Тела, вещества и энергия

Определения и обозначения

Тело — любой предмет или объект, имеющий форму, объём и границы. Камень, дерево и облако относятся к природным телам, а стол, мяч и автомобиль созданы человеком. Понятие тела помогает выделить отдельный объект и описать его свойства.

Вещество — то, из чего состоят тела. Стакан может быть сделан из стекла, а вода находится в стакане как отдельное вещество. Это различие нужно, чтобы не путать предмет с материалом, из которого он изготовлен.

Частица — мельчайшая составная часть вещества. Частицы слишком малы, чтобы увидеть их невооружённым глазом, и постоянно движутся. Представление о частицах помогает объяснять свойства и изменения веществ.

Энергия — способность тела или системы совершать работу и вызывать изменения. Она бывает механической, тепловой, электрической, световой и химической. Понятие энергии нужно, чтобы описывать, почему тела движутся, нагреваются, светятся или изменяются.

Как это устроено

Тело является отдельным предметом, а вещество — материалом, из которого предмет состоит. Например, стеклянный стакан — тело, стекло — вещество, а вода внутри него — другое вещество. Такое различие важно потому, что один и тот же материал может образовать разные предметы: из стекла делают окна, бутылки и линзы.

Все вещества состоят из частиц, но частицы расположены и движутся по-разному. В твёрдых веществах они находятся близко и колеблются около определённых мест, поэтому тело сохраняет форму. В жидкостях частицы могут перемещаться, поэтому жидкость сохраняет объём, но принимает форму сосуда, а в газах частицы далеко друг от друга и заполняют всё доступное пространство.

Нагревание увеличивает скорость движения частиц, а охлаждение её уменьшает. Когда частицы твёрдого вещества начинают двигаться сильнее, оно может расплавиться; при дальнейшем нагревании жидкость испаряется. При охлаждении пар превращается в жидкость, а жидкость при достаточном охлаждении затвердевает, потому что движение частиц замедляется.

Энергия появляется у тела или передаётся ему при движении, нагревании, взаимодействии с другими телами и химических превращениях. Поднятый мяч обладает энергией из-за своего положения, движущийся мяч — из-за движения, а нагретая вода — из-за движения её частиц. Поэтому наличие энергии обнаруживают по способности тела совершать работу или вызывать изменение.

При любом процессе энергия не пропадает бесследно. Химическая энергия топлива в двигателе переходит в тепловую и механическую, а часть рассеивается в окружающей среде в виде тепла и звука. Так сохраняется общее количество энергии, хотя её форма и распределение между телами меняются.

Тела, вещества, частицы и энергия

Таблица помогает быстро сравнить понятия и не смешивать предмет, материал, его составные части и способность вызывать изменения. При разборе примера сначала определите, идёт ли речь о предмете или о веществе, затем установите роль частиц и вид энергии. В последней строке показано, что энергия может переходить между формами.

Разбор задач

Тела и вещества

Условие. Нужно распределить слова «стакан», «стекло», «вода», «капля воды», «воздух» на тела и вещества. Объясните выбор по главным признакам. Сначала проверим, что обозначает каждое слово.

1. «Стакан» — тело: это отдельный предмет с формой, объёмом и границами.
2. «Стекло» — вещество, потому что оно является материалом стакана, окна или линзы.
3. «Вода» — вещество, а «капля воды» — небольшое тело, имеющее собственные границы и объём.
4. «Воздух» — вещество, хотя его нельзя увидеть: он занимает объём и состоит из частиц газов.

Ответ. К телам относятся стакан и капля воды, к веществам — стекло, вода и воздух. При распределении нужно спрашивать: назван отдельный предмет или материал? Именно этот вопрос позволяет не спутать тело с веществом.

Переходы между состояниями

Условие. Объясним, почему лёд после нагревания становится водой, а вода — паром. Используем модель частиц, а не только наблюдение за изменением вида вещества. Нужно проследить, как меняется движение частиц.

1. В льду частицы расположены близко и колеблются около определённых положений.
2. При нагревании частицы движутся быстрее, и связи между их положениями ослабевают: лёд плавится и становится жидкой водой.
3. При дальнейшем нагревании частицы воды движутся ещё быстрее и удаляются друг от друга, поэтому вода испаряется и превращается в пар.

Ответ. Нагревание ускоряет движение частиц и изменяет их расположение. Поэтому твёрдое состояние сменяется жидким, а затем газообразным. При охлаждении процесс может идти в обратную сторону.

Превращения энергии мяча

Условие. Проследим судьбу энергии мяча, который падает с высоты, ударяется о землю и отскакивает. В начале мяч неподвижен, но его положение относительно Земли имеет значение. После удара часть энергии уже не возвращается в движение мяча.

1. На высоте мяч обладает потенциальной механической энергией, связанной с его положением.
2. При падении эта энергия переходит в кинетическую, то есть энергию движения, поэтому скорость мяча увеличивается.
3. При ударе часть энергии переходит в энергию деформации мяча и земли, а также в тепловую и звуковую энергию.
4. Оставшаяся механическая энергия заставляет мяч отскочить, но обычно на меньшую высоту.

Ответ. Энергия последовательно переходит из потенциальной в кинетическую, а затем частично в тепловую, звуковую и энергию деформации. Полностью восстановить прежнюю высоту мяч не может, потому что часть энергии передалась окружающим телам.

Типичные ошибки

Ошибка: называть тело веществом, например считать стакан стеклом. Так происходит, когда не различают предмет и материал, из которого он сделан. Проверка простая: если слово обозначает отдельный объект с границами, это тело, а если материал — вещество.

Ошибка: думать, что частицы есть только у газов или жидкостей. На самом деле твёрдое вещество тоже состоит из частиц, просто они расположены близко и не перемещаются свободно. Проверьте себя вопросом: можно ли объяснить сохранение формы колебаниями частиц?

Ошибка: говорить, что при расходовании энергия полностью исчезает. Её часто перестают замечать, потому что она переходит в тепло, звук или движение окружающих тел. Нужно проследить, куда передалась энергия и какая форма появилась после превращения.

Ошибка: смешивать массу и энергию. Масса характеризует количество вещества, а энергия — способность совершать работу и вызывать изменения. Для проверки определите, спрашивается ли в задаче о количестве вещества или о возможности движения, нагревания и другого изменения.

Связь с другими темами

До изучения темы нужно уметь различать природные предметы и объекты, созданные человеком, а также замечать их свойства и изменения. Это помогает правильно выделять тела и вещества в наблюдениях. Например, можно отделить дерево как природное тело от изготовленного из него стола.

Тема служит основой физики: на ней строится изучение движения, тепловых явлений, электричества и света. Представление о частицах помогает объяснять нагревание и переходы вещества из одного состояния в другое. Закон сохранения энергии связывает разные физические процессы.

Знания пригодятся при объяснении работы приборов, круговорота веществ и обмена энергией в природе. Они также нужны для понимания жизнедеятельности организмов: питание даёт энергию для движения, роста и поддержания температуры. Поэтому тема объединяет сведения о неживой природе и живых системах.

Что запомнить

• Тело — предмет, вещество — материал.
• Все вещества состоят из частиц.
• Частицы вещества постоянно движутся.
• Свойства веществ зависят от состава, строения и движения частиц.
• Энергия позволяет совершать работу и вызывать изменения.
• Энергия может переходить из одной формы в другую.
• Энергия не исчезает бесследно.