Физика. Серия "Инновационная школа". 8 класс

Молекулы взаимодействуют друг с другом, значит они обладают потенциальной энергией... Тут следует заметить, что в учебнике седьмого класса рассматривалось только два вида потенциальной энергии - энергия тела, находящегося в поле силы тяжести (гравитационная потенциальная энергия), и энергия упругой деформации. Ну да, если дело происходит на Земле, то молекулы обладают потенциальной энергией первого типа. Но причем тут взаимодействие?

Это весьма забавно, но автор на самом деле прав, вот только он сам не понимает, чего пишет. Дело в том, что на школьном уровне реальные газы не рассматриваются, их заменяет теоретическая модель "идеального газа". В этой модели размерами и взаимодействием между молекулами пренебрегают, считая их упругими точечными частицами. Как несложно заметить, потенциальная энергия молекул идеального газа равна нулю. В реальном же газе между молекулами существует электростатическое взаимодействие,  поэтому автор прав, но есть нюанс...

Потенциальная энергия любого вида - это нечто, скрытое внутри объекта и до поры никак себя не проявляющее, на то она и потенциальная. Молекула обладает потенциальной энергией совершенно особого рода. В первую очередь, это химическая потенциальная энергия. Крупинка обычной соли может вечно находиться в твердом состоянии - это абсолютно стабильное вещество, но если ее бросить в воду, то начнется чудо под названием диссоциация. Молекулы воды начнут "обволакивать" молекулы соли, фактически разбирая их на части. В водном растворе отдельно существуют ионы натрия и ионы хлора, и за это надо сказать спасибо потенциальной энергии молекул воды - в данном случае она проявляется именно так. Это частный случай более общего явления, называемого электрической потенциальной энергией, но ведь автор не это имел в виду, правда? А что тогда?

Каждая молекула имеет кинетическую энергию, это верно. А вот говоря о потенциальной энергии, автор незаметно перескакивает на весь газ в целом. Разумеется, газ, как рабочее тело, имеет потенциальную энергию. Чем сильнее его сжать, тем больше давление, но вот тут и кроется нюанс. Давление газа обеспечивается кинетической энергией молекул, которая при сжатии возрастает. Автор явно считает, что сжатый газ обладает свойствами пружины, и его потенциальная энергия имеет ту же природу, то есть, является энергией упругой деформации. Проблема в том, что расстояние между молекулами газа очень велико по сравнению с размерами самих молекул, и эти молекулы, в отличие от атомов в кристаллической решетке металла, из которого сделана пружина, не испытывают постоянного влияния соседей. Давление возрастает не из-за того, что начинают перекрываться электронные оболочки атомов, а из-за более частых соударений между молекулами. А это является следствием роста кинетической энергии молекул. Понятна схема? Газ в целом никуда не движется, но он давит на стенки сосуда, в котором находится. Если стенки убрать, то газ, вероятно, расширится, так что вполне можно считать газ в целом имеющим потенциальную энергию. Но природа этой энергии заключена в кинетической энергии молекул газа, а не в потенциальной. Потенциальной энергии у молекул газа, по крайней мере в школьной физике, попросту нет.

Так сказать, пользуясь случаем... Школьные рассказы про три агрегатных состояния вещества сродни байке о том, что стрелка компаса всегда указывает на север. Вроде самый последний двоечник знает, что это не так, но учебники все равно упрямо твердят, что их три. Я согласен, когда это утверждение появляется в учебнике химии - действительно, в других агрегатных состояниях вещество уже, пожалуй, не имеет химических свойств, но физические-то никуда не делись. 

Классических или основных состояний четыре:

• твердое

• жидкое

• газообразное

• плазменное

Однако если рассматривать различные специфические случаи, то состояний окажется намного больше, начиная от сверхтекучей жидкости и заканчивая нейтронным веществом, кварк-глюонной плазмой и вырожденным электронным газом.

Это, конечно, не ошибка, а больше иллюстрация образа мысли автора. В двух последовательно идущих предложениях он способен высказать диаметрально противоположные мысли, и это никого не смущает. Сначала, перечисляя части двигателя внутреннего сгорания, он в числе прочих упоминает шатун и кривошип. А потом заявляет, что они частями двигателя не являются. Как так можно...

Нобелевка, чо... Чистая, неоспоримая нобелевка за открытие в области природы молний. Для пущего эффекта надо было добавить, что облака состоят из стеклянных и эбонитовых палочек.

Процессы, происходящие при разряде молнии, изучались столетиями, и на данный момент достаточно хорошо описаны. В частности, известно, что никакой электризации облаков не происходит, а происходит их поляризация. Грозовое облако внутри является очень неспокойным - воздушные массы движутся хаотически, создавая сильные завихрения. Собственно, поэтому самолетам крайне не рекомендуется залетать в такие облака. А еще эти воздушные потоки несут с собой большое количество водяных капель и снежинок, которые постоянно сталкиваются между собой. Трение приводит к разделению зарядов - об этом процессе ученым известно меньше всего - более мелкие частицы получают положительный заряд и поднимаются к вершине облака. А более тяжелые капли заряжаются отрицательно и располагаются ближе к основанию облака. В итоге образуется диполь. Не бывает "облаков с электрическими зарядами противоположного знака", бывают разноименно заряженные части одного и того же облака. Электрический разряд внутри облака, так называемая, внутриоблачная молния, очень частое явление, это вообще самый распространенный тип молний. Но пусть автор попробует объяснить их возникновение, опираясь на теорию электризации облаков.

Молния может возникать и между облаками, но не потому что они имеют заряды разного знака, а потому что каждое из них имеет части, заряженные как положительно, так и отрицательно.

Наконец, традиционная молния, ударяющая из облака в землю, на самом деле происходит в несколько этапов. Сначала возникает электрический пробой в облаке, приводящий к быстрому перемещению отрицательных зарядов из основания облака в сторону земли (так называемый ступенчатый лидер, это еще не молния). Появление у поверхности земли значительного отрицательного заряда вызывает резкое локальное увеличение напряженности электрического поля и ответные разряды, направленные от земли в сторону лидера. В случае, если эти разряды соединяются с вершиной лидера, возникает канал земля-облако, по которому и происходит основной удар молнии.

Автор решил, что он умнее всех. Я не стал придираться к традиционному для всех учебников утверждению, что стрелка компаса всегда указывает на север. Кому интересно, с этой историей можно ознакомиться в разборе учебника географии. Но вот этот шедевр пропустить, конечно же, нельзя.

С точки зрения физики магнитный полюс, расположенный в районе Северного Ледовитого океана, действительно является южным - все верно. Вот только Северный магнитный и Южный магнитный полюса - это не какие-то абстракции, а вполне конкретные географические объекты, особенно, если их названия написаны с заглавной буквы. И определение каждого из этих объектов данное в географии, гласит, что Северный магнитный полюс находится в Северном полушарии Земли, а Южный - в Южном. Так исторически сложилось, и, хотя - да, очень многие серьезные научные издания подчеркивают, что названия эти не вполне корректны, переименовывать полюса пока никто не догадался.

Впрочем, время от времени на Земле происходит то, что называется магнитной инверсией - полюса меняются местами, последний раз это случилось 780 тысяч лет назад. Так что через какой-нибудь миллион лет, а то и раньше, на севере нашей планеты будет находиться истинный северный магнитный полюс, вот только стрелки компасов будут указывать на юг.

Если не уточнять, к какому именно телевизору, то утверждение, безусловно, неверно. Автору на 2021 год было уже порядком лет, так что для него иных телевизоров, кроме как с кинескопами на электронно-лучевых трубках, и не существовало. А вот восьмиклассникам было максимум по 14 лет - они этих динозавров, возможно, и не видели никогда. К плазменной панели или ЖК-экрану магнит можно подносить с любой стороны сколько угодно раз - на изображение это никак не повлияет. Если, конечно, магнит недостаточно мощный, чтобы вывести из строя электронику телевизора.

Да вот уж фиг... Мы просто привыкли к тому, что все розетки и выключатели в наших домах являются частью единой сети переменного тока, но устройство электроприборов может быть самым разным. Тот же современный телевизор или компьютер, например, первым делом преобразует 220 вольт переменного тока в подходящий номинал постоянного тока. Все же держали в руках блоки питания от различных устройств? На них всегда указывается, какое напряжение и силу тока блок питания способен выдать.

Вообще, практически вся бытовая электроника работает на постоянном токе, особенно с появлением емких литиевых аккумуляторов. Кстати, зарядку аккумуляторов переменным током производить абсолютно бессмысленно и даже вредно по очевидным причинам, так что да - понижающая схема и выпрямитель, спрятанные в корпус блока питания, являются обязательными элементами прибора. В том числе и в заряднике для аккумуляторов все ровно так же, и да - ваш внешний Power Bank тоже заряжается от постоянного тока, преобразованного схемой блока питания.

Лампы накаливания или чайники с утюгами - да, переменный ток, тут усложнять незачем, а вот всякие светильники на светодиодах уже не всегда. Питание телефонных станций еще со времен декадно-шаговых АТС осуществлялось постоянным током 48 вольт. Если вы застали времена проводных телефонов, то тогда каждый телефон подключался непосредственно к АТС и получал питание именно от нее. Те самые 48 вольт постоянного тока. А иначе откуда был гудок в трубке и все остальные чудеса?

Это, кстати, потом стало большой проблемой - современное сетевое оборудование в помещениях телефонных станций, где ему самое место, физически подключать было некуда.

Бортовая сеть практически любого автомобиля работает на постоянном токе 12 вольт, да и все современные электромобили питаются от аккумуляторов, выдающих постоянный ток. Все трамваи, троллейбусы, поезда метро, тепловозы (да-да) и даже значительная часть электровозов на железной дороге работают на постоянном токе. Чего там автор писал про электродвигатели постоянного тока - они сложные? Вот же какие неучи все инженеры мира, проектировавшие локомотивы для железных дорог. На самом деле у двигателей постоянного тока слабым звеном являются не полукольца, а щеточно-коллекторный механизм. Он не слишком надежен сам по себе, к тому же трение создает, да еще и изнашивается. Но для целей передвижения тяжелых грузов двигатели постоянного тока подходят идеально. У них большая тяга и гораздо проще управление, так что большинство электровозов оснащается именно такими двигателями.

Да, есть электровозы переменного тока. Их появление связано с тем, что контактная сеть железной дороги плохо справляется с высоким напряжением постоянного тока, и там, где интенсивность движения поездов и грузов высокая, имеет смысл использовать переменный ток. Сеть постоянного тока ограничена напряжением примерно 3 кВ, тогда как переменный ток позволяет за счет использования трансформаторов поднять напряжение до 25-50 кВ. Но знаете что... Это напряжение в контактной сети, к которой подключен электровоз. А на борту электровоза находится здоровенный такой блок питания. Это, конечно, не пластиковая коробочка, а махина массой в несколько тонн, но суть та же - трансформатор, выпрямитель и все тот же двигатель постоянного тока в конце цепочки. Точнее, тут получается пульсирующий ток, но это уже детали. 

А есть так называемые "многосистемные" электровозы, то есть локомотивы, которые умеют работать и на постоянном, и на переменном токе.

Нихрена себе получается "значительно чаще", да? На самом деле, если вы найдете хоть десяток массовых применений переменного тока в быту, то это уже будет неплохо. Тот факт, что прибор втыкается в розетку с надписью "220 вольт", еще не значит, что он потребляет их напрямую без преобразования в постоянный ток.

Единственный плюс переменного тока действительно состоит в том, что его удобнее транспортировать и трансформировать. Но и тут есть нюанс - если линия электропередач достаточно длинная, то реактивное сопротивление проводника начинает играть заметную роль. Автор же в учебнике написал, что при изменении направления тока возникает переменное магнитное поле, которое пытается препятствовать изменению направления тока. Закон Ленца, самоиндукция, все дела. Это и есть реактивное сопротивление, и чем длиннее провод, тем заметнее потери. Поэтому на магистральных ЛЭП приходится задирать напряжение до сотен киловольт, а провода делать толстыми, что сказывается на их весе.

С постоянным током таких проблем нет, хотя это не означает, что проблем нет вообще, еще как есть. 

Переменный ток удобнее и проще генерировать? Ну, наверное, хотя тут вопрос, что первично. Солнечным электростанциям, например, удобнее генерировать постоянный ток, но в сети используется переменный, так что им приходится строить дополнительные преобразователи.

Использование переменного тока в сети связано еще и с историческими причинами, но об этом я тут распространяться не буду. Желающих отсылаю к эпохальной битве между гениальными учеными и заклятыми врагами Томасом Алвой Эдисоном и Николой Теслой, продвигавшими на рынок, соответственно, постоянный и переменный ток. Происходили эти события 140 лет назад в США и получили историческое название "Война токов". Победил Тесла, с тех пор, собственно, переменный ток стал использоваться для передачи на расстояния.