoważona jest siłą pochodzącą od rozciągniętej sprężyny. Wystarczy jednak wytrącić go z położenia równowagi unieść go ku górze lub pociągnąć do dołu a zacznie wykonywać drgania. Gdy obciążnik znajduje się powyżej poziomu równowagi, wówczas sprężyna jest zbyt mało rozciągnięta, aby zrównoważyć siłę ciężkości, i wypadkowa siła działająca na ciało zwrócona jest w dół. W położeniach poniżej poziomu równowagi nadmiernie rozciągnięta sprężyna działa siłą większą niż siła ciężkości i wypadkowa siła zwrócona jest ku górze. Powtarzanie drgań nie jest zbyt dokładne, bo za każdym razem zarówno wózek, jak i obciążnik coraz mniej wychylają się z położenia równowagi. Mówimy, że drgania mają coraz mniejszą amplitudę (ryc. 10.2).

8 Gramy na gitarze Każdy słyszał drgania struny gitary, a prawdopodobnie także sam, szarpiąc lub uderzając strunę, pobudzał ją do drgań. Grając na gitarze, uzyskujemy dźwięki różnej wysokości dzięki temu, że potrącamy różne struny i skracamy je przez dociskanie do różnych progów. węzeł strzałka węzeł Szarpnięcie lub uderzenie struny sprawia, że rozchodzi się w niej fala, która odbija się wielokrotnie od jej zamocowanych krańców. Odbite fale nakładają się na siebie i w jednych miejscach drgania się wzmacniają, a w innych osłabiają. Po krótkim czasie obserwujemy drganie całej struny: miejsca pozostające w spoczynku (czyli węzły) i takie, w których drgania są maksymalne (czyli strzałki). Mówimy, że na strunie tworzy się fala stojąca. l 1 f 1 Różne mody drgań struny Na drgającej strunie mogą powstawać fale stojące różnych długości, a więc struna może drgać jednocześnie z różnymi częstotliwościami. Częstotliwości te są wielokrotnością częstotliwości podstawowej f 1, czyli najniższej możliwej częstotliwości. Na strunie drgającej z najmniejszą możliwą częstotliwością jest jedna strzałka w połowie długości struny i dwa węzły na jej końcach (w miejscach zamocowania). Dźwięk wydawany podczas takiego drgania nazywamy tonem (modem) podstawowym struny.

9 Strojenie gitary polega na odpowiedniej zmianie naprężenia struny przez obracanie kluczem. Nawet niewielkie naciągnięcie struny powoduje wzrost wysokości dźwięku. progi klucze (stroiki) Dociśnięcie struny do progu powoduje jej skrócenie. Maleje więc długość fali stojącej modu podstawowego, czyli wzrasta częstotliwość i wysokość dźwięku. Przyjrzyj się strunom gitary Zauważ, że wszystkie struny są tej samej długości i wyraźnie różnią się grubością. Częstotliwość i barwa dźwięku zależy od gęstości materiału, z którego strunę wykonano. Właśnie dlatego struny gitary są różnej grubości, a struny basowe są dodatkowo owijane cienkim drutem. Im struna grubsza, tym jej dźwięk jest niższy. l 2 f l 3 2 = 2f 1 f 3 = 3f 1 Potrącona struna drga z wieloma częstotliwościami, więc na wysyłany przez nią dźwięk składa się wiele modów składowych. Dominuje ton podstawowy, inne mody są znacznie słabsze, a niektóre bardzo słabe, wręcz niesłyszalne. Udział poszczególnych modów składowych zależy od grubości struny. Dlatego bez trudu poznamy, czy szarpnięto strunę najcieńszą, czy najgrubszą; mimo że obie wydają ten sam dźwięk podstawowy e (o częstotliwości 330 Hz), zawartość modów składowych jest różna. O takich dźwiękach mówimy, że różnią się barwą.

10 84 FALE MECHANICZNE VII Podsumowanie rozdzia u Fala mechaniczna to rozchodzące się lokalne zaburzenie ośrodka sprężystego, które przenosi energię. Fale mogą rozchodzić się w postaci pojedynczych impulsów falowych lub w postaci fali ciągłej. Fala poprzeczna charakteryzuje się tym, że odkształcenie ośrodka jest prostopadłe do kierunku rozchodzenia się fali. Fala podłużna charakteryzuje się tym, że odkształcenie ośrodka jest równoległe do kierunku rozchodzenia się fali. Zasada superpozycji fal: jeżeli do jakiegoś punktu ośrodka docierają jednocześnie dwie fale, to odkształcenie w nim jest sumą odkształceń, które spowodowałaby każda fala z osobna. Źródłem fali ciągłej jest ciało drgające. Podczas rozchodzenia się fali kolejne punkty ośrodka wykonują drgania. Ciało porusza się ruchem drgającym, gdy po wychyleniu z położenia równowagi działają na nie siły zwrotne, czyli siły zwrócone przeciwnie do wychylenia ciała z położenia równowagi. Amplituda drgań A to największe wychylenie ciała z położenia równowagi. Okres drgań T to czas jednego pełnego drgania. Częstotliwość drgań f określa liczbę drgań wykonywanych w czasie jednej sekundy. Rezonans to zjawisko pobudzania ciała do drgań z częstotliwością równą częstotliwości jego drgań własnych. Wielkościami charakteryzującymi falę ciągłą są: prędkość v, długość i częstotliwość fali f: v = f Długość fali jest to odległość, o jaką przemieszcza się fala w czasie jednego pełnego drgania. Długość fali podłużnej rozpoznajemy jako odległość między kolejnymi zagęszczeniami, a fali poprzecznej między sąsiednimi grzbietami lub dolinami. Częstotliwość fali równa jest częstotliwości drgań źródła. Okres fali jest równy okresowi drgań źródła. Fale rozchodzące się w ośrodku odbijają się od napotykanych przeszkód i ulegają na nich ugięciu, a przechodząc z ośrodka do ośrodka, mogą się załamywać (czyli zmieniać kierunek rozchodzenia się na granicy ośrodków). Fala dźwiękowa to rozchodzące się zagęszczenia i rozrzedzenia elementów ośrodka. W powietrzu fale dźwiękowe rozchodzą się z prędkością około 340 m/s. Człowiek może słyszeć dźwięki wydawane przez ciała drgające z częstotliwością większą od 16 Hz, lecz jednocześnie mniejszą od 20 khz. Infradźwięki to dźwięki o częstotliwościach mniejszych od 16 Hz. Ultradźwięki to dźwięki o częstotliwościach większych od 20 khz.

11 Fale mechaniczne 85 SPRAWD, CZY POTRAFISZ 1. Uderzono w naprężony sznur, wywołując w nim rozchodzenie się fali. W chwilę później uderzono w sznur powtórnie, lecz nieco mocniej. Czy impuls drugi dogoni pierwszy? Sprawdź to doświadczalnie i wyjaśnij wynik doświadczenia. 2. Wzdłuż nici rozchodzą się naprzeciw siebie dwa impulsy, tak jak to przedstawiono na rysunku. Narysuj odkształcenie sznura w momencie mijania się impulsów (gdy znajdą się w tym samym punkcie sznura). 3. Impuls falowy rozchodzi się wzdłuż sznura, który został zamocowany do stabilnego statywu. Narysuj odkształcenie sznura przed odbiciem i po odbiciu się impulsu falowego od statywu. 4. Na fotografii F znajdującej się w ramce na s. 52 przedstawiono przechodzenie fali z głębszej wody na płytszą. W którym obszarze fala rozchodzi się z większą prędkością? Odpowiedź uzasadnij. 5. Wskaż, które z przedstawionych wahadeł wykonuje drgania: a) o największym okresie; b) o największej częstotliwości Obserwator badający echo znajduje się najpierw w odległości 25 m, a później w odległości 15 m od ściany lasu. Czy po wydaniu okrzyku w każdej z tych odległości usłyszy echo? Odpowiedź uzasadnij. 7. Który z dźwięków ma największą wysokość: f 1 = 200 Hz, f 2 = 1000 Hz czy f 3 = Hz? 8. Jaka jest amplituda drgań obciążnika zawieszonego na sprężynie?

12 100 WIAT O Badamy zjawisko załamania światła a. Ułóż na stole kartkę białego papieru, ustaw na niej osłonięte źródło światła ze szczeliną, tak aby uzyskać wąską wiązkę światła. b. Skieruj wiązkę światła na przezroczyste płytki różnych kształtów, zaznacz ich położenie oraz kierunki promieni padających i załamanych oraz kąty padania i kąty załamania. c. Zmieniaj ustawienia płytek względem źródła (czyli kierunek padającego światła) i za każdym razem zaznaczaj kierunek promienia padającego i załamanego. promień załamany promień odbity promień padający Kilka sytuacji przechodzenia światła przez szklane płytki przedstawiono poniżej (za każdym razem światło pada na płytkę z prawej strony). Załamanie światła promień padający Gdy światło pada na płytkę równoległościenną prostopadle do jej powierzchni, czyli kąt padania wynosi 0, to nie ulega załamaniu. promień padający Światło przechodząc przez pryzmat dwukrotnie załamuje się na jego ściankach i odchyla od pierwotnego kierunku. promień padający Na granicy szkło powietrze światło załamuje się od normalnej, czyli kąt załamania jest większy od kąta padania. promień padający Na granicy powietrze szkło światło załamuje się ku normalnej, czyli kąt załamania jest mniejszy od kąta padania.

13 Zjawisko za amania wiat a 101 Widzimy, że światło ulega załamaniu niezależnie od tego, czy przechodzi z powietrza do szkła czy ze szkła do powietrza. Przyczyną załamania światła jest zmiana prędkości, z jaką rozchodzi się światło w różnych ośrodkach przezroczystych. W próżni i w powietrzu światło rozchodzi się z prędkością c km/s, w wodzie z prędkością ok km/s, a w szkle ok km/s. Obserwujemy również, że: podczas przechodzenia światła do ośrodka, w którym rozchodzi się ono wolniej (np. z powietrza do wody lub do szkła), kąt załamania jest mniejszy od kąta padania; podczas przechodzenia światła do ośrodka, w którym rozchodzi się ono szybciej (np. ze szkła do wody lub do powietrza), kąt załamania jest większy od kąta padania. Zjawisko załamania światła jest przyczyną wielu bardzo ciekawych obserwacji, np. zjawiska mirażu (ryc. 18.3). Ryc Załamanie światła w warstwie powietrza rozgrzanego od powierzchni asfaltu powoduje, że widzimy miraże. Obrazy nieba postrzegamy jako kałuże wody, w których odbijają się pojazdy WARTO WIEDZIE Gęstość optyczna atmosfery ziemskiej zmienia się wraz z wysokością i dlatego światło od innych ciał niebieskich wchodząc w atmosferę ulega wielokrotnemu załamaniu, zanim dotrze do obserwatora na Ziemi. Nasz mózg nauczony jest jednak, że światło rozchodzi się po liniach prostych, więc widzimy ciało niebieskie wysyłające to światło nie tam, gdzie się naprawdę znajduje, lecz wyżej. Tej zmiany kierunku nie obserwujemy dla ciał znajdujących się w zenicie, ponieważ światło pada wówczas pod kątem 0 i nie ulega załamaniu. Największą zmianę kierunku obserwujemy w wypadku obiektów znajdujących się nisko nad horyzontem (największy kąt padania światła na atmosferę). Z tego powodu widzimy zachodzące Słońce nawet wtedy, kiedy tak naprawdę jest już poniżej linii horyzontu, a jego tarcza wydaje się wówczas spłaszczona.

14 Odkryj, powtórz, zapami taj Fizyka. Kompletnie Bliżej fizyki. Zeszyt ćwiczeń. Część 2 uzupełnienie podręcznika, które ułatwi ci naukę, pomoże utrwalić omawiany materiał i poszerzy twoją wiedzę z fizyki. Romuald Subieta: Fizyka. Zbiór zadań najchętniej używany zbiór zadań, który pozwoli ci lepiej zrozumieć omawiane na lekcjach zjawiska fizyczne i skuteczniej przygotować się do sprawdzianów i egzaminu. Już dziś pomyśl o egzaminie gimnazjalnym! Trening przed egzaminem. Fizyka skutecznie przygotuje cię do egzaminu gimnazjalnego. Powtórzysz wszystkie tematy z gimnazjum, rozwiązując różnego typu zadania, z jakimi spotkasz się na egzaminie. Trenuj tak, jak lubisz w drukowanym zeszycie lub na WSiPnet.pl. Dowiesz się, co umiesz już dobrze, a co musisz jeszcze powtórzyć. WYDAWNICTWA SZKOLNE I PEDAGOGICZNE wsip.pl infolinia: