Текст книги "Книга для чтения по физике. 7-й класс"

Книга для чтения по физике. 7-й класс
Владимир Алексеев

© Владимир Алексеев, 2023

ISBN 978-5-0059-4505-1

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

Физика и её роль в познании окружающего мира

§1 Что изучает физика

1.1. Природные явления

Окружающий нас мир мы обычно именуем природой. Происходящие в мире явления – природные явления. Они происходят помимо воли и без участия человека. Ветер дует, дождь идёт, после дождя на небе появляется радуга, вечером над полем стелется туман. Наблюдает за этим кто-то со стороны или нет, всё происходит в мире «как заведено», по одним и тем же природным законам.

Люди, даже не будучи академиками и профессорами, издавна замечали природные закономерности. Закономерно то явление, что всегда повторяется из раза в раз при повторении определённых природных условий. Условия здесь – причина, а само явление – следствие. Одинаковые причины приводят к одинаковым последствиям. Такое положение дел и называют закономерностью.

Солнечное гало в Антарктиде

Полярное сияние в северных широтах

Для наблюдения некоторых природных явлений необходимо оказаться в определённом месте на планете. Полярные сияния чаще можно видеть за полярным кругом. Но иногда их можно наблюдать и на широте Санкт-Петербурга, в Иваново, и даже в Москве.

Фазы полного солнечного затмения

Полное солнечное затмение возможно увидеть исключительно вблизи экватора. В более «высоких» широтах ближе к полюсам планеты наблюдается только частичное затмение при прохождении Луны по диску Солнца.

Даже для совершенно далёких от науки людей было очевидно: Луна, «двигаясь по небу», закрывает собой Солнце. Очевидным был и тот факт, что видимые размеры двух небесных тел одинаковы. Если посмотреть на снимок полного солнечного затмения, легко заметить: радиус диска Луны почти в точности совпадает с радиусом диска Солнца. Возможно поэтому в старину люди считали Солнце и Луну «равноправными хозяевами» дня и ночи.

Задание: Подумайте, какими способами можно сравнить видимые радиусы Солнца и Луны на приведённом здесь снимке частичного солнечного затмения. Предложите несколько способов.

Снимок частичного солнечного затмения.                   Наблюдения выполнены в Италии 1 августа 2008 года

Древние мифы все небесные природные явления приписывали воле и действию небожителей. Греки считали «резиденцией» небожителей гору Олимп. Японцы были уверены, что на горе Фудзияма обитает дух вулкана Сакуяхимэ, что в переводе означает – «принцесса, заставляющая цвести деревья». Гора Кайлаш на западе Тибетского нагорья до сих пор считается центром Вселенной для последователей индуизма и буддизма.

Гора Фудзияма. Фото Такаси Накадзавы

Для нас не секрет, что лунные и солнечные затмения происходят время от времени, циклично. Предсказывать наступление этих явлений с достаточно большой точностью научились уже в древности. Ожидаемое время затмений вычисляли в результате длительных астрономических наблюдений.

Древние артефакты — Стоунхендж в Англии, календарь племени Майя в Новом Свете, показывают, что люди издавна вели наблюдения циклических изменений в космосе и в окружающей земной природе.

Календарь племени Майя

Стоунхендж с высоты птичьего полёта

Стоунхендж. Рисунок-реконструкция

Считается, что в древности искусство астрономических вычислений охраняли как «тайное знание» жрецы мистических культов. Объектом же внимания «простого народа» становилось то, что «ближе к земле». Интересы простых охотников и земледельцев в основном были сосредоточены на предсказании погодных изменений: дождливой поры и засухи, ветреной и спокойной погоды, мороза и оттепели.

От погодных условий нередко зависел и исход многих состоявшихся в истории битв. Встречный ветер останавливал выпущенные стрелы лучников. Во времена господства огнестрельного оружия тот же ветер наносил пороховой дым на позиции военачальника, закрывая от него поле боя и мешая обдуманно руководить сражением.

Сцена боя лучников, нарисованная на моржовом клыке из Аляски

Получается, что знание о природных явлениях оказывались жизненно важным и для ожидающего урожай земледельца, и для выслеживающего добычу охотника, и для идущего на битву с верой в победу воина.

Повторяющиеся атмосферные явления, характерное поведение зверей и птиц, изменения, происходящие в мире растений позволяли много примечать. Результаты многолетних, больше того – многовековых наблюдений отражены в народных приметах. Вот некоторые из них:

Вокруг луны ореол к вечеру – к туману.

Вороны каркают – к дождю.

Воробьи купаются в пыли – к дождю.

Гром в сентябре предвещает теплую осень.

Деревья покрылись инеем – к метели.

Домашняя птица прячет голову под крыло – к холоду.

Дрова зимой не разгораются и дымят – к оттепели.

Жаба взбирается на возвышенность к предстоящим осадкам.

Затишье в воздухе предшествует приходу стихии.

Зимой яркие звезды – к морозу.

Курица стоит на одной лапе – жди заморозков.

Красный закат – летом к ветреной погоде, зимой – к морозу.

Иней на деревьях

Ласточки низко летают – к дождю.

Лягушки громко квакают – к ясной погоде, тихо – к дождю.

Муравьи окапываются в муравейнике – к дождю.

Муравьи покидают муравейник перед ливнем.

На окнах выступили морозные узоры – зима будет долгой.

Обильная роса на траве – дождя не будет.

Облака быстро плывут – к ветреной погоде.

Облака плывут высоко – к хорошей погоде.

Паук плетет паутину – к ясному дню.

Перед дождем кошка прячет лапой нос, перед похолоданием – сворачивается клубочком, вытягивается на спинке – к теплу.

Сверчки поют вечером громко – ожидай жаркого дня.

Солнце село в облаках – жди дождя.

Соловьи поют всю ночь – к солнечной погоде.

Сорванная шишка укажет изменения погоды, закрыв поплотнее чешуйки перед дождем.

Чайки сидят на воде – к ясной погоде.

Чайник шумно закипает – к похолоданию.

Цветы чувствуют приближение осадков, например, одуванчик и клевер собирают свои шапки в зонтик.

Ясная луна – к хорошей погоде.

Похоже, что вороны, воробьи, домашние птицы, ласточки, жаба, лягушки, муравьи, паук, кошка, сверчки, соловьи, чайки, даже цветы и шишки хвойных растений «что-то знают» о предстоящей погоде! И каждый из них – «эксперт» в своём вопросе. Кто-то «предсказывает» дождь, кто-то жару, кто-то похолодание, кто-то ясный солнечный день.

Но можно ли утверждать, например, что «дождь пошёл оттого, что кошка закрывала лапой свой нос», или «жаркий день случился благодаря громкому пению сверчков»? На самом деле, поведение животных – это реакция на невидимые нам, неприметные изменения в природе, которые по прошествии времени закономерно приводят к дождливой либо жаркой погоде в данной местности.

Итак, не замечаемые нами природные процессы – причина, а особенности поведения животных, равно как и последующее изменение погоды – два разных следствия из этой причины, разведённые во времени.

Природа даёт человеку и животным разные возможности

Органы чувств животных устроены более тонко, чем органы чувств человека, поэтому и позволяют им ощущать предвестия многих изменений в природе. Известно, например, что слабые колебания почвы, предваряющие землетрясения, вызывают беспокойство животных. И хищники, и травоядные массово покидают область будущего эпицентра землетрясения. Между тем пастух, пасущий овец, может даже не догадываться о причинах буйства своего стада.

1.2. Органы чувств и измерительные приборы

Органы чувств – «удивительные творения природы». У разных видов животных (и растений!) они чрезвычайно разнообразны. Учение об эволюции видов вынужденно допускает периоды в миллиарды лет, в течение которых сформировались все эти совершенные «приборы» у рыб и птиц, насекомых и рептилий, паукообразных и млекопитающих. Для религии, говорящей о сотворении мира, наш мир намного «моложе».

Может быть, это прикрывшееся щитами и выставившее копья войско? Нет, это всего лишь глаз мухи под электронным микроскопом!

Человеку изначально даны для исследования мира пять основных чувств – зрение, слух, обоняние, осязание и вкус.

Большую часть информации мы получаем в светлое время суток, при помощи зрения. Что делать, если окружающая обстановка не освещена? Привыкнув ориентироваться по зрительным ощущениям, мы становимся довольно-таки беспомощными. Приходится передвигаться ощупью, отыскивать ориентиры руками и ногами, чтобы не упасть в яму, не наткнуться на препятствие.

Впрочем, если слабое освещение всё-таки присутствует, глаз человека со временем адаптируется, привыкает к новым условиям. В сумраке мы начинаем различать смутные очертания предметов.

Морякам в старину часто приходилось переходить с ярко освещённой палубы в тёмный трюм и обратно. С этим и связана особенность некоторых пиратов – носить на одном глазу чёрную повязку. Закрытый глаз не «засвечен» ярким солнцем и быстро начинает видеть в темноте, позволяя ориентироваться в темноте.

Против ожиданий читателей книг о пиратах, те, за редким исключением, вовсе не были одноглазыми!

Если же глаз живого существа изначально приспособлен для ночного зрения, яркий свет солнца такой сверхчувствительный орган зрения «выведет из строя». Грозный ночной хищник – сова, днём нередко подвергается атакам дневных птиц, отгоняющих её от гнёзд. Стая мелких пичужек атакует сову, та же, ослеплённая лучами солнца, не может оказать им никакого сопротивления. Примерно такая ситуация описана и в рассказе Михаила Пришвина «Филин».

Глаза совы – отличный прибор «ночного видения» практически бесполезны ярким солнечным днём!

Глаза человека, подобно линзам бинокля, оба устремлены вперёд, имея практически параллельные оси зрения.

Левая и правая часть бинокля – оси зрения, параллельны друг другу

Поэтому и зрение человека, имеющего здоровые глаза, является бинокулярным. Все предметы такой человек видит объёмными, а не плоскими. Это позволяет верно оценивать расстояния до предметов.

Для иных живых существ бинокулярность не столь важна, как широкий угол обзора. Глаза не хищных животных и птиц расположены «по бокам» головы. При этом зрение становится панорамным, животное видит не только находящееся впереди, но и «позади и сбоку». Такая ориентация органов зрения позволяет заметить приближение опасности. Сверху и сзади всё-таки остаётся слепая зона, не рассматриваемая ни левым, ни правым глазом.

Большую часть пространства вокруг себя лошадь осматривает либо только левым, либо только правым глазом (монокулярное зрение)

Некоторые животные, например, кролики, некоторые виды птиц за счёт движения глаз способны образовывать бинокулярную область не только перед собой, но и сзади.

Движение глаз птицы позволяет образовать бинокулярную область как перед клювом (а), так и позади головы (б)

У паука не только восемь лап, но и восемь глаз, дающих ему возможность кругового обзора. Это необходимо как для поиска добычи, так и для спасения от хищников

Глаза хамелеона способны вращаться независимо друг от друга

Завершая рассказ о зрении, стоит упомянуть о различном восприятии цвета органами зрения разных животных. Так, коровы и быки вовсе не различают цвета, видят мир в чёрно-белом изображении. Пчёлы различают геометрические фигуры, но практически не воспринимают красного цвета. Зато их восприятию доступен ультрафиолет, не видимый человеку.

Не менее интересно устроены органы слуха.

Сложное устройство уха кошки позволяет ей улавливать малейшие шорохи

Едва ли удастся с первой попытки отыскать ухо на голове у дельфина, а оно есть, и позволяет улавливать звуки, недоступные человеческому слуху!

Летучая мышь ушан получила своё наименование благодаря огромным ушам – ультразвуковым локаторам. С их помощью она улавливает отражённый насекомыми ультразвук, который сама же и генерирует

Что же является источником звука, какими должны быть объекты, генерирующие звук? Звуки, чаще всего издаваемые нами – это звуки нашего голоса. Осторожно прикоснёмся пальцами к горлу спереди в момент говорения. Мы почувствуем вибрацию. Это вибрируют и передают дрожание воздуху наши голосовые связки. Когда человек простужен, голосовые связки больны, голос хриплый и сиплый, едва слышный. Голос здорового человека достаточно громкий и звонкий, чтобы быть услышанным издалека.

Точно так же вибрируют, воспроизводя музыкальные звуки, тарелки и барабаны ударных установок, струны скрипки и рояля, язычок северного варгана и язычки европейской губной гармоники.

Даже с закрытыми глазами мы без труда узнаем, какой музыкальный инструмент издаёт звук…

…мужской или женский голос поёт одну и ту же песню

Какой из певческих голосов напоминает звук стрекозьих крыльев? Какой похож на жужжание шмеля? Есть ли среди них такой, что готов поспорить с писком комара?

Частота колебаний жужжальцев комара составляет 12—16 кГц (килогерц), то есть 12000 – 16000 взмахов в секунду! Передние крылья имеют частоту в диапазоне 500—1000 Гц

Шмель машет крылышками с частотой 130—240 Гц

А можно ли сравнивать различные звуки, например, голоса профессиональных певцов и насекомых? Посмотрите внимательно на таблицу и подписи к картинкам. Как вы полагаете, какой голос должен петь свою арию, чтобы прилёт шмеля оказался как можно более незаметным? Чей голос может сливаться в один тон с комариным жужжанием? (Не путать с тонюсеньким писком жужжалец, благодаря которым комар сохраняет равновесие ми может надолго зависать в воздухе!)

Единственная бабочка, способная издавать писк – бражник, все прочие бабочки машут крыльями неслышно для человека, с частотой 5—9 Гц.

Стрекозы совершают за секунду до 10-15 взмахов крыльями, поэтому их полёт также беззвучен для человека.  Причина характерного треска – соударения парных слюдяных крылышек при смене режима полёта (либо когда стрекоза старается вырваться из плена).  Четыре крыла стрекозы независимы (как глаза у хамелеона!) Каждое управляется своей группой мышц. Именно поэтому стрекозы, подобно вертолёту,  могут зависать на месте, лететь в любом направлении и круто изменять направление полёта. Это удивительное свойство стрекозьих крыльев совершенно уникально в мире насекомых.

Треск крыльев стрекозы – звук не музыкальный. Такие звуки, не представляющие собой «чистую ноту», мы называем шумами. Знакомые устойчивые словосочетания: шум моря, шум ветра, шум листвы. Шум – беспорядочное смешение нескольких дрожаний, колебаний, вибраций. Информацию при помощи шума можно передать только в двоичном коде: звук-тишина («шум есть» – «шума нет»).

Человек передаёт многообразную речевую информацию при помощи голоса. Самые музыкальные, распеваемые при пении звуки – гласные.

Голоса у нас разные, но у каждой гласной есть неповторимые постоянные особенности. Букву «а», например, мы узнаем, чьим бы голосом она ни была произнесена. Всегда сможем отличить звук «о» от звуков «у» и «е».

Учёные утверждают: у каждой произносимой нами гласной есть свой неповторимый частотный «портрет»

И это потому, что голосовые связки при произнесении того или иного гласного звука вибрируют сразу с несколькими вполне определёнными частотами, называемыми формантами (Таблица №2).

Проделайте простой опыт: произнесите слитно одну за другой, как при пении, гласные в первом столбце таблицы: А-О-У-Е-И. Старайтесь не изменять громкость голоса. Какая из гласных показалась на слух самой «басистой»? А какая – самой тонкой? Можно попросить проделать тот же опыт свободных от домашних дел членов семьи. Результат оказался тем же?

Теперь посмотрим внимательно, у какой из гласных в таблице – самые низкие форманты (самая малая частота колебаний голосовых связок). Сравнивать следует с формантами других гласных в одном и том же столбце, например: у буквы «А» первая форманта самая высокая из всех в первом столбце, 700 герц, у буквы «У» вторая форманта самая низкая по частоте во втором столбце, 625 герц.

Подтверждает ли проведённый вами опыт такой вывод: «Самым басовитым звуком на слух кажется звук „У“, а самым тонким – звук „И“»?

Проверьте справедливость следующего вывода: «Если хотя бы две из трёх характерных формант гласного звука выше или ниже соответствующих формант иных гласных звуков, то такой звук соответственно воспринимается как наиболее высокий или как наиболее низкий».

Какой из выводов вам нравится больше? Какой из них наиболее научный?

Особенности слуха человека и животных во многом обусловлены тем, на каких частотах общаются представители данного вида, какие частоты используют хищники (как, например, летучая мышь) для поиска пищи.

На рисунке показан частотный диапазон звуков, издаваемых музыкальными инструментами и животными. Ухо человека «подстроено» под звуки природной среды обитания (достаточно крупные сухопутные звери и птицы). Музыкальные же инструменты созданы самим человеком так, чтобы диапазон их звучания «укладывался» в пределы хорошей слышимости.

Диапазон слышимости звуков разный для разных животных.

На следующей странице даны несколько заданий по приведённым здесь рисункам. Попытайтесь выполнить их все, одно за другим.

ЗАДАНИЯ

====================================================

А. Оцените истинность высказывания:

1. Понятие «инфразвук» связано с нижним пределом слышимости звуков для человека

2. Инфразвуковые частоты – любые звуки ниже 16—20 Гц

3.Саксофон может воспроизводить звуки в частотном диапазоне лая собаки

4.Собака способна услышать любой звук, издаваемый саксофоном (Внимание! Для ответа на этот и последующие вопросы необходимо «поработать» с двумя рисунками!)

5. Волнистый попугай слышит кузнечика, но не способен различать издаваемый насекомым ультразвук

6.Самый широкий диапазон слышимости у дельфина, общаются же эти млекопитающие на высоких слышимых человеком и ультразвуковых частотах

7.Летучая мышь практически не способна насладиться чарующими звуками скрипки

====================================================

Б. Сравните информацию выше и ниже разделяющей надписи на странице 27:

1.Какая информация добавляется на нижнем рисунке? Какая отсутствует?

2.О какой улитке идёт речь в надписи? Ко всем ли живым существам, перечисленным на рисунке, относится эта пояснительная надпись? (Для ответа на вопрос стоит заглянуть в пособие по биологии, узнать подробно, что же такое «улитка»)

====================================================

В. Придумайте утверждения, по образцу приведённых в части заданий А (1—7), которые не были бы истинными.

Задумывались ли вы, почему, если кричать против ветра, даже самый громкий голос не будет услышан? Получается, звук «относится ветром» подобно каплям дождя или взвешенным в воздухе пылинкам. Движение воздуха не позволяет звуку «дойти до адресата».

Как бы громко вы ни кричали, люди с подветренной стороны не смогут вас услышать

То есть звук локализован в воздухе и связан с ним, имеет вполне определённое местоположение в пространстве. Когда переносится ветром или тёплыми восходящими потоками воздух – тогда и звук переносится вместе с ним. Но звук – это не что-то видимое глазу, как пылинка или капля дождя, он – особое состояние самого воздуха.

Точно так же в пустыне тёплый воздух, поднимаясь от песчаной поверхности вверх, уносит с собою звуки, делая их неслышимыми для окружающих

Из опыта мы знаем, что вначале услышит громкий звук наблюдатель, находящийся ближе к источнику звука, и только потом звук дойдёт до более отдалённого наблюдателя. то есть, звук движется в воздухе, имея вполне определённую скорость.

Практический ответ на вопрос: «Далеко от нас гроза или близко?» – основан как раз на «мгновенности» распространения света от места вспышки молнии и на «запаздывании» звукового эффекта – грома. Считается, что за три секунды звук проходит по воздуху расстояние приблизительно в 1 км.

Итак, звук движется «по воздуху», переносится с места на место вместе с массами воздуха. Но в воздухе мы ничего не можем заметить ничего постороннего, что являлось бы «носителем звука». Что же такое звук?

Источник звука, как мы установили, вибрирует, колеблется (можно ещё раз проверить это опытом с линейкой, прижатой к краю стола).

Звук «рождается» в линейке (и в наших голосовых связках, и в крылышках насекомого, и в струне скрипки) как колебание, вибрация

Если «рождённый» звук – это колебание, то и дошедший до нашего слуха, заставляющий вибрировать барабанную перепонку, также является колебанием. И именно колебание передаётся в воздухе от точки к точке. Но кроме воздуха на этом пути от источника звука к уху ничего нет. Логично предположить, что колеблется при этом сам воздух.

Опыт показывает, что получающий энергию от источника питания (ИП) электрический звонок перестаёт быть слышным наблюдателю, когда из-под стеклянного колокола при помощи воздушного насоса (ВН) откачан воздух

Следовательно, для передачи звука необходима материальная среда. В полном вакууме звук не передаётся. Не передаётся он, например, и через звукопоглощающие материалы – войлок, пробку. Среда обязательно должна быть упругой, сопротивляться внешнему воздействию и сама приходить в колебательное движение. Лучше всего этому условию соответствуют твёрдые тела, например, металлические рельсы, плотная твёрдая почва. Несколько хуже звук передаётся в воде. В воздухе звук распространяется ещё медленнее, к тому же рассеивается, поэтому слабо слышен на больших расстояниях.

Звук быстрее передаётся в твёрдой среде. Шагая по рельсам, можно почувствовать их вибрацию как сигнал о приближающемся поезде. Приложив ухо к земле, следопыты различали стук копыт приближающейся конницы в то время, когда звук по воздуху до них ещё не доходил

Твёрдое тело, вода и воздух передают тот же самый звук, что слышен вблизи от источника, но с разной скоростью. Бас при этом не становится писком, а писк басом. Знакомый голос, звучащий на берегу, ныряльщик узнает и под водой.

Звук хорошо слышен и в воде, там он имеет меньшую скорость, чем в твёрдых телах, но большую, чем в воздухе

Путевой обходчик, ударяя молоточком по рельсам, оценивает их состояние по звуку. Глухой звук означает разрыв, трещину в рельсе. Такой рельс необходимо заменить, чтобы не допустить крушения поезда

Во многих случаях необходимо проверять целостность среды, проводящей звук. Раньше проверка производилась на слух, теперь же за этим следят приборы, действие которых напоминает обнаружение насекомых летучими мышами. Прибор генерирует колебания и сам же фиксирует отражённый звук, по его характеру определяя, в норме проверяемые конструкции или же повреждены.

Постукивая ногтем или карандашом по краю фарфоровой посуды, проверяют её качество. Глухой непродолжительный звук говорит о трещинах либо кавернах (воздушных пузырьках). Качественная посуда отзывается долгим мелодичным звоном

Проверка ультразвуком детали (2). На схеме обозначены: 1– источник звука, 3 – приёмник, 4– дефект

В медицине методом ультразвукового исследования (УЗИ) проверяют состояние сосудов, внутренних органов пациента

Проверить целостность бокала из хрусталя или очень тонкого стекла можно весьма любопытным способом. Слегка смоченным в воде пальцем нужно совершать кругообразные движения по кромке бокала, стараясь подобрать такую скорость движения, чтобы бокал «запел».

Мастера «поющих бокалов», подбирая музыкальный ряд из нескольких октав, способны исполнять на таком импровизированном стеклянном инструменте весьма сложные классические произведения! Высоту тона подбирают наиболее точно, доливая в стакан некоторое количество воды или используя иные хитроумные способы.

Источник звука – динамик, вызывает в бокале сильные вибрации, приводящие к разрушению. Известны случаи, когда такого же эффекта достигали певцы, взявшие высокую ноту. Это явление носит название акустический резонанс