Файл: Лекции по физике.pdf

тельных клетках, окруженных водой, может быть весьма значительным и достигать нескольких атмосфер. Именно благодаря осмосу вода из почвы попадает в клетки листьев очень высоких деревьев. Так, эвкалипты и секвойи достигают высоты 100-120 м. Концентрация клеточного раствора в листьях таких растений достаточно высокая, значит, и высокое осмотическое давление (12.5), следовательно, и большая высота подъема воды (12.6).

Если же, растение или животное находятся в растворе с концентрацией, превышающей клеточную концентрацию, то вода идет из клеток во внешний раствор. Например, когда мы делаем варенье и засыпаем фрукты сахаром, образуется сироп – раствор сахара в воде, вышедшей из клеток фруктов. Аналогичный процесс происходит и при засолке рыбы или овощей.

Благодаря осмосу речным рыбам не нужно пить, – вода поступает в ткани не только через желудок, но и через всю внешнюю поверхность рыбы. Так что пресноводным рыбам нужно постоянно выводить избыток воды. А у морских рыб, кроме акул и скатов, концентрация клеточного раствора меньше концентрации солей в морской воде, и они вынуждены пить воду, усваивая ее через желудок. Море в прямом смысле «высасывает» воду из тканей рыб. Кстати, именно осмотическим высасыванием воды из клеток обусловлено чувство жажды, возникающее после приема соленой пищи или питья морской воды.

Кроме того, с ростом концентрации раствора (а, значит, и осмотического давления) уменьшается температура его замерзания. По этой причине почки растений и ткани некоторых животных зимой полностью не промерзают (некоторые виды рыб выдерживают полное промерзание водоема, не зарываясь в ил). Морская вода не замерзает при температурах до –2 °С и ниже в зависимости от солености.

Напротив, температура кипения раствора с ростом концентрации (а, значит, и осмотического давления) увеличивается. Поэтому температура кипения соленой воды при атмосферном давлении выше 100 °С.

Причины изменения температуры плавления и кипения воды в зависимости от давления рассмотрены в предыдущей лекции.

Вопросы к лекции 12

1.Как возникает поверхностное натяжение жидкостей? Приведите примеры.

2.Как определяется коэффициент поверхностного натяжения жидкости, и от чего он зависит?

3.Поясните, в каком случае жидкость смачивает поверхность, с которой соприкасается, а в каком – нет.

4.При взятии крови для анализа используется тонкая капиллярная трубка. Почему кровь «сама» поднимается по капилляру? Почему такого эффекта практически не наблюдается, если трубка не достаточно тонкая?

5.Почему при инъекциях нельзя допускать попадания в иглу шприца пузырьков воздуха?

6.Приведите примеры капиллярных явлений в жизни растений и животных.

7.Что такое осмос? Как найти осмотическое давление?

8.Приведите примеры осмотического эффекта в живых организмах.

9.Объясните механизм подъема воды в листья высоких деревьев.

10.Почему мы хотим пить после приема соленой пищи? Почему от сладкой пищи чувство жажды гораздо меньше?

78

ГЛАВА III. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ

Впервой главе упоминалось поле тяжести Земли или гравитационное поле, действующее на тела, имеющие массу. После открытия французским физиком Ш. Кулоном притяжения разноименно заряженных тел с XIX века к числу свойств частиц стали прибавлять электрический заряд. Для описания взаимодействия движущихся зарядов английский физик М. Фарадей ввел в науку новое понятие электромагнитного поля. Физическое поле – это особый вид материи, посредством которого осуществляется взаимодействие между частицами на расстоянии.

Движение заряженных частиц в электрическом и магнитном полях, а также взаимодействие между ними изучает электродинамика.

Воснове учения об электромагнетизме лежат следующие экспериментальные факты.

Электрическое поле порождается заряженными частицами или переменным магнитным полем.

Магнитное поле порождается движущимися заряженными частицами или переменным электрическим полем.

Лекция 13. Электростатика

Электростатика изучает электрические поля неподвижных заряженных тел. Эти поля не меняются со временем и называются постоянными.

Явление приобретения электрического заряда телами при определенных условиях, например, при трении, называют электризацией. При этом происходит разделение зарядов между контактно взаимодействующими телами или между частями одного тела вследствие неконтактного влияния других тел.

Заряд измеряется в кулонах (Кл = А·с). Элементарным зарядом является заряд электрона е = –1,6·10–19 Кл, то есть любой заряд кратен заряду электрона. Если в теле избыток электронов, его заряд отрицательный, если недостаток – положительный.

Один из фундаментальных законов электричества – закон сохранения заряда: если через границу системы не проходят заряженные частицы, полный заряд системы не меняется.

Другой фундаментальный закон – закон Кулона: сила взаимодействия двух точечных1 зарядов в вакууме направлена вдоль прямой, соединяющей эти заряды, пропорциональна их величинам q1 и q2 и обратно пропорциональна квадрату расстояния r между ними

1 Точечными считаются заряженные тела, размеры которых малы по сравнению с расстоянием r между ними.

79

13.1. Напряженность и потенциал электрического поля

Напряженность электрического поля E в какой-либо точке пространст-

ва – это сила, действующая на единичный1 неподвижный точечный заряд, находящийся в данной точке.

Еслиr заряд q находится в электрическом поле в точке, где напряженность поля E , то на заряд действует сила

Электрическое поле не видно, оно проявляется действием на заряд и схематически изображается в виде силовых линий (линии напряженности поля). Для определенности силовые линии направляют от положительного заряда к отрицательному. При этом вектор напряженности поля направлен по касательной к силовой линии в данной точке. Если напряженность во всех точках пространства одинакова, поле однородное, если нет – неоднородное.

Напряженность поля точечного заряда q на расстоянии r от него

Eвает с расстоянием, E(r) ~ 1/r2, как показано на рис. 13.3.

1 Единичным называют положительный заряд величины 1 Кл.

80

Простейшей системой точечных зарядов является электрический диполь. Так называются два равных по величине и противоположных по знаку точеч-

Молекулы многих диэлектриков обладают дипольным моментом и определяют электростатические свойства вещества. Более подробно об этом – в следующем параграфе.

Чтобы найти напряженность поля в случае, если заряд не точечный, а произвольной формы, его нужно разбить на множество точечных зарядов и векторно просуммировать напряженности полей каждого из них.

Для этого удобно пользоваться теоремой Гаусса, согласно которой поток ФЕ вектора напряженности электрического поля (электрический поток) заряженного тела через произвольную замкнутую поверхность, окружающую это тело, пропорционален суммарному заряду q, находящемуся внутри этой поверхности,

Так, например, напряженность поля внутри заряженной по поверхности сферы радиуса R (с полным зарядом q) равна нулю, а поле вне сферы определяется так же, как и для точечного заряда q:

1 Точное определение потока вектора напряженности электрического поля через замкнутую поверхность S: ФE = ∫∫(Enr)dS , где интеграл берется по замкнутой поверхности S.

S

81