Рабочая тетрадь по физике для 7 класса

Национальный фонд подготовки кадров
Проект «Информатизация системы образования»
Закрытое акционерное общество «1С»
В.Ю. Грук
В.А. Львовский
ФИЗИКА
в системе Д.Б. Эльконина – В.В. Давыдова
РАБОЧАЯ ТЕТРАДЬ ДЛЯ 7 КЛАССА
ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ УЧРЕЖДЕНИЙ
МОСКВА
2008
Издание подготовлено в рамках проекта «Информатизация системы образования»,
реализуемого Национальным фондом подготовки кадров по заказу
Министерства образования Российской Федерации
Грук В.Ю., Львовский В.А.
Физика в системе Д.Б. Эльконина – В.В. Давыдова. 7 кл.:
Рабочая тетрадь – М.: ЗАО «1С», 2008 – 128 с.: ил.
Рабочая тетрадь является составной частью Инновационного учебнометодического комплекса (ИУМК) «Физика в системе Д.Б. Эльконина – В.В. Давыдова. 7−9 класс» и используется вместе с учебным пособием для 7 класса (авторы:
В.А. Львовский, В.Ю. Грук,), диском «1С: Школа. Физика в системе Д.Б. Эльконина – В.В. Давыдова. 7−9 класс» (под ред. В.А. Львовского и В.Ю. Грук) и методическим пособием (авторы: В.А. Львовский, В.Ю. Грук, П.Г. Нежнов).
ИУМК предназначен для школ, работающих по системе Д.Б. Эльконина –
В.В. Давыдова, но может использоваться и в других образовательных системах, реализующих деятельностный подход к обучению.
Поддержка ИУМК осуществляется на сайте: http://physclub.ru.
Воспроизведение издания в целом или любой из его частей влечет
ответственность в соответствии с действующим законодательством.
Учебное издание
Грук Вера Юрьевна veragruk@yandex.ru
Львовский Владимир Александрович lvovsky@mail.ru
ФИЗИКА в системе Д.Б. Эльконина – В.В. Давыдова
Рабочая тетрадь для 7 класса общеобразовательных учреждений
Все замечания, предложения, пожелания просим направлять
на электронные адреса авторов и по почте: 129515, Москва, а/я 66
© ЗАО «1С», 2008
© Грук В.Ю., Львовский В.А., 2008
Все права защищены
Содержание
3
СОДЕРЖАНИЕ
1.
1-01
1-02
1-03
1-04
1-05
1-06
1-07
1-08
1-09
1-10
1-11
2.
2-01
2-02
2-03
2-04
2-05–2-17
2-18–2-20
2-21–2-23
2-24
2-25
3.
3-01–3-06
3-07–3-09
3-10
3-11–3-15
3-16–3-17
4.
4-01–4-05
4-06–4-10
4-11–4-14
5.
5-01
5-02.
6.
6-01
6-02–6-08
6-09
6-10–6-11
6-12
6-13
6-14
6-15–6-17
6-18
6-19
6-20
6-21
6-22
Тексты
Как начиналась физика ………………………………………………........
Какая битва происходит в солнечном луче ..…………………………….
Фрагменты высказываний древнегреческих атомистов ………………...
Читаем Лукреция …………………………………………………………..
«Если б клубок шерстяной…» ………………………………………........
«Видел в вещах ты не раз…» ....…………………………………………..
Температурные шкалы …………………………………………………….
Изучение явления теплопроводности …………………………………….
Тепловое расширение тел ……………………………………………........
Тепловые машины ……………………………………………………........
Источники энергии ………………………………………………………...
Физический эксперимент
Практикум «Измерение физических величин»…………………………..
Градуирование пружин…………………………………………………….
Взвешивание малых тел …………………………………………………
Расположение тел в порядке возрастания плотности …………………
Исследования по теме «Тепловые явления» ……………………………..
Изучение изопроцессов ……………………………………………………
Исследования по теме «Поверхностное натяжение» ……………………
Взвешиваем в воде и в воздухе …………………………………………
Рисуем схемы опытов ……………………………………………………
Упражнения
Работа с описаниями ………………………………………………………
Работа с таблицами ………………………………………………………..
Работа с формулами ……………………………………………………….
Работа с графиками ………………………………………………………..
Работа с приборами ………………………………………………………..
Задачи и тесты
Элементы механики ……………………………………………………….
Молекулярная физика ……………………………………………………..
Термодинамика …………………………………………………………….
Материалы к конференции
Тексты по теме: «Агрегатные состояния и превращения» ……………...
Качественные задачи, вопросы, опыты …………………………………..
Справочные материалы
Массы атомов и молекул ………………………………………………….
Плотность газов, жидкостей, и твердых тел ……………………………..
Удельная теплота сгорания топлива ……………………………………...
Удельная теплоемкость ……………………………………………………
Температура плавления и отвердевания …………………………………
Удельная теплота плавления и отвердевания ……………………………
Средние скорости молекул ………………………………………………..
Температура кипения ……………………………………………………..
Удельная теплота парообразования ………………………………………
Давление и плотность атмосферы на различной высоте над Землей …..
Давление и плотность насыщенного водяного пара …………………….
Коэффициент поверхностного натяжения жидкостей …………………..
Шпаргалка для решения задач на уравнение теплового баланса ………
4
7
8
10
12
13
14
16
17
19
29
33
36
38
40
41
58
60
61
63
66
72
73
75
82
87
90
96
99
117
124
124
125
125
126
126
126
126
127
127
128
128
128
Физика. 7 класс. Рабочая тетрадь
4
1. Тексты
1-01. Как начиналась физика
Известный историк физики Фердинанд Розенбергер так начал свои знаменитые
«Очерки истории физики» (1883):
Древняя физика принадлежит почти исключительно грекам.
Хотя индийцы, халдеи (древние евреи), египтяне и начали
раньше них наблюдать явления природы, они передали грекам
ценные астрономические наблюдения и важные математические положения, но одному свободному гению греков, искавшему всюду видимой связи явлений, стало возможным основать
науку о природе и ему же исключительно принадлежит создание древней физики. Греческий ум отличался особенной силой
творчества в области гипотез. Он, можно сказать, почти исчерпал все мыслимые теории для объяснения вселенной, так что
наши современные гипотезы можно признать как бы непосредственным продолжением неудавшихся попыток древних.
Обратимся к истории атомно-молекулярного учения. Делима ли материя до бесконечности? Ответ на этот вопрос философы, физики и химики искали не одно тысячелетие.
В истории науки были многовековые периоды, когда победу одерживали ученые, отрицающие пределы делимости. Были периоды, когда побеждали приверженцы атомномолекулярной теории (слово «атом» происходит от гр. atomos − «неделимый»; слово «молекула» можно перевести как «массочка»; оно происходит от лат. moles – «масса», с
уменьшительным суффиксом –cula). Развитие атомного учения сопровождалось ожесточенным сопротивлением, так как оно противоречило господствовавшим религиозным
взглядам. Вот что писал философ, физик, математик и физиолог Рене Декарт: «Нетрудно
убедиться, что не может быть атомов, то есть частей тел или материи, которые по природе
своей были бы неделимы, как это вообразили некоторые философы. Сколь малыми не вообразили бы мы эти части, необходимо, чтобы они имели некоторое протяжение, следовательно, мысленно могут быть разделены на две и более частей меньшей величины; значит,
они делимы. …Даже если бы мы представили, что Бог привел некоторую часть материи в
состояние такой малости, что она не может быть более разделена на меньшие части, то и
тогда мы не могли бы заключать, что она неделима, ибо хотя Он и сделал часть эту столь
малою, что никакая тварь не в состоянии ее разделить, Он не мог лишить себя силы такого
разделения, так как невозможно, чтобы Он уменьшил свое всемогущество».
Интересно познакомиться с фрагментами учебника, изданного в Санкт-Петербурге
спустя почти 300 лет. Название учебника звучит непривычно: «Сокращенная физика, или
Объяснение видимых явлений в природе, приспособленное к понятию всех возрастов
обоего пола». Еще более оригинальным кажется сегодня текст учебника.
Раздел 1. Тексты
5
«Правильные понятия об окружающей нас природе сколько любопытны и полезны,
столько же и необходимы в наш образованный век для людей всех состояний и возрастов
обоего пола. Они открывают уму нашему премудрость и благость Мироздателя, возвышают
чувство нашего к Нему благоговения, показывают истинные причины явлений на земле и на
небе, освещают многое, что простому нашему взгляду казалось темным, и истребляют ложные мнения или предрассудки, пугающие иногда воображение.
Физика есть наука о вещественном мире. Она рассматривает и наблюдает виды,
свойства и законы тел, впечатленные в них Творцом природы, и исследует причины явлений или феноменов, производимых телами в наших чувствах.
Всякое тело или вещество, подверженное нашим чувствам, состоит из частей однородных или разнородных, соединенных между собой с большею или меньшею твердостью, и потому тела бывают твердые, мягкие, жидкие, текучие и воздухообразные.
Многие философы, физики и химики старались открыть в природе начала или элементы, из которых составлены все тела; но труды их были бесполезны, мнения их неудовлетворительны и встречали противоречия.
Все тела состоят из частей; следовательно, все они могут быть делимы до бесконечности, и мы не знаем предела, за которым можно было бы каждую частицу материи почитать за неделимую, да не имеем и средств или орудий для продолжения деления столь
мелких частей, уже не подлежащих нашему зрению и осязанию.
Теплотворная материя есть столь тончайшее вещество, что она проницает во все тела; находится в земле, животных, растениях, камнях, металлах, минералах, воде и воздухе
и вообще наполняет собою все царства природы. Она составляет необходимое условие
жизни животных и растений, причину обращения крови в первых и соков в последних;
ибо с охлаждением в теле крови останавливается ее движение и прекращается жизнь.
Также если в растении соки замерзнут, оно засыхает.
Теплотворная материя может разрушать тела самые твердые на части, как то: растопляет металлы, раздробляет камни, пожирает горючие вещества, превращает лед в жидкое, текучее тело, т.е. в воду, а ее в пар и т.д. Хотя материя сия, по тонкости своей, невидима, но действия и явления ее очевидны и доказывают ее существование.
Лучи солнечные производят теплоту; но сами ли они состоят из теплотворной материи
или только производят действие, возбуждающее эту материю, разлитую в воздухе и в других
телах, мнения об этом различны. Мы знаем только, что чем лучи солнца ближе к перпендикулярной линии своего падения, что бывает летом, тем сильнее их действие, и чем продолжительнее их устремление на тело, тем более они его согревают; напротив того зимою, когда
дни бывают короткие и лучи солнца упадают косвенно, бывает холоднее.
Теплотворная материя, подобно воздуху, имеет свойство распространяться во все
стороны равномерно, а потому тела, наполняемые ею, сообщают тепло другим телам соприкосновенным, менее теплым. От того истопленная печь нагревает в комнате воздух, а
нагретый воздух сообщает теплоту стенам и всем предметам, находящимся в комнате. Таким образом теплотворная материя разливается или возбуждается в телах, взаимно касающихся.
Мы можем быть совершенно убеждены, что вселенная устроена одним всеобъемлющим умом, по одному премудрому плану, к единой благой цели. Однако ж, к несчастию, были и есть мыслители, которые, увлекаясь своими надменными умствованиями,
вопрошали природу, как она произошла, из каких элементов и как она образовалась в видимом совершенстве; но, не находя ответа, они сами разрешали эти вопросы своими гипотезами, не имеющими никакого основания. Это игра дерзкого ума с судьбою, постигшею
Фаэтона. Природа не имеет языка, но рассматривающий ее внимательно, без своих пристрастных предубеждений, с светлым умом и с любовию к истине, ясно может увидеть и
прочесть напечатленные повсюду и на каждом из ее существ буквы: Егова-Бог. Для разумевающего в этих буквах заключается полный смысл, разрешающий все сомнения и догадки о начале и бытии мира.
6
Физика. 7 класс. Рабочая тетрадь
Итак, сознавшись, что многое еще в природе остается для нас сокровенным, станем
удивляться бесконечно чудесному строению вселенной, везде, во всем и во все времена
являющему всемогущество, премудрость и благость Мироздателя».
Когда обращаешь взоры в глубь веков, обнаруживается, что человечество заботило
не столько изучение того, что было вблизи, обычных вещей и явлений, – того, что теперь
называется макромиром. Философы античности (особенно греки) обратили свои взоры в
микромир и мегамир: они стали выдвигать гипотезы о том, как устроено все «сущее». Пылинка и космос в равной степени интересовали древних ученых. Прошли тысячелетия.
Есть ли смысл сейчас вспоминать об этих временах? Можно ли всерьез относиться к физике древних?
Вот слова одного из родоначальников современной физики лауреата Нобелевской
премии немецкого физика-теоретика Макса Борна из его последней книги «Моя жизнь и
взгляды» (1968):
«Решительный шаг на пути к атомной физике был сделан около двадцати пяти столетий назад греческой школой натурфилософии – Фалесом, Анаксимандром, Анаксименом и особенно атомистами Левкиппом и Демокритом. Они были первыми, кто, размышляя о природе, стремился к чистому знанию, не ища в нем немедленной материальной выгоды. Они постулировали существование законов природы и пытались свести разнообразные виды материи к конфигурациям и движению невидимых неизменных одинаковых
частиц. Нелегко оценить огромное превосходство этой идеи над всеми концепциями того
времени, существовавшими в остальном мире. В сочетании с выдающимися достижениями греческих математиков эта идея могла бы привести к коренным изменениям в научнотехническом развитии, если бы социальные условия той эпохи были более благоприятны.
Но греческие аристократы жили в мире, идеалом которого была гармония и красота тела и
разума, они презирали ручной труд как удел рабов и пренебрегали экспериментом, поскольку его нельзя выполнить, не замарав рук. По этой причине не было ни попыток проверить эти идеи опытом, ни попыток из технического приложения, хотя, если бы это случилось, античный мир, возможно, выстоял бы под ударами варварства.
После периода больших миграций христианская церковь воздвигла систему, резко
осуждающую новшества. Но зажженный греками огонек тлел под пеплом. Он теплился в
книгах, которые хранились и переписывались во многих монастырях или лежали в библиотеках Византии, и вспыхнул ярким огнем в умах арабских ученых, хранивших до поры
греческие традиции, сделавших существенно новые открытия в математике и астрономии.
Византийцы, бежавшие от турок в Италию, вывезли свои книги и, что более важно, не
только знание классической античности, но также идею научного исследования. Так пришло время открытий и изобретений, которое на несколько столетий обеспечило Европе
ведущее положение.
...Наше поколение собирает урожай, посеянный греческими атомистами. Конечным
результатом физических исследований явилось подтверждение их фундаментальной идеи
о том, что материальный мир, по существу, построен из одинаковых элементарных частиц, взаимодействия которых и порождают разнообразие явлений».
Раздел 1. Тексты
7
1-02. Какая битва происходит в солнечном луче
«Окончательную» победу атомизму принес XX век. Особенную роль в этом сыграло
открытие ботаника Роберта Броуна (правильнее было бы читать: «Браун» (Robert Brown),
а открытое им движение называть брауновским). В 1827 году он обнаружил, но не смог
объяснить хаотическое движение взвешенных в жидкости мельчайших твердых частиц.
Физикам Альберту Эйнштейну и Мариану Смолуховскому в 1906 году удалось теоретически объяснить броуновское движение ударами молекул, а Жану Перрену – опытным
путем проверить новую теорию (1906–1908).
Прочитайте и сравните два фрагмента: 1) из доклада, прочитанного Перреном во
Французском физическом обществе 15 апреля 1909 года; 2) из книги Лукреция «О природе вещей». Задайте вопросы к текстам и сформулируйте выводы. Что же происходит в
солнечном луче?
1). «Когда мы рассматриваем жидкость, находящуюся в равновесии, например воду в
стакане – то все части этой жидкости кажутся нам совершенно неподвижными. Если мы поместим в жидкость более плотный предмет, то этот предмет, если он сферический, падает
точно по вертикальному направлению и в конце концов всегда достигает дна сосуда...
Эти столь знакомые нам понятия годны, однако, лишь для величин того масштаба, к
какому привык наш организм; в самом деле достаточно наблюдать при помощи микроскопа маленькие частицы, находящиеся в какой-нибудь жидкости, чтобы заметить следующее: каждая из этих частиц, вместо того чтобы приобрести, в соответствии со своей
плотностью, правильное движение падения или подъема, оказывается, напротив, вовлеченной в совершенно неправильное движение. Она движется взад и вперед, останавливается, опять отправляется в путь, поднимается, опускается, снова поднимается и отнюдь
не стремится прийти в неподвижное состояние.
Такому движению дано название броуновское движение; это название дано в честь
естествоиспытателя Броуна, который заметил его в 1827 году и убедился, что взвешенные
внутри жидкости частицы движутся тем оживленнее, чем они меньше.
В первое время это замечательное движение привлекло к себе мало внимания. Кроме
того, оно долго оставалось неизвестным большинству физиков, и можно предполагать,
что те, кто слыхал о нем, считали его аналогичным движению пылинок, которые мы видим кружащимися в лучах солнца под действием слабых течений воздуха, вызываемых
небольшими различиями в упругости и температуре.
Трудно установить с точностью, как появилась впервые и как развилась гипотеза,
которая основу броуновского движения видит в движении молекул. Первое имя, которое
уместно назвать, говоря об этом, есть, быть может, имя Винера. Этот ученый угадал почти
на первых порах развития кинетической теории теплоты, что молекулярные движения
могли бы дать объяснение занимающего нас здесь явления (1863 г.).
Работы Гуи (1888 г.) доказали не только то, что гипотеза движения молекул давала
для броуновского движения приемлемое объяснение, но еще и то, что нельзя было бы вообразить себе какую-либо другую причину этого движения. Блестящие исследования Гуи
тотчас же приобрели широкую известность, и только с этого времени броуновское движение заняло место среди важных вопросов общей физики.
…Гуи установил, что броуновское движение не обусловлено сотрясениями, получаемыми жидкостью, ибо, например, ночью и в деревенской тиши оно наблюдается так же
хорошо, как и днем вблизи людей улицы, по которой проезжают тяжелые повозки. Это
движение не обусловлено также и конвекционными токами, возникающими в жидкостях
при отсутствии термического равновесия, ибо оно не меняется заметно и тогда, когда
8
Физика. 7 класс. Рабочая тетрадь
наблюдатель потратит множество усилий, чтобы добиться такого равновесия. Таким образом, нужно отказаться от всяких сравнений между броуновским движением и движением
пылинок, толкущихся в солнечных лучах. Именно в этом последнем случае легко видеть,
что соседние пылинки, в общем, движутся в одном направлении, намечая грубо общую
форму увлекающего их потока и, напротив, одной из самых ярких особенностей броуновского движения является абсолютная независимость перемещений двух соседних частиц,
как бы близко ни проходили они одна возле другой».
2. «Именно: это всегда наблюдаешь ты в солнечном свете,
Что в твоем доме лучи свои сквозь темноту пропускает.
Ты замечаешь, что множество мелких частиц разновидных
Вертится тут в пустоте меж лучами дневного светила.
Будто бы в вечном сражении, в битвах и распрях жестоких,
Вместе толпятся они непрерывно и без остановки;
Сходятся в кучу и врозь разлетаются многообразно.
Можешь по этому ты заключить, как первичные тельца
Распространяются вечно среди пустоты необъятной.
Движутся сами собою сначала первичные тельца.
Вследствие многих толчков незаметных приходят в движенье
Тельца, которые малы и сплочены менее тесно
И как бы больше доступны воздействию сил первобытных.
Дальше, затем возбуждаются тельца немного крупнее;
И таким образом все возрастает движенье, доколе
Нашему чувству отчасти не даст себя знать в том блужданьи
Маленьких телец, которое можем в лучах мы увидеть,
Но от каких происходит толчков это, – нам незаметно».
1-03. Фрагменты высказываний древнегреческих атомистов
Изучите предложенные фрагменты и составьте вопросы, по ответам на которые
можно судить, насколько внимательно и вдумчиво были прочитаны тексты.
Аристотель (384–322 до н.э.): Демокрит же и Левкипп говорят, что все состоит из
неделимых тел, последние же бесконечны числом и бесконечно разнообразны по формам.
Вещи же отличаются друг от друга атомами, из которых они состоят, их положением и
порядком.
Симплиций (VI в.): Предполагая сущность атомов абсолютно плотной и полной, он
[Левкипп] называл их бытием, учил, что они носятся в пустоте, которую он называл
небытием. Левкипп и Демокрит считают причиной неделимости первотелец не только их
непроницаемость, но также малость и отсутствие частей. Эпикур же, живший позже, уже
не считает их не имеющими частей, а говорит, что они неделимы вследствие
непроницаемости.
Секст (III в.): Демокрит говорит: лишь в общем мнении существует сладкое, в мнении – горькое, в мнении – теплое, в мнении – холодное, в мнении – цвет, в действительности же существуют только атомы и пустота.
Гален (II в.): Демокрит различает то, что соответствует природе вещей, что есть на
самом деле, истинное – и для этого он ввел термин «в действительности». По природе нет
ничего ни белого, ни черного, ни желтого, ни красного, ни горького, ни сладкого − это
лишь ощущения людей, которые возникают из соединений атомов. Для обозначения этих
ощущений он говорит «в общем мнении», «для нас» (согласно с общепринятым мнением).
Весь смысл самого этого учения должен быть таков. Лишь у людей признается чтолибо белым, черным, сладким, горьким и всем прочим в этом роде, поистине же все есть
«что» и «ничто». И это опять − его собственные выражения, а именно: он называл атомы
«что», а пустоту «ничто». Итак, атомы суть всевозможные маленькие тела, не имеющие
Раздел 1. Тексты
9
качеств, пустота же − некоторое место, в котором все эти тела, в течение всей вечности
носясь вверх и вниз, или сплетаются каким-нибудь образом между собой, или наталкиваются друг на друга и отскакивают, расходятся и сходятся снова между собой в такие соединения, и таким образом они производят и все прочие сложные тела и наши тела, и их
состояния и ощущения.
По его учению атомы не могут ни в каком отношении изменяться, они не могут подвергаться изменениям. Так, например, ни один из атомов не нагревается, не охлаждается,
равным образом не делается ни сухим, ни влажным и тем более не становится ни белым,
ни черным и вообще не принимает никакого иного качества вследствие полного отсутствия изменений в атоме. Приверженцы Эпикура говорят, что атомы нерасторжимы вследствие твердости, приверженцы Левкиппа говорят, что они неделимы вследствие малости.
Диоген Лаэртский (III в.): Начало вселенной – атомы и пустота. Миров бесчисленное множество, и они имеют начало и конец во времени. И ничто не возникает из небытия, не разрешается в небытии. И атомы бесчисленны по разнообразию величин и по
множеству; носятся же они во вселенной кружась в вихре, и таким образом рождается все
сложное: огонь, вода, воздух, земля. Дело в том, что последние суть соединения некоторых атомов. Атомы же не поддаются никакому воздействию и неизменяемы вследствие
твердости.
Цицерон (I в.): Ибо таковы бесстыдные утверждения Демокрита и еще раньше Левкиппа, будто существуют некоторые легкие тельца, одни шероховатые, другие круглые, третьи
угловатые и крюкастые, четвертые закривленные и как внутрь загнутые, и из этих-то телец
образовались небо и земля, причем это образование произошло по природе без всякого воздействия извне, но вследствие некоторого случайного стечения.
Эпикур (341–270 до н.э.): Вселенная состоит из тел и пространства. Что тела существуют, об этом свидетельствует само ощущение у всех людей. А если бы не было того,
что мы называем пустотой, тела не имели бы, где им быть и через что двигаться.
Атомы движутся непрерывно в течение вечности; одни отстоят далеко друг от друга,
другие же принимают колебательное движение, если они сплетением бывают приведены в
наклонное положение или если покрываются теми, которые имеют способность к сплетению. Далее, атомы движутся с равной быстротою, когда они несутся через пустоту, если
им ничто не противодействует. Ибо ни тяжелые атомы не будут нестись быстрее малых и
легких, ни малые не будут нестись быстрее больших, имея везде удобный проход. Далее,
и движение через пустоту, происходящее без всякой встречи с предметами, могущими
противодействовать, проходит всякое доступное воображению расстояние в непостижимо
короткое время.
Выделите маркерами разных цветов те слова, которые используются в качестве синонимических конструкций словам «атом» и «пустота»; выпишите их в два столбика:
Атомы
Пустота
Физика. 7 класс. Рабочая тетрадь
10
1-04. Читаем Лукреция
Древнеримский поэт-философ Тит Лукреций Кар (ок. 97–55 до н.э.), последователь
древнегреческого философа-материалиста Эпикура, создал величайший памятник античной культуры – поэму «О природе вещей». В ней он изложил атомистическое учение
древних греков – Левкиппа (ок. 500–440 до н.э.), Демокрита (460–370 до н.э.), Эпикура
(341–270 до н. э.). Интересно, что поэму высоко ценил А.С. Пушкин, ее читал и герой его
«романа в стихах» Евгений Онегин.
Нам сегодня нелегко понять, почему Тит Лукреций Кар выбрал поэтическую форму для
научного трактата. Прочитайте небольшой фрагмент поэмы, и вы поймете его замысел.
Но ободрись! И точнее узнай, что осталось сказать мне,
Не обольщаюсь я: многое темным еще остается,
Но ожиданье похвал поселяет мне в сердце охоту
И в то же время в груди поощряет любовь мою к музам,
С помощью коих я, острым чутьем и умом подкрепленный,
Темные дебри в полях Пиэрид исхожу, где дотоле
Не был никто. Я источников девственных первый достигну;
Первый оттуда черпну и нарву я цветов себе новых,
Чтобы стяжать для своей головы тот венок знаменитый,
Коим еще до меня никого не украсили музы.
Прежде всего потому, что о важных вещах я толкую,
Души от тесных оков суеверья стараясь избавить.
Ясные песни свои я слагаю, затем, о предметах,
Тьмою объятых, и муз обаянье на мир изливаю.
Это последнее, кажется, не лишено основанья,
Я поступаю, как врач. Когда горький полынь он ребятам
Маленьким дать пожелает, сперва по краям свою чашу
Сладкою влагой янтарного меда немного он мажет,
Чтоб услаждением губ их неопытный детский рассудок
Ввесть в заблуждение. Так без труда поглощается ими
Горькая жидкость полыни; и этот обман не вредит им,
Наоборот – еще более восстановляет здоровье.
Так же и я поступаю. Мое рассужденье для многих
Непосвященных покажется скучным; толпа отвернется
Вся от него, и я задался целью учение это
В сладких и звучных стихах Пиэрид изложить пред тобою
И, так сказать, его сдобрить поэзии сладостным медом,
Чтобы хоть этим путем удалось мне стихами своими
Твой испытующий ум направлять, пока ты не узнаешь,
Что составляет природу вещей в проявлениях внешних.
Воспользуйтесь маркерами разных цветов (или цветными карандашами) и отметьте те слова, фразы, строки, в которых Лукреций обосновывает различные положения атомной гипотезы. Вот перечень этих положений, который вы можете дополнить:
Все тела
состоят из
частиц.
Все тела заключают в себе пустое пространство.
Частицы находятся в непрерывном
движении.
Частицы притягиваются
друг к другу.
Раздел 1. Тексты
11
Выпишите все характеристики частиц, которые найдете в тексте, «в переводе»
на привычный нам язык.
Надо заметить еще: разлагает природа все вещи
На составные частицы, пропасть же ничто в ней не может.
Если б погибнуть могли составные частицы все эти,
То существа умирали б, внезапно из глаз исчезая,
Ибо не нужно бы было усилий к тому, чтоб частицы
Разъединить в каждой вещи и связь между ними расторгнуть…
Если при этом материя вечная прочною связью
С большей иль меньшею силой частиц бы своих не скрепляла,
То одинаковой силой могли б разрушаться все вещи.
Прикосновенье простое тогда причиняло бы гибель.
Там, где всецело кончается область материи вечной,
Сила любая способна расторгнуть сцепленье в частицах.
Ныне ж, когда все сцепленья частиц меж собою различны
И неизменны лишь сами частицы материи вечной,
То пребывают они невредимы в предметах, доколе
Связь не нарушена их приложеньем достаточной силы.
Не пропадает бесследно ничто, но в своем разложеньи
Все возвращаются вещи на лоно материи снова…
Чтоб к положеньям моим ты не начал питать недоверья
Лишь потому, что твой глаз этих телец первичных не видит,
Я докажу, что бывают они несомненно в предметах
Даже тогда, когда глаз никакой их не может заметить.
Запахи мы ощущаем от разных предметов,
Не замечая того, чтоб к ноздрям подступало что-либо.
Летнего зноя и холода тоже никак мы не можем
Зрением воспринимать, как не можем и звуков увидеть,
Все то, однако, являет телесное происхожденье,
Так как имеет способность известные чувства в нас тронуть:
Трогать и тронутым быть одному только телу присуще.
Платья, затем, на морском берегу, разбивающем волны,
Влагу приемлют, на солнце же снова они высыхают.
Но каким образом влага воды в них проникла, а также
Как испарила ту влагу жара, – невозможно увидеть.
Так на мельчайшие части свои распадается влага,
Их же никоим мы образом глазом не можем заметить.
Так же кольцо, что в течение долгих годов преходящих
Носишь на пальце ты, мало-помалу становится тоньше.
Капель паденье дырявит скалу, а сошник искривленный
Плуга железного тупится в пашне для глаз незаметно.
Мы замечаем, что улицы, камнем мощенные, часто
Стерты ногами толпы; что стоят у ворот истуканы
Медные, коих десницы с годами становятся тоньше
От целования благочестивого мимо идущих.
Что уменьшилось все это, стираясь, для нас – очевидно.
Но заградила природа от взоров, какие частицы,
В пору какую от этих вещей незаметно отходят.
Видеть нельзя даже с помощью самого острого зренья
То, наконец, что природа и время к вещам прибавляют
Мало-помалу в заботе о их постепенном развитьи,
Так же, как то, что отъемлют болезнь и преклонные лета.
Ты не увидишь того, что из камней, нависших над морем,
12
Физика. 7 класс. Рабочая тетрадь
Едкая соль похищает во всякое время, затем что
Правит природа вещами посредством частиц тех незримых.
Но не повсюду материя в мире является тесно
Сплоченной, так как предметы в себе пустоту заключают.
Это узнать тебе будет полезно во всех отношеньях,
Чтоб от сомнений не впал ты в ошибку и в розысках долгих
О содержаньи вещей с недоверьем ко мне не отнесся.
(Есть, несомненно, в природе пустоты, пустые пространства.)
Не существуй пустота, – невозможно бы было движенье
Всяких вещей, потому что телам постоянно присуще
Возле себя все теснить и оказывать сопротивленье;
Не в состоянии были б тела и вперед подвигаться,
Так как тела к ним ближайшие не уступали бы места.
К этому: если бы не было в мире наименьшего тела,
Тело мельчайшее из бесконечных частей состояло б,
И без конца пополам бы делилися в нем половины.
Мы бы не видели разницы между мельчайшею вещью
И величайшей. Подобно тому, как и в целой вселенной
Вещи в числе бесконечны, так каждое малое тело
Равным бы образом из бесконечных частей состояло.
Так как противно рассудку то здравому и невозможно
Этому верить, то я с убеждением высказать должен:
Что существуют тела неделимые вовсе на части
И по природе наименьшие. Если мы их допускаем,
То признавать в них должны неминуемо плотность и вечность.
1-05. «Если б клубок шерстяной…»
Прочитайте два перевода с латинского языка одного фрагмента из книги Тита Кара
Лукреция «О природе вещей».
Перевод с латинского Ф. Петровского
Перевод с латинского И. Рачинского
И, наконец, почему мы видим, что многие вещи
Видел в вещах ты не раз, что одна тяжелей,
чем другая,
При одинаком объеме их тел.
Отчего б это было?
Если б клубок шерстяной
вещество заключал в себе то же,
Как и свинцовый комок,
то и вес был бы равный в обоих,
Но так как свойственно каждому телу
надавливать книзу,
А пустота по природе своей пребывает без веса,
То по объему великие вещи, но легкие весом
Нам указанье дают,
что в них много пустого пространства.
Наоборот же, тяжелые вещи всегда указуют,
Что заключают материи много,
пустот же в них мало.
Да! Таким образом,
то, в чем мы ищем теперь объясненья,
Есть пустота,
что является вечно в смешеньи с телами.
Весом тяжелее других, по объему
нисколько не меньших?
Ведь, коль в клубке шерстяном,
содержится столько же тела,
Сколько и в слитке свинца,
то и весить он столько же должен,
Ибо все книзу давить является признаком тела.
Наоборот: пустота по природе своей невесома.
Так что, коль что-нибудь легче другого
того же размера,
Больше в себе пустоты заключает оно, очевидно.
Наоборот: если что тяжелее,
То, стало быть, больше тела имеется в нем,
а порожнего меньше гораздо.
Значит, бесспорно к вещам примешано то,
что стремимся
Разумом чутким найти
и что мы пустотой называем.
Раздел 1. Тексты
13
1. Подчеркните, какое из предложенных ниже названий наилучшим образом выражает
главную мысль Лукреция:
а) рассуждение о вещах; б) про шерсть и свинец; в) о телах и пустоте; г) почему вещи
различаются весом; д) о природе вещей.
2. Несколько слов в первом переводе подчеркнуты. Подчеркните во втором переводе синонимические конструкции, используемые другим переводчикам.
3. Редактор вычеркнул в переводе Ф. Петровского несколько слов:
а) «И, наконец, почему мы видим, что многие вещи
Весом тяжелее других, по объему нисколько не меньших?»
Изменился ли смысл высказывания Лукреция? Не ухудшил ли редактор смысл высказывания?
б) Что бы вычеркнул этот редактор из перевода И. Рачевского?
«Видел в вещах ты не раз, что одна тяжелей, чем другая,
При одинаком объеме их тел. Отчего б это было?»
4. Опираясь на данные отрывки, предложите свой, более современный, перевод фрагмента
из книги Лукреция. Замечательно, если вам удастся сделать свой перевод в стихах.
1-06. «Видел в вещах ты не раз…»
Аня и Боря нарисовали два плаката, отражающие их понимание фразы Лукреция:
«Видел в вещах ты не раз, что одна тяжелей, чем другая, / При одинаком объеме их тел».
Аня считает, что масса тела определяется только количеством частиц, а Боря считает, что
масса тела определяется только массой частицы.
Определите, какой плакат отражает мнение Ани, а какой – мнение Бори. Расшифруйте
обозначения, которые использовали ребята.
V1 = V2
m1 = m01 ·N
m2 = m02 ·N
V1
V2
m1
m2
m01
m02
m0
N
N1
N2
V1 = V2
m1 = m0 ·N1
m2 = m0 ·N2
Вера считает, что вес тела определяется и количеством частиц, и массой одной частицы.
Помогите Вере подготовить плакат. Могут ли два тела
иметь одинаковый объем и одинаковую массу (т.е. одинакоV1 = V2
вую плотность), если: а) N1 > N2; б) m01 > m02?
Напишите, при каких условиях m1 > m2:
Аня
Боря
Вера
m1 =
m2 =
Физика. 7 класс. Рабочая тетрадь
14
1-07. Температурные шкалы
Развитие учения о теплоте связано с появлением термометров. Их действие основано на свойстве жидкостей расширяться при нагревании. В практике широкое распространение получили жидкостные термометры, которые были изобретены в
XVII веке. Почти одновременно появились термометры Фаренгейта, Цельсия и Реомюра. Посмотрите на таблицу и по приведенным данным сравните эти приборы.
Термометр
Фаренгейт
Реомюр
Цельсий
Годы жизни
создателей
1686–1736
1683–1757
1701–1744
Рабочая
жидкость
Спирт, позднее – ртуть
Спирт, позднее – ртуть
Ртуть
Характерные
температурные
точки
Смесь льда, воды, нашатыря и поваренной
соли – 0°, температура
таяния льда – 32°,
температура кипения
воды при нормальном
давлении – 212°.
Температура
таяния льда –
0°, температура кипения
спирта – 80°.
Температура таяния льда –
100°, температура кипения
воды – 0° (Цельсий хотел
избежать отрицательных
температур, но уже в
1750 г. 0 и 100 поменялись
местами).
Используются
в настоящее
время
В Англии и Северной
Америке
Не
используется
Наиболее
распространена в мире
80
70
60
50
40
30
20
10
0
-10
-20
212
32
0
°F
°R
E
D
31
30
29
28
96
C
48
B
A
0
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
-10
-20
Обозначьте границы применения ртутных и спиртовых термометров. Учтите такие характеристики,
как температура плавления и кипения жидкости, коэффициент объемного расширения, непрозрачность.
До появления спиртовых и ртутных термометров
врачи пользовались водными. Какими свойствами воды
объясняется ограниченность применения этих термометров?
Идеальной жидкости для наполнения термометров не
существует. В каждом конкретном случае, в зависимости
°С
от практических задач, которые нужно решить, выбор падает на ту или иную жидкость.
Применение жидкостных термометров ограничено интервалом температур плавления и кипения, но не только. Тщательные
измерения показали, что жидкости расширяются неравномерно.
Нанесем на ртутный, спиртовый и глицериновый термометр точки
0 и 100 °C и разделим промежуток на 100 равных частей. При измерениях температуры этими термометрами мы обнаружим, что их
показания не совпадают. Так, когда ртутный термометр показывает
50 °C, спиртовый ≈ 43 °C, глицериновый ≈ 48 °C.
Чтобы сделать прибор более точным, Фаренгейт ввел дополнительные точки (например, точка, соответствующая температуре
тела, – 96 °F). (Температура 36,6 °C = 98 °F.) Он заметил такую
особенность жидкостей, как изменение температуры кипения при
изменении внешнего давления, и сконструировал термобарометр.
Раздел 1. Тексты
15
В нижней части шкала была проградуирована от 0 до 96°F, а в верхней – в единицах давления. Для определения давления воздуха прибор опускали в кипящую воду.
В настоящее время для измерения высоких температур используют электрические термометры, а для измерения низких − газовые.
Преимущество газовых термометров состоит в том, что газы расширяются при
нагревании сильнее и равномернее, чем жидкости, следовательно, можно было получить большую точность при измерении температуры. Кроме того, интервал измеряемых температур существенно шире.
Впервые эксперимент по исследованию зависимости объема газа от температуры
выполнил в 1801 году Дж. Дальтон. Он поместил в запаянные трубки кислород, азот,
водород и углекислый газ, заперев их столбиком ртути. Нагревая трубки, Дальтон обнаружил, что все газы расширяются одинаково.
А в 1802 году французский физик и химик Ж.Л. Гей-Люссак после
серии подобных экспериментов получил количественный закон.
Прибор, которым пользовался
Гей-Люссак, изображен на рисунке.
Освобожденный от паров воды газ помещался в баллон, соединенный с
трубкой, в которой находилась капля
ртути. Повышение давления газа в
баллоне приводило к перемещению капли ртути вправо, а понижение − влево. Капля
смещалась до тех пор, пока давления на каплю с двух сторон не выравнивались. Баллон
с трубкой помещали в ванну с водой, которую нагревали от 0 до 100 °C. Температуру
измеряли с помощью двух термометров – горизонтального и вертикального.
При исследовании различных газов Гей-Люссак получил, что все газы и пары одинаково расширяются при одном и том же повышении температуры; для всех исследованных газов увеличение объема в интервале температур от температуры таяния льда
до температуры кипения воды составило 1/267 первоначального объема на каждый
градус.
Эти исследования свойств газов привели к построению абсолютной шкалы температур. Ученые предположили, что если продолжать понижать температуру газов, то
при некотором ее значении объем обратится в нуль. Отрицательным объем быть не
может, следовательно, низкие температуры имеют предел. Предельная температура не
зависит от природы газа. Дальтон назвал ее «уровнем абсолютного холода».
В дальнейшем она стала называться абсолютным нулем температуры. Из опытов
Гей-Люссака следовало, что ее значение равно –267°С.
В 1848 году английский физик Уильям Томсон (лорд Кельвин) доказал возможность
создания абсолютной шкалы температур, нуль которой не зависит от свойств воды или
вещества, заполняющего термометр. Значение абсолютного нуля –273,15 °C, что достаточно близко к значению, полученному Гей-Люссаком, а каждый градус абсолютной
шкалы равен градусу по шкале Цельсия.
В отличие от жидкостей и твердых тел, свойства газов не зависят от типа частиц,
из которых они состоят. Связано это с тем, что молекулы газов находятся на больших
расстояниях друг от друга и практически не взаимодействуют между собой.
При развитии техники получения низких температур оказалось, что все газы при охлаждении конденсируются и сжижаются. Объем реальных газов при абсолютном нуле
обращаться в нуль не может. Каков физический смысл у абсолютного нуля?
В начале XX века уже никто не сомневался в верности молекулярной гипотезы, стала известна связь средней кинетической энергии молекул и температуры. Физический
смысл абсолютного нуля стал трактоваться как та температура, при которой прекращается тепловое движение молекул.
Физика. 7 класс. Рабочая тетрадь
16
Интересно, что первый прибор для наблюдений за изменением
температуры был газовым, точнее – воздушным. Прибор получил название «термоскоп» (от гр. thermos – «теплый» и skopeo – «смотрю»,
«наблюдаю»). Его придумал итальянский ученый Галилео Галилей
примерно в 1597 году. Этот прибор представлял собой небольшой
стеклянный шарик с припаянной к нему стеклянной трубкой. Шарик
слегка нагревали и конец трубки опускали в сосуд с водой. Через некоторое время воздух в шарике охлаждался, его давление уменьшалось, и вода под действием атмосферного давления поднималась по
трубке вверх на некоторую высоту. Если в дальнейшем температура
воздуха в шарике увеличивалось, то уровень воды в трубке понижался, при охлаждении же вода в ней поднималась. Следовательно, при
помощи этого прибора можно было судить об изменении «степени
нагретости» тела. Числовых значений температуры он не показывал,
ибо не имел шкалы.
В чем главный недостаток термоскопа Галилея?
Важно помнить, что любой термометр измеряет собственную температуру. Чтобы с
его помощью измерить, допустим, температуру воды, необходимо, чтобы в результате теплообмена между водой и термометром наступило тепловое равновесие и их температуры сравнялись. Только тогда можно сделать отсчет по шкале термометра, причем шарик
термометра из воды вынимать нельзя.
1-08. Изучение явления теплопроводности
Немецкий физик Иоганн Генрих Ламберт в 1778 году опубликовал результаты своих
опытов, связанных с теплопроводностью металлов. Он обнаружил, что при нагревании
железного стержня через небольшой промежуток времени температура каждой части
стержня становится постоянной и падает по мере удаления от пламени горелки, и объяснил это тем, что каждая часть стержня отдает окружающему воздуху и соседним частям столько же тепла,
сколько получает от горелки.
А
B
В 1804 году французский физик Жан Батист Био
L провел ряд опытов с целью точно установить, как распределяется теплота в стержне с наступлением стационарного состояния. Сделал он это с помощью прибора, изображенного на рисунке. АВ – металлический стержень. Один
конец нагревался пламенем лампы L. В стержне просверлили одинаковые отверстия и заполнили их ртутью. В ртуть погрузили одинаковые термометры. При наступлении стационарного состояния отмечались температуры, показываемые термометрами. Так была
получена кривая температур, изображенная на рисунке. Различные металлы дают кривые
различной формы. Чтобы выровнять потери тепла на теплообмен с внешней средой и излучение, их серебрили и таким образом получили возможность сравнить внутреннюю теплопроводность. Разница в теплопроводности должна была выразиться в разности показаний термометров. Наиболее точные измерения были выполнены датским физиком Лоренцем с помощью термоэлектрических элементов.
В таблице вы видите теплопроводность некоторых металлов, взятую в процентах по
отношению к серебру:
Цинк
Олово
19%
15%
Железо
Свинец
12%
9%
Платина
Висмут
9%
2%
Раздел 1. Тексты
17
1-09. Тепловое расширение тел
Перед вами фото из старинной книги Джона Тиндаля. Прочитайте отрывок из
этой книги и попробуйте придумать свое продолжение опытов Тиндаля.
«Теперь перейдем к объяснению
расширения твердых тел от теплоты. Вот
две деревянные подпорки А и В с прикрепленными к ним выступами, вертикальные части которых металлические, а горизонтальные деревянные. На эти выступы я
кладу два металлических бруска одинаковой длины: один медный, а другой железный. Длина брусков такова, что они не
достают от одной подпорки до другой.
Соединяю один выступ с полюсом маленькой электрической батареи D, от другого же выступа идет проволока к маленькому снаряду С, а от него к другому полюсу батареи. Существенная часть снаряда С
есть платиновая спиральная проволока, которая раскаляется, когда мы пропускаем через
нее ток от D. В настоящую минуту цепь не замкнута, а потому и ток не проходит, вследствие недостаточной длины медной и железной полосок, которые не могут зараз прикасаться к металлическим частям обоих выступов. Под пластинками находится семь газовых
рожков; я зажигаю их, пластинки согреваются, расширяются и в несколько минут они, я
думаю, растянутся на все пространство между выступами, и тогда ток проходит по мосту,
составленному из пластинок, и прохождение его обнаруживается внезапным светом платиновой проволоки. Проволока не светится, пока мост не будет совершенно окончен; но
вот она засветилась, показывая, что…» (Продолжите текст.)
Как правило, тела при нагревании расширяются, что проявляется в изменении их
объемов. Это объясняется тем, что при нагревании увеличиваются средние расстояния
между частицами, из которых состоит тело. Вместе с тем имеются определенные особенности поведения различных веществ при нагревании, а также особенности расширения
вещества, находящегося в различных агрегатных состояниях. Например, газ занимает весь
предоставленный объем. Если закачать газ в баллон неизменного объема, нагревание газа
не приведет к его расширению – будет повышаться давление в баллоне, но газ не сможет
увеличить свой объем. Вообще внешнее давление может оказывать существенное влияние
на расширение тела при нагревании, поэтому в дальнейшем обсуждении считается, что
все процессы – изобарные, проходят при постоянном давлении.
Для количественной оценки теплового расширения используется величина β, называемая коэффициентом объемного расширения. Ее определение очень простое: надо измерить долю увеличения объема при нагревании на 1 °С.
А теперь запишем это более строго с использованием формул.
1. Обозначим объем тела при 0 °C – V0 °С, а при температуре t – Vt °С.
2. Тогда увеличение объема при нагревании на t °С равно: ΔV= Vt°С – V0°С.
3. Для того чтобы найти, на какую долю своего первоначального объема увеличился
объем, надо найти отношение ΔV : V0 °С.
4. Полученная величина еще не является искомой β, т.к. зависит от количества градусов, на которое нагревается тело, и не может претендовать на статус константы.
Полученную величину надо разделить на t, и тогда мы узнаем долю увеличения
объема, приходящуюся на один градус.
Итак, окончательно формулу для β можно записать так:
Физика. 7 класс. Рабочая тетрадь
18
β=
Vt o C − V0o C
V0 o C ⋅ t
(1 / o С )
Коэффициент объемного расширения определяется экспериментальным путем (см.
таблицы).
Коэффициент объемного расширения жидкостей
(в небольшом интервале температур около 20 °С)
Жидкость
Анилин
Ацетон
Глицерин
β, 1/°C
0,00086
0,00149
0,00051
Жидкость
Нефть
Ртуть
Серная кислота
β, 1/°C
0,00080
0,00018
0,00057
Жидкость
Спирт
Техническое масло
Эфир
β, 1/°C
0,00110
0,00060
0,00165
Коэффициент объемного расширения воды и льда при разных температурах
Лед, t °C β, 1/°C
–20
–15
–10
–5
0
0,00012
0,00013
0,00017
0,00023
0,00028
Вода,
t °C
0
1
2
3
4
β, 1/°C
–0,00006
–0,00005
–0,00003
–0,00002
0,000000
Вода,
t °C
5
10
20
30
40
β, 1/°C
0,00002
0,00010
0,00021
0,00030
0,00039
Вода,
t °C
50
60
80
90
100
β, 1/°C
0,00046
0,00053
0,00063
0,00070
0,00075
Коэффициент объемного расширения газов
(в интервале температур от 0 до 100 °C)
Газ
Азот
Аргон
β, 1/°С
0,003672
0,003676
Газ
Водород
Воздух
β, 1/°С
0,003664
0,003665
Газ
Гелий
Кислород
β, 1/°С
0,003660
0,003672
По таблицам можно заметить одно интересное обстоятельство: у разных жидкостей
при одинаковых условиях довольно заметно различаются коэффициенты объемного расширения, а вот у газов эти коэффициенты почти одинаковые. Этот факт нашел отражение
в опытном законе Гей-Люссака, который раньше так и формулировался: для всех газов
коэффициент объемного расширения
V
не зависит от температуры и рода га1
1
за и равен: β =
≈ 0,00366( o ) .
273
C
Покажем, что привычная для
нас формулировка газового закона
Гей-Люссака («при неизменной массе
-273
0
t °С
газа и постоянном давлении объем
газа прямо пропорционален абсолют- V
ной температуре») не противоречит
приведенному выше утверждению.
Добавим к определению β ее численное значение:
Vt o − V0o C
0
+273
T, K
β= C
(1 / o С )
V0 o C ⋅ t
Vt o C − V0o C =
1
1
⋅ V0o C ⋅ t ⇒ Vt o C = V0o C (1 +
⋅ t)
273
273
19
Раздел 1. Тексты
Изобразим эту зависимость (заметим, что она линейная) на диаграмме (V, t). Полученная прямая пересекает ось температуры в точке –273 °C. Если перенести ноль в эту
точку, сохранив масштаб, мы получим абсолютную шкалу – шкалу Кельвина (формула
перехода T = t + 273). График в новых осях будет уже представлять собой прямую пропорциональную зависимость. Что и требовалось доказать.
Обратим внимание, что в справочниках обычно не приводятся коэффициенты объемного расширения, зато имеются коэффициенты линейного расширения (обозначаются α). Можно показать, что для твердого тела β ≈ 3α. Интересно, а как примерно изменится площадь алюминиевого квадратного листа со стороной 1 см при нагревании на 1 °C?
Коэффициент линейного расширения твердых тел
Твердое тело
Алюминий
Вольфрам
Железо
Золото
Инвар
α, 1/°C
0,000024
0,000004
0,000012
0,000014
0,0000015
Твердое тело
Латунь
Медь
Платина
Свинец
Серебро
α, 1/°C
0,000019
0,000017
0,000009
0,000029
0,000019
Твердое тело
Сталь
Стекло
Цемент
Цинк
Чугун
α, 1/°C
0,000011
0,000009
0,000014
0,000029
0,000010
1-10. Тепловые машины
Энергия. Преобразование тепловой энергии в механическую
Вы хотите вскопать огород, передвинуть шкаф, вскипятить чайник, поднять воду из
колодца – все это возможно, если иметь необходимый запас энергии. Для решения какихто задач можно воспользоваться мускульной силой человека или домашнего животного.
Для других задач удобно использовать силу ветра или воды. Но силы человека ограничены, ветер дует не всегда с достаточной силой, а вода не всегда падает вниз и не так-то
просто преобразовать энергию падающей воды.
Идея об универсальном устройстве, которое могло бы приводить в движение машины, возникла впервые в XII веке в Индии, однако практический интерес к ней ярко проявился в средневековых городах Европы в XIII веке. Это не было случайностью: универсальный двигатель, способный работать в любом месте, был бы очень полезен ремесленнику. Как удобно было бы приводить в движение кузнечные меха, подававшие в горны и
печи воздух, поднимать воду с помощью насосов, крутить мельницы, поднимать грузы на
стройках. Науки были еще крайне неразвиты, поэтому люди, мечтавшие создать универсальный двигатель, обратили свои взоры на то вечное движение, которое их окружало:
движение солнца и планет, морские приливы и отливы, течение рек. Такое вечное движение называлось perpetuum mobile nature (или в переводе – «природное вечное движение»).
Казалось бы, создать искусственный вечный двигатель вполне возможно.
Человечество осознало, что для совершения любой работы нужна энергия. Эта энергия не может исчезать и возникать из ничего. Двигатель может работать только получая
работу извне. Первый известный проект вечного двигателя принадлежит Виллару де Оннекуру и относится к 1245 году. Свыше 500 лет подобные проекты продолжали будоражить воображение публики, пока в 1775 году Парижская академия не отказалась рассматривать проекты вечного двигателя. Но до сих пор находятся изобретатели, ломающие голову над тем, что создать, не нарушив законы природы, невозможно.
Для того чтобы копать, ходить, поднимать тяжести, нужна механическая энергия.
Она дремлет в мускулах людей и животных, плещет в струях воды, гудит в порывах ветра.
Все эти источники энергии человек использует уже давно.
Для того чтобы варить и жарить, отапливать жилище, плавить металлы, нужна тепловая энергия. Первым источником тепловой энергии был костер, пылавший в пещере
первобытного человека.
20
Физика. 7 класс. Рабочая тетрадь
Люди хотели ездить быстрее, чем скачет лошадь. Но у лошади не хватало энергии.
Она могла надорваться. Скакать еще быстрее лошадь не могла. Люди хотели мчаться по
морям быстрее ветра. Но ветер часто подводил мореплавателей. Он ослабевал или дул не
в ту сторону. Люди хотели построить больше водяных мельниц, которые вертели бы не
только жернова, но и станки на заводах. Но не всюду есть река, где можно поставить
мельницу.
Механической энергии не хватало. Зато тепловой энергии было много. Вслед за дровами люди научились сжигать каменный уголь, торф, нефть, сланец, газ.
А нельзя ли запрячь тепловую энергию в работу вместо механической? Конечно
можно. Не может ли тепло превращаться в движение? Вспомните, как посылает вдаль
снаряд пушка. В дуле сгорает порох. Его химическая энергия переходит в тепловую. Раскаленные пороховые газы выталкивают ядро. Ядро летит и пробивает стену. Вот и получили из тепла движение – механическую энергию!
Жаль, что пушка не годится для мирного труда. Вот бы переделать пушку, чтобы работала не так сильно, зато непрерывно. Можно, например, кипятить в котле воду. А пар
отводить по трубке в дуло пушки. Горячий пар стремится расшириться. Вспомните, как он
подбрасывает крышку кипящего чайника. Пар будет выталкивать ядро. Да не сразу, как пороховые газы, а постепенно.
Дойдет ядро до верха – откроем клапан и пар выпустим. Ядро
снова провалится вниз. Так оно и будет ходить вверх-вниз.
Словно нога портнихи, крутящей швейную машину. Или нога
точильщика, вертящего точило.
В швейной машине и в точиле есть еще шатун. Он передает
движение от педали к колесу. Если к ядру приделать шатун, то
пушка будет крутить колесо.
Собственно, это уже не пушка. Дуло превратилось в цилиндр, ядро – в поршень. Вместо пороховых газов – горячий пар.
Да ведь это паровая машина!
У нас с вами она получилась легко и быстро.
Не так просто было ее изобрести на самом деле.
Много было неудач, ошибок. А удачи покупались очень дорогой ценой. Англичанин
Джеймс Уатт создал паровую машину, которая приводила в движение станки.
Владельцем завода, изготовлявшего машины Уатта, был капиталист Болтон. Он удостоился высокой чести. Болтона представили королю Англии – Георгу III.
— Чем вы занимаетесь? – милостиво спросил король.
— Я изготовляю то, чего добиваются все короли, – дерзко ответил Болтон.
— Но что же это такое? Что?
— Сила, ваше величество!
Болтон был прав. Паровая машина оказалась огромной силой. Недаром XIX век назвали веком «его величества пара». Побежали по рельсам паровозы, поплыли по морям
пароходы. Но паровые машины с котлом, топкой, запасом топлива и воды были слишком
тяжелыми. Нужен был двигатель – легкий, небольшой.
И этот двигатель был создан. Он не имел ни котла, ни топки. Топливо сгорало прямо
в цилиндре. Горячие газы толкали поршень. Такой двигатель, в котором горение происходит внутри цилиндра, назвали двигателем внутреннего сгорания.
Затем появились ракетные двигатели, они открыли дорогу во Вселенную.
Вернемся к истории вопроса. Первые вращающиеся конструкции, преобразующие
тепловую энергию в механическую, принадлежат, видимо, Герону Александрийскому (I в.
до н.э.). По крайней мере, более ранних работ в этой области неизвестно.
21
Раздел 1. Тексты
Эолипил Герона
Герон воспользовался тем, что пар занимает больший объем,
чем вода. В металлическом сосуде, плотно закрытом крышкой, воду нагревали до кипения. Пар через трубу LK попадал в шар, укрепленный так, что мог вращаться вокруг оси O. Когда вода закипала, пар вырывался через трубки M, N и шар начинал вращаться.
Этот прибор представлял лишь интересную игрушку, однако принцип его работы сходен с принципом работы паровой турбины.
Паровой фонтан Герона
Герон соорудил и первый паровой фонтан. Его позднюю усовершенствованную конструкцию вы видите на втором рисунке.
Сделал и описал ее Соломон де-Ко в 1615 году. В шар А вода попадала через кран В. Шар нагревался, и скопившийся над жидкостью пар давил на нее и выталкивал воду сосуда через отверстие
С. Соломон де-Ко был инженером при королевском дворце. Точно
неизвестно, работали ли фонтаны в королевском дворце по этому
принципу, но позднее идея паровых насосов была использована
для откачивания воды из шахт.
Устройство водоподъемной машины Сомерсета
В 1663 году Сомерсет опубликовал небольшое сочинение, в
котором описывал 100 открытий, отчасти сделанных им самим,
отчасти им усовершенствованных. Он не дал точных описаний
этих изобретений, а привел лишь краткие описания, смешивая невыполнимые проекты с действительно полезными указаниями. Нет
ничего удивительного поэтому, что его считали шарлатаном, желавшим обратить на себя внимание своими сочинениями и ничего
не понимавшим в тех вещах, о которых он писал. В этом сочинении описано и действие машины для подъема
воды, которая, в отличие от обычного
насоса, могла поднимать воду на любую высоту. Главное, чтобы используемые сосуды были достаточно
прочны.
Сосуды наполняются водой через воронку. В одном сосуде вода нагревается, закипает и превращается в
пар, после чего открывается кран, соединяющий этот сосуд с тем, из которого под действием давления пара холодная вода будет выходить.
Сомерсет утверждал, что вода в
этой установке поднималась на высоту 40 футов. Установкой мог управлять один рабочий, он должен был
лишь поворачивать краны для того,
чтобы, наполнять резервуары и открывать путь пару. Этот же рабочий
поддерживал огонь равномерным.
М
K
O
N
L
В
С
А
22
Физика. 7 класс. Рабочая тетрадь
Воздушная тяга,
производимая теплотой
На рисунке показано, каким
образом пытались использовать ток
воздуха, производимый теплотой.
Под длинной вертикальной трубой
горит огонь. Теплый и легкий воздух
поднимается по трубке вверх и приводит в движение колесо. Большая
скорость этого колеса при помощи
зубчатых колес преобразовывается в
медленное движение, с большей силой вращающее машину с вальцами.
Тяга в дымовых трубах и нагревание и вентиляция жилых помещений также обусловлены течением
воздуха, вызываемым теплотой.
Чем выше дымовая труба, тем
сильнее в ней тяга, тем длиннее легкий теплый столб воздуха, гонимый
вверх таким же длинным, но более
тяжелым холодным воздушным
столбом вне трубки.
Воздух в комнатах согревается
тем, что холодный воздух стремится
к печи, между тем как теплый воздух, уже служивший для дыхания,
удаляется при помощи отдушин
вблизи потолка.
Идеи, усовершенствовавшие тепловые машины
Тепловые машины применялись первоначально и как тепловые насосы для откачивания воды из шахт, и как двигатели для приведения в движение мельниц и ткацких станков. Изначально у них был очень низкий КПД, пар быстро конденсировался и терял способность совершать работу. Повышение КПД требовало увеличения давления пара, а это,
в свою очередь, предъявляло новые требования к прочности котлов. При испытаниях первых паровых машин взрывы котлов не были редкостью.
Исследования зависимости температуры кипения жидкости проводились французским
медиком и физиком Дени Папеном под руководством английского профессора химии Роберта Бойля, по заданию Научного общества. Было обнаружено, что теплая вода начинает
кипеть, если ее поместить под стеклянный колпак – колокол, из-под которого выкачан воздух, а если внешнее давление повысить, то температура кипения становится выше 100 °С.
Папен понял, что скопившийся под крышкой пар давит на поверхность воды, которая поэтому закипает при более высокой температуре. Ему было также ясно, что пар оказывает давление не только на воду, но и на крышку котла. По этой-то причине оно не
может быть значительно больше атмосферного. Как только пар начинает давить сильнее,
чем давит атмосфера вместе с весом крышки, он поднимает ее, и его излишек выходит наружу. Поэтому в обычных котлах вода не может кипеть под высоким давлением.
Он решил воспользоваться котлом с привинченной наглухо крышкой. Чтобы давление пара не привело к взрыву, он разработал специальное устройство.
Раздел 1. Тексты
23
Предохранительный клапан. Рычаг или пружина?
Изменение, которое он внес в устройство котла,
был клапан. Он применил приспособление, которое
практиковалось в бытовых рычажных весах. Груз, передвигаемый вдоль рычага, уравновешивал разные силы. И чем он был ближе к краю, тем большую силу
давления пара он мог уравновесить. Таким образом,
максимальное давление пара и температура кипения
воды задавались длиной рычага и величиной груза.
Интересно, что изначально предлагалось сделать
два клапана: один в поршне, а другой – на дне цилиндра, в канале, соединявшем этот цилиндр со стеклянным колпаком. Особенно интересно Папен и Бойль
придумали клапан, расположенный в поршне. Это была металлическая пробка, которая прижималась к отверстию специальной пружинкой. Когда поршень
опускали вниз, то нижний клапан закрывался под давлением втянутого в цилиндр воздуха. А сдавленный потом внутри прибора воздух благодаря своей упругости заставлял сжиматься пружинку верхнего клапана, который поэтому
открывался и пропускал воздух из-под поршня в верхнюю часть цилиндра. Вскоре стало
понятно, что пружина неудобна для этой цели. Силу ее давления нельзя было точно регулировать, а значит, было трудно получить в котле желаемую температуру. Так пружина
была заменена давлением груза.
Атмосферная паровая машина Ньюкомена
В этой машине для образования пустого пространства под поршнем использовали
быстро конденсирующийся пар. А – вмазанный в печь паровой котел, соединенный с цилиндром В короткой трубкой. Трубка может закрываться краном а. Поршень соединяется
цепью с одним концом коромысла D. На другом конце находится противовес F с прикрепленной к нему штангой E.
Когда поршень занимал самое низкое положение, кран
а открывали. Противовес F
поднимал поршень, и пространство под ним наполнялось паром. Впоследствии,
когда поршень достигал
высшего положения, кран а
закрывали и открывали кран
для холодной воды. Цилиндр
охлаждался, и пар вследствие
этого конденсировался. После этого под действием атмосферного давления поршень опускался вниз, а противовес со штангой насоса
поднимался вверх. Цикл повторялся вновь. Вода, получавшаяся при конденсации
пара, собиралась на дне цилиндра и периодически выпускалась.
24
Физика. 7 класс. Рабочая тетрадь
Преимущество этой паровой машины состояло в том, что котел и цилиндр в ней были отделены друг от друга, и котел при конденсации пара не охлаждался.
Водотрубный котел из Помпей
Для лучшего использования тепла в котлах с
древности применяли трубки. На рисунке изображен котел, найденный в Помпеях. Нижняя часть
котла имела канал для огня, который наполнялся
раскаленными угольями. Сквозь решетку, укрепленную у дна котла, выбрасывалась зола и поступал воздух. Интересно, что решетка этого котла
была из трубок, наполненных водой, это делало ее
прочнее и позволяло экономить топливо, так как
тепло, отданное решетке, передавалось воде.
Машины для езды
Идеи превращения энергии поступательного движения струи воздуха и пара в энергию вращения предлагалось реализовывать разными способами. Так Гюйгенс, например,
предлагал взрывать порох под поршнем. Взрыв должен был поднять поршень вверх, газы,
образующиеся при взрыве, могли частично уходить, под поршнем образовывалось бы разреженное пространство, и на него могло бы действовать давление воздуха. Реального воплощения в XVIII веке эта идея не получила, но позднее она была воплощена в двигателе
внутреннего сгорания, правда вместо пороха был использован каменноугольный газ. Но
до этого были построены пароходы, паровозы, где движущей силой был пар. Их создателям пришлось много придумать и усовершенствовать, чтобы создать действующие модели. Расскажем о некоторых из них.
Паровая повозка Кюньо
Кюньо (1725–1804) решил задачу использования силы пара для перемещения пушек.
Ему удалось заинтересовать этой идеей французского военного министра и получить необходимые средства для реализации идеи. Первая повозка была готова к 1770 году и совершила свою пробную поездку во двор арсенала.
Она сохраняется в Париже до сих пор. На ней была машина с двумя цилиндрами.
Котел имел внутреннюю топку. На рисунке видно, как соединялся котел с машиной, а
машина – с передними колесами повозки. Оказалось, что
машина могла прекрасно везти повозку. Ее даже разогрели
так хорошо, что она двинулась слишком быстро и наехала на ограду двора. У Кюньо не было приспособлений
для управления машиной, и
это, вероятно, стало причиной
того, что с этой паровой повозкой больше не проводилось никаких опытов.
Раздел 1. Тексты
25
Первый локомотив Стефенсона
Джордж Стефенсон родился в 1781 году близ Ньюкастля, где его отец был рабочим в
угольной шахте и обслуживал ньюкоменовскую машину. Он рано начал работать машинистом, затем стал обслуживать тепловые машины, работающие в шахтах, очень много
занимался самообразованием.
Стефенсон интересовался новыми «машинами для езды», следил за опытами с величайшим вниманием и находил, что существенный недостаток их лежал в устройстве самой машины. Стефенсону хотелось построить практичную машину для езды, и владельцы копей Киллигворта, у которых он
служил старшим машинистом,
предоставили в его распоряжение
необходимые средства. Важнейшие улучшения, внесенные им в
машину, были следующие.
Прежде всего он позаботился о том, чтобы котел давал больше пара, что усилило бы машину.
Чтобы достичь этого, он увеличил
поверхность испарения и стал выпускать отработавший пар в дымовую трубу, что значительно
усиливало тягу в топке. Затем он
постарался устранить сотрясения
и толчки, поставить котел и машину на рессоры. Наконец, он соединил переднее колесо локомотива с задним при помощи штанги
DD так, что эти два колеса должны были двигаться одно вместе с другим и поэтому не так
легко скользили на рельсах. Машина имела два цилиндра, и их поршни были поставлены
так, что каждый из них помогал другому проходить через мертвые точки.
Состязание локомотивов «Ливерпуль – Манчестер»
Один из локомотивов Стефенсона попал в 1828 году во Францию, где его работоспособность и скорость были испытаны ставшим позднее столь знаменитым инженером Марком Сегеном (1786–1875). Оказалось, что локомотив проходил всего три четверти мили в
час, и Сеген понял, что котел должен давать гораздо больше пара и что, следовательно,
поверхность испарения должна быть значительна увеличена. Поэтому они проложили в
котле несколько узких трубок, через которые горячие газы должны были проходить по
пути в дымовую трубу, имея возможность таким образом отдавать воде в котле гораздо
более значительное количества тепла, подобно тому как это было устроено в помпейском
котле. Установив трубчатый котел на машине, он и принял участие в 1829 году в знаменитом состязании локомотивов на дороге между Ливерпулем и Манчестером.
Стенфенсон сам руководил постройкой рельсового пути между названными выше
городами. Когда строительство дороги подходило к концу, Стефенсон получил разрешение сделать опыт с перевозкой нагруженных вагонеток при помощи локомотива.
Управление дороги предложило премию в 500 фунтов стерлингов за лучший локомотив, удовлетворяющий известным требованиям. Конкурс был назначен на 6 октября
1829 года, и кроме Стефенсова локомотива The Rockett («Ракета») в нем в нем приняли
участие еще несколько других, в том числе Novelty («Новость») Джона Эрикссона.
26
Физика. 7 класс. Рабочая тетрадь
Котел Rockett разделялся на собственно котел A и на железный ящик B с двойными
стенками, в котором помещалась топка. Промежуток между двойными стенками сообщался с котлом A, так что вода из последнего переходила в железный ящик и здесь окружала огонь со всех сторон.
Получающиеся при горении газы уходили по 25
трубкам, лежавшим в
главном котле, в дымовую
трубу, в которой отработавший пар производил
сильную тягу.
Эта машина имела
два цилиндра, по одному с
каждой стороны котла.
Стержни поршней и шатуны действовали на два
кривошипа, расположенные под прямым углом
друг к другу. С локомотивом был связан особый вагон, тендер, на котором перевозились вода и уголь. Вода доставлялась к котлу беспрерывно нагнетательным насосом; за топкой мог присматривать один
человек.
Rockett весила 8500 фунтов и имела несколько неуклюжий вид, но была сработана
очень тщательно во всех
отношениях.
Машина Эрикссона
Novelty весила вдвое
меньше. Тяга проводилась не с помощью отработавшего пара, а с помощью мехов, приводившихся в движение
самой машиной.
В первый день соревнований Novelty дала
скорость 6 миль в час,
что было в два раза выше
скорости, которую показала Rockett. Но на следующий день у Novelty отказали меха, а Rockett достигала скорости 5–7 миль в час. Приз
был присужден Стефенсону.
Современная паровая турбина
Среди турбин, которые действуют в настоящее время, различают стационарные (например, на тепловых электростанциях) и транспортные (судовые), одно- и многокорпусные, одновальные (валы всех корпусов делают соосными) и с параллельным расположением 2–3 валов. Мощность паровой турбины может превышать 1200 МВт.
Первые промышленно пригодные паровые турбины созданы в 1884 году Ч.А. Парсонсом (Великобритания), в 1889 году К.Г. Лавалем (Швеция) независимо друг от друга.
Раздел 1. Тексты
27
Основными частями турбины являются вращающийся ротор и неподвижный барабан с
лопатками такой конфигурации, что проходящий через них
поток пара вызывает вращение ротора. Пар нагревается в паровом котле до температуры около 580 °C и поступает к колесу турбины. На конце трубы имеется сопло (расширение
специальной формы), создающее узконаправленную струю
пара. Из сопла струя пара вырывается с очень большой скоростью, порядка 600 – 800 м/с. Эта струя ударяется в лопатки
колеса турбины, заставляя его вращаться. Вместе с колесом
вращается и ротор генератора, создавая электрический ток.
Пар последовательно проходит через лопатки всех колес, отдавая каждому часть своей энергии. Отработанный пар с температурой около 30 °C
направляется в холодильник, где конденсируется, а образовавшаяся вода перекачивается
обратно в котел. Основной причиной потерь энергии в паровой турбине является неполное использование внутренней энергии пара, поскольку он покидает ротор еще горячим.
Паровые турбины непрерывно совершенствуются, и их КПД достигает 40%, хотя нетрудно подсчитать, что максимально возможное значение КПД для указанных температур –
η = (T2–T1)/T2 · 100% = (580–30)/(580+273) · 100% ≈ 64%.
Холодильник
Холодильные установки служат для того, чтобы, отбирая некоторое количество теплоты от холодного тела, например от морозильной камеры, поддерживать в ней низкую
температуру. Рабочим телом в холодильнике служит фреон. Им заполнены конденсатор и
испаритель. Компрессор откачивает фреон из
испарителя в конденсатор. При сжатии фреон
нагревается, но в конденсаторе, расположенном
Испаритель
на задней стенке холодильника, он охлаждается
до комнатной температуры и под высоким давлением становится жидким. Из конденсатора
он поступает в испаритель, где интенсивно исКонденсатор
паряется при кипении. Кипит он при температуре ниже 0 °C, так как в испарителе из-за откачки паров фреона создается пониженное давление. Энергия на испарение отбирается от
стенок испарителя.
Компрессор
Согласно назначению холодильника, тепло в нем идет от более холодного тела к более
горячему. Не опровергает ли работа холодильника второй закон термодинамики, который в формулировке Клаузиуса звучит так: невозможен процесс, единственным результатом которого была бы передача энергии путем теплообмена от холодного тела к горячему?
Что произойдет с температурой воздуха
в комнате, если включить холодильник и открыть дверцу холодильника? если открыть
дверцу давно работающего холодильника?
Физика. 7 класс. Рабочая тетрадь
28
Экологические проблемы использования тепловых машин
Повышение уровня развития промышленности и уровня комфорта за счет использования тепловых машин сопровождается отрицательным влиянием, которое мы все больше
и больше ощущаем на себе. Сжигание топлива приводит к уменьшению количества кислорода в атмосфере. К тому же горение сопровождается выделением в атмосферу углекислого газа. В атмосфере Земли в настоящее время содержится около 2600 млрд тонн углекислого газа (около 0,033%). До периода бурного развития энергетики и транспорта количество углекислого газа, поглощаемого из атмосферы при фотосинтезе растениями и
растворяемого в океане, было равно количеству углекислого газа, выделяемого при дыхании и гниении. В настоящее время за счет сжигания угля, нефти и газа в атмосферу Земли
ежегодно поступает дополнительно около 20 млрд тонн углекислого газа. Это приводит к
повышению концентрации углекислого газа в атмосфере Земли. Молекулы оксида углерода способны поглощать инфракрасное излучение. Поэтому увеличение концентрации
углекислого газа в атмосфере изменяет прозрачность. Инфракрасное излучение, испускаемое земной поверхностью, все в большей мере поглощается в атмосфере. Увеличение
концентрации углекислого газа в атмосфере может привести к повышению ее температуры («парниковый эффект») и создает угрозу таяния ледников и катастрофического повышения уровня Мирового океана.
При сжигании угля и нефти атмосфера загрязняется азотными и серными соединениями, вредными для человека (смог). В настоящее время ежегодно в результате сгорания
топлива в атмосферу поступает около 150 млн тонн оксида серы, около 50 млн тонн оксида азота, 250 млн тонн пыли, 2–3 млн тонн свинца. Метеорологи свидетельствуют, что
участились случаи выпадения кислотных дождей, есть примеры нарушения круговорота
воды в природе.
Важной составной частью атмосферы, влияющей на климат и защищающей все живое на Земле от излучения Солнца, является озоновый слой. По сравнению с 1959 годом
уровень озона снизился на 40%. «Озоновая» дыра серьезно беспокоит мировую общественность. Бьют тревогу врачи. С уменьшением озонового слоя увеличивается ультрафиолетовая радиация Солнца. Вследствие этого возникают различные онкологические заболевания, мутации, заболевания кожи, глаз и др.
Есть ли выход?
Конечно, пути выхода ищут уже давно, и есть несколько направлений таких поисков. Во-первых, это поиск альтернативных источников энергии. Во-вторых, переход на
другие виды топлива, например на водород. Все больше используется бионефть. Это горючие углеводороды, по составу похожие на те, которые содержатся в нефти. Их вырабатывают в своих тканях некоторые виды растений. Во время Второй мировой войны японцы заправляли двигатели танков маслом, выжатым из орехового дерева. В-третьих, пока
проблематичен отказ от использования этих двигателей, их надо совершенствовать. Прежде всего повышать КПД. Чем выше коэффициент полезного действия двигателя, тем
меньше нужно сжечь угля, газа или другого горючего на каждые 100 км пробега автомобиля, на выработку каждого киловатта электроэнергии, на подъем ракеты в космическое
пространство.
Сади Карно еще в 1824 году опасался, что «паровые машины истребят на топливо
все прекрасные леса Франции». Замену органическому топливу – нефти и углю, ценнейшему химическому сырью, – необходимо найти как можно скорее. При современных расходах нефти и газа их запасы быстро исчерпаются!
Раздел 1. Тексты
29
1-11. Источники энергии
Не зря говорят: «Энергетика – хлеб промышленности». Чем более развиты промышленность и техника, тем больше энергии нужно для них. Существует даже специальное
понятие – «опережающее развитие энергетики». Это значит, что ни одно промышленное
предприятие, ни один новый город или просто дом нельзя построить до того, как будет
определен или создан заново источник энергии, которую они станут потреблять.
В природе запасы энергии огромны. Ее несут солнечные лучи, ветры и движущиеся массы воды, она хранится в древесине, залежах газа, нефти, каменного угля. Практически безгранична энергия, «запечатанная» в ядрах атомов вещества. Но не все ее
формы пригодны для прямого использования.
За долгую историю энергетики накопилось много технических средств и способов
добывания энергии и преобразования ее в нужные людям формы. Сперва к энергии собственных мускулов люди добавили мускульную энергию животных. Затем человек научился получать и использовать тепловую энергию. Позже люди придумали мельницы, которые превращали энергию водяных потоков и ветра в энергию вращающегося вала.
Но только с изобретением паровой машины, двигателя внутреннего сгорания, а позже электрических генератора и двигателя человечество получило в свое распоряжение
достаточно мощные технические устройства.
Основу современной мировой энергетики составляют тепло- и гидроэлектростанции.
Однако их развитие сдерживается тем, что стоимость угля, нефти и газа, на которых работают тепловые станции, растет, а природные ресурсы этих видов топлива сокращаются. В
процессе производства электроэнергии на тепловых электростанциях (ТЭС) происходит
выброс вредных веществ в атмосферу – это наносит большой ущерб природе.
Гидроэнергетические ресурсы в развитых странах используются практически полностью: большинство речных участков, пригодных для этого, уже освоены. А какой вред
причиняют природе гидроэлектростанции (ГЭС)! Погибают рыбы, которые не могут
преодолеть плотины, на равнинных реках разливаются огромные водохранилища и губят
плодородные земли, под воду уходят целые поселки.
Ветродвигатели
Ветряные мельницы с крыльями-парусами из ткани первыми начали сооружать
древние персы свыше 1,5 тысяч лет назад. В дальнейшем ветряные мельницы совершенствовались. В Европе они не только мололи муку, но и откачивали воду, сбивали
масло, как, например, в Голландии. Первый электрогенератор был сконструирован в
Дании в 1890 году. Через 20 лет в стране работали уже сотни подобных установок.
Энергия ветра очень велика. Ее запасы, по оценкам Всемирной метеорологической
организации, составляют 170 трлн кВт⋅ч в год. Эту энергию можно получать не загрязняя окружающую среду. Но у ветра есть два существенных недостатка: его энергия
сильно рассеяна в пространстве и он непредсказуем – часто меняет направление.
Строительство, содержание, ремонт ветроустановок, круглосуточно работающих в
любую погоду под открытым небом, стоит недешево. Ветроэлектростанция такой
же мощности, как ГЭС, ТЭЦ или АЭС, по сравнению с ними должна занимать большую
площадь. К тому же ветроэлектростанции небезвредны: они мешают полетам птиц и
насекомых, шумят, отражают радиоволны вращающимися лопастями, создавая помехи
приему телепередач в близлежащих населенных пунктах.
Принцип работы ветроустановок очень прост: лопасти, которые вращаются за счет
силы ветра, через вал передают механическую энергию к электрогенератору. Тот в свою
очередь вырабатывает энергию электрическую.
30
Физика. 7 класс. Рабочая тетрадь
Чтобы как-то компенсировать изменчивость ветра, сооружают огромные «ветряные
фермы». Ветродвигатели там стоят рядами на обширном пространстве и работают на
единую сеть. На одном краю «фермы» может дуть ветер, на другом в это время тихо.
Такие фермы есть в США, во Франции, в Англии, а в Дании «ветряную ферму» разместили на прибрежном мелководье Северного моря: там она никому не мешает.
АЭС
Выход из создавшегося положения виделся в развитии атомной энергетики. На конец
1989 года в мире было построено и работало более 400 атомных электростанций (АЭС).
Однако топливом для них служит урановая руда – дорогостоящее и труднодобываемое сырье, запасы которого ограничены. Серьезным тормозом для дальнейшего развития атомной энергетики являются проблемы загрязнения окружающей среды. Аварии на АЭС несут
бесчисленные трагедии людям – всепроникающая радиация губит все живое, заражает почву, воду на многие десятилетия. В последнее время (особенно после аварии на Чернобыльской АЭС) все чаще звучат призывы, требующие отказаться от использования ядерного
топлива вообще, закрыть все атомные электростанции и возвратиться к производству
электроэнергии на ТЭС и ГЭС, а также использовать так называемые альтернативные источники энергии.
Приливные станции
Океан – гигантский аккумулятор и трансформатор солнечной энергии, преобразуемой в энергию течений, тепла и ветров, приливов и отливов. Энергетические ресурсы
океана представляют большую ценность как возобновляемые и практически неисчерпаемые, их использование не приносит какого-либо ощутимого ущерба окружающей среде.
Уровень воды на морских побережьях в течение суток меняется три раза. Такие колебания особо заметны в заливах и устьях рек, впадающих в море. В XVIII веке английский
физик Исаак Ньютон разгадал тайну морских приливов и отливов: огромные массы воды
в Мировом океане приводятся в движение силами притяжения Луны и Солнца. Через каждые 6 часов 12 минут прилив сменяется отливом. Максимальная амплитуда приливов в
разных местах нашей планеты неодинакова и составляет от 4 до 20 м.
Весной при определенных условиях бывают самые высокие приливы. Нарисуйте, как
должны для этого располагаться Луна, Солнце и Земля. Какая при этом фаза Луны?
Для устройства простейшей приливной электростанции (ПЭС) нужен бассейн – перекрытый плотиной залив или устье реки. Во время прилива вода поступает в бассейн. Когда уровни воды в бассейне и море сравняются, затворы водопропускных отверстий закрываются. С наступлением отлива уровень воды в море понижается, и, когда
напор становится достаточным, турбины и соединенные с ним электрогенераторы начинают работать, а вода из бассейна постепенно уходит. Считается экономически целесообразным строительство ПЭС в районах с приливными колебаниями уровня моря не
менее 4 м. С точки зрения экологии ПЭС имеет бесспорное преимущество перед тепловыми электростанциями, сжигающими нефть и каменный уголь.
Идея получения энергии от морских волн была изложена еще в 1935 году советским ученым К.Э. Циолковским. В основе работы волновых энергетических станций
лежит воздействие волн на поплавки, маятники, лопасти и т.п.
Рассмотрим, например, как может улавливаться энергия с помощью буя. В верхней
части буя делается отверстие, через которое может входить и выходить воздух. Когда буй
качается на волне, уровень воды внутри него меняется, в результате начинается движение
воздуха через отверстие, это движение передается турбине. Там же установлена турбина,
вращающаяся всегда в одном направлении независимо от того, в каком направлении движется воздух. Даже довольно небольшие волны высотой 35 см заставляют турбину развивать более 2000 оборотов в минуту.
Раздел 1. Тексты
31
Предложите конструкцию, которая позволит турбине вращаться всегда в одном
направлении независимо от того, в каком направлении движется воздух (входит он или
выходит).
Другой вариант установки похож на ящик, установленный на опорах на небольшой глубине. Волны проникают в ящик и приводят в действие турбину. И здесь
для работы достаточно совсем небольшого волнения моря. Даже волны высотой в
20 см зажигали лампочки общей мощностью 200 Вт.
В настоящее время такие установки используются для энергопитания автономных
буев, маяков, научных приборов. Опыт эксплуатации существующих установок показал, что вырабатываемая ими электроэнергия пока в 2–3 раза дороже традиционной, но
в будущем ожидается значительное снижение ее стоимости.
Океанические течения
Наиболее мощные течения океана – потенциальный источник энергии. Современный уровень техники позволяет извлекать энергию течений при скорости потока
более 1 м/с. Перспективным представляется использование таких мощных течений, как
Гольфстрим и Куросио, несущих соответственно 83 и 55 млн куб. м/с воды со скоростью до 2 м/с, и Флоридского течения (30 млн куб. м/с, скорость до 1,8 м/с). Для океанской энергетики представляют интерес течения в проливах Гибралтарском, Ла-Манш,
Курильских. Однако создание океанских электростанций на энергии течений связано
пока с рядом технических трудностей, прежде всего с созданием энергетических установок больших размеров, представляющих угрозу судоходству. Программа «Кориолис»
предусматривает установку во Флоридском проливе в 30 км восточнее города Майами
242 турбин с двумя рабочими колесами диаметром 168 м, вращающимися в противоположных направлениях. Пара рабочих колес размещается внутри полой камеры из
алюминия, обеспечивающей плавучесть турбины. Американские инженеры считают, что
строительство такого сооружения даже дешевле, чем возведение тепловых электростанций. Здесь не нужно возводить здание, прокладывать дороги, устраивать склады. Эксплуатационные расходы существенно меньше. Полезная мощность каждой турбины с учетом затрат на эксплуатацию и потерь при передаче на берег составит 43
МВт, что позволит удовлетворить потребности штата Флориды (США) на 10%.
Геотермальные источники
Около 4% всех запасов воды на нашей планете сосредоточено под землей – в толщах
горных пород. Воды, температура которых превышает 20 °С, называют термальными (от
греч. therme – «тепло», «жар»). Нагреваются подземные озера и реки в результате радиоактивных процессов и химических реакций, протекающих в недрах Земли. В районах
вулканической деятельности на глубине 500–1000 м встречаются бассейны с температурой 150–250°С; вода в них находится под большим давлением и поэтому не кипит.
В горных областях термальные воды нередко выходят на поверхность в виде горячих источников с температурой до 90 °С. Люди научились использовать глубинное тепло Земли
в хозяйственных целях. В странах, где термальные воды подходят близко к поверхности,
сооружают геотермальные электростанции (геоТЭС). Они преобразуют тепловую энергию
подземных источников в электрическую. В России первая геоТЭС мощностью 5 МВт была построена в 1966 году на юге Камчатки, в долине реки Паужетка, в районе вулканов
Кошелева и Кабального. В 1980 году ее мощность составляла уже 11 МВт. ГеоТЭС действуют в Италии, в США, Исландии, Новой Зеландии, Мексике и Японии. Геотермальные
станции устроены относительно просто: здесь нет котельной, оборудования для подачи
топлива, золоулавливателей и многих других приспособлений, необходимых для обычных
тепловых электростанций. Поскольку топливо у геоТЭС бесплатное, то и себестоимость
вырабатываемой электроэнергии в несколько раз ниже.
Существует несколько схем получения электроэнергии на геотермальной электро-
32
Физика. 7 класс. Рабочая тетрадь
станции. Прямая схема: природный пар направляется по трубам в турбины, соединенные
с электрогенераторами. Непрямая схема: пар предварительно очищают от газов, вызывающих разрушение труб турбины. Смешанная схема: неочищенный пар поступает в турбины, а затем из воды, образовавшейся в результате конденсации, удаляют нерастворившееся в ней газы.
В России, Болгарии, Венгрии, Исландии, США, Японии и других странах термальными водами обогревают здания, теплицы, парники, плавательные бассейны. А столица
Исландии Рейкьявик получает тепло исключительно от горячих подземных источников.
Солнечная энергия
Солнце изливает на Землю океан энергии. Человек буквально купается в этом океане, энергия везде. А человек, словно не замечая этого, вгрызается в землю за углем и
нефтью, чтобы добыть энергию для заводов и фабрик, для освещения и отопления.
И ведь добывает-то он всю ту же энергию Солнца, которую «впитали» растения былых времен, ставшие потом углем. Растения способны уловить меньше одного процента падающей на листья солнечной энергии, а после сжигания угля ее выделяется и
того меньше. Солнечная энергия доступна всем и каждому. Ее практически сколько
угодно. Она экологична – ничего не загрязняет, ничего не нарушает, она дает жизнь всему сущему на Земле. Больше того, эта энергия даровая, но при всех своих достоинствах и самая дорогая. Именно поэтому солнечные электростанции не так распространены, как электростанции других видов.
На острове Сицилия недалеко от известного своим неспокойным характером вулкана Этна еще в начале 1980-х годов дала ток солнечная электростанции мощностью
1 МВт. Принцип ее работы – башенный. Зеркала фокусируют солнечные лучи на приемнике, расположенном на высоте 50 м. Там вырабатывается пар с температурой более
500 °C, который приводит в действие традиционную турбину с подключенным к ней генератором тока. При переменной облачности недостаток солнечной энергии компенсируется паровым аккумулятором. Неоспоримо доказано, что на таком принципе могут
работать электростанции мощностью 10–20 МВт, а также и гораздо больше, если
группировать подобные модули, присоединяя их друг к другу.
А вот какой принцип работы заложен еще в одном варианте солнечной электростанции, разработанном в Германии. Ее мощность тоже невелика – 20 МВт. Подвижные зеркала по 40 м2 каждое, управляемые микропроцессором, располагаются вокруг 200метровой башни. Они фокусируют солнечный свет на нагреватель, где помещается сжатый воздух. Он нагревается до 800 °C и приводит в действие две газовые турбины. Затем
теплом этого же отработавшего воздуха нагревается вода, и в действие вступает уже паровая турбина. Получаются как бы две ступени выработки электричества. В результате
КПД станции поднят до 18%, что существенно больше, чем у других гелиоустановок.
А в бывшем СССР недалеко от Керчи была сооружена станция мощностью в 5 МВт.
Вокруг башни концентрически размещены 1600 зеркал, направляющих солнечные лучи на
паровой котел, который венчает 70-метровую башню. Зеркала площадью 25 м2 каждое с
помощью автоматики и электроприводов следят за Солнцем и отражают солнечную энергию точно на поверхность котла, обеспечивая ее плотностью потока в 150 раз большую,
чем Солнце на поверхности Земли. В котле при давлении 40 атмосфер генерируется пар с
температурой 250 °C, поступающий на паровую турбину. В специальных емкостяхаккумуляторах под давлением содержится вода, накапливающая тепло для работы по ночам и в пасмурную погоду. Благодаря этим аккумуляторам станция может работать еще
3–4 часа после захода Солнца, а на половинной мощности – около полусуток.
Солнечная энергия используется также в небольших автомобилях на солнечных батареях, на космических станциях и спутниках.
Раздел 2. Физический эксперимент
33
2. Физический эксперимент
2-01. Практикум «Измерение физических величин»
Измерение длины, площади, объема
1.
2.
3.
4.
Измерьте средний диаметр горошины, зернышка пшена.
Измерьте толщину нитки, толщину страницы учебника.
Измерьте разными способами длину произвольной кривой линии.
Измерьте длину окружности радиусом 5 см. Проверьте правильность формулы
L ≈ 6,3 · R (длина окружности примерно в 6,3 раза больше ее радиуса).
5. Измерьте площадь классной комнаты в разных единицах измерения.
6. Измерьте площадь подошвы ботинка.
7. Измерьте площадь круга радиусом 5 см. Проверьте правильность формулы
S ≈ 3R2 (площадь круга примерно в 3 раза больше квадрата ее радиуса).
8. Измерьте общий объем трех кусочков сахара с помощью линейки. Налейте в
мензурку или мерный стаканчик воду. Растворите в воде сахар. Сравните объем
воды без сахара, сахара и воды с сахаром. Сделайте вывод.
9. Измерьте объем бутылочки неправильной формы.
10. Измерьте объем твердого тела неправильной формы с помощью мензурки или
мерного стаканчика.
11. Измерьте в каплях объем большого сосуда (например, ведра) с помощью часов.
Измерение массы (веса)
1. Для выполнения задания вам потребуются коробка со скрепками, лабораторные весы с
разновесами и линейка.
а). Оцените (не пересчитывая) количество скрепок в коробке
б). Сколько примерно проволоки (по длине) надо взять, чтобы изготовить данное
количество скрепок? Проверьте полученный результат (решите задачу другим
способом).
в). Сколько будет весить 1 метр такой проволоки?
г). Предскажите вес 10 скрепок и проверьте свое предположение экспериментально.
д). Изобразите график-помощник для удобства решения задач на:
• определение массы заданного количества скрепок;
• определение количества скрепок, имеющих заданную массу.
34
Физика. 7 класс. Рабочая тетрадь
2. Для выполнения задания вам потребуются чистый лист картона или плотной бумаги и
лабораторные весы с разновесами.
Оцените площадь «кляксы» (см. рисунок) по клеточкам.
Скопируйте на чистый лист
«кляксу» и вырежьте ее.
а). Найдите
площадь
«кляксы» с помощью
весов.
б). Какую сторону имеет
квадрат, изготовленный
из такого же картона,
если его масса 200 г?
в). Сколько будет весить такая же «клякса», изготовленная из алюминия?
г). Изобразите график-помощник для удобства решения задач на:
ƒ определение массы картона заданной площади;
ƒ определение площади куска картона, имеющего заданную массу.
Раздел 2. Физический эксперимент
35
3. Для выполнения задания вам потребуются коробка пластилина, деревянная пешка,
мензурка, лабораторные весы с разновесами.
а). Слепите небольшую фигурку из пластилина и с помощью весов определите ее объем. С помощью мензурки проверьте свой результат.
б). Предскажите (без взвешивания) вес целой коробки пластилина (без веса тары).
в). Сколько будет весить такая же фигурка из золота?
г). Определите общую массу деревянных пешек одного комплекта шахмат, если известно, что 10 куб. см дерева имеют массу 7 г.
д). Изобразите график-помощник для удобства решения задач на:
ƒ определение массы заданного объема пластилина;
ƒ определения объема пластилина, имеющего заданную массу.
4. Определите вес пенопластового бруска, который не помещается на чашку школьных рычажных весов. Определите вес камня, если он больше веса всех разновесов школьных весов.
5. Предложите способ определения веса корзины с грибами в лесу. У вас есть пластиковая бутылка известной емкости.
6. Не разматывая моток медной проволоки, определите ее длину.
Физика. 7 класс. Рабочая тетрадь
36
Измерение плотности
1. Найдите небольшой камешек и опытным путем определите его плотность. Какие
приборы и материалы вам потребовались? Сколько бы весил этот камешек, если
бы он был золотым?
2. Стеклянная банка заполнена свинцовой дробью. Как определить плотность
свинца, который пошел на изготовление дроби, если в вашем распоряжении имеются мензурка, весы и разновес?
3. Придумайте способ определения плотности тел, растворяющихся в воде.
4. Сравните плотность сыпучего растворимого вещества с плотностью воды, не
растворяя его, если у вас есть пластиковый стаканчик.
5. Предложите способ градуирования мерной посуды, если у вас есть только линейка и кусок пластилина.
6. Определите плотность неизвестной жидкости, если у вас есть весы и мензурка.
7. Определите плотность раствора соли, если у вас есть весы, разновес, флакон и
чистая вода.
8. Сделайте несколько ареометров из трубочек для коктейля, утяжелив их грузами
разной массы (например, шурупами). Проградуируйте их, опуская в жидкости,
плотность которых вам известна. Измерьте с помощью этих приборов плотность
молока, газированной воды. Исследуйте, как изменяется плотность соляного раствора с увеличением концентрации.
9. Имея одинаковые стальные шарики, определите: а) массу одного шарика с помощью мензурки; б) объем одного шарика с помощью весов.
№1
2-02. Градуирование пружин
№2
Задание: узнать массу калориметрических тел
из школьной лаборатории. В распоряжении есть две
пружины и набор грузов по 50 г.
Гипотеза: растяжение пружины прямо пропорционально весу груза. Если мы проградуируем пружину, подвешивая к ней грузы известной массы, то
затем сможем с помощью полученного прибора узнавать массы произвольных грузов.
0
Ход работы:
1. Укрепите пружины и нанесите на шкалу ноль.
2. Подвесьте к пружине один груз и отметьте
растяжение пружины (выполните это с количеством
грузов от 1 до 8).
3. Зафиксируйте данные в таблице:
Масса одного груза, г
Количество грузов, шт.
Масса грузов, г
Удлинение пружины №1, мм
Удлинение пружины №2, мм
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Раздел 2. Физический эксперимент
37
Обработка данных:
1. Для вычисления массы грузов надо применить формулу m = mг · N, где mг − масса
одного груза, а N – количество грузов.
2. Постройте графики зависимости удлинения пружин от массы грузов.
3. С помощью проградуированных пружин определите массы калориметрических
тел из школьной лаборатории. Проверьте полученные данные с помощью рычажных весов. Подтвердилась ли гипотеза?
Вопросы и задачи:
1. По графику зависимости удлинения пружин от массы груза на рисунке определите
массу груза, если пружина 1 при его подвешивании удлинилась на 265 мм.
2. На сколько мм удлинится пружина 2 при подвешивании этого груза?
3. Определите c помощью графика и формул удлинение первой и второй пружин при
подвешивании груза массой 162 г.
4. Какой пружиной можно взвешивать грузы большей массы?
5. Какой пружиной можно определить массу более точно?
Зависимость удлинения пружины от массы груза
700
600
Удлинение, мм
500
400
300
200
100
0
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Масса, г
Удлинение пружины №1, мм
Удлинение пружины №2, мм
6. Вам надо создать динамометр, а в распоряжении у вас только кусок резинки и одна гирька массой 100 г. Как проградуировать наиболее точно и определить, «хорошая» ли
резинка?
7. Предложите конструкцию динамометра, в котором вместо пружины используется
упругая пластина.
Физика. 7 класс. Рабочая тетрадь
38
2-03. Взвешивание малых тел
Задание: узнать массу одной горошины (дробинки, фишки, пульки, спички).
Легко проверить, что с помощью школьных весов нельзя получить это значение с
нужной степенью точности. Кроме того, масса малых тел может быть разной. Поэтому
для определения масс малых тел взвешивают сразу несколько штук и определяют массу
одного по формуле m0 = m/N, где m − масса всех тел, а N − количество взвешенных тел.
Ход работы:
1. Разбейтесь на группы.
2. С помощью весов найдите массу 5, 10, 12 и 17 малых тел.
3. Зафиксируйте данные всех групп в таблице:
Масса малых тел
Число
тел
малых
Группа №1
Группа №2
…
Группа №k
«Идеальные»
тела
5
10
12
17
Средняя масса
Обработка данных:
1. Подсчитайте среднюю массу малого тела в каждой группе по формуле m0 = m/N ,
где m − масса наибольшего числа взвешенных тел, а N − наибольшее число малых тел
(в нашем примере 17).
2. Подсчитайте среднее значение массы по результатам всех групп по формуле
m0 = (m1 + m2 + … + mk)/N/k, где m1, m2, … , mk – масса N малых тел в 1, 2, …, k группе.
В нашем примере N = 17.
3. Рассчитайте массу n «идеальных» малых тел по формуле m = m0 · n, где n пробегает все целые значения 0 до N.
4. Постройте точечную диаграмму зависимости массы малых тел от количества тел
для реальных и идеальных значений.
М,
г
N
Раздел 2. Физический эксперимент
39
Вопросы и задачи:
1. Предскажите, как будет выглядеть точечная диаграмма для половинок гороха? для
фасоли? Проверьте свои предположения.
Зависимость массы горошин от их количества
8000
7000
Масса горошин, мг
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
Количество горошин
2. Учащиеся взвешивали горох и наносили точки на координатную плоскость. Покажите, как разместились бы точки, если бы масса горошин была одинаковой?
______________________________________________________________________
3. Пользуясь этой диаграммой, оцените, какой может быть масса восьми горошин?
______________________________________________________________________
4. Сколько горошин весит 3500 мг? Определите минимально и максимально возможное число горошин, имеющих такой вес.
______________________________________________________________________
5. Как по этому графику определить массу одной горошины?
______________________________________________________________________
6. Предложите другие способы определения массы одной горошины.
7. Учащиеся в классе определяли массу одной горошины. Каждая из групп взяла такое количество горошин, которое она пожелала, взвесила, а затем определила
среднее значение. Какое значение самое точное? Можно ли по этим данным определить массу одной горошины еще точнее?
Число горошин, N
Масса горошин, m, мг
Средняя масса m1, мг
1
200
200
2
370
185
3
710
237
7
1420
203
9
1700
189
10
2000
200
15
2980
199
20
3220
161
25
4250
170
30
5500
183
40
7000
175
50
9150
183
8. Если бы вам разрешили провести только одно взвешивание, сколько горошин вы
бы взяли, чтобы получить более точный график?
Физика. 7 класс. Рабочая тетрадь
40
2-04. Расположение тел из школьной лаборатории в порядке
возрастания плотности
Задание: расположить тела из школьной лаборатории в порядке возрастания
плотности.
Ход работы:
1. Определите, какой из известных вам способов подходит, чтобы измерить массу и
объем предложенного вам тела точнее.
2. Проведите измерения массы и объема тела.
3. Занесите результаты в общую таблицу:
№
1
2
Масса, г
Объем, см3
Плотность г/см3
4. Рассортируйте тела по плотности.
5. Постройте точечную диаграмму в осях (m, V).
6. Проведите линии через точки, соответствующие телам одинаковой плотности.
Они должны лежать на одной прямой, которая проходит через начало координат. Почему?
Вопросы и задачи:
1. Из каких материалов сделаны тела, через точки которых m(V) проходят прямые
0A, 0B, 0C? Из каких материалов тела, точки которых на эти прямые не попали?
2. Как по графику m(V) определить плотность тела?
3. Покажите на графике линию, соответствующую пенопласту m = 10 г, V = 275 см3.
Сортировка
по плотности,
масштаб - 2
Сортировка
по плотности
40
B
A
35
100
Объем, смі
30
C
25
100
20
54
150
162
19
15
10
19,5
10,3
7
5
50
19,2
16,1
53
48,5
19
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180г
Масса,
Раздел 2. Физический эксперимент
41
2-05. Исследование зависимости количества выделенного
тепла от массы охлаждающейся воды
Задание: исследовать процесс теплоотдачи
воды при охлаждении.
Ход работы:
1. Возьмите три сосуда разного объема.
2. Налейте в них горячую воду.
3. Накройте крышками и отмечайте температуру воды через определенные интервалы времени,
например каждые 2 минуты.
4. Данные измерений занесите в таблицу:
Время,
мин
Температура
Температура
Температура
воды в 1-й воды во 2-й воды в 3-й
емкости, °С
емкости, °С
емкости, °С
Q1,
кал
Q2,
кал
Q3,
кал
Обработка данных:
1. Количество выделяемого тепла за 2, 4, 6, …, 30 минут вычисляется по формуле
Q = cm(t0 − tn), где tn – температура через n минут после начала наблюдения.
2. По таблице постройте диаграммы зависимости Q(t), t − время.
3. Постройте графики зависимости количества выделяемого тепла от разности температур.
Вопросы и задачи:
1. Можно ли по графику зависимости Q(t) судить, как менялась скорость теплоотдачи воды за время опыта?
Графики зависимости количества выделенного тепла
охлаждающейся воды от времени
14000
12000
Q, кал.
10000
8000
6000
4000
2000
0
0
2
4
6
8
Q1, кал. (m1=180)
10
12
14
16
18
Q2, кал. (m2=350)
20
22
24
26
28
30
Q3, кал. (m3=440)
32
34
t, мин.
Физика. 7 класс. Рабочая тетрадь
42
2. Из анализа графика были сделаны выводы:
а) количество выделенного тепла зависит от массы охлаждающейся воды: чем больше масса воды, тем больше тепла выделяет сосуд с водой за одинаковое время; б) количество выделенного тепла зависит от времени охлаждения воды: чем больше время охлаждения, тем больше тепла выделяет сосуд с водой; в) количество выделенного тепла зависит от изменения температуры охлаждающейся воды: чем больше изменение температуры, тем больше тепла выделяет сосуд с водой.
С какими из выводов вы согласны, а с какими нет? Ответ обоснуйте.
3. Вычислите среднюю скорость теплоотдачи по формуле Q/t, где t – время. Постройте графики зависимости скорости теплоотдачи от разности температур, охлаждающейся воды и температуры окружающего воздуха.
2-06. Сравнение эффективности разных видов топлива
Задание: сравнить различные виды топлива по теплотворности и скорости теплоотдачи.
Схема установки для сравнения эффективности видов топлива:
1. Уравновесить
посуду и добавить
гирьку весом 1 г.
2. Взвесить посуду
для горения и добавить 1 г горючего.
При исследовании трех видов горючего для трех масс воды были получены данные:
Масса воды, г
Начальная температура воды, °С
Время горения, с
Конечная температура воды, °С
Масса воды, г
Начальная температура воды, °С
Время горения, с
Конечная температура воды, °С
Масса воды, г
Начальная температура воды, °С
Время горения, с
Конечная температура воды, °С
Опыт №1
100
20
Дерево
96
33
Опыт №2
150
18
Дерево
102
26
Опыт №3
200
14
Дерево
100
20
Спирт
72
41
Сухое горючее
271
54
Спирт
69
35
Сухое горючее
276
39
Спирт
80
27
Сухое горючее
270
31
Раздел 2. Физический эксперимент
43
Обработка данных:
1. Проведите аналогичные измерения.
2. По своим данным или по данным, приведенным в таблицах, рассчитайте: а) какое
количество тепла получила вода; б) какое количество тепла выделилось при сгорании различных видов горючего; в) оцените мощность всех установок; г) рассчитайте КПД установок; д) сделайте выводы об эффективности этих видов топлива по теплотворности, по
скорости теплоотдачи.
Вопросы и задачи:
1. Подсчитайте, какое количество бензина на месяц потребуется для приготовления
пищи четверым альпинистам, если по 1 л воды в сутки надо доводить до кипения и еще по
1 л доводить до кипения и кипятить по 20 минут. (Альпинисты используют автоклавы, и
перерасход энергии на испарение отсутствует.) КПД считать равным 40%. В вашем распоряжении таблица теплотворности и теплоемкости.
2. Прочтите выдержки из технических описаний к примусу «Шмель-2» и выполните
расчеты по приведенным данным: а) одна заправка (0,75 л) обеспечивает непрерывное горение в течение 3,5−5 ч; б) двухлитровый чайник закипает в течение 10 мин при температуре наружного воздуха не ниже 16 °C; в) расход бензина зимой на 8 человек составляет
около 1 л в день, летом − около 0,7 л. Не противоречат ли эти данные друг другу?
3. Решите первую задачу, пользуясь данными, приведенными во второй задаче.
Сравните полученные результаты.
4. Составьте программу исследований, сравнения эффективности разных видов топлива. Какие эффекты могут быть практически значимы, кроме теплотворности и скорости
теплоотдачи? Сформулируйте требования к установке, которым надо следовать, чтобы все
виды топлива были в «равных» условиях?
2-07. Исследования зависимости массы сгорающего топлива
от времени горения
Измерять массу сгоревшего спирта гораздо труднее, чем время горения. Если спиртовка «хорошая» (за любые равные промежутки времени сгорает одна и та же масса спирта), по времени горения можно будет судить о массе сгоревшего спирта.
Задания:
1. Установить, сгорает ли спирт равномерно.
2. Узнать, сколько спирта сгорает за 1 мин.
Ход работы:
Спиртовку взвешивать после каждой минуты горения и заносить результаты в таблицу:
t,
мин
0
1
16
17
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
M, г
t,
мин
M, г
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
Физика. 7 класс. Рабочая тетрадь
44
Обработка данных:
1. По своим измерениям и/или предложенным данным рассчитайте, сколько спирта
сгорает в среднем за минуту, и дополните таблицу двумя строками: в одной − масса спирта, сгоревшего за N минут, в другой − масса спирта, сгоревшего за N минут в «идеальной
спиртовке».
2. Постройте графики зависимости массы сгорающего спирта от времени для реальной и «идеальной» спиртовок.
3. Сделайте вывод, можно ли полученную зависимость m(t) считать прямой пропорциональной зависимостью.
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
168,2
167,8
167,5
167,2
166,7
166,4
166,2
165,8
165,4
165,1
164,9
164,6
164,3
164
2
168,7
3
1
169,4
168,5
0
169,7
m, г
t, мин
Полученные ранее данные:
Вопросы и задачи:
1. На графике, построенном по результатам работы, реальная спиртовка отличается
от «идеальной». Назовите возможные причины такого несовпадения.
2. Как по этому графику предсказывать: а) какое количество тепла выделит спиртовка за 12 минут; б) за сколько минут выделяется 140 ккал тепла?
Зависимость массы сгоревшего спирта от времени
12
10
Масса, г
8
6
4
2
Время, мин.
0
0
5
10
Масса спирта, сгоревшего за N мин., m, г
15
20
25
30
35
Масса спирта, сгоревшего за N мин. в «идеальной»
"идеальной" спиртовке, m, г
Раздел 2. Физический эксперимент
45
2-08. Исследование зависимости скорости
теплоотдачи воды от материала емкостей
Задание: проверить, зависит ли время охлаждения воды от
материала емкости, в которой она находится.
Гипотеза: исходя из того, что различные материалы передают
тепло с разной скоростью, предполагаем, что за одно и то же время
вода, находящаяся в разных емкостях, отдаст разное количество тепла.
Ход работы:
1. Возьмите две-три емкости равного объема и с одинаковой площадью поверхности.
2. Налейте в них равные массы горячей воды, накройте крышками и следите за изменением температуры с течением времени.
3. Зафиксируйте данные в таблицах:
Масса воды, г
Удельная теплоемкость воды кал/(г·град)
Площадь поверхности, см2
Материал емкостей
Удельная теплоемкость емкостей, кал/(г·град)
Масса емкостей, г
Температура,
°С
Показания
часов для
опыта
с
емкостью 1,
ч : мин : с
Показания
часов для
опыта
с
емкостью 2,
ч : мин : с
Время охлаждения емкости 1 от
начальной температуры,
ч : мин : с
Время охлаждения емкости 2 от
начальной температуры,
ч : мин : с
Средняя скорость теплоотдачи емкости 1, кал/ч
Средняя скорость теплоотдачи емкости 2, кал/ч
Обработка данных:
1. Количество выделяемого тепла вычислите по формуле Q = cвmв(t0в − tв) +
cмmм(t0м − tм), где cв ,cм – удельные теплоемкости воды и материала емкости соответственно; mв, mм − масса воды и емкости; t0в, tв − начальная и конечная температура воды и емкости соответственно. Мы полагаем, что t0м = t0в, а tм = tв.
2. Средней скоростью теплоотдачи будем считать количество тепла, передаваемого
телом в единицу времени, которое вычисляется по формуле Q/t, где t − время охлаждения
от начальной температуры.
3. Постройте диаграмму зависимости средней скорости теплоотдачи от времени.
Вопросы и задачи:
1. На диаграмме вы видите результаты наблюдений за охлаждением воды в емкостях
из разных материалов. Можно ли по этому рисунку сделать вывод о том, что скорость теплоотдачи воды зависит от материала емкости?
2. Меняется ли скорость теплоотдачи воды за время опыта?
3. Можно ли по данным диаграммы сделать вывод, что скорость теплопередачи зависит от разности температур воды и окружающего воздуха?
Физика. 7 класс. Рабочая тетрадь
46
4. Предложите способ проверки зависимости скорости теплоотдачи от площади поверхности.
Средняя скорсть теплоотдачи, кал/ч
Зависимость средней скорости теплоотдачи воды от материала емкости,
в которой она находится
600000
500000
400000
300000
200000
100000
0
85
83
81
79
77
75
73
Температура воды
Средняя скорость теплоотдачи емкости 1, кал/ч
71
69
67
65
Средняя скорость теплоотдачи емкости 2, кал/ч
2-09. Исследование зависимости скорости теплопередачи от
качества изолятора
Задание: исследовать, какой из предложенных материалов является лучшим теплоизолятором.
Гипотеза: количество тепла, которое теряет емкость в единицу времени, зависит от
окружающих ее материалов.
Ход работы:
1. Возьмите одинаковые емкости (например, калориметры) и окружите их разными
материалами (поставьте внутрь пластмассового стакана; оберните сухой и влажной ватой,
шерстяной тканью, мехом наружу, мехом внутрь или любыми другими материалами по
своему усмотрению).
2. Налейте в емкости равные массы горячей воды, накройте крышками и следите за
изменением температуры, отмечайте температуру через одну-две минуты.
3. Предположите, в каком случае вода охладится сильнее за 10 мин. Занесите данные
в таблицу и проверьте свое предположение:
Время охлаждения, мин.
Внутри пластмассового
(между стенками воздух)
Сухая вата
Влажная вата
Шерстяная ткань
Мех наружу
Мех внутрь
…
Без изолятора
0
стакана
2
4
6
8
10
Раздел 2. Физический эксперимент
47
4. Постройте графики зависимости температуры воды от времени охлаждения для
всех случаев.
5. Подсчитайте средние скорости изменения температуры воды от времени охлаждения для всех случаев по формуле (t − t0)/τ, где t0 – температура воды в момент начала наблюдения, t – температура воды через время τ. Постройте графики.
Вопросы и задачи:
1. Можно ли по результатам работы сделать вывод, что при любом виде теплоизоляции скорость теплоотдачи тем выше, чем больше разность температур воды и окружающей среды?
2. Можно ли по результатам работы сделать вывод, что скорость теплоотдачи зависит от влажности теплоизолятора?
3. Ученики провели опыт по охлаждению воды в пластиковом стаканчике с двойными стенками, пластиковой подставкой и крышкой. Измеряли
время охлаждения воды на 20 °С четырежды: когда все изолировано и когда открыт один из каналов отвода тепла (дно, стенки, крышка). Как вы думаете, какой из каналов приводит к наиболее интенсивным потерям тепла?
Почему?
4. Проверьте свои предположения экспериментально. Налейте в стаканчик горячую
воду и отмечайте время охлаждения на каждые два градуса. Результаты занесите в
таблицу и постройте график зависимости температуры воды от времени охлаждения.
Температура
Все каналы закрыты
Открыто дно
Открыта крышка
Открыты стенки
Температура
воды,
°С
Время охлаждения, сек.
Физика. 7 класс. Рабочая тетрадь
48
5. Сконструируйте термос, ответьте на вопросы.
Обоснуйте каждый выбор, напишите какой вид теплопередачи при этом уменьшается.
Какой материал вы бы выбрали для
внутренней колбы термоса:
1. а) блестящий; б) белый матовый;
в) черный
2. а) тяжелый; б) легкий
3. а) пластик; б) стекло; в) металл
Выбираем конструкцию стенок:
1 . одна попрочнее
2. две с воздушным промежутком между
ними
3. две и воздух между ними откачан
Пробка:
1. из пробкового дерева
2. двойная пластмассовая
3. двойная, пластмассовая, с резиновым
уплотнителем
Дно:
1. есть пластмассовый поддон
2. нет поддона
Как можно сравнить качество двух термосов? Предложите способ проверки скорости тепловых потерь в кал/ч, Дж/ч и кал/сут. для термоса. Определите потери тепла для вашего
термоса.
Раздел 2. Физический эксперимент
49
2-10. Прогноз температуры смеси при смешивании воды разной
температуры
Задание: показать, что прогноз температуры смеси можно получить, применяя
уравнение теплового баланса (количество тепла, отданного горячей водой, равно количеству тепла, полученного холодной).
1. Смешиваем равные массы воды.
Уравнение теплового баланса: m1ΔT1 = m2ΔT2. При m1 = m2 должно выполняться соT + Tг
. Tт – теоретически расотношение ΔT1 = ΔT2, тогда температура смеси равна Tэ = x
2
считанная температура смеси.
№ опыта
Tх°,°C
Tг ,°C
Tэ, °C
1
2
3
4
5
6
7
8
Tт, °C
Ход работы:
1. Проведите эксперимент.
2. Занесите данные в таблицу.
3. Рассчитайте теоретическую температуру смеси и сравните с экспериментальной. Если теоретически вычисленная температура смеси отличается от полученной в эксперименте, попытайтесь объяснить причину такого расхождения.
2. Смешиваем разные массы воды.
Из уравнения теплового баланса mгΔTг = mхΔTх. можно получить формулу для
m T + m х Tх
расчета температуры смеси Tсм = г г
.
mг + m х
№ опыта
Vх : Vг
Tх°,°C
Tг ,°C
Tэ, °C
1
1:2
2
2:1
3
2:3
4
3:2
5
1:4
6
4:1
7
5:1
8
1:5
Tт, °C
Ход работы:
1. Проведите эксперимент.
2. Занесите данные в таблицу.
3. Рассчитайте теоретическую температуру смеси и сравните с экспериментальной.
Если теоретически вычисленная температура смеси отличается от полученной в эксперименте, попытайтесь объяснить причину такого расхождения.
Вопросы и задачи:
1. Придумайте и проведите простые опыты для предсказания температуры при контакте тел из различных материалов с разной начальной температурой, но одинаковыми
массами.
2. Получите приведенную выше формулу для расчета температуры смеси. Как изменится эта формула, если смешивать равные массы горячей и холодной воды?
50
Физика. 7 класс. Рабочая тетрадь
2-11. Сравнение теплоемкостей твердых тел
Задание: сравнить теплоотдачу различных тел при охлаждении.
Зная, какое количество тепла отдает тело при охлаждении, его
массу и разность температур, мы можем узнать теплоемкость
материала, из которого оно состоит.
Ход работы:
1. Подобрать близкие по массе твердые тела (можно воспользоваться набором калориметрических тел, тогда рекомендуем взять три
алюминиевых цилиндра и по одному цилиндру из латуни и
стали).
Латунь Алюминий
2. Взять калориметры по числу исследуемых материалов и наполнить их холодной
водой так, чтобы масса воды была равна массе погружаемых тел.
3. Разогреть тела в чайнике с горячей водой.
4. Опустить тела в калориметры, осторожно помешивая воду добиться теплового
равновесия и зафиксировать установившуюся температуру.
5. Результаты занести в таблицу:
Алюминий
Латунь
Железо
Камень
Начальная температура воды, °С
Начальная температура нагретого тела, °С
Установившаяся температура, °С
Массы тел (воды), г
Изменение температуры воды, °С
Изменение температуры нагретого тела, °С
Теплоемкость тела, кал/(г · °С)
Обработка данных:
1. Рассчитайте изменение температуры воды по формуле tу – t1.
2. Рассчитайте изменение температуры тела по формуле t2 – tу.
3. Исходя из уравнения теплового баланса ст · mт · ΔTт = св · mв · ΔTв, и учитывая
mт = mв, рассчитайте теплоемкость тела по формуле c т =
cв (t у + t в )
(t т − t у )
.
В результате экспериментов были получены следующие значения удельных теплоемкостей: для стали – 0,1 кал/(г · °С), для алюминия – 0, 21 кал/(г · °С); для камня –
0,20 кал/(г · °С).
Вопросы и задачи:
1. Используя калориметрические тела из школьной лаборатории, попробуйте установить, как влияет на точность определения теплоемкости: а) масса тел; б) масса воды в калориметре; в) начальная температура воды в калориметре; 4) начальная температура тела.
2. Что лучше согреет туристов в палатке ночью − котелок из алюминия массой 0,5 кг
с остатками кипяченой воды (1 л), или котелок из стали массой 1 кг с той же водой, или
камень массой 1 кг, согретый до температуры 150 °C?
3. В какой посуде лучше готовить пищу − в стальной или алюминиевой?
4. Какую посуду лучше брать в поход − стальную или алюминиевую?
51
Раздел 2. Физический эксперимент
2-12. Сравнение теплоемкостей воды и масла
Задание: сравнить изменение температур равных масс воды и масла
при теплообмене.
Гипотеза: теплоемкость различных жидкостей – разная.
Ход работы:
1. Ученики подобрали близкие по массе узкую и широкую пластиковые емкости; разместили узкую емкость внутри широкой; в оба сосуда поместили термометры.
2. В широкую емкость налили 450 г горячей воды, а в узкую − 450 г холодного масла. Ежеминутно фиксировали температуры воды и масла.
3. В широкую емкость налили 450 г холодной воды, а в узкую − 450 г
горячего масла. Ежеминутно фиксировали температуры воды и масла.
Результаты опытов показаны на диаграмме и в таблицах.
Теплообмен
«вода
– масло»
Теплообмен
"вода
- масло"
80
70
Температура, °С
60
50
40
30
20
10
Время, мин.
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Температура воды во внешнем стакане,°С
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
Температура масла во внутреннем стакане,°С
Время, мин
Температура
воды
(внешний стакан), °С
Температура
масла
(внутренний стакан), °С
0
77
1
75
2
68
3
64
4
62
5
60
6
58
7
57
8
56
9
55
10
54
11
53
12
52
13
52
14
51
15
51
22
32
39
45
49
52
53
53
53
54
54
54
53
53
53
53
Время, мин
Температура
воды
(внешний стакан), °С
Температура
масла
(внутренний стакан), °С
0
20
1
23
2
26
3
28
4
30
5
32
6
32
7
33
8
33
9
33
10
34
11
34
12
34
13
35
14
35
15
34
74
66
60
55
50
46
44
43
42
41
40
39
38
38
37
37
Обработка данных:
1. Рассчитайте
удельную
теплоемкость
масла
по
формуле
cт =
cв (t в1 − t в 2 )
(t м 2 − t м1 )
для первого и второго опытов.
2. Постройте графики зависимости температуры от времени для воды и масла по
данным первого опыта. Какие данные вызывают сомнения?
Физика. 7 класс. Рабочая тетрадь
52
Вопросы:
1. Почему значения теплоемкостей, полученные в двух опытах, различаются?
2. В каком случае мы получаем более точное значение?
3. В каком случае теплообмен с окружающей средой интенсивнее?
4. Предложите способы уменьшения потерь тепла (увеличения точности измерения
теплоемкости масла).
5. Почему в эксперименте, результаты которого изображены на графике, температуры воды и масла не достигли равенства и начали падать?
2-13. Исследование охлаждения слоев воды при различных
крышках и подставках
Задание: исследовать, одинакова ли скорость охлаждения различных слоев жидко-
сти.
Ход работы:
1. Наполните горячей водой пластиковый стакан, закройте крышкой с двумя отверстиями для термометров и поместите:
а) на сложенную в несколько слоев бумагу;
б) на массивную металлическую подставку.
2. Укрепите в отверстиях два термометра так, чтобы один измерял
температуру вблизи поверхности воды, а другой − вблизи дна. Наблюдения за температурой воды заносите в таблицу.
3. Проведите аналогичные исследования с подставками из сухой и
мокрой ваты, с металлической крышкой и др. Предположите, как изменятся результаты опытов.
4. Постройте графики зависимости температуры верхнего и нижнего слоев воды от времени для разных условий.
Вопросы и задачи:
В таблице и на диаграмме приведены аналогичные описанным результаты наблюдений учащихся:
Время,
мин.
Температура
воды вблизи
дна (стакан на
бумаге), °С
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
88
84
80
76
73
70
68
65
63
61
60
58
56
Температура
воды вблизи
поверхности
(стакан
на
бумаге), °С
87
86
83
80
77
75
73
71
69
67
65
64
62
Температура
воды вблизи
дна (стакан на
металле), °С
88
81
76
72
69
65
63
61
58
56
55
53
51
Температура
воды вблизи
поверхности
(стакан
на
металле), °С
84
81
78
76
73
71
68
66
64
63
61
59
56
9
0
8
0
7
0
6
0
5
0
4
0
3
0
2
0
1
0
0
0
1
0
2
0
9
0
8
0
7
0
6
0
5
0
4
0
3
0
2
0
1
0
0
0
1
0
2
0
53
Раздел 2. Физический эксперимент
1. Можно ли по графику сравнить качественно и количественно теплопроводность
воды, воздуха и металла?
2. В чем заключается явление конвекции? Почему отсутствует естественная конвекция в этом случае?
Охлаждение верхнего и нижнего слоев воды
100
90
80
Температура, °С
70
60
50
40
30
20
10
0
0
2
4
6
Температура воды на дне (стакан на бумаге)
Температура воды на дне (стакан на металле)
8
10
12
14
16
18
20
22
Температура поверхности воды (стакан на бумаге)
Температура поверхности воды (стакан на металле)
2-14. Наблюдение за нагреванием и кипением воды
Задание: исследовать влияние испарения на нагревание воды в емкости.
Ход работы:
1. Соберите установку, аналогичную изображенной на рисунке.
2. Подготовьте приборы для измерения массы емкости, объема
воды и времени.
3. Узнайте влажность воздуха (она влияет на интенсивность
испарения) и атмосферное давление (оно влияет на температуру
кипения).
4. Заполните таблицы:
Дата наблюдений, дд. мм. гг.
Температура воздуха, °С
Давление воздуха, мм. рт. ст.
Влажность воздуха, %
Масса воды, г
Удельная теплоемкость воды, кал/(г · °С)
Масса кастрюли, г
Удельная теплоемкость кастрюли, кал/(г · °С)
24
Время, мин.
Физика. 7 класс. Рабочая тетрадь
54
Температура
20
25
…
95
Время нагревания без крышки
Время нагревания с крышкой из плотной бумаги
Обработка данных:
По таблице постройте графики зависимости τ(tв), где tв – температура воды, а τ –
время нагревания воды: а) с крышкой; б) без крышки.
Вопросы и задачи:
На диаграмме показаны зависимости, построенные по результатам эксперимента.
Зависимость температуры воды от времени нагревания
0:14:24
0:12:58
0:11:31
Время, ч:мин:с
0:10:05
0:08:38
0:07:12
0:05:46
0:04:19
0:02:53
0:01:26
0:00:00
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
Температура, °С
Время нагревания без крышки, ч:мин:с
Время нагревания с крышкой из плотной бумаги, ч:мин:с
1. Насколько дольше вода закипала без крышки, чем с крышкой?
2. Можно ли по какому-либо из этих графиков сделать вывод, что изменение температуры воды прямо пропорционально времени нагревания?
3. Можно ли по какому-либо из этих графиков сделать вывод, что интенсивность испарения возрастает с увеличением температуры жидкости?
4. Оцените, сколько испарилось воды до закипания и сколько времени понадобится,
чтобы она выкипела полностью. Первоначальная масса воды – 400 г.
5. Предложите способ определения удельной теплоты парообразования воды по данным, полученным из графика.
6. Проведите аналогичные опыты. Нагрейте в кастрюле воду без крышки и с крышкой до кипения. Предложите способы определения массы выкипевшей воды.
7. Начертите примерный ход графика 2, если бы мощность газовой конфорки была:
а) в 2 раза больше; б) в 3 раза меньше.
8. Уравновесьте на весах сосуд с горячей водой. Определите, сколько воды испарилось за 10 мин, и изменение температуры воды. Повторите опыт с водой, начальная температура которой меньше, и, определив массу испарившейся воды и изменение температуры, сделайте вывод о том, как зависит скорость испарения от температуры.
55
Раздел 2. Физический эксперимент
2-15. Исследование зависимости скорости испарения от
площади поверхности
Задание: Проверить, как зависят от площади поверхности высота слоя и масса испарившейся воды.
Ход работы:
1. Подберите несколько сосудов с разной площадью сечения.
2. Налейте в каждый сосуд по 50 мл воды.
3. Зафиксируйте время полного испарения воды в каждом из сосудов.
4. Результаты наблюдений занесите в таблицу:
Сосуд 1
Сосуд 2
Сосуд 3
Площадь поверхности
Высота слоя
Время полного испарения
Скорость исп., мл/сут.
Скорость исп., мм/сут.
5. Проверьте, как зависит скорость испарения в мл/сут. и мм/сут. от площади поверхности. Для наглядности постройте соответствующие графики.
Вопросы и задачи:
В таблице показаны результаты исследования зависимости скорости испарения от
площади поверхности.
D, мм
S,мм2
Высота слоя, мм
Влажность воздуха
Время, сут.
0
1
2
3
5
7
9
10
143
77
38
40%
Объем, см3
50,0
32,0
14,0
0,0
Температура
22 °С
50,0
44,5
39,0
33,5
23,5
13,5
3,5
0,0
50,0
48,5
47,0
45,5
42,5
39,5
36,5
35,0
23
50,0
49,5
49,0
48,5
47,5
46,5
45,5
45,0
1. Найдите площадь свободной поверхности воды в каждом из сосудов по формуле
S = π · d2/4. Рассчитайте первоначальную высоту слоя воды в каждом из сосудов по формуле h = V/S.
2. Выполните расчеты скорости испарения в миллилитрах в сутки по формуле V/t и
скорость испарения воды в миллиметрах в сутки по формуле h/t.
3. Проверьте, как зависит скорость испарения в мл/сут. и мм/сут. от площади поверхности. Для наглядности постройте соответствующие графики.
4. На весах уравновешены два сосуда одинакового объема, но разной высоты. В оба
сосуда налили одинаковое количество воды. Останутся ли весы в равновесии? Будет ли
меняться состояние весов с течением времени? Как от качественных оценок перейти к количественным?
5. Положите на стол листок плотной бумаги, листок промокательной бумаги и кусочек ткани. Воспользуйтесь пипеткой и поместите по одной капле воды на поверхность
стола и на каждый кусочек испытуемого материала. Измерьте время высыхания и сравните скорости высыхания.
6. Используя фен с холодным воздухом или вентилятор, узнайте, во сколько раз
уменьшается время высыхания при движении воздуха.
Физика. 7 класс. Рабочая тетрадь
56
2-16. Сравнение процессов плавления снега и льда
Задание: сравнить снег и лед как ресурсы для получения питьевой воды.
Гипотеза: для получения одинаковой массы воды при плавлении льда требуется
большее количество теплоты, чем при плавлении снега.
Ход работы:
1. Возьмите равные массы снега и льда.
2. Отмечайте температуру каждые 0,5 ч.
3. Отметьте время, когда полностью расплавятся снег и лед.
4. Продолжайте наблюдение, пока температура воды, образовавшейся при плавлении, не сравняется с комнатной.
Обработка данных: постройте графики зависимости температуры от времени для
льда и снега.
Результаты наблюдений за плавлением снега показаны на диаграмме (см. ниже).
Вопросы и задачи:
1. Считая удельную теплоемкость воды равной 1 кал/(г ⋅ °С), оцените удельную теплоту плавления снега.
2. Оцените количество теплоты, которое воздух отдал на плавление снега. На сколько градусов понизилась температура воздуха, если размеры помещения, в котором проводился эксперимент, 2,5 × 2,4 × 2,5 м?
3. Сколько воды при температуре 20 °C понадобилось бы, чтобы сразу превратить
весь снег в воду при температуре 0 °C?
4. Предположите, как будет выглядеть график для плавления такого же количества
льда при этих же условиях.
5. Чем можно объяснить, что скорость повышения температуры воды со временем
уменьшается?
Таяние снега при комнатной температуре
25
20
10
5
-10
0
36
0
34
0
30
0
28
0
26
0
24
0
22
0
20
0
18
0
16
0
14
0
12
0
10
80
60
40
20
0
-5
0
Время, мин
0
32
Температура, °С
15
57
Раздел 2. Физический эксперимент
2-17. Исследование теплопроводности металлического
стержня
Задание: исследуйте процесс теплопередачи в металлических стержнях.
Ход работы: прикрепите к стержню мелкие гвозди или скрепки на расстоянии 2 см
друг от друга. Зажгите спиртовку и измеряйте время, которое понадобится для того, чтобы
упал каждый предмет.
Заполните таблицу:
Номер предмета
1
Расстояние до предмета
2
Время от начала нагревания
до падения
2
4
3
6
4
8
5
10
6
12
7
14
8
16
Обработка данных: постройте график зависимости времени от расстояния. Можно
ли судить по графику, как меняется скорость распространения тепла в стержне с увеличением расстояния от пламени спиртовки?
Вопросы и задания:
1. Поставьте опыты по сравнению теплопроводности цилиндрических стержней из
разных металлов. Проверьте, как отличается теплопроводность стержней разной формы
(цилиндрических сплошных, цилиндрических полых, различных металлических полосок).
Попробуйте предсказать результаты опытов.
Номер предмета
Расстояние до предмета
Металл 1Металл 2-
1
2
2
4
3
6
4
8
5
10
6
12
7
14
8
16
Номер предмета
Расстояние до предмета
Стержень сплошной
Стержень полый
1
2
2
4
3
6
4
8
5
10
6
12
7
14
8
16
2. Проведите опыты с плавлением сливочного масла на
ложках из разных металлов с помощью установки, сделанной
самостоятельно. Зачем в такой установке ложки предварительно вставляют в картонную крышку?
Физика. 7 класс. Рабочая тетрадь
58
2-18. Изучение изобарного процесса
Задание: проверьте закон Гей-Люссака.
Оборудование: пробирки длиной минимум 15 см, термометр, стаканчики с водой
комнатной температуры, сосуд с горячей водой.
Ход работы: поместите пробирку в сосуд с горячей водой и подождите, пока они
прогреются. Температура воздуха в пробирке равна температуре горячей воды. Ее надо
измерить термометром. Заткните пробирку пробкой, быстро переверните вверх дном, поместите в стакан с холодной водой, достаньте пробку под водой, чтобы не попал холодный воздух, и подождите, когда температура воздуха в пробирке не сравняется с температурой воды в стакане. Этот момент наступит тогда, когда уровень воды в пробирке перестанет подниматься. Измерьте высоту столба воздуха в пробирке. Повторите опыт для
различных начальных температур воздуха (60, 40) и заполните таблицу:
Опыт 1
Опыт 2
t10=
t1 =
t20=
t2 =
V10=
V1=
V20=
V2=
Выберите единицу измерения объема ___________________________________
V,
Постройте две изобары по двум точкам.
0
20
t,°C
Почему получены две изобары, а не одна, ведь давление во время опытов было
равно атмосферному, то есть одним и тем же?
59
Раздел 2. Физический эксперимент
2-19. Изучение изотермического процесса
Задание:
Изучите устройство манометра и проверьте закон Бойля-Мариотта.
Оборудование: Гофрированный сосуд
для проверки газовых законов, манометр.
Ход работы: снимите показания зависимости давления от объема дважды. Один
раз начинайте снимать показания при объеме
5 ед., а второй раз при объеме 10 ед. Начальные показания манометра в двух случаях
ноль. Данные занесите в таблицу и постройте графики.
Вопросы:
1. Чему равно давление воздуха в сосуде, если манометр показывает –
0,5 атм., 0,7 атм.?
2. Почему получены две изотермы, а
не одна, ведь температура во время
опытов была равна температуре
окружающего воздуха, то есть одной и той же?
V, ед.
p, атм.
pV
5
6
7
8
9
10
p, атм.
0
V, ед.
p, атм.
pV
10
9
8
7
6
V, ед.
5
2-20. Изучение изохорного процесса
Цель работы: проверка закона Шарля.
Оборудование: гофрированный сосуд для проверки
газовых законов, манометр, термометр, сосуд с водой.
Ход работы: снимите показания зависимости давления от температуры для одного и того же значения
объема, например 7 ед. Температура воздуха меняется
при изменении температуры воды.
p, атм.
Т, ед.
p, атм.
pV
0
T, К.
60
Физика. 7 класс. Рабочая тетрадь
2-21. Исследование силы поверхностного натяжения от рода
жидкости и от длины соприкасающегося с жидкостью
контура
Задание: на лабораторной работе по исследованию силы поверхностного натяжения
в классе были получены результаты зависимости Fн(L) и взяты средние значения измеренных сил:
Длина перекладины, мм
Сила упругости, мН
L1 = 30 L2 = 40 L3 = 50 L4 = 60 L5 = 70
3,7
5,5
7
8,5
9,5
Вода при t = 23 °C
3,5
4,5
5,5
7
8
Горячая вода при t = 61 °C
2,5
3,0
4,0
5
5,5
Мыльный раствор при t = 23 °C
1. Постройте графики зависимости Fн(L) для всех жидкостей.
2. Определите по графикам коэффициенты поверхностного натяжения для воды при
t = 23 °C, горячей воды и мыльного раствора при t = 23 °C.
3. Сравните полученные данные с табличными.
4. Проведите свои измерения и сравните с приведенными выше.
2-22. Различные способы определения
коэффициента поверхностного натяжения
1. С помощью рычажных весов: контур из проволоки прикрепите к одной из чашек рычажных весов, закрепленных в
штативе, а на другую сыпьте песок до тех пор, пока контур
не оторвется от поверхности жидкости. Потом взвесьте песок, измерьте периметр контура и найдите коэффициент поверхностного натяжения с помощью расчетов.
2. С помощью проградуированной пружины, набора пластин (подойдут различного размера и материала крышки) и различных
жидкостей:
а). прикрепите к пружине пластинку;
б). начальное положение фиксатора обозначьте – 0;
в). поднесите к крышке снизу чашку с жидкостью так, чтобы они со- 0
прикоснулись, но фиксатор остался на том же месте;
г). медленно опускайте чашку с жидкостью, следя за изменением положения фиксатора;
д). отметьте положение, которое занимал фиксатор в момент отрыва
пластинки от поверхности жидкости;
Исследуйте с помощью этой установки зависимость силы поверхностного натяжения
от рода жидкости, материала пластинки и ее размеров (площади и от длины соприкасающегося с жидкостью контура).
2-23. Исследование зависимости коэффициента
поверхностного натяжения от температуры
Оборудование: термометр, весы с разновесами пипетка, стакан, сосуд с
водой.
На каплю, которая вот-вот сорвется с пипетки, действует две силы: сила
тяжести и сила притяжения. Когда силы выравниваются, капля отрывается.
Чем выше коэффициент поверхностного натяжения, тем больше масса капель, отрывающихся от пипетки.
Fнат
Fтяж
61
Раздел 2. Физический эксперимент
Fнат. = Fтяж.; Fнат. ~ σ; Fтяж. ~ m;⇒ σ ~ m; σ 1 =
σ ⋅ m1
; где σ, σ1 – коэффициенты поm
верхностного натяжения воды при температуре 20 °C и измеренной в данном опыте;
m, m1– массы капель воды при соответствующих температурах.
Считая коэффициент поверхностного натяжения воды при 20 °C известным и равным 0,073 Н/м, найдите коэффициенты поверхностного натяжения воды для интервала
температур 5–60°С.
Ход работы: налейте в большой по сравнению с пипеткой сосуд горячую воду, поместите в него термометр и по мере охлаждения воды на каждые 5 °C проделайте несколько раз следующее: накапайте 50 капель воды в стакан, узнайте их массу (стакан надо
взвесить до и после) и вычислите массу одной капли и коэффициент поверхностного натяжения при данной температуре. Те же самые измерения надо проделать для холодной
воды. Внесите все данные в таблицу и постройте график зависимости σ(t).
t – температура, °С
M – масса 50 капель, г
m0 – масса одной капли, мг
σ ⋅ m1
σ, Н/м σ 1 =
m
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
2-24. Взвешиваем в воде и в воздухе
На рычаге (см. рисунок) уравновешены два тела, имеющие одинаковую массу, – одно из
стали, а другое из алюминия. Проверьте свое предположение экспериментально.
Зарисуйте схемы с использованием сил-стрелочек для демонстрации изменения веса тела.
При необходимости проведите опыты.
Оба тела в воздухе
Сталь в воздухе, алюминий в воде
Сталь в воде, алюминий в воздухе
Оба тела в воде
Физика. 7 класс. Рабочая тетрадь
62
Зарисуйте схемы с использованием сил-стрелочек для демонстрации изменения силы тяжести и выталкивающей силы.
Оба тела в воздухе
Сталь в воздухе, алюминий в воде
Сталь в воде, алюминий в воздухе
Оба тела в воде
На дне кастрюли лежит картофелина. Ее можно заставить подняться вверх «без рук» – для
этого достаточно налить в кастрюлю концентрированный раствор соли в воде. Если налить в кастрюлю пресной воды, картофелина не всплывет, но это не значит, что при этом
ничего не изменилось. Мы знаем, что все тела, находящиеся под водой, теряют в весе. Под
водой легче поднять булыжник. Играя в море, можно без труда поднять на руки человека,
которого на суше поднять не удастся.
При определенной концентрации соли в воде человек вообще перестает весить и может
находиться в равновесии под водой. Если, находясь в такой воде, вдохнуть побольше воздуха и задержать дыхание, вы будете плавать на поверхности. Если взять в руки увесистый камень, можно опять оказаться плавающим в толще воды.
Как вы думаете, что произойдет, если выдохнуть воздух? ___________________________
А если потом выпустить из рук камень?__________________________________________
Сравните «плавучесть» картофеля, моркови, свеклы, лука в пресной и соленой воде.
_____________________________________________________________________________
Когда мальчик стоит на напольных весах, они Мы не советуем проводить этот
показывают 45 кг. Если взвешивание провести в опыт, т.к. обычные напольные
воде, весы покажут намного меньше, например весы могут испортиться при по10 кг. Значит ли это, что мальчик похудел на гружении в воду.
35 кг и мы нашли простой способ похудания?
_____________________________________________________________________________
Возьмите пятилитровую канистру и заполните ее доверху водой. Наполните ванну водой.
С помощью безмена (пружинных весов) взвесьте канистру с водой в воздухе, а затем в воде. Предположите, как будут меняться показания безмена при поднятии канистры, и проверьте свои предположения на опыте. Попробуйте руками поднимать канистру и почувствуйте разницу в весе: когда она целиком под водой, когда она наполовину погружена в
воду и когда она полностью в воздухе. Менялось ли количество воды в канистре?
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
63
Раздел 2. Физический эксперимент
2-25. Рисуем схемы опытов
Опыт №1. «Яйцо в бутылке»
На рис. показаны начальное (БЫЛО) и конечное (СТАЛО) состояния. Проведите этот
опыт и составьте подробное описание-инструкцию.
БЫЛО:
СТАЛО:
Описание-инструкция:
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
Опыт №2. «Возгонка йода»
Описание-инструкция. В жаропрочную химическую колбу бросьте небольшое количество
кристалликов йода, плотно закройте пробкой и осторожно прогрейте колбу над пламенем.
Вы увидите, как колба заполнится характерным цветным паром. Подождите, пока колба
охладится. Обратите внимание: на стенках колбы осели мельчайшие блестки – кристаллики йода. Теперь ваш прибор готов к демонстрации опыта. Особенность опыта состоит в
том, что он становится «вечным»: при нагревании кристаллики испаряются и колба окрашивается, а при охлаждении вновь становится прозрачной.
Подумайте, что можно сделать для того, чтобы кристаллики равномерно оседали на стенках колбы. Заполните схему опыта.
БЫЛО
СТАЛО
Физика. 7 класс. Рабочая тетрадь
64
Опыт №3. «Шар с кольцом»
Воспользуйтесь рисунком и схемой опыта и составьте подробное описание.
Шар нагрели Tш↑ Rш↑
Шар охладили Tш↓ Rш↓
Кольцо
охладили
Tк↓ Rк↓
Кольцо охладили Tк↓
Rк↓
Кольцо
нагрели
Tк↑ Rк↑
Кольцо
нагрели
Tк↑ Rк↑
Шар охладили
Tш↓ Rш↓
Шар нагрели
Tш↑ Rш↑
Описание:
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
Раздел 2. Физический эксперимент
65
Мы видим, что в этом опыте есть четыре действия: 1) нагреть шар; 2) охладить шар; 3) нагреть кольцо; 4) охладить кольцо. Заполните схему опыта так, чтобы первые два действия
были записаны на верхних стрелочках, а третье и четвертое действия – на нижних. Прежде чем выполнять задание, найдите ошибки в схеме, предложенной учениками.
66
Физика. 7 класс. Рабочая тетрадь
3. Упражнения
Работа с описаниями
3-01
Прочитайте условия задач, придуманных учениками. Выберите из них те,
в которых описаны «хорошие» (равномерные) процессы. Составьте формулы или таблицы для решения этих задач. Укажите, как переделать «плохие»
(неравномерные) процессы в «хорошие».
1. Муха-Цокотуха позолоченное брюхо, которой надоело вечно прятаться
от пауков, решила уехать в теплые страны. Сначала она забралась в автомобиль, который двигался со средней скоростью 65 км/ч, и ехала на нем
4 ч, потом перепрыгнула на мотоциклиста и смогла удержаться на нем целый час, хотя мотоцикл двигался на 15 км/ч быстрее, чем автомобиль.
Какое расстояние преодолела Муха-Цокотуха за все время движения?
2. Моторная лодка двигалась вниз по течению реки со скоростью 56 км/ч в
течение 3 ч. После того как кончился бензин, она двигалась еще 4 ч. Какой
путь за все 7 ч прошла лодка, если известно, что скорость течения реки на
40 км/ч меньше, чем скорость лодки в стоячей воде при условии, что
имеется достаточное количество бензина и мотор работает исправно?
3. Улитка ползла 3 ч со скоростью А см/ч и 5 ч со скоростью В см/ч, в результате чего она проползла 8 м 20 см. Составьте выражение для решения
задачи и предложите такие А и В, которые удовлетворяют условиям
задачи.
4. Два юриста придумывали законы. Один ежедневно в течение 10 дней
работал по 8 ч, придумывая по 5 законов в час. Другой ежедневно работал
по 10 ч, придумывая по 6 законов в час, а работал он так 7 дней. Вместе
они заработали 2520 руб. Сколько заработал каждый юрист?
5. Муха-Цокотуха, у которой до поездки в теплые страны было позолоченное брюхо, решила вернуться домой. Сначала она летела А минут со скоростью 107 м/мин, потом 70 мин ползла по крышам домов со скоростью В
м/мин, затем свалилась на шляпу какому-то джентльмену, который шел
домой, и лежала на ней еще 25 минут. Какой путь проделала МухаЦокотуха за все это время, если известно, что джентльмен от работы до
дома шел 50 мин и прошел за это время 2400 м?
6. Из двух деревень, находящихся на расстоянии 14 400 м друг от друга,
выехали на велосипедах навстречу друг другу Маша и Петя. Скорость
Маши на 60 м/мин меньше скорости Пети, а скорость Пети − 180 м/мин.
Наблюдавший за ними с соседней горы ревнивый Кузя заметил, что свидание состоялось на расстоянии 9000 м от деревни. Можете ли вы по этим
данным определить, кто раньше выехал из дома − Маша или Петя − и на
сколько минут?
7. Обменявшись новостями, Маша и Петя из предыдущей задачи продолжили свое движение в тех же направлениях. Кто из них позже приедет в
соседнюю деревню и на сколько времени?
8. Почтальону Печкину для того, чтобы «стукнуть» на Дядю Федора и таким неправедным путем заработать заветный велосипед, пришлось отправиться в город. Он шел пешком 1 ч, ехал на попутной машине 2 ч, потом
на электричке еще 3 ч. Известно, что скорость машины на 15 км/ч больше,
чем скорость электрички, а скорость пешехода Печкина – в 10 раз меньше,
чем скорость электрички. Какой путь проделал Печкин за 6 ч?
Раздел 3. Упражнения
67
3-02
1. Есть 12 шариков. Разместите их по одинаковым ящикам так, чтобы концентрации
шариков в ящиках состояли в пропорции 1 : 2 : 3.
2. Проанализируйте схему, ответьте на вопросы. Изобразите положение поршня в каждом случае и частицы в коробке так, чтобы это соответствовало изменению концентрации.
?
n↑
V↑
n–?
V=
N↓ V↓
N=
3. Изобразите четыре коробочки A, B, C, D (на плоскости, без объема – считать толщину коробочек одинаковой) так, чтобы выполнялись следующие условия:
а) VA > VB, VС > VD, VA = VD; б) NA > NС, NB = ND ; в) nB > nD , nD < nС.
68
Физика. 7 класс. Рабочая тетрадь
4. Ученики построили компьютерную модель управления плотностью.
Подсчитайте плотности газов А и В в трех состояниях, учитывая что молекулы газа А
вдвое тяжелее молекул газа В, выразите их в условных единицах. (Слева находится газ
A, справа В.)
1) ρА =
; ρВ =
; 2 ) ρА =
; ρВ =
; 3) ρА =
; ρВ =
;
10 шт.
15 шт.
nB↑
V = 20
V = 15
ρ=mon
nA↑
10 шт.
V=5
nB↓
120 шт.
V = 30
Предположите, какое действие совершено при переходе из состояния 1 в состояние 2:
___________________________________________________________________________
Предположите, какое действие совершено при переходе из состояния 2 в состояние 3:
___________________________________________________________________________
3-03
1. На рисунках учеников
представлены три агрегатных состояния вещества.
Подпишите рисунки, соответствующие
состоянию
твердого тела, жидкости
или газа.
2. Нарисуйте несколько кадров мультфильма про распространение запаха.
Раздел 3. Упражнения
69
3. Нарисуйте «молекулярные картинки».
Нагрели
Охладили
4. Нарисуйте «молекулярные картинки».
Сжали
Отпустили
5. Нарисуйте «молекулярные картинки».
Откачали воздух из колокола
Впустили воздух под колокол
6. Нарисуйте «молекулярные картинки»
Накачали воздух в шарик
Откачали воздух из шарика
3-04
1. Вы видите результаты наблюдений
за броуновским движением частиц
различной массы. Определите, какая
траектория принадлежит частице с
большей массой, а какая – с меньшей.
_________________________________
_________________________________
_________________________________
_________________________________
2
1
3
Физика. 7 класс. Рабочая тетрадь
70
3-05
1. Перейдем в привычный для нас макромир и представим давление как результат бомбардировки стенки мячиками.
Исследуйте частоту ударов.
Докажите, что частота пропорциональна
скорости
частиц: Z ∼ υ0. Для этого
рассмотрите вспомогательную
задачу. Пусть в коробочке
длиной 12 клеточек летают
горизонтально шарики со
скоростью 4 клеточки в
секунду (предположим, что
шарики расположены так, как показано на рисунке). Шарики ударяются абсолютно
упруго и не теряют скорость при ударе. Найдите для каждого шарика время, которое
проходит от одного удара о стенку до другого удара о ту же стенку.
___________________________________________________________________________
Сколько ударов за 1 секунду испытывает стенка?____________________________
Как изменится частота ударов, если скорость шариков увеличится в 24 раза?
___________________________________________________________________________
2. Кто-то расклассифицировал молекулы в коробках по двум признакам. Определите,
одинаковы ли признаки в строчках и столбиках. Каковы должны быть скорости молекул, чтобы давления газов во всех коробках были равны?
1
2
3
4
5
6
7
8
3. При разработке месторождения Агаджари используется газонапорный режим добычи
нефти, что требует закачки больших объемов природного газа в нефтяные пласты. Этот
газ поставляется по газопроводу из специальной экономической энергетической зоны
«Парс». Предложите установку для добычи нефти описанным способом.
4. В двух сосудах одинакоа
в
б
вого объема находится два
различных газа (m01 > m02)
1
1
2
1
2
2
при одинаковых температурах. Нарисуйте «молекулярные картинки» для следующих случаев:
а) концентрация молекул газа 1 меньше концентрации молекул газа 2 (n1 < n2);
б) давление газа 1 равно давлению газа 2 (p1 = p2);
Раздел 3. Упражнения
71
в) плотность газа 2 меньше плотности газа 1 (ρ2 < ρ1).
5. Запишите условными обозначениями:
а).При откачивании воздуха внешнее давление на шарик падает, и поэтому его объем увеличивается, следовательно, давление внутри него падает. Число молекул
воздуха в шарике не меняется. ___________________________________________
б).При надувании шарика число молекул газов в нем увеличивается, давление растет, объем шарика увеличивается. Температура газа не меняется, следовательно,
скорость молекул не меняется. ___________________________________________
в).При нагревании колбы с воздухом температура воздуха увеличивается, следовательно, возрастает скорость молекул. Их масса при этом остается неизменной.
_____________________________________________________________________
г).Когда мы помещаем гофрированный сосуд в воду со льдом, то манометр показывает падение давления. Видимо, это происходит оттого, что скорость молекул
воздуха при этом уменьшается. Количество молекул при этом остается неизменным. _________________________________________________________________
3-06
Прочитайте формулировку объединенного газового закона и по аналогии заполните
пропуски в формулировках частных газовых законов. Обратите внимание на новую
формулу записи каждого закона, которая часто используется в учебниках.
1.
Объединенный газовый закон:
Для данной массы газа
давление газа прямо пропорционально абсолютной
температуре и обратно пропорционально его объему.
p∼
T
V
pV
= const
T
2.
Закон Бойля-Мариотта:
Для данной массы газа при постоянной ………………..
давление газа обратно пропорционально его объему.
3.
Закон Гей-Люссака:
Для данной массы газа при ……………………………..
объем газа прямо пропорционален ……………………
4.
Закон Шарля:
p∼
1
V
pV = const
V∼
V
=
T
72
Физика. 7 класс. Рабочая тетрадь
Работа с таблицами
3-07
1. Найдите значение плотности воды и воздуха при нормальных условиях. Объясните
смысл этих чисел человеку, который не знает, что такое плотность.
2. Заполните пустые клетки таблицы «Плотности жидкостей при температуре 20 °C»:
Вещество
ρ, кг/м3
ρ, г/см3
ρ, кг/л
Вода
1000
1
1
Мед
Подсолнечное масло
1,44
930
3. Какую массу имеет:
а) 1 литр воды? ___________________________________________________________
б) 1 кубометр воды? _______________________________________________________
4. Какая плотность больше: 2 г/см3 или 240 кг/м3? ________________________________
5. При кристаллизации (когда жидВещество Плотность, кг/м3
Плотность, кг/м3
кое тело превращается в твердое)
Твердое состояние Жидкое состояние (t °C)
размеры тела могут уменьшаться, а
Алюминий
2700 (20 °С)
2380 (660 °С)
могут и увеличиваться. Посмотрите
9800 (20 °С)
9 530 (700 °С)
на таблицу плотностей тел в твер- Висмут
Золото
19
300
(20
°С)
17 000 (1300 °С)
дом и жидком состояниях и укажите
9000 (1300 °С)
для каждого вещества, что будет Серебро 10 500 (20 °С)
Цезий
1
870
(20
°С)
1 840 (28,5 °С)
происходить с его объемом при
7000 –7800 (20 °С) ~7840 (1540 °С)
кристаллизации? Как поведет себя Чугун
серебряный слиток, если его бро- Вода
900 (20 °С)
1000
сить в жидкое серебро? в жидкое
золото?
6.
Газ
Водород
Гелий
Воздух,
Воздух,
Воздух,
100 °C
150 °C
300 °C
Высота
По таблицам плотностей оцените, на какую максимальную высоту (так называемый
«потолок») может подняться шар, наполненный различными газами. Весом оболочки
пренебречь.
7. Какие газы не подходят для наполнения воздушных шаров и почему?
_____________________________________________________________________________
В каких газах мог бы подняться при нормальных условиях мыльный пузырь, наполненный гелием? _________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
8. Объясните следующие факты:
а) наполненный водородом шар-зонд, достигнув некоторой максимальной высоты,
перестает далее подниматься; _____________________________________________
б) в целях предохранения ценных приборов от падения и порчи используют для их
подъема в верхние слои атмосферы не один шар-зонд, а несколько связанных вместе шаров. ______________________________________________________________
________________________________________________________________________
Раздел 3. Упражнения
73
3-08
1. Начертите кривую, выражающую зависимость температуры кипения воды в открытом сосуде от высоты места над поверхностью земли. Оцените температуру, при которой должна закипать вода на вершине Останкинской телебашни, на вершине Монблана,
на вершине Казбека. Для выполнения задания воспользуйтесь разными источниками
информации и справочными таблицами в конце пособия.
2. Всегда ли в кипящей воде можно сварить яйцо? Температура кипения воды зависит
от внешнего давления. В частности, известно, что на вершине горы атмосферное давление меньше, чем у подножия, поэтому вода кипит при меньшей температуре. Пользуясь
готовыми таблицами в разделе «Справочные материалы», составьте таблицу зависимости температуры кипения воды от высоты над уровнем моря. Узнайте, при какой температуре сворачивается белок куриного яйца, и определите, на какой высоте туристы не
смогут сварить яйцо.
3. Воспользуйтесь таблицами в разделе «Справочные материалы» и проверьте, действительно ли плотность насыщенных паров зависит от температуры.
3-09
1. Заполните таблицу и построй- Масса, г 1
2
5
8
те в тетради график зависимости Спирт
количества выделившейся теплоДерево
ты (в ккал) от массы сгоревшего
Бензин
топлива (в граммах).
2. Как связана теплоемкость тела с его объемом? Проанализируйте справочные таблицы
и сделайте вывод о том, как зависит удельная теплоемкость вещества от плотности
вещества. Можно построить точечный график c(ρ).
Работа с формулами
3-10
1. Придумайте несколько задач, для решения которых пришлось бы воспользоваться
формулой связи плотности и концентрации ρ = m0 · n.
2. Выразите одни физические величины через другие:
m = m0·N
m0 =
N=
р=
υ0 =
ξ=
m0 =
Z =
υ0 =
V
n =
N=
m=
ρ =
V=
ρ = m0 ·n
m0 =
n=
3⋅ p
m0 n
n=
υ0 =
Z
n
n=
ξ
m0
Физика. 7 класс. Рабочая тетрадь
74
3. Заполните пропуски в таблице, пользуясь одной из формул (работаем с условными
1
1
единицами):
p = nm0υ 02
p = ρυ 02
3
3
2
p, ед. давл. n, ед. конц. m0, ед. массы υ0, ед. скор. υ0 , ед. скор.2 ρ, ед. плотн.
6
7
240
160
15
3
5
10
2
20
900
3
10
75
30
9
4. Как изменится давление газа в сосуде, если скорость молекул увеличится в 3 раза?
5. Как изменится давление газа в сосуде, если концентрация молекул уменьшится в 4
раза?
6. Как изменится давление газа, если удар молекул о поршень будет неупругим (молекулы будут прилипать)?
7. Как изменится давление газа, если все частицы будут лететь только в одном направлении?
8. Нарисуйте график зависимости давления некоторого газа от концентрации его молекул, если известно, что скорость молекул не меняется. В тех же осях координат нарисуйте: а) график зависимости p(n) для другого газа, скорость молекул которого такая
же, как и у первого, но молекулы которого тяжелее; б) график p(n) для третьего газа,
молекулы которого легче, чем у первого, а скорость движения молекул выше.
9. Исходя из гипотезы о дискретном строении вещества, можно построить теорию газа.
Для этого необходимо выразить макропараметры (p, V, m, T, ρ) через микропараметры:
массу частицы –
; скорость частицы –
; концентрацию частиц –
;
количество частиц –
.
Некоторые формулы, связывающие эти величины, достаточно простые – они непосредственно следуют из гипотезы Демокрита-Эпикура-Лукреция (запишите их с помощью
символов в соответствующих ячейках):
• масса газа равна произведению массы частицы на количество частиц;
• масса молекулы равна отношению массы всего газа к
количеству молекул;
• количество частиц можно найти, если разделить массу
газа на массу одной частицы;
• масса единицы объема равна произведению массы частицы на количество частиц в единице объема;
• концентрация равна плотности, деленной на массу одной частицы;
• масса частицы равна отношению плотности к концентрации;
• концентрация частиц равна отношению количества
частиц к объему, который они занимают;
• чтобы найти количество частиц, надо концентрацию
умножить на объем.
Раздел 3. Упражнения
75
Работа с графиками
3-11
1. Исследуя зависимость некоторых величин K и P, группа учащихся получила экспериментальные точки. Каждый предложил свой вариант построения графика зависимости
K(P). Расположите их от самого правильного к самому неправильному.
2. На графике показана зависимость величины В от Г.
В
0
Г
а). Как называется эта зависимость?
б). В таблице, по которой строился график, «стерлись» некоторые данные. Заполните пропуски.
Г, ед.
В, ед.
10
1
35
4
10
60
12
в). Запишите эту зависимость формулой: __________________________________________
Физика. 7 класс. Рабочая тетрадь
76
3. Исследуя зависимость величины А от величины Б, ученый получил график:
а). Заполните все пустые клеточки в таблице значений А и Б:
А
100
0
4
Б
№ опыта
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Б, ед.
0
4
16
34
50
А, ед.
0
50
80
70
б) Самое маленькое значение, которое принимает величина А: Анаим.=______ ед.
в) Значение Б, при котором А – наибольшее: Б = _________ ед.
г) В одном из опытов ученый получил А = 40 ед. Чему при этом равнялось Б?
____________________________________________________________________
4. Мальчик ехал на велосипеде, прикладывая все время примерно одинаковые усилия.
График зависимости его скорости от времени оказался следующим:
υ
20
0
10
t
Укажите, как менялась скорость велосипедиста (↑↓≈), и предположите наиболее вероятный характер рельефа (горизонтальные участки, спуски и подъемы дороги):
t, ед. врем.
0÷2
2 ÷ 11
11 ÷ 20
20 ÷ 28
28 ÷ 30
υ, ед. скор.
Дорога
Раздел 3. Упражнения
77
5. Опыты «шар с кольцом» проводились на неизвестной планете, в результате были
получены зависимости радиусов шара и внутренней окружности кольца от температуры
(см. рисунок). Радиусы измерены в некоторых единицах α, а температура – в β.
R
R, α
260
250
240
230
220
210
200
190
180
170
160
150
140
130
120
110
100
0
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
20
40
60
80
100
120 140
R
ш
160 180
200 220
Какой радиус имеет кольцо при температуре 220 β?
При какой температуре шар имеет радиус 190 α?
При какой температуре шар и кольцо имеют равные радиусы, чему равен этот радиус?
До какой температуры надо нагреть кольцо, чтобы шар радиусом
160 α пролезал через кольцо?
Какие радиусы имеют шар и кольцо при температуре 180 β?
Шар находился при температуре 70 β, затем его нагрели до 110 β.
На сколько увеличился радиус шара?
На сколько кольцо горячее шара, если у обоих радиус равен 250 α?
Как отличаются радиусы кольца и шара при температуре 190 β?
Шар и кольцо имеют одинаковый радиус. Чему он равен?
Шар и кольцо имеют одинаковую температуру. Какую?
Шар и кольцо имеют одинаковый радиус. У кого из них больше
температура?
Шар и кольцо нагреты до одинаковой температуры. Проходит ли
шар через кольцо?
Шар и кольцо находятся при одинаковой температуре. Найдите
радиус шара, если радиус кольца 160 α..
Шар и кольцо находятся при температуре 40 β. Что будет, если одновременно нагревать шар и кольцо так, чтобы их температуры были все время равны?
240
к
T, β
78
Физика. 7 класс. Рабочая тетрадь
3-12
1. Масса одной дробинки примерно равна
500 мг.
а). Начертите график зависимости массы
дроби от количества дробинок.
б). Найдите по графику массу четырех
дробинок, шести с половиной дробинок.
в). Сколько дробинок лежит на одной чашке
весов, если для равновесия на другую
пришлось положить следующие
разновесы: 5 г, 1 г, 500 мг, 20 мг?
2. Масса одного наперстка воды равна А.
а). Начертите график зависимости массы
воды в стакане от количества опрокинутых в него наперстков с водой.
б). Найдите по графику массу N наперстков
воды,
в). Сколько наперстков надо налить в
стакан, чтобы масса воды стала равна В?
Решите графически.
г). Сколько наперстков надо налить в
стакан, чтобы масса воды стала равна nA?
Решите аналитически и графически.
3. На рисунке представлен график зависимости
массы газа от количества частиц. Предложите
простой способ обучения младших учащихся,
которые не знают, что такое график, определять:
количество частиц, соответствующее некоторому
значению массы газа; б) массу некоторого
количества частиц.
m
а)
N
4. Для двух разных газов получились два графика
зависимости массы газа от количества молекул
(см. рисунок). Попробуйте ответить на следующие вопросы: а) масса какого газа больше; б) молекула какого газа тяжелее? Докажите графически, что: в) равные массы этих газов имеют разное количество молекул; г) одинаковые количества частиц этих газов имеют разные массы.
m
I
II
N
Раздел 3. Упражнения
79
5. Масса одного наперстка воды равна А.
а). Начертите график зависимости массы
воды в стакане от количества опрокинутых
в него наперстков с водой.
б). Найдите по графику массу N наперстков
воды,
в). Сколько наперстков надо налить в
стакан, чтобы масса воды стала равна В?
Решите графически.
г). Сколько наперстков надо налить в
стакан, чтобы масса воды стала равна nA?
Решите аналитически и графически.
6. На рисунке вы видите график зависимости массы малых тел от их количества. Какой график относится к фасолинам, которые примерно вдвое тяжелее
горошин, какой к гороху, а какой к половинкам горошин?
m
1
2
3
N
7. Три ученика – Петя, Витя и Коля –
взвешивали пульки. У Пети каждая пулька
весит в два раза больше, чем у Вити, а у
Коли – в шесть раз меньше, чем у Пети.
В результате все трое получили разные
графики зависимости массы пулек от их
количества.
а). Изобразите все три графика в одних
осях координат.
б). Витя положил на чашку весов А своих
пулек. Чему равно количество пулек Б,
которое надо положить на другую чашку
весов Коле, чтобы весы были в равновесии?
Чему равно количество пулек В, которое
надо положить на другую чашку весов Пете, чтобы весы были в равновесии? Какая
чашка весов перевесит, если на левую чашку положить Б витиных пулек, а на правую –
А петиных пулек? Решите задачу аналитически и графически.
3-13
1. Чайную ложку поваренной соли (N молекул соли) растворили в стакане воды объемом 200 мл.
а) Сколько молекул соли окажется в чайной ложке соленой воды? _____________
80
Физика. 7 класс. Рабочая тетрадь
б) Пусть в одной чайной ложке воды
оказалось А молекул поваренной
соли. Сколько молекул поваренной
соли в пяти таких ложках соленой
воды? ________в 12?___________
k ложках? ____________________
в) Нарисуйте график зависимости
количества молекул поваренной
соли от количества чайных ложек
соленой воды (график будет
представлять собой не сплошную
линию, а множество точек).
г) Другим цветом нарисуйте графики
для случаев: когда за единицу
принимают объем ложечки равен
0,5 объема чайной ложки; когда за
единицу принимают объем столовой ложки, объем которой равен 2,5 чайных.
2. На рисунке изображены графики N
2
1
3
зависимости количества молекул
перманганата калия («марганцовки») от объема его водного раствора. Определите, какой график соответствует более насыщенному
цвету раствора. Оцените количественно различия в концентрациях
растворов.
4
5
V
3-14
1. На рисунке изображены графики зависимости массы шариков от их количества для случаев: а) латунные шарики; б)
деревянные шарики; в) алюминиевые
шарики. Все шарики одинакового размера. Поставьте в соответствие номер
графика и материал шариков. Покажите, как примерно пойдет график 4 для
железных шариков и график 5 для золотых.
m
ρ,
кг/м3
1040
2
1030
1020
1010
1
1000
990
1
Масса доливаемой жидкости
2
3
N
2. На рисунке изображены графики зависимости плотности молока от массы добавляемой в него воды и плотности воды от массы
добавляемого в нее молока. Какому случаю
каждый из графиков соответствует?
Сделайте пояснения к своему решению:
______________________________________
______________________________________
Раздел 3. Упражнения
81
3. Изобразите на графиках: а) зависимость массы воды от объема; б) зависимость массы
воздуха от объема.
б)
а)
Почему для двух этих графиков мы не используем одну координатную плоскость?
3-15
1. Разделите квадрант
p
линией, проходящей
через точку А, на две
части. Закрасьте части, для которых выполняется соотношение V > VА.
2. Разделите квадрант p
линией, проходящей
через точку А, на две
части. Закрасьте части,
для которых выполняется
соотношение
p > pА.
3. Разделите квадрант
линией, проходящей p
через точку А, на две
части. Закрасьте части, для которых выполняется соотношение T > TА.
p
V
А
А
А
V
T
p
T
V
А
А
А
V
T
p
V
А
А
T
T
А
V
T
Физика. 7 класс. Рабочая тетрадь
82
Работа с приборами
3-16
1. Опишите действие всех приборов для измерения давления.
Вакуум
Газ
_______________________________________
_______________________________________
_______________________________________
Выводы
_______________________________________
_______________________________________
Газ
Вакуум
_______________________________________
_______________________________________
_______________________________________
Выводы
_______________________________________
_______________________________________
Воздух
Газ
_______________________________________
_______________________________________
_______________________________________
Выводы
_______________________________________
_______________________________________
2. На рисунке показаны две
принципиальные
схемы
приборов для измерения
давления газа. Найдите на
них «улавливатели», подумайте, как будут выглядеть
шкалы у этих приборов,
будут ли они равномерные.
1
2
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
Раздел 3. Упражнения
3. Узнайте о происхождении слов «барометр» и «манометр».
4. Познакомьтесь с разными
конструкциями барометров и
манометров. В каких из них
используется
в
качестве
«улавливателя» пружина, а в
каких – столб жидкости?
83
84
Физика. 7 класс. Рабочая тетрадь
3-17
1. Для каждого прибора определите:
а) цену деления;
б) единицы измерения физической величины;
в) показания прибора.
см3
100
80
1
0
2
3
60
4
40
V
20
В
2. Определите по рисунку, из чего изготовлено
тело. Для этого найдите:
а) объем тела;
б) вес тела;
в) плотность тела.
__________________________________________
__________________________________________
__________________________________________
H
мл
мл
100
100
90
90
80
80
0,2
70
70
0,4
60
0
50
0,6
1,0
40
40
30
30
1,2
20
20
1,4
10
10
3. Закон плавания тел положен в основу устройства ареометра – прибора
для измерения плотности жидкости. Он сделан из стекла, утяжелен
дробью. Попробуйте разобраться в принципе его действия по рисунку и
ответьте на вопросы:
а) Почему отросток, на который нанесена шкала, очень тонкий?
б) Как от толщины отростка зависит точность измерения плотности?
в) Почему отметки на шкале растут сверху вниз?
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
0,8
0,85
0,9
0,95
1,0
Дробь
4. Сосуд соединили с жидкостным
манометром. Чему равно давление газа в сосуде (рис. А)? __________
Что могло произойти с газом, если
показания манометра стали такими,
как на рис. В? __________________
А
В
С
_______________________________
рис. С? _______________________________________________________________
Запишите условными обозначениями изменения макро- и микропараметров газа.
5. Учащиеся предложили прибор для измерения
давления газа. Опишите принцип его действия,
предложите способ градуировки шкалы. Какую
физическую величину можно этим прибором измерять и в каких единицах? Укажите проблемы
практического воплощения прибора.
ГАЗ
ВАКУУМ
Раздел 3. Упражнения
85
3-18
1. На рисунке показаны состояния пяти идеальных пружин. На графике показана зависимость силы упругости от растяжения для пружины №3. Постройте аналогичные графики
для остальных пружин. Найдите самую жесткую и самую мягкую пружины.
F
3
0
Δl
1
2
3
4
5
Масштаб: в 1 дел. – 2 см. Все грузики имеют одинаковую массу – 50 г.
В недеформированном состоянии все пружины имеют одну и ту же длину.
Физика. 7 класс. Рабочая тетрадь
86
2. Заполните таблицу в предположении, что все пружины «хорошие».
Пружина
№1
№2
№3
№4
№5
m = 50 г
m = 100 г
Δl, см
Δl, см
Δl, см
Δl, см
Δl, см
m = 150 г
m = 200 г
m = 250 г
15
3. Вычислите коэффициенты упругости всех пружин и заполните таблицу.
Пружина
№1
№2
№3
№4
№5
k, Н/м
4. Сколько грузиков надо подвесить к пружине №1, чтобы она растянулась так же, как
пружина №3, к которой подвесили три грузика?
5. Пружины №№2 и 4 растянулись одинаково – на 5 см каждая. Какой груз подвесили к
каждой из пружин?
6. Когда к пружине №1 подвесили один грузик, она растянулась так же, как и пружина
№3, на которой висит столько же грузиков, сколько и на пружине №5. На сколько сантиметров растянута пружина №5?
7. Ученики изготовили пять динамометров с пружинами №№ 1–5.
Проградуируйте все динамометры. У какого прибора самый большой предел измерений?
У какого самая точная шкала?
№1
№2
№3
№4
№5
Раздел 4. Задачи и тесты
87
4. Задачи и тесты
Элементы механики
4-01
1. Масса белого шарика – 5 г, серого – 3 г, черного шарика – 7 г. Имеется по 4 шарика каждого сорта и 3 корзинки. Разложите шарики по корзинкам так, чтобы в каждой корзинке
средняя масса шарика была равна 5 г.
2. Масса белого шарика – 5 г, серого – 3 г, черного шарика – 7 г. Имеется по 4 шарика каждого сорта и 5 корзинок. Разложите шарики по корзинкам так, чтобы в первой корзинке
средняя масса шарика была равна 3 г, во второй – 4 г, в третьей – 5 г, в четвертой – 6 г,
в пятой – 7 г.
3. Масса красного шарика 5 г; желтого – 8 г.
Красных шариков 13, а желтых 6. Разложите шарики в
три корзинки так, чтобы средняя масса шарика в каждой
корзинке была равна 6 г.
1
2
Кр.
Ж.
3
Всего:
13
6
4. 2458 шариков из красного пластилина массой 200 мг каждый, 5678 шариков из синего
пластилина массой 300 мг каждый и 1357 шариков из желтого пластилина массой 400 мг
каждый скатали в один кусок. Не выполняя расчетов, оцените, каком интервале окажется
масса одного разноцветного шарика, если из получившегося куска вылепить столько же
одинаковых шариков, сколько было всего скатано:
а) 100–199 мг; б) 200–299 мг; в) 300–399 мг; г) 400–500 мг.
5. В закрытом баллоне содержится смесь трех газов, массы молекул которого соответственно равны 12 ед., 4 ед., 8 ед. Чему равна средняя масса молекулы в баллоне?
_______________________________________________________________
6. Сколько шариков можно скатать из куска пластилина массой 50 г, если масса каждого
шарика 250 мг? _________________________________________________
7. Ученику выдали 50 горошин и предложили исследовать зависимость массы гороха от количества горошин. Ученик получил следующую таблицу данных:
№ опыта
N, шт
m, мг
1
10
1600
2
15
3300
3
20
4450
4
25
4650
5
30
6300
6
35
6800
7
40
7700
8
45
9350
9
50
10400
Какой опыт вызывает у вас наибольшее сомнение? ______________________
С помощью этой таблицы нашли среднюю массу горошины. Какой результат вам кажется
наиболее правдоподобным: 160 мг или 200 мг?
Физика. 7 класс. Рабочая тетрадь
88
8. По результатам исследования зависимости массы горошин от их количества Боря и Витя
построили графики 1 и 2. С кем из учеников вы согласны?
m, мг
N
9. Масса одной молекулы меди – 30 ед., а количество молекул в кусочке меди – 1 млрд. Чему равна масса кусочка меди?____________________________________
10. Найдите количество частиц, если известно, что масса всех частиц – 1500 ед., а масса одной частицы – 0,03 ед. ___________________________________________
4-02
При подвешивании груза массой 100 г пружина №1 удлинилась на 25 мм, а пружина
№ 2 на 16 мм.
а) Какой груз подвесили на первую пружину, если она удлинилась на 60 мм?
б) На сколько растянется вторая пружина под действием этого груза?
в) На сколько растянется первая пружина под действием груза весом 240 г?
4-03
1. Из каких веществ состоят калориметрические тела, если их массы 54 г, 154 г, 162 г, а объем 20 мл.
2. Примерно 76% массы воздуха приходится на азот, 23% – на кислород, 1% – на аргон.
Сколько азота и кислорода в вашей комнате?
3. Какой объем воды весит столько же, сколько и воздух в вашей комнате? _______
4. Оцените плотность сплава 58 г золота и 42 г серебра.
5. Корона из серебра и золота массой 1600 г имеет плотность 16 г/см3. Определите массу
золота и серебра в короне и их процентное содержание. Объем короны считать равным
сумме объемов составных частей.
6. Для наполнения канистры бензином используется насос, перекачивающий 300 г в секунду. Определите время наполнения канистры, если ее размеры 40×35×20 см.
7. Высота Останкинской телебашни – 540 м, масса – 55 тыс. т. Средняя плотность железобетонных конструкций, из которых она сделана, – 2500 кг/м3. Найдите массу модели этой
башни из оргстекла плотностью 1,25 г/см3, все линейные размеры которой в 2000 раз меньше оригинала.
Раздел 4. Задачи и тесты
89
4-04
1. Трубки U-образного манометра имеют раз1
2
личные диаметры. К какому из колен манометра
следует присоединить: а) шкалу для отсчета изменения давления; б) сосуд, в котором необходимо измерить давление, чтобы точность измерения была выше?
2. Три сосуда с приставным дном погружены в
воду на одинаковую глубину. Дно сосудов отпадает, если налить в каждый из них воды массой 1 кг. Отпадет ли дно, если:
а) поставить на него гирю массой 1 кг;
б) налить 1 кг жидкости плотностью меньше чем у воды;
в) налить 1 кг жидкости плотностью больше чем у воды?
3. Пользуясь рисунком, рассчитайте давление столбика воздуха
в трубке, погруженной в ртуть. Цифры показывают высоту в
сантиметрах. Давление атмосферы принять равным 1 атм. Выразите атмосферное давление в мм рт. ст.
4. Стеклянный куб стороной 4 см заполнен водой. Найдите силу
40
давления воды на боковую стенку и дно куба.
5. До какой высоты надо налить однородную жидкость в сосуд,
имеющий форму куба со стороной 10 см, чтобы сила давления
жидкости на дно была равна силе давления на боковые стенки.
6. Гусеничный трактор, соответствующий агротехническим тре- 20
бованиям, должен оказывать на почву давление не более
0,5–0,55 кг/см2. Какова должна быть площадь поверхности гусениц, соприкасающаяся с землей, если масса трактора 11 т?
3
60
50
37.5
7. Если погружать в сосуд с водой стакан, перевернутый вверх дном, то
приходится прикладывать некоторое усилие. Оцените величину силы, с
которой вы действуете, удерживая стакан под водой, и давление воздуха
в стакане. Как меняются эти величины по мере погружения стакана в
воду?
4-05
1. В сосуде с водой плавает деревянный кубик, а под ним До всплытия
шарик для пинг-понга. Нарисуйте, как расположатся кубик
и шарик, а также уровень воды, когда шарик выплывет изпод кубика.
2. Чему равен вес тела в жидкости, если тело всплывает?
3. Будет ли возникать выталкивающая сила в невесомости?
После всплытия
4. Попробуйте дома на опыте доказать существование вещества, которое при замерзании
расширяется. Его плотность в жидком состоянии примерно 1000 кг/м3 (или 1 г/см3), а в
твердом – 900 кг/м3 (или 0,9 г/см3).
5. Объясните, почему пловцов учат делать выдох под водой и поднимать голову только тогда, когда надо сделать очередной вдох? Почему плавать в море легче, чем в реке?
6. Сколько надо взять пробки, чтобы тело из пластилина массой 100 г и пробки могло находиться в равновесии на любой глубине в пресной воде. Проверьте на опыте.
7. Оцените, какой максимальный вес могут поднять два «понтона» из пробирок, закрытых
пробками. Проверьте на опыте.
90
Физика. 7 класс. Рабочая тетрадь
8. Корпус подводной лодки, плавающей в Арктике, покрылся льдом. Как это отразится на
способности лодки погружаться в глубины океана?
9. Пробирка, в которой находится резиновая пробка, плавает в воде. Изменится ли
глубина погружения пробирки в воду, если пробку прикрепить ко дну снаружи
пробирки (см. рисунок)?
10. Для безопасного плавания важно, чтобы у судна была нормальная осадка. Оптимально, чтобы судно погружалось до ватерлинии. Погрузится ли до ватерлинии
судно, водоизмещение которого 13 500 т, вес 67 000 000 Н, если оно примет 6800 т
груза?
11. Золотое кольцо весит в воздухе 5,4 г, а в воде 5 г. Из чистого ли золота сделано кольцо?
12. Кусок металла весом 108 г весит в воде 93 г, а в спирте 96 г. Определите по этим данным плотность спирта.
13. Водоизмещение нефтеналивного танкера (вес вытесненной воды) – 1025 меганьютонов.
Какова масса танкера вместе с грузом? Каков объем подводной части танкера?
14. Вес оболочки корзины и снаряжения воздушного шара объемом 2000 м3 равен 1000 кг.
Какой груз сможет поднять шар при наполнении его водородом? гелием? воздухом при
температуре 100 °C? воздухом при температуре 150 °C? воздухом при температуре 300 °C?
15. Из деревянного бруска плотностью 800 кг/м3 изготовлена
«лодка» 1,2×0,6×0,3 м. В «лодке»
выдолбили параллелепипед так,
что остались стенки и дно по
0,1 м. В дне «лодки» образовалась
течь. При каком уровне воды в
«лодке» она утонет?
З
С
А
Я
Э
Л
Д
16. В сосуд налиты три жидкости – ртуть, вода и керосин. Подпишите на рисунке каждый слой. Как расположатся в этом сосуде шарики из золота, свинца, алюминия, янтаря, эбонита, льда, дерева (тополь)? Размеры шариков меньше высоты
слоя любой жидкости.
Молекулярная физика
4-06
1. Сочинения Демокрита – одного из родоначальников атомной гипотезы – были утеряны в
первых веках нашей эры, сохранилось лишь небольшое число отрывков и свидетельств античных авторов, живших позднее. Выберите подходящее продолжение отрывка: «Лишь у
людей признается что-то белым, черным, сладким, горьким и все прочим в этом роде, поистине же все есть…
а) «любовь» и «ненависть»;
б) «что» и «ничто»;
в) «атомы» и «пустота»;
г) «бытие» и «небытие»;
д) «человек» и «Бог».
2. Какие словосочетания и выражения могли, а какие не могли принадлежать античным философам-атомистам:
а) «горячий атом»;
б) «движущийся атом»;
в) «атомы расходятся и сходятся»;
г) «человек состоит из маленьких атомов-человечков».
Раздел 4. Задачи и тесты
91
3. Кратко сформулируйте и впишите в таблицу три основных положения гипотезы ДемокритаЭпикура-Лукреция. Определите, какие из перечисленных явлений подтверждают данные положения. Для заполнения таблицы используйте значки (+, −, ?).
Основные положения гипотезы Лукреция
Явления
Броуновское движение
Взаимодействие токов
Давление газа
Движение Земли вокруг
Солнца
Испарение жидкости
Колебания груза на пружине
Конденсация пара
Плавление и кристаллизация
Поверхностное натяжение
Распространение запаха
Расширение тел при
вании
Склеивание тел
нагре-
Упругость тел
4-07
1. Действие жидкостного термометра основано на том, что под влиянием подводимого тепла вещество расширяется. Аня объяснила это тем, что молекулы жидкости увеличиваются.
Боря сказал, что увеличиваются расстояния между молекулами. Вера была уверена, что
увеличивается число молекул жидкости. Гена считал, что вследствие нагревания трубочки
термометра возрастают силы, сжимающие жидкость. Каково ваше мнение?
___________________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________________
92
Физика. 7 класс. Рабочая тетрадь
2. Выделите маркером или карандашом ошибки в тексте. Напишите ниже правильный
связный рассказ о газообразном состоянии вещества.
Газ состоит из мельчайших невесомых частиц, которые непрерывно движутся. Объем самих
частиц газа примерно равен половине объема сосуда. Частицы движутся всегда упорядоченно, притяжение между частицами газа почти отсутствует. Движение частиц газа можно
сравнить с бегом спортсменов на 100 м. Газ занимает весь предоставляемый ему объем, так
как частицы газа движутся упорядоченно. Расстояния между частицами газа остаются все
время одинаковыми. Частицы находятся на расстояниях, примерно равных размерам частиц, поэтому частицы газа сильно отталкиваются друг от друга. Диффузия ускоряется при
нагревании и замедляется при охлаждении. Поэтому чем медленнее двигаются частицы
двух газов, тем быстрее происходит их самопроизвольное перемешивание. Если бы мы могли откачать воздух в комнате, запах духов распространялся бы медленнее, так как концентрация уменьшилась бы, и время между ударами частиц стало бы больше. При нагревании
газа частицы газа изменяются. Если сосуд с газом поместить в холодильник, то уменьшатся
частицы газа и скорости движения частиц. Расстояния между частицами примерно равно
размерам частиц, вследствие чего газ трудно сжать. Если на воздушный шарик положить
груз, то газ в шарике незначительно сожмется, при этом чуть-чуть уменьшатся расстояния
между частицами. Если мы хотим примерно передать соотношение между размерами частиц и расстоянием между ними, то газ лучше изображать в виде скопления маленьких кружочков, а жидкость лучше изображать в виде скопления кружочков больших размеров. Расстояние между кружочками в любом случае равно примерно диаметру кружочка. При изображении испаряющейся жидкости нужно газ изображать маленькими кружочками, а жидкость – большими кружочками, потому что частицы испарившегося газа меньше, чем частицы испаряющейся жидкости.
_______________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________
Раздел 4. Задачи и тесты
93
4-08
1. Объем коробочки равен 150 см3.
а) Сколько мух должно летать в коробочке, чтобы их концентрация не превышала одной
мухи на кубический сантиметр? _____________________________________________
б) Какова будет концентрация мух, если их переложить во вдвое меньшую коробочку?
_________________________________________________________________________
в) Какова будет концентрация мух в комнате размером 6×5×2,5 м, если коробочку
открыть? _________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
г) Какова будет концентрация, если в коробочке объемом 150 см3 будет летать 15 мух?
__________________________________________________________________________
2. В трех сосудах заключен газ. В маленьком сосуде заключено частиц больше, чем в большом, а в среднем сосуде частиц меньше всего.
Отметьте правильные высказывания:
а) Концентрация частиц в большом сосуде меньше, чем в маленьком.
б) Концентрация частиц в среднем сосуде самая маленькая.
в) Возможно, что концентрация частиц в среднем сосуде больше, чем в самом
большом.
г) Самая большая концентрация в самом маленьком сосуде.
д) Самая маленькая концентрация в самом большом сосуде.
3. Найдите концентрацию частиц в коробке, если принять, что 1 ед. длины = 4 кл. Считайте,
что площадь численно равна объему.
Решение: N =
V=
n=
Если количество частиц увеличится в три раза, концентрация______________ .
Если объем уменьшится в два раза, то концентрация ______________________ .
Если одновременно уменьшить количество частиц и увеличить объем, то_______________
______________________________________________________________________________ .
4. В коробке с подвижной перегородкой (поршнем) находится 30 усл. ед. частиц. Слева от
поршня 20 ед., справа – 10 ед.
Нарисуйте, в каком положении установится поршень.
20
10
94
Физика. 7 класс. Рабочая тетрадь
Решение _______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________
5. В коробке 24 ед. частиц. Поршень установился так, как показано на рисунке. Сколько
частиц слева и сколько справа?
Решение _______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________
а)
в)
б)
г)
4-09
1. Соедините стрелочками название физической величины и ее обозначение.
2. Сосуд с газообразным азотом и сосуд с
газообразным водородом находятся при
комнатной температуре. Какие из величин
одинаковы для молекул обоих газов: средние силы взаимодействия, средняя кинетическая энергия, средняя скорость, средний импульс?
Объем
Давление
Температура
Масса частицы
Масса газа
Скорость частиц
Концентрация
Плотность
3. Как изменится давление газа в сосуде
(температура, объем не изменяются), если число молекул увеличится?
V
Q
m
m0
n
N
ρ
p
υ0
T
4. Как изменится давление газа в сосуде неизменного объема и температуры, если молекулы
водорода заменить на молекулы хлора. Число молекул остается неизменным.
5. Как изменяется плотность газа в изохорном процессе?
6. Давление газа в изохорном процессе увеличилось в два раза. Как изменилась скорость
молекул газа?
7. Подчеркните правильные ответы. Впишите собственные вопросы.
1. В сосуде под поршнем находится газ. Что станет с давлением газа, если на поршень положить гирю и подождать некоторое время?
А. Уменьшится. Б. Увеличится. В. Не изменится. Г. Не знаю.
2. Закрытый баллон с газом начинают нагревать. Давление при этом…
А. Не изменится. Б. Уменьшится. В. Увеличится. Г. Ответ зависит от рода газа.
3. Если наглухо закупоренную пластиковую бутылку сжать, то плотность воздуха
в бутылке
А. Увеличится. Б. Не изменится. В. Уменьшится. Г. Ответ зависит от температуры газа.
Раздел 4. Задачи и тесты
95
4. При постоянной температуре увеличили объем некоторой массы газы в два раза.
Что стало с давлением этого газа?
А. p↑ в 2 р. Б. p↓ в 2 р. В. p = const. Г. Не знаю
5. Когда со дна бутылки всплывает пузырек воздуха, его объем:
А. Не меняется. Б. Увеличивается. В. Уменьшается.
Г. Ответ зависит от величины атмосферного давления.
6. Будет ли меняться плотность воздуха в закрытом стальном баллоне, если баллон нагревать?
А. Будет расти. Б. Будет уменьшаться. В. Будет оставаться постоянной. Г. Не знаю.
7. Что произойдет с объемом газа, заключенного в стальной куб, если половину газа откачать?
А. V↑ в 2 р. Б. V↓ в 2р. В. V = const. Г. Зависит от размеров куба.
8. Два
сосуда
заполнены:
один
углекислым
газом,
а
другой
кислородом.
Что станет с плотностями этих газов, если сосуды соединить?
А. Плотности газов не изменятся. Б. Плотности обоих газов увеличатся. В. Плотности обоих
газов уменьшатся. Г. Ответ зависит от того, какой газ находился под большим давлением.
9. Газ в сосуде герметично заперт подвижной перегородкой. Газ начинают сжимать и нагревать
одновременно. Что происходит с его давлением p и плотностью ρ?
А. p↑, ρ↑. Б. p↓, ρ↓. В. p↑,ρ↓. Г. p↓, ρ↑. Д. p = const, ρ = const. Е. p = const, ρ≠const.
Ж. Не известно.
10. Газ в сосуде герметично заперт подвижной перегородкой. Газ начинают сжимать и
охлаждать одновременно. Что происходит с его давлением p и плотностью ρ?
А. p↑, ρ↑. Б. p↓, ρ↓. В. p↑,ρ↓. Г. p↓, ρ↑. Д. p = const, ρ = const. Е. p = const, ρ ≠ const.
Ж. Не известно.
11. ___________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________
12. ___________________________________________________________________________
№
1
Ответ
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
4-10
1. Атмосфера представляет собой механическую смесь газов с небольшой примесью твердых частиц (пыли) и паров воды. В состав атмосферы входят: азот (N2) – 78,08%, кислород
(О2) – 20,95%, аргон (Ar) – 0,93% и углекислый газ (СО2) – 0,03%. К остальным сравнительно незначительным по содержанию газовым компонентам относятся неон (Ne), гелий (Не),
криптон (Kr), водород (Н2) и некоторые другие. Оцените, как отличаются средние квадратичные скорости молекул, массы которых можно найти в справочных материалах.
2. Температуры газов по обе стороны перегородки одинаковы. Массы больших частиц в четыре раза больше маленьких. Изобразите стрелочками скорости частиц, считая, что частицы
одного сорта движутся с одинаковыми скоростями.
Физика. 7 класс. Рабочая тетрадь
96
Термодинамика
4-11
1. При объеме V = 6 л давление газа p = 1,5 атм. Газ сжимают при постоянной
температуре.
а). При каком объеме давление увеличится в три раза?
б). Во сколько раз надо изменить объем, чтобы давление стало равным 0,5 атм.? Каким
станет объем?
2. При температуре T = 500 K объем газа V = 2,5 л.
а). При какой температуре объем газа в цилиндре увеличится в два раза, если давление
не изменится? Чему станет равен объем?
б). Во сколько раз надо изменить температуру, чтобы объем стал равным 1,5 л?
3. В герметично закрытом баллоне находится газ при температуре T = 600 K. Давление газа
p = 1,2 атм.
а). При какой температуре давление уменьшится в три раза?
б). Во сколько раз надо изменить температуру, чтобы давление стало равным 2,4 атм.?
Найдите эту температуру.
4-12
1. На каком из графиков изображены изотермы? изобары? изохоры?
p
V
4
1 2 3
V
Рис. А
p
5
7
8
6
9
T
T
Рис. B
Рис. C
2. Какая из изотерм на рисунке A соответствует более высокой температуре?
3. Какая из изобар на рисунке B соответствует более высокому давлению?
4. Какая из изохор на рисунке C соответствует наибольшему объему?
5. Какие графики 1–12 соответствуют изотермам, изохорам, изобарам, а какие не соответствуют ни одному из изопроцессов?
p
V
p
T
V
Рис. 2
Рис. 1
6. Какой из графиков 1–12 может соответствовать p = 3 атм.?
p
V
p
Рис. 4
V
Рис. 5
T
Рис. 3
Рис. 6
T
T
Раздел 4. Задачи и тесты
97
7. Какой из графиков 1–12 может соответствовать V= 2 л?
p
p
V
Рис. 8
Рис. 7
Рис. 9
V
T
Какой из графиков 1–12 может соответствовать T = 250 K?
p
p
Рис. 10
V
T
V
Рис. 11
T
Рис. 12
T
4-13
1. Для того чтобы нагреть некоторое тело на 5 °C, потребовалось сообщить ему количество
теплоты Q1 = 3кал. Для нагревания этого тела на 25 градусов потребуется сообщить этому
телу Q2 =____________.
2. Известно, что любое тело при охлаждении на 1 °C отдает столько же тепла, сколько получает при нагревании на 1 °C. Некоторому телу сообщили Q1 = 0,4кал тепла, и при этом
оно нагрелось на 2 °C. При охлаждении на 7 °C это тело отдаст тепла Q1=______________.
3. При сгорании 2 г некоторого топлива выделилось 10 ккал тепла. Это топливо по сравнению с бурым углем более теплотворное / менее теплотворное / такое же по теплотворности.
4. Для того чтобы нагреть 1 г речного песка на 1 °C, ему необходимо сообщить 0,2 кал.
Один килограмм такого же песка, нагреваясь на 12 °C, поглотит тепла __________.
5. При сгорании 10 г некоторого топлива выделилось 30 ккал тепла. Это топливо –
_____________________.
6. Для того чтобы расплавить 1 кг льда, находящегося при температуре плавления, пришлось затратить 80 ккал тепла. Известно, что теплота плавления меди примерно в два раза
меньше. Поэтому для плавления 2 кг меди, находящейся при температуре плавления потребуется _____________ тепла.
7. Температура плавления ртути равна ________ . Если твердой ртути, находящейся при
этой температуре, сообщить 24 кал тепла, расплавится _____ грамм.
8. Известно, что при кристаллизации выделяется столько же тепла, сколько поглощается
при плавлении. При кристаллизации 5 г золота выделится ________ тепла. Если все это тепло направить на нагревание 1 г воды, то температура воды повысится на _________ градусов.
9. Лед находится при температуре –10 °C. Если сообщить 30 г такого льда 140 кал тепла, он
достигнет / не достигнет температуры плавления.
10. В алюминиевый калориметр массой 100 г налили 100 г воды, при этом установилась
температура 30 °C. Для того чтобы нагреть калориметр с водой до 31 °C, потребуется им
сообщить _________тепла.
11. Кусок льда массой 1 г, находящийся при температуре –20 °C, сначала нагрели до температуры плавления – для этого сообщили ________ калорий. Затем лед расплавили, сообщив
__________ калорий. Получившуюся воду нагрели до 100 °C, для чего пришлось сообщить
_________ калорий.
98
Физика. 7 класс. Рабочая тетрадь
12. Сколько потребуется тепла для нагревания на 1 °C одного кубического сантиметра стали? алюминия?
13. В колбе находилась вода при температуре 0° С. Откачивая из колбы воздух и водяные
пары, всю воду заморозили. Какая часть воды испарилась?
14. В калориметр, где находится 1 кг льда при температуре –40 °C, пускают 1 кг пара при
температуре 120 °C. Определить установившуюся температуру и агрегатное состояние системы. Нагреванием калориметра можно пренебречь.
t,°C
80
18. Две жидкости с равными массами нагревают в
одинаковых сосудах на одинаковых горелках. Определите по их графикам, у какой жидкости выше
точка кипения, больше удельная теплоемкость,
больше удельная теплота парообразования.
Б
0
5
10
Температура
17. Какой из графиков изменения температуры от
времени при равномерном нагревании относится к
стеклу, а какой к металлу?
А
Температура
15. В двух сосудах А и Б нагревалась вода.
Если равномерность процесса нагревания не
нарушится, в каком сосуде вода закипит быстрее и на сколько минут?
16. Один дм3 льда, взятого при температуре
–40 °C, равномерно нагревают до + 60 °C,
сообщая ему каждую минуту 1800 кал. Начертите график зависимости температуры в
этом процессе от времени.
15
20
τ, мин
I
II
Время
I
II
Время
19. В калориметре находится лед. Определите теплоемкость калориметра, если для нагревания его вместе с содержимым от –3 °C до –1 °C требуется количество теплоты Q1 = 8800
кал, а от –1 °C до +1 °C требуется количество теплоты Q2 = 292 000 кал.
20. Две параллельные пластины находятся на расстоянии, малом по сравнению с их размерами. Между пластинами помещают несколько тонких и хорошо теплопроводящих перегородок-экранов. Определите влияние экранов на теплопроводность между пластинами в двух
случаях:
а) когда длина свободного пробега молекул газа, заполняющего пространство между пластинами, мала по сравнению с расстоянием между экранами;
б) когда длина свободного пробега молекул газа велика по сравнению с расстоянием между пластинами (задача академика П.Л. Капицы).
4-14
1. В техническом описании к туристическому газовому примусу указано, что его мощность – 1300 Вт, расход газа – 93 г/ч, время закипания 1 л воды – 10 мин. Рассчитайте КПД
примуса и удельную теплоту сгорания газа, на котором он работает.
2. КПД газовой горелки 40%. 5 л воды нагревается на ней от 20 °C до кипения за 30 минут.
Сколько природного газа сгорает за это время? Какова мощность горелки?
3. При обработке стальной детали на шлифовальном станке была совершена механическая
работа, равная 630 кДж. 33,3% этой работы пошло на нагревание детали, масса которой
1 кг. На сколько градусов нагрелась деталь? (1 кал = 4,19 Дж.)
Раздел 5. Материалы для подготовки к конференции
99
5. Материалы к конференции
5-01. Тексты по теме: «Агрегатные состояния и превращения»
Нижеприведенные тексты помогут вам подготовить сообщения к конференции.
Они составлены по материалам старых учебников, научно-популярных изданий, работ
учащихся, интернет-изданий. Не всей информации нужно слепо доверять. Желательно
информацию проверить, воспользовавшись другими источниками.
Особенности воды и их влияние на жизнь на Земле
Прочитайте текст и подчеркните все аномальные свойства воды. Красным
поставьте отметку на тех, которые можно проверить в домашних условиях. Наметьте
план исследований, проведите их и запишите результаты.
Мы привыкли к окружающей действительности, к тому порядку вещей, который
существует вокруг нас, и редко задумываемся о том, какое влияние имеют свойства
веществ на нашу жизнь. Конечно же, «вещества всякие нужны и всякие важны», но
по распространенности ни одно не может сравниться с водой. Это одно из самых изученных веществ и одно из самых странных и загадочных. Рассмотрим некоторые особенности воды и подумаем, как они влияют на окружающий нас мир.
Первая аномалия воды – ее необыкновенное поведение при нагревании от 0 °C до
4 °С. Большинство веществ при нагревании расширяются. Расширение воды в диапазоне
от комнатной температуры до температур, близких к температуре кипения, легко наблюдать даже у себя на кухне. Но в интервале температур от 0 °C до 4 °C все иначе (см.
таблицу).
Плотность воды ρ при температуре t и норм. атм. давлении
t, ºC
0
1
2
ρ, г/см3
0,99984
0,99990
0,99994
t, ºC
3
4
5
ρ, г/см3
0,99996
0,99997
0,99996
t, ºC
6
7
8
ρ, г/см3
0,99994
0,99990
0,99985
t, ºC
9
10
11
ρ, г/см3
0,99978
0,99970
0,99960
При первом взгляде на таблицу читатель может справедливо воскликнуть: Велика ли
разница? Стоит ли учитывать такой пустяк! Какая разница, весит 1 мл вода 999,94 мг или
999,96 мг? Оказывается, именно эти сотые доли миллиграмма играют важнейшую роль в
природе. Если бы вода вела себя нормально, большинство естественных водоемов каждую
зиму промерзали бы до самого дна. Нетрудно догадаться, какие катастрофические последствия это имело бы для их обитателей. Если бы плотность воды непрерывно увеличивалась до точки замерзания, то водоемы промерзали бы до самого дна. Более плотные
слои, охлажденные до 0 °C, опускались бы на дно, а занявшие их место более легкие
тоже в свою очередь охлаждались и опускались, и когда вся вода водоема охладилась бы
до точки замерзания, началась бы кристаллизация, которая кончилась бы трагедией для
всех обитателей водоема. Но поскольку самая большая плотность у воды при 4 °C, то
верхние слои, достигнув этой температуры, опускаются на дно, когда вся вода охладится
до этой температуры, то при дальнейшем охлаждении, которое начинается с более верхних слоев, перемешивания уже не происходит, потому что при дальнейшем охлаждении
плотность уменьшается. Более легкие слои, достигнув 0 °C, замерзают, и слой льда растет
сверху вниз. Если зима не очень лютая, а водоем достаточно глубокий, то до дна он промерзнуть не успевает.
При замерзании обнаруживается еще одно необычное свойство воды – уменьшение
плотности при кристаллизации, подобным образом ведут себя висмут и некоторые сорта
100
Физика. 7 класс. Рабочая тетрадь
чугуна. Благодаря этому свойству льдины плавают на поверхности, тогда как почти у всех
веществ твердая часть погружается в жидкую. Плотность льда составляет только 0,9
плотности воды. Поставьте пузырек, доверху налитый водой, в морозильную камеру. Через некоторое время вся вода превратится в лед и небольшой шапочкой вылезет из пузырька. Превратившись в лед, вода расширилась!
Непосредственно с этим связана и третья аномалия воды. Для большинства веществ с
увеличением давления температура плавления повышается. Исключение составляют те вещества, у которых при плавлении уменьшается объем (увеличивается плотность). Кроме
льда такие же свойства демонстрируют висмут, галлий, чугун.
Если бы лед при плавлении увеличивался в объеме (вел себя «нормально»), повышение давления препятствовало бы переходу от твердого состояния к жидкому. В этом случае
потребовалась бы более высокая температура для более сильного раскачивания молекул,
чтобы вопреки внешнему давлению расширить вещество.
Поскольку лед ведет себя аномально, все происходит противоположным образом.
Давление помогает уменьшить объем льда в процессе плавления и соответственно понижает температуру плавления. Правда, это понижение очень незначительное: при давлении в
130 атмосфер температура плавления – 1 °C, при давлении в 500 атмосфер – 4 °C.
Объясните рисунок и попробуйте повторить
этот опыт.
Впрочем, это незначительное понижение температуры плавления (и кристаллизации) также играет важную
роль в природе. Несмотря на то что в океанских глубинах
вода испытывает колоссальные давления, вода не замерзает даже при отрицательных температурах. На океанских глубинах температура воды – 3 °C. Погружение на
каждые 10 м дает увеличение давления на 1 атмосферу – чем больше давление, тем ниже
температура кристаллизации. Изменяется температура воды в океане днем и ночью, летом
и зимой незначительно, потому что ее очень много, во-первых, и потому что у воды
очень большая удельная теплоемкость, во-вторых. Удельная теплоемкость воды больше,
чем у любого другого вещества, а это значит, что, для того чтобы нагреть 1 кг воды на
1 °C, надо затратить большее количество теплоты, чем для любого другого вещества, соответственно при охлаждении 1 кг воды на 1 °C выделяется столько же энергии. Именно
это обстоятельство является решающим при формировании мягкого климата в районах,
расположенных вблизи морей, водохранилищ и больших озер.
Вода выделяется среди других веществ и большой теплотой плавления. Интересно
сравнить количества теплоты, расходуемые на нагревание и плавление воды. Для плавления 1 кг льда, взятого при температуре плавления, надо затратить столько же тепла,
сколько для нагревания 1 кг воды на 80 °C или для нагревания 80 кг воды на 1 °C. Именно
большая теплота плавления льда является причиной того, что температура воздуха весной
поднимается медленно до тех пор, пока лед в ближайших водоемах не растает. Все, что
было сказано об удельной теплоте плавления льда, верно для нормальных условий (давление 760 мм рт. ст., температура 1 °C). При изменении давления обнаруживается еще одно
интересное свойство: если вода тает при более низкой температуре, что наблюдается при
повышении давления, то удельная теплота плавления уменьшается.
Переход воды из жидкого состояния в парообразное требует еще больше энергии,
чем переход из твердого состояния в жидкое. На парообразование 1 кг воды, взятой при
температуре кипения, идет столько же энергии, как на плавление 6,7 кг льда, взятого при
температуре плавления, и столько же, сколько для нагревания 5,4 кг воды от 0 °C до
100 °C. Понятно, почему пар обладает громадной внутренней энергией!
Раздел 5. Материалы для подготовки к конференции
101
Ветер
Жаркий летний день. Высоко над головой сияет ослепительное солнце, на деревьях
не шелохнется лист. Столбом поднимается вверх дым из труб, растворяясь в неподвижном
воздухе. Душно и жарко. Но вот потянуло свежестью. Зашевелились листья деревьев.
Прозрачный столб дыма, изогнувшись, поплыл в сторону. Тронулись массы жаркого застоявшегося воздуха.
Постепенно движение воздушного потока усиливается, вот уже свежий, прохладный
воздух ударяет в лицо. Под напором набегающих масс воздуха колеблются ветви и молодые деревца. Рваными клубами уносится вместе с движущимся воздухом дым из труб.
Такое перемещение воздушных масс над землей и называют ветром.
И в самом деле, убедиться в том, что движение воздуха рождает ветер, совсем не
трудно. Помашите перед собой книгой, газетой или платком – воздух придет в движение,
и вы почувствуете на своем лице легкий освежающий ветерок.
В постоянном движении находится воздух над землей. От экватора до полюсов –
всюду, во всех направлениях, перемещаются в атмосфере огромные массы воздуха, всюду, во всех направлениях, дуют ветры.
Первопричина, вызывающая перемещения воздушных масс, проста. По-разному нагревают солнечные лучи землю. Лес нагревается слабее, чем луг; луг – слабее, чем вспаханное поле или песчаный берег реки. Черная земля и песок поглощают много больше тепла, чем лес и зеленая трава.
А от различно нагретых участков
земли по-разному нагреваются и массы
воздуха, лежащие над ними. Нагретый
воздух стремится расшириться, раздаться
в стороны. Плотность воздуха при этом
уменьшается, он становится легче и устремляется вверх, его вытесняет слой рядом лежащего более холодного, а значит,
и более плотного воздуха.
Но ведь если воздух, согревающийся, скажем, над лугом, будет постоянно уходить кверху, то естественно, что на его место
будет также постоянно притекать более холодный и более тяжелый воздух с менее нагретых участков, например из леса. Так возникают постоянные воздушные потоки, так рождается в природе ветер.
Плотность, давление воздуха меняются над землей постоянно. Сегодня давление в
каком-то месте повышается, завтра, наоборот, начинает падать. И так происходит всюду.
И всюду благодаря этому возникают ветры. Подобно тому, как вода в реке течет в сторону
наибольшего уклона, так и воздух стремится туда, где его меньше, где ниже атмосферное
давление. И чем больше разность в атмосферном давлении каких-либо соседних районов,
тем стремительнее здесь движение воздушного потока, тем сильнее здесь дует ветер. Скорость ветра оценивают с помощью 12-балльной шкалы Бофорта.
Происхождение ветров
Ветер представляет собой перемещение воздушных масс из одного места в другое.
Причина этого – разница давлений воздуха на одном и том же уровне в соседних местах.
Есть две главных причины, обусловливающие и поддерживающие неравномерное распределение давления: нагревание и увлажнение воздушных слоев.
102
Физика. 7 класс. Рабочая тетрадь
Рассмотрим влияние нагревания. При сильном нагревании почвы нагревается и воздух, находящийся над ней. Плотность нагретого воздуха становится меньше, и он по закону
Архимеда поднимается вверх – получается
восходящее течение воздуха (вблизи С). На некоторой высоте поднявшийся воздух растекается в стороны и вызывает повышение давления в соседних областях. Таким образом, возникает центр низкого давления, окруженный
областью высокого давления.
Вследствие неравенства давлений воздух
начинает перемещаться – от мест большего давА
В
С
ления к местам меньшего давления. Кроме восходящего течения образуется еще нисходящее течение (вблизи В). В результате образуется
нижний ветер – воздух перемещается к центру низкого давления, а в противоположном направлении − верхний ветер.
Рассмотрим теперь влияние влажности воздуха. Водяные пары при одинаковых условиях имеют меньшую плотность, чем воздух. Поэтому сырой воздух имеет меньшую
плотность, чем сухой при тех же условиях. Когда теплый и сырой воздух поднимается
вверх, он расширяется и вследствие этого охлаждается. Охлаждение может быть столь
сильным, что водяные пары приходят в состояние насыщения и переходят в капельножидкое состояние. Масса, а значит, и плотность остающейся смеси воздуха и пара становится меньше. Кроме того, при обращении пара в жидкость выделяется скрытая теплота
парообразования, остающаяся смесь нагревается, плотность ее уменьшается – это также
вносит свой вклад в поддержание восходящего течения сырого воздуха. В результате в
данном месте устанавливается пониженное давление.
Неодинаковое повышение температуры воды и суши приводит к возникновению
«береговых» ветров («бризы» с суточным периодом и «муссоны» с годовым). Неодинаковость нагревания северного и южного склонов гор – к образованию «горных» ветров. Подобные же воздушные потоки чисто местного значения могут возникать около всяких
предметов, так и или иначе влияющих на распределение температур (здания, группы деревьев и т.п.). Эти местные течения могут иметь большое значение для микроклимата
данного участка. При выборе места для разного рода посадок изучение этих местных течений может оказаться очень полезным.
Такие же течения могут возникать и в закрытых помещениях – комнатах, оранжереях, парниках, хлевах. Для их изучения можно использовать разные способы: наблюдения
над отклонением легких флажков из папиросной бумаги, движением струек дыма, полетом легких семян и др.
Пылевые бури против ураганов
Занимаясь проблемой формирования штормов, американские ученые из университета Висконсина-Мэдисона А. Эван с коллегами изучили сделанные в 1982–2005 годах
спутниковые снимки африканской пыли, «сдувавшейся» в Атлантический океан, и сопоставили их с тропической штормовой активностью.
Ученые установили, что в те годы, когда в Африке были сильные пылевые бури,
тропические штормы случались редко, и наоборот – когда бурь почти не было, штормы
оказывались сильными. И хотя зависимость казалась очевидной, определить ее характер
было весьма затруднительно.
Раздел 5. Материалы для подготовки к конференции
103
Однако исследователи смогли предложить три основных варианта действия пылевых
бурь на штормы:
- попадание пыли в шторм создает нисходящие потоки, что тормозит восходящие, которые необходимы для развития шторма;
- ветры, несущие пыль со стороны Сахары, дуют на средних высотах, что ограничивает движение восходящих потоков воздуха, а значит, и их превращение в
ураган;
- пыль поглощает тепло, что стабилизирует состояние воздуха, в результате чего
опять-таки прекращаются восходящие потоки.
Ученые пока не смогли продемонстрировать, как именно пыль взаимодействует с
ураганом, но факт связи между ними можно считать доказанным.
Туман
Туман образуется в низинах, оврагах, болотистых местах, над рекой, озером или морем. Он стелется над самой поверхностью земли или воды, может образовывать слой толщиной меньше метра, а может распространяться на десятки метров вверх. Иногда ошибочно полагают, что туман – это водяной пар. Когда на кухне долго кипит чайник или в
ванной комнате принимают горячий душ, помещение заполняется паром. Увы, водяной
пар, как и воздух, невидим. Ведь это газ, молекулы которого столь далеко расположены
друг от друга, что не могут составить материю, видимую невооруженным глазом. Так что
же мы видим? Скопление мелких капелек воды или кристалликов льда, в которые при определенных условиях превращается водяной пар. Это и есть туман.
Вот несколько примеров, когда в природе образуется туман. Летним утром мы подошли к озеру и увидели туман; выглянуло солнышко – и туман растаял как сон. Мы сели
в автомобиль и помчались по холмистой дороге. Не удивительно ли – в низкой ложбинке
машину окутал плотный туман? А зимой можно увидеть туман вблизи покрытого снегом
холодного берега реки.
А вот еще одна зарисовка. Горное озеро, освещенное ярким солнцем. Теплый воздух,
смешанный с водяным паром, поднимается вверх по склону, охлаждается и превращается
в туман. Этот туман медленно сползает по склону вниз.
Зачем нужен увлажнитель воздуха?
Прочитайте рекламу увлажнителя воздуха. Какая информация вызывает у вас доверие, что следует проверить?
«Организм человека почти на 80% состоит из воды, которая обеспечивает жизнедеятельность как внутренних органов, так и поверхностного слоя кожи и слизистых оболочек. Недостаток влаги чреват старением и дряблостью кожи, снижением сопротивляемости
организма инфекции. Болезнетворные организмы в большей или в меньшей степени присутствуют в воздухе постоянно. Их влияние на здоровье человека ограничивается иммунной
способностью организма, испытание которой начинается именно со слизистых оболочек дыхательных путей. Увлажнитель воздуха поможет оградить от болезней Вас и ваших детей.
Рассмотрим один из факторов риска. Почему зимой воздух в помещении слишком
сухой? Чем ниже температура воздуха, тем меньше он способен удерживать в себе влагу.
Проветривая комнату в зимнее время, мы подаем в помещение холодный и сухой воздух с
улицы. Здесь его температура повышается, но в отсутствие увлажнителя воздуха уровень
влажности остается низким.
Сохранность таких предметов, как мебель, паркет, музыкальные инструменты, картины, книги, так же во многом зависит от влажности воздуха, недостаточный уровень которой может обернуться безвозвратным снижением ценности этих предметов.
Приборы для увлажнения воздуха незаменимы в быту – они поддерживают оптимальный
уровень влажности воздуха для здоровья людей и для сохранности имущества».
104
Физика. 7 класс. Рабочая тетрадь
Насыщенный пар и влажность воздуха
В атмосферном воздухе всегда находится некоторое количество водяных паров.
Присутствие этих паров имеет существенно значение для органической жизни на Земле.
Например, для человека вреден как слишком сухой воздух, в котором очень мало водяных
паров, так и слишком влажный, который близок к насыщению. Насыщением называют
такое состояние воздуха, при котором дополнительное испарение воды не приводит к увеличению количества влаги в воздухе.
Насыщенный водяной пар получить очень просто в домашних условиях. Налейте в
банку немного воды и герметично закройте ее. Сначала количество воды будет уменьшаться (правда, на глаз это заметить вряд ли удастся), но через некоторое время процесс
испарения как будто остановится. На самом деле возросла концентрация водяного пара,
процессы конденсации и испарения уравновесили друг друга, и под крышкой возникло
динамическое равновесие воды и пара.
В цилиндре, закрытом поршнем, заключены жидкость и ее насыщенный пар. Опишите изменения, которые будут сопровождать следующие процессы: 1) нагреваем жидкость при фиксированном положении поршня; 2) вдвигаем поршень в цилиндр при постоянной температуре; 3) выдвигаем поршень из цилиндра при постоянной температуре; 4)
вдвигаем поршень и одновременно охлаждаем жидкость.
Воспользуйтесь таблицами в разделе «Справочные материалы» и найдите количество воды, которое необходимо налить в трехлитровую банку, чтобы достичь насыщения, если: а) в банке был сухой воздух; б) воздух был на полпути к насыщению.
Для того чтобы судить о том, насколько воздух в данный момент близок или далек
от состояния насыщения, определяют так называемую абсолютную и относительную
влажность. Абсолютной влажностью воздуха называется то количество паров, выраженное в граммах, которое содержится в данный момент в одном кубическом метре воздуха
(плотность водяного пара)1.
Относительная влажность показывает, насколько близок или далек водяной пар от
насыщения. Относительную влажность измеряют в процентах: 0% соответствует абсолютно сухому воздуху, 100% – воздуху, содержащему насыщенный пар. Для того чтобы
найти относительную влажность, надо найти отношение абсолютной влажности, которую
имеет воздух в данный момент времени, к абсолютной влажности, которая насытит воздух
при той же температуре.
Для того чтобы на опыте найти абсолютную влажность, поступают следующим
образом. В том пространстве, в котором желают найти абсолютную влажность, помещают ряд сушилок a, b, c (см. рисунок). Сушилки представляют собой трубки, наполА
ненные веществом, способным поглощать
водяные пары (например, фосфорно-кислым
кальцием, серной кислотой и т.п.), и соедиa
b
c
няют с сосудом А известной емкости V, наK
полненным водой. Открыв кран K, выпускают воду, атмосферный воздух входит через сушилки в пространство, освобождаемое водою, и по дороге оставляет в них содержащиеся пары. Зная массу сушилок до опыта и по
окончании его, легко вычислить абсолютную влажность.
1
Часто абсолютной влажностью называют не плотность, а давление водяного пара.
Раздел 5. Материалы для подготовки к конференции
105
Для нахождения относительной влажности надо уметь определять плотность паров,
насыщающих пространство. Рассмотрим один из способов. Сосуд А (см. рисунок), содержащий испытуемую жидкость, соединен с баллоном В известной емкости. Закрыв кран С
и открыв D, выкачиваем из В воздух. После этого, закрыв D и открыв
E
С, погружаем весь снаряд в сосуд, содержащий, например, масло определенной температуры. Часть испытуемой жидкости испаряется в В и
D
насыщает пространство. Теперь осталось отделить эти пары и взвесить
их. Для этого закрывают кран С, открывают кран D и прокачивают пары через вещество, которое способно хорошо их поглощать. Определив
прибавку в весе этого вещества и разделив на объем сосуда A, находим
В
абсолютную влажность насыщенных паров, а затем и относительную
влажность. Такой прибор называется весовым гигрометром.
Опытные исследования показали, что пары всех жидкостей, насыщающих пространство, имеют тем большую плотность, чем выше
С
температура. Так, например, при температуре воздуха 14 °C в каждом
кубическом метре воздуха может содержаться до 12 г водяных паров, а
А
при температуре 11 °C – не более 10 г.
Сколько сконденсируется водяного пара в комнате 4×8×3 м, если
температура воздуха понизится с 14 °C до 11 °C?
Конденсационный гигрометр
Прибор предназначен для измерения влажности воздуха. Он состоит
из устройства для охлаждения металлического зеркальца. Часто это делают заливая в специальный резервуар быстро испаряющуюся жидкость –
эфир. Чтобы ускорить испарение, продувают через устройство воздух.
Температура зеркальца падает, и на нем появляются следы воды, конденсирующейся из окружающего воздуха. В этот момент оптическим или
электрическим устройством фиксируется температура в момент конденсации. Затем по специальным таблицам находят абсолютную влажность воздуха и рассчитывают относительную.
Температура, при которой пары воды, содержащиеся в воздухе, становятся насыщенными, называется точкой росы. Это максимальная масса
пара, которая может содержаться в воздухе данной температуры.
Волосной гигрометр
Волосной гигрометр – гигрометр, измеряющий относительную влажность воздуха по изменению длины человеческого
волоса. Принцип действия волосного гигрометра основан на
свойстве обезжиренного человеческого волоса удлиняться при
увеличении относительной влажности воздуха.
Волосной гигрометр в зимнее время является основными
прибором для измерения влажности воздуха. Показания волосного гигрометра периодически сравниваются с показаниями более точного прибора – психрометра.
Психрометр
От греч. psychros – «холодный» и metreo – «измеряю».
Психрометр – прибор для измерения температуры и влажности воздуха, состоящий
из двух одинаковых жидкостных термометров, у одного из которых (смоченного) резервуар с жидкостью обернут ленточкой ткани (батиста), конец которой опущен в воду, так что
ткань остается влажной в течение периода наблюдений. Температура воздуха определяется по сухому термометру, влажность воздуха (абсолютная и относительная) – по разности
показаний сухого и смоченного термометров (при помощи специальных таблиц).
106
Физика. 7 класс. Рабочая тетрадь
Пересыщенный пар
Пример влияния границы раздела на свойства системы «жидкость – пар» мы встретим там, где эта граница еще не образовалась, а именно – в пересыщенном паре.
Если насыщенный пар контактирует с жидкостью, то охлаждение или сжатие неминуемо приводят к конденсации. Однако, если жидкость отсутствует, изотермически сжимая пары или охлаждая их при постоянном объеме, можно их перенасытить. Для образования жидкости необходимо образование капелек-«зародышей», а в «чистом» паре их образование затруднено, так как давление пара велико и сильно препятствует сжатию до тех
пор, пока нет центров конденсации. Такими центрами в реальной среде становятся неоднородности. В сосудах есть дефекты или загрязнения стенок, а в атмосферном воздухе –
микроскопические пылинки. При охлаждении конденсация начинается именно вблизи
этих центров, которые играют роль зародышей и стимулируют переход пара в жидкость.
Поэтому перенасыщенный пар редко наблюдается в естественных условиях. Когда летним
утром выпадает роса, воздух особенно чист, в нем нет пыли.
Переход из одного агрегатного состояния в другое начинается вблизи чужеродных
дефектов. Так, например, иней выпадает на мельчайших веточках, на ресницах. Такая чувствительность к присутствию зародышей находит практическое применение при выращивании высококачественных монокристаллов. Небольшой монокристалл-затравку погружают в почти равновесный расплав, где он становится единственным кристаллизационным центром. Но выращивание больших монокристаллов требует большого времени – от
нескольких недель до нескольких месяцев.
Перегретая жидкость
Как известно, жидкость испаряется при любой температуре, но кипение начинается
только по достижении вполне определенной температуры. Что представляет собой кипение? Этот такой особенный процесс, когда пары образуются не только на поверхности
жидкости, но и по всему ее объему. Для того чтобы понять, как образуется перегретая
жидкость, разберемся с тем, как начинается процесс кипения.
Внутри каждой жидкости обычно находятся небольшие пузырьки воздуха, незаметные глазу, но в которые жидкость может испаряться. Давление пара несколько увеличивает пузырьки в размерах, они пристают к стенкам сосуда и могут медленно подниматься
вверх. Если поставить сосуд с водой на нагреватель, мы заметим, как постепенно увеличивается количество всплывающих пузырьков, они увеличиваются в объеме, сливаются
друг с другом, и наконец вода начинает «бурлить».
Когда внутри жидкости и в особенности на стенках сосуда нет пузырьков воздуха, кипение задерживается; жидкость может быть перегрета несколько выше точки кипения.
Опасность перегревания возникает во всех тех случаях, когда жидкость долго кипит в одном и том же сосуде, так как при этом из жидкости выделяется весь поглощенный ею воздух.
Кипение в невесомости
В невесомости кипение становится гораздо более медленным процессом. Однако,
как обнаружили французские физики, вибрация жидкости может привести к резкому ее
вскипанию. Этот результат имеет значение для космической индустрии.
Раздел 5. Материалы для подготовки к конференции
107
Когда вода кипит в обычных земных условиях, пузырьки пара, отрываясь от источника тепла, устремляются вверх, а на их место поступает новая порция жидкости.
В результате активного
перемешивания
многократно
увеличивается
скорость
парообразования.
Кипение воды на Земле и в условиях невесомости (изображение с сайта nasa.gov)
Ключевую роль в этом бурном процессе играет сила Архимеда, действующая на пузырек, которая не действует в условиях невесомости. Поэтому вокруг нагревательного
элемента образуется прослойка пара, которая препятствует передаче тепла всему объему
жидкости. По этой причине кипение жидкостей в невесомости будет протекать совершенно иначе, чем на Земле. Понимание этого процесса крайне важно для успешного функционирования космических аппаратов, несущих на борту тонны жидкого топлива.
Важно понять, какие физические явления могут ускорять кипение в невесомости.
В недавней статье французских физиков (Д. Бейсенс и др.) описываются результаты исследования того, как высокочастотные вибрации влияют на скорость кипения.
В качестве рабочего вещества выбрали жидкий водород – самое легкое ракетное топливо. Состояние невесомости создавалось искусственно – с помощью сильного неоднородного магнитного поля, которое компенсировало силу тяжести, а температура и давление образца были подобраны так, чтобы фазовый переход происходил как можно медленнее и можно было бы заметить все его особенности.
Основной результат экспериментов состоит в том, что в условиях невесомости под
действием вибрации внутри перегретой жидкости появляется сеть мелких, размером в доли миллиметра, пузырьков пара в жидкости. Вначале пузырьки растут медленно, но
спустя 1–2 секунды от начала воздействия весь процесс резко убыстряется: жидкость
вскипает.
Переохлаждение жидкостей
Если жидкость охлаждать очень медленно, не сообщая ей никаких толчков, то можно охладить ее и ниже температуры ее затвердевания при данном давлении. В таком состоянии жидкость называется переохлажденной. Если сообщить ей после такого охлаждения толчок, жидкость сразу затвердеет, причем ее температура поднимется до температуры затвердевания (плавления). В зависимости от того, насколько была переохлаждена
жидкость, замерзнет все ее количество или только часть – приблизительные расчеты нетрудно провести, если вспомнить закон сохранения энергии.
А вот описание эффектного опыта: расплавляем соль, называемую серноватистокислым натром (гипосульфит), и осторожно охлаждаем ее до 10–12 °C. При встряхивании
соль затвердевает, и температура ее повышается приблизительно до 48 °C.
108
Физика. 7 класс. Рабочая тетрадь
Сжижение газов
Рассмотрим агрегатные переходы на молекулярном уровне. Молекулы жидкости и
твердого тела располагаются почти вплотную друг к другу – расстояние между ними примерно равно диаметру молекулы (см. рисунок).
Частицы газа находятся на значительном удалении друг от друга и поэтому практически не взаимодействуют. Можно было бы сказать, что они «не
d
знают друг о друге», если бы не многочисленные столкновения. Диаметр молекулы примерно равен 0,0000000004 м. Чтобы не возиться с
таким количеством нулей, воспользуемся очень удобной в атомной
физике единицей – нанометр (1м = 1 000 000 000 нм). Тогда
d ≈ 0,4 нм. Частицы непрерывно движутся, но можно оценить среднее
расстояние между ними (представим себе мгновенную фотографию
всех частиц). Это расстояние зависит от концентрации частиц, которая существенно зависит от условий. Например, при нормальных условиях расстояние между частицами оценивается в несколько нанометров (это примерно в 10 раз больше диаметра частицы). Если взять
разреженный газ при давлении в несколько мм рт. ст., расстояние между частицами окажется примерно в 100 раз больше их диаметра. Еще немного цифр. Длина свободного
пробега частиц (расстояние между соударениями) в среднем при н. у. 100 нм, а для разреженного газа – 100 000 нм. При н. у. частица испытывает около 1010 соударений в секунду (интересно, во сколько раз уменьшается эта величина для разреженного газа?).
Расстояние между молекулами можно оценить по плотности вещества в жидком и
газообразном состоянии. Очень грубо плотности отличаются в 1000 раз, а это значит, что
объем, приходящийся на одну молекулу газа, в 1000 раз больше, чем на молекулу жидкости (речь идет, конечно, не об объеме самой молекулы). Следовательно, расстояние между
молекулами газа примерно в 10 раз больше, чем расстояние между молекулами жидкости.
Можно считать, что молекулы жидкости плотно упакованы (расстояние между центрами
молекул примерно равно диаметру молекулы – см. рисунок). Значит, расстояние между
молекулами газа примерно равно 10 диаметрам молекулы.
Какие же задачи должно решить вещество, чтобы превратиться из газа в жидкость?
Прежде всего сблизить частицы, т.е. сжать газ. Нетрудно заметить, что для увеличения
плотности в сотни раз надо уменьшить объем данной массы газа также в сотни раз. Если
сжать газ резко (адиабатически), ничего не получится: во-первых, резко возросшее давление может оказать серьезное сопротивление сжатию, во-вторых, сблизившись, молекулы
так и не начнут сцепляться друг с другом (разогнавшись в адиабатическом процессе до
огромных скоростей, они не смогут образовать капельки жидкости). Гораздо лучше проводить процесс изотермически, достаточно медленно, отбирая у газа лишнее тепло. И вот
тут экспериментатор сталкивается с еще одной трудностью. Оказывается, для каждого газа существует такая температура (ее назвали критической), выше которой газ никаким
сжатием не удается перевести в жидкое состояние. Значит, на пути сжижения газа помимо
создания высоких давлений возникает еще одна проблема – достижение довольно низких
температур. Так, воздух надо охладить ниже –140 °C, водород ниже –240 °C.
Обратите внимание на газ гелий. Его критическая температура всего на несколько
градусов выше абсолютного нуля. Этот газ неслучайно получил название «инертный» –
его молекулы очень слабо взаимодействуют друг с другом. Заставить их «склеиться» и
образовать жидкость очень трудно, именно поэтому температура сжижения всего 4,2 K и
дальнейшее охлаждение не переводит гелий в твердое состояние (это возможно только
при давлении свыше 25 атм., когда еще большее сокращение расстояния между молекулами усиливает притяжение молекул). При сверхнизких температурах проявляются совершенно необыкновенные явления – сверхтекучесть, сверхпроводимость.
Раздел 5. Материалы для подготовки к конференции
109
Смачивание в природе
Θ
Θ
«Любовь» и «страх»
Если поместить каплю жидкости на плоскую поверхность, она либо растечется по ней,
либо примет округлую форму. Например, ртуть
на стекле, вода на парафине или на «жирной» поОстрый краевой угол возникает на
верхности принимают форму капельки. В этом
смачиваемой
(лиофильной) поверхности,
случае говорят, что жидкость не смачивает потупой – на несмачиваемой (лиофобной)
верхность или поверхность по отношению к данной жидкости лиофобна (от греч. лио – «растворяю», фобио – «бояться»). Капли воды на
стекле, масла на сковороде расплываются, и говорят, что жидкость поверхность смачивает, или поверхность – лиофильна (филио – «любить»).
Объясняют явление смачивания так: если молекулы жидкости притягиваются друг к
другу сильнее, чем к молекулам твердого тела, жидкость стремится собраться в капельку,
если же молекулы жидкости притягиваются друг к другу слабее, чем к молекулам твердого тела, жидкость расплывается по поверхности.
Управление смачиванием
Поскольку все определяется силой взаимного притяжения молекул жидкости и твердого тела, надо исследовать, как управлять этими свойствами. Можно предположить, что
силы взаимодействия молекул зависят от температуры, и проверить это. Можно подмешивать к жидкости вещества, способные менять силу взаимного притяжения молекул в
поверхностном слое. Достаточно влить в воду немного мыльного раствора, чтобы заметно
снизить ее поверхностное натяжение. А вот добавление глицерина, наоборот, приведет к
увеличению краевого угла. Изменение давления влияет на поверхностное натяжение. Ниже рассказано, как меняются свойства поверхности, если ее зарядить. Животные и растения в процессе эволюции выработали много способов управления смачиванием, и эти
способы можно у них перенять. Один из них – смазка.
Намажьте часть поверхности стекла маслом, а другую часть мылом и капните на них
по капельке воды, вы увидите, что смачиваемость поверхности от разных смазок изменяется по-разному. В случае воды говорят о гидрофильных и гидрофобных покрытиях.
Именно водоотталкивающая смазка помогает многим животным спасаться от излишнего
намокания. У пингвинов и гагар пуховые перья обладают гидрофобными свойствами.
Почему большая капля поглощает маленькую?
Если на несмачиваемую поверхность поместить две капельки, неравные по размеру,
и накрыть колпаком, то большая капля со временем поглотит маленькую.
Под колпаком присутствует пар, в том числе и те молекулы, которые покинули капли. Часть молекул покидает капли, а часть возвращается вновь. И для капель разных размеров соотношение молекул, покинувших поверхность и вернувшихся обратно, будет
разным. Интенсивность конденсации зависит от концентрации паров под колпаком и
площади поверхности капель. Концентрация паров для всех капель одинакова, а
площадь поверхности больше у большой.
Скорость испарения у маленькой капли
интенсивнее, потому что чем поверхность
капли более выпукла, тем у молекул на
этой поверхности меньше соседей, что
Молекула, находящаяся вблизи выпуклой
видно на рисунке. Большая капля оказываповерхности, связана с меньшим числом
ется наиболее устойчивой и может постесоседей. Это облегчает испарение
пенно поглощать маленькую.
110
Физика. 7 класс. Рабочая тетрадь
В процессе испарения, таким образом, искривление поверхности может сыграть существенную роль, а на кривизну существенным образом влияют смачиваемость и сила
тяжести. Большую каплю сила тяжести сплющивает больше.
Смачивание и нанотехнологии
Нанотехнологии – это широкий спектр современных исследований в области микробиологии, химии, информатики, военного дела, основанные на работе с молекулами и
атомами, то есть с объектами, размеры которых порядка 10–9 ≈ 0,00000001 м. И последние
открытия в этой области внесли новое в знания о смачивании. Структура поверхности
вносит свой вклад в смачивание, причем может его как усилить, так и ослабить.
В природе можно наблюдать различные рельефные поверхности, например, губки,
поверхность которых гидрофильна, прекрасно впитывают воду. А у бриллиантовоголубых бабочек вида Morpho sulkowskyi рельеф крыльев гидрофобный, что служит для
защиты от воды: намокнув, они не смогли бы летать.
Гидрофобной оказалась поверхность у цветков лотоса, лепестки которого сухие и
чисто-белые, потому что попав на такую поверхность капли скатываются с нее, унося загрязнения. «Эффект лотоса» нашел применение для создания самоочищающихся покрытий и красок.
Китайские ученые недавно смастерили «наноковер» – из оксида цинка, поверхность
которого образована густорасположенными «ворсинками» диаметром всего 50–150 нанометров. Этот материал переходит из гидрофобного в гидрофильное состояние под действием ультрафиолета. Под действием облучения в поверхностном слое полупроводника
накапливается заряд. В темноте заряд стекает, поверхность опять становится гидрофобной. Пока время обратного переключения составляет несколько дней.
Американские ученые из фирмы Lucent Technologies вырастили ворсистую наноструктуру, названную ими «нанотрава», на пластинке кремния. «Нанотравинки» кремния
представляют собой аккуратные столбики диаметром 350 нм и высотой 7 микрон, поэтому
в отличие от китайского его назвали не ковром, а газоном. Материал оказался супергидрофобным: площадь касания шариков жидкости с «нанотравой» очень мала, поэтому они
чрезвычайно подвижны – малейший наклон поверхности приводит к их быстрому скатыванию и очищению поверхности.
Кристаллизация в природе
Слово «кристалл» звучит почти одинаково во всех европейских языках. Много веков
назад в Альпах, на территории современной Швейцарии, нашли очень красивые, совершенно бесцветные кристаллы, очень напоминающие чистый лед. Их назвали «кристаллос», по-гречески – лед; это слово происходит от греческого «криос» – холод, мороз.
Полагали, что лед, находясь длительное время в горах, на сильном морозе, окаменевает и
теряет способность таять.
Один из самых авторитетных античных философов Аристотель писал, что
«кристаллос рождается из воды, когда она полностью утрачивает теплоту».
Римский поэт Клавдиан в 390 году то же самое описал стихами:
«Ярой альпийской зимой лед превращается в камень.
Солнце не в силах затем камень такой растопить».
Такой же вывод сделали в древности в Китае и Японии – лед и горный хрусталь обозначали там одним и тем же словом. Самый распространенный вид кристаллизации в природе – это кристаллизация воды.
О кристаллизации воды в реках и озерах мы уже рассказывали. Но вода и водяные
пары могут превращаться в лед не только в озерах и реках, кристаллизация происходит
также в воздухе, на ветках деревьев, на проводах, на оконных стеклах. Эти образования
метеорологи называют по-разному: зернистая изморозь, кристаллическая изморозь,
мокрый снег, замерзшая роса, иней, инеевые цветы, гололед, гололедица...
Раздел 5. Материалы для подготовки к конференции
111
В зависимости от условий образования – влажности воздуха, перепадов температуры, направления ветра – результаты кристаллизации разные. Некоторые из этих явлений могут принести большой ущерб.
При малой влажности воздуха в холодные ясные и
безветренные ночи на еще не покрытую снегом почву,
стены домов, окна, скамейки ложится иней. Иней – это
мелкие кристаллики, похожие на крошечные снежинки,
образующие разнообразные узоры. Иней никогда не
образуется на тонких ветвистых предметах.
В отличие от инея изморозь образуется на ветвях и
сучьях деревьев, на проводах, на заборах. Это более
крупные кристаллы, появляются они в морозную погоду
при очень высокой влажности воздуха. Различают изморозь двух видов: кристаллическую и зернистую.
Кристаллическая – это белый осадок, состоящий
из стекловидных кристаллов льда плотностью (0,4 г/см3). Зернистая отличается от кристаллической меньшей плотностью: 0,1–0,4 г/см3. Она нарастает в туманную, ветреную
погоду и чаще всего в горах. Зернистая изморозь по структуре занимает промежуточное
положение между гололедом и кристаллической изморозью. От гололеда отличается
снежно-белым цветом.
Отложения кристаллической изморози часто становятся причиной аварий. Их вероятность повышается при ветрах со стороны крупных водоемов – идет интенсивная подача влаги, процессы кристаллизации протекают особенно интенсивно. Если начинается
потепление, то образовавшийся слой может уплотниться и превратиться в лед. И тогда
изморозь может превратиться в гололед. На поверхности земли, на дорогах, на крышах
домов нарастает корка плотного льда толщиной в несколько сантиметров. Растет этот
слой и на ветках деревьев, и на проводах и мачтах электропередач. При усилении ветра
ветки начинают ломаться, линии электропередач рушатся.
Метеорологи отличают гололед от гололедицы. Гололедицей называют корку замерзшей на почве талой или дождевой воды. Дороги становятся скользкими и опасными, возрастает число травм. Наносится ущерб сельскому хозяйству: выпревают хлеба,
скот, находящийся на подножном корму, страдает и гибнет от бескормицы.
Гололед возникает, когда после сильных морозов натекает теплый влажный воздух
и при этом на холодную землю выпадает переохлажденный дождь, морось или туман.
Образуется ледяная корка, которая может становиться все толще и толще... Нарастает
гололед быстро, в течение нескольких часов, а разрушение идет несколько суток, в основном за счет испарения льда.
Замечено, что на проводах, находящихся под напряжением, величина отложившегося льда может быть на 30% больше, чем на проводах обесточенных. И еще: гололедные отложения усиленно нарастают в направлении, перпендикулярном направлению
ветра. Размеры могут отличаться в три раза, но чем больше радиус отложений, тем
меньше их плотность. Наледи диаметром 80–100 мм являются серьезным препятствием
ветру. Отложения гололеда, которые в диаметре менее 50 мм, плотнее, жестче и тяжелее, они увеличивают вес каждого погонного метра провода на 150 до 200 г. На Валдае
зарегистрировали местный рекорд – 424 г на метр, стандартный пролет между столбами – 50 м, что добавляет более 20 кг дополнительного веса.
В 2004 году на средней Волге толщина гололедно-изморозных отложений на проводах линий электропередачи составила 380 мм! Во время сильнейшего гололеда в Сочи
в 1963 году толщина отложений льда на телеграфных проводах вместе с сосульками
достигала 350 мм, а вес отложений на одном погонном метре провода – около 7 кг.
Таким образом, провода испытывают двойную нагрузку – весовую и ветровую – и может возникнуть опасность разрыва проводов, падения столбов и опор.
112
Физика. 7 класс. Рабочая тетрадь
В Краснодарском крае, в Приморье, на Сахалине едва ли не ежегодно случаются
аварии на линиях электропередач, и тысячи людей остаются без электроэнергии. Останавливается движение электропоездов на железных дорогах. Гололед оказывается губительным для деревьев, обламываются не только ветки, но нередко падают и сами деревья: вековые магнолии, эвкалипты, кипарисы, дубы и грабы выворачиваются с корнями.
В этих районах зимой часто погода благоприятна для нарастания гололеда – это температура у поверхности земли 3–5 °C и сильные влажные ветры.
Зарождение ледяных рисунков на оконных стеклах
Оказывается, очень часто самые первые кристаллы льда появляются на оконных
стеклах не произвольно, не где попало, а вдоль царапин, микротрещин и других дефектов,
которые всегда есть на стеклах. Эти кристаллы делают видимыми до этого скрытые
дефекты.
Это явление называется декорированием (от латинского decoro – «украшаю»). Оно наблюдается не только
зимой при замерзании оконных стекол, но и в случаях
при конденсации паров или при осаждении какого-либо
вещества на поверхности аморфного или кристаллического твердого тела с нарушенной структурой поверхности.
Линии, вдоль которых нарушено правильное расположение атомных плоскостей в кристалле, приводят к тому, что атомам осаждаемого
вещества оказывается энергетически выгодно выстраиваться на поверхности около дефектов. Размеры дефектов соизмеримы с атомными, а размеры кристаллов в ходе роста могут
их значительно превышать.
Если превращение «твердое тело – пар» проходит через жидкую фазу, то микротрещины и поры на поверхности тела способствуют конденсации паров вещества. Это явление называется капиллярной конденсацией, и суть его заключается в том, что давление
насыщенных паров над искривленной (вогнутой) поверхностью жидкости меньше, чем
над плоской. Поэтому вода конденсируется прежде всего в порах и трещинах. При дальнейшем охлаждении и замерзании вдоль трещин и вблизи пор появляются кристаллы
льда.
Некоторые физические свойства строительных материалов
В настоящее время строительная индустрия развивается в направлении создания
теплосберегающих строительных материалов. Наиболее перспективными материалами
считаются ячеистые бетоны и бетоны на легких заполнителях.
Группу физических свойств строительных материалов составляют, во-первых, параметры физического состояния материалов и, во-вторых, свойства, определяющие отношение материалов к различным физическим процессам. К первым относят плотность и пористость материала, ко вторым – гидрофизические свойства (водопоглощение, влажность,
водопроницаемость, водостойкость, морозостойкость), теплофизические (теплопроводность, теплоемкость, температурное расширение).
Пористостью называется отношение объема пор к общему объему материала.
Пористость строительных материалов колеблется в широких пределах – от 0 (сталь,
стекло) до 95% (пенобетон). Энергосберегающие строительные материалы обладают высокой пористостью.
Предположите, как взаимосвязаны плотность и пористость материалов, пористость и теплопроводность, пористость и морозостойкость?
Раздел 5. Материалы для подготовки к конференции
113
Сравните свои предположения с табличными данными.
Наименование
Гранит
Тяжелый бетон
Керамический кирпич – обыкновенный
Керамический кирпич – пустотелый
Вулканический туф
Сосна
Пенобетон
Полистиролбетон
Пенополистирол
Плотность, кг/м3
Пористость,
%
истинная средняя
2700
2500
7,40
2600
2400
10,00
2650
1800
32,00
2650
1300
51,00
2700
1400
52,00
1530
500
67,00
2600
700
85,00
2100
400
91,00
1050
40
96,00
Теплопроводность,
Вт / (м⋅°С)
2,80
1,16
0,80
0,55
0,50
0,17
0,18
0,10
0,03
Попытайтесь связать разность средней и истинной плотности с пористостью и
дать определения этих величин.
Водопоглощением материала называется его способность впитывать и удерживать в
своих порах воду. Водопоглощение всегда меньше пористости.
Предположите, как меняются у материала в результате насыщения водой плотность, теплоемкость и теплопроводность?
Морозостойкостью называется способность материала в насыщенном водой состоянии выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без признаков
разрушения и без значительного понижения прочности.
Морозостойкость материалов зависит от их плотности и степени заполнения водой.
Образцы испытываемого материала, в зависимости от назначения, должны выдержать от 15 до 50 и более циклов замораживания и оттаивания. Морозостойкость имеет
большое значение для стеновых материалов, которые подвергаются попеременному воздействию положительной и отрицательной температуры, и измеряется в циклах замораживания и оттаивания.
Чем больше пористость и меньше средняя плотность, тем хуже материал проводит
тепло, что очень существенно для наружных стен и покрытий. Такие материалы называются теплоизоляционными (минеральная вата, полистирол, пенобетон, полистиролбетон и
др.). Они применяются для утепления стен и покрытий. Значительно возрастает теплопроводность материалов с увлажнением.
Прочитайте определения теплопроводности, выделите, что в этих определениях
видимое, а что мыслимое. Что отличает эти определения?
Теплопроводностью называется способность материала проводить тепло. Теплопередача происходит в результате перепада температур между поверхностями, ограничивающими материал.
Теплопроводность – это способность вещества переносить тепловую энергию, а также количественная оценка этой способности.
Явление теплопроводности заключается в том, что кинетическая энергия атомов и молекул, которая
определяет температуру тела, передается другому телу при их взаимодействии или передается от
более нагретых областей менее нагретым.
Теплопроводность – способность материала передавать тепло от одной своей части к другой в силу теплового движения молекул. Передача тепла в материале осуществляется кондукцией (путем
контакта частиц материала), конвекцией (движением воздуха или другого газа в порах материала)
и лучеиспусканием. Размерность теплопроводности – Вт/(м⋅К).
114
Физика. 7 класс. Рабочая тетрадь
Об одной ошибочной теории
Наука далеко не всегда развивается и движется по пути прогресса. Это видно хотя бы потому, как на многие столетия были отброшены идеи атомистов древности. Небольшой иллюстрацией трудного пути познания является небольшой отрывок из книги Н.Н. Аменицкого «Физика в
применении к обыденным явлениям и вопросам жизни (с приложением главнейших физических
законов и нового учения о твердости тел). Пособие для мужских и женских средне-учебных заведений и городских училищ при изучении и повторении курса физики», изданной в Москве в 1910
году. Автор явно ошибается, излагая «новое учение о твердых телах», хотя приводимые им примеры не вызывают сомнения, а аргументы кажутся достаточно убедительными. Интересно оценить эти отрывки с современной точки зрения и понять, почему из правильных посылок автор
приходит к неправильным выводам.
Когда говорят о твердости тела, то с этим вопросом обыкновенно связывают и вопрос о сцеплении
частиц этого тела. Известно, например, что физические тела могут находиться в одном из трех состояний: газообразном, жидком и твердом. Про жидкости обыкновенно говорят, что в них сцепление между
частицами слабое и потому жидкие тела подвижны и принимают форму того сосуда, в котором они находятся. В газообразных телах сцепление еще меньше; так что, если газ не заключен в закрытый со всех
сторон сосуд, то он рассеивается. Что же касается твердых тел, то здесь дело обстоит совершенно иначе:
всякое твердое тело имеет свою определенную форму, из чего заключают, что сцепление частиц всякого
твердого тела достаточно велико, и в одном таком теле оно больше, в другом – меньше. Сравнивая одно
твердое тело с другим, обыкновенно говорят, что, например, сталь тверже дерева, так как она режет дерево, алмаз тверже стекла и других тел, потому что он способен резать даже такие предметы, как стекло,
которое стальным ножом разрезано быть не может. Казалось бы, что все это такие непреложные истины,
в которые не верить или в которых сомневаться невозможно.
Но современная наука решает этот вопрос иначе. Чтобы уяснить новейшее учение о твердости тел,
мы приведем ряд примеров и опишем несколько позднейших опытов, прекрасно иллюстрирующих это
учение. Попробуйте стальным ножом разрезать алмаз или даже сделать на нем малейшую царапину.
Ваша попытка окончится неудачей, и вы, конечно, решите, что причину этого надо видеть в том, что алмаз тверже стали. На самом деле не совсем так. В Китае с давних пор известен и практикуется следующий способ шлифовки драгоценных камней (в том числе и алмаза) с помощью мягкого железа: камень,
который желают отшлифовать, подносят к металлическому кругу (диску), сделанному из мягкого железа
и приведенному в быстрое вращательное движение. Каков же результат? Цель достигнута: алмаз оказывается прекрасно отшлифованным, а если надо, то и совсем перерезанным!
Подобный же прием был известен и у нас, в Европе. Французские ученые в начале прошлого столетия разрезали такие твердые тела, как горный хрусталь и агат, с помощью тонкого железного диска,
который вращался со скоростью 60 метров в секунду. Несколько позднее один американский мастер
(Бэрн), занимаясь отделкой деревянного диска и желая сгладить на нем неровности, привел этот диск в
быстрое вращательное движение и поднес к нему стальной напильник... Каково же было изумление
мастера, когда он увидел, что с напильника посыпался целый сноп искр и он оказался разрезанным пополам деревянным диском! При этом, заметьте, на дереве нельзя было потом заметить даже каких-либо
царапин, как будто бы деревянный диск вовсе и не касался напильника из твердой закаленной стали.
Наконец в одном из американских журналов сообщается следующий в высшей степени интересный опыт, произведенный американцем-техником: картонный круг, наклеенный на бумажный круг несколько большего диаметра, был приведен в быстрое (со скоростью 100 метров в секунду) вращательное
движение; к этому диску американец поднес деревянный карандаш, и последний был разрезан бумагой
диска на две части, сама же бумага осталась даже неразорванной.
Итак, вот целый ряд достоверных примеров, которые показывают нам, что не всегда твердое тело
режет мягкое; случается, что и алмаз режется сталью, стальной напильник разрезается деревом и,
наконец, деревянный карандаш распадается от прикосновения тонкой бумаги.
Очевидно, чем быстрее движутся частицы какого-либо тела, тем более твердым оно становится. Мягкое железо, например, во время своего быстрого движения приобретает свойства самого
твердого тела. Итак, будем искать причину твердости тела не в силе сцепления его частиц, а в быстроте
их движения. …Одним словом, скорость движения сообщает телу силу разрушения, а частицам его –
устойчивость – вот тот вывод, который должен быть сделан из вышеприведенных опытов и данных,
добытых современной наукой.
Раздел 5. Материалы для подготовки к конференции
115
Физическая мозаика
1. Почему дует от закрытого окна.
Зима. Вы сидите в комнате с плотно закрытым окном.
Дует от окна и тогда, когда оно с двойными рамами. Даже
стеклопакеты не помогают. В чем дело?
Проведем эксперимент. Уравновесим детский воздушный шарик, заполненный легким газом, в воздухе (для
этого придется подвесить небольшой грузик). Через некоторое время мы обнаружим, что воздушный шарик перемещается по комнате. Его гонят невидимые воздушные потоки. Воздух, нагреваясь вблизи батареи, поднимается вверх.
Воздух вблизи холодного стекла охлаждается и опускается
вниз. Поэтому не удивляйтесь, когда голове жарко, а ногам
холодно! Исследовать потоки можно и с помощью пламени
свечи (см. рисунок).
2. Таинственная вертушка.
Изготовьте легкую вертушку из тонкой бумаги или
другого подходящего материала. Положите вертушку на
острие иглы в центре тяжести, чтобы она находилась в равновесии. Слегка дуньте на вертушку, и она начнет вращаться на острие. Приблизьте к получившемуся приборчику руку.
Вы увидите странное явление – бумажка начнет вращаться. Отодвиньте руку и вращение
прекратится. Приближая и удаляя руку, попробуйте раскрутить вертушку.
Двести лет назад это загадочное вращение давало многим основание думать, что наше тело обладает сверхъестественными
свойствами, что из человеческого тела
исходит таинственная сила. Между тем
причина вполне проста и вы без труда
сможете ее найти. Попытайтесь экспериментально доказать, что ничего мистического здесь нет.
3. Почему из камина дует ветер?
Ветер – это движение воздуха из
области повышенного давления в область пониженного. Проведем эксперимент: откроем
входную дверь (воздух в доме будет сообщаться с уличным воздухом). Вы заметите, что
вскоре ветер из камина прекратится. Это значит, что давление в комнате и на улице выровнялось. Закройте дверь, и через некоторое время из камина опять начнет дуть ветер
(давление в доме опять стало меньше уличного). Для избавления от этого явления нужна
хорошая система вентиляции.
4. Сквозняки и пассаты.
Что будет, если открыть дверь из теплой комнаты в более холодный коридор или на
улицу в морозный день? В теплой комнате нагретый воздух расширяется, плотность его
уменьшается, и под действием силы Архимеда он поднимается вверх. Холодный воздух,
напротив, более плотный и стремится опуститься вниз. Воспользовавшись вертушкой или
свечкой, можно обнаружить возникающие при этом воздушные потоки. На рисунке видно, что теплый воздух из комнаты выходит ближе к потолку, а холодный воздух из коридора втекает в комнату ближе к полу.
Аналогично возникает и ветер. Например, в тропиках вблизи экватора воздух разогревается больше, чем в умеренных поясах к северу и югу от экватора. Сильно нагретые
воздушные массы поднимаются вверх и перетекают в северном и южном направлении.
Взамен им вблизи земной поверхности к экватору перемещается холодный воздух. Эти
воздушные потоки называются пассатами.
116
Физика. 7 класс. Рабочая тетрадь
5. Почему в безветренную погоду мороз переносится легче, чем при сильном ветре?
Причины две: теплообмен и испарение. Слой воздуха, который находится около лица, нагрет, так как соприкасается с нагретым телом и увлажнен, потому что испарение с
поверхности кожи происходит при любой температуре. При ветре нагретый телом воздух
быстро сменяется новой порцией более холодного и более сухого воздуха. Это интенсифицирует процесс теплообмена, так как поддерживается более высокая разность температур, а также ускоряет процесс испарения, потому что покинувшие поверхность лица быстрые молекулы воды не возвращаются обратно.
6. Какую температуру воздуха способен переносить человек?
При постепенном нагревании сухого воздуха человек способен вынести температуру
до 160 °C, хотя изменение температуры тела даже на 1°C уже ощущается человеком. Дело в том, что организм человека противодействует перегреванию выделением пота. А испарение пота требует большого количества теплоты. Чем суше воздух вокруг, тем большее количество пота может испариться. Поэтому в саунах температура воздуха выше,
чем в русских банях, где воздух влажный, а переносится организмом легче.
На одной и той же широте в Приморье, Средиземноморье и Средней Азии жара переносится по-разному. В районах, где влажность меньше, она переносится гораздо легче.
7. Почему кастрюля с открытой крышкой закипает медленнее, чем с закрытой?
В процессе нагревания воды в открытой кастрюле наиболее быстрые ее молекулы
имеют возможность беспрепятственно покидать кастрюлю, унося с собой энергию и как
бы охлаждая этим оставшуюся воду (этот процесс есть не что иное, как испарение). Энергия нагревателя идет не только на нагревание, но и на превращение части воды в пар. На
это уходит больше энергии и времени, чем при кипячении воды в закрытом сосуде, где
вырвавшиеся из воды «быстрые» молекулы очень скоро образуют в замкнутом пространстве под крышкой насыщенный пар и, возвращаясь в воду, отдают свою избыточную
энергию обратно. С другой стороны, в кастрюле без крышки масса воды, которую следует
доводить до кипения, уменьшается. А чем масса меньше, тем ее нагреть быстрее. Но при
испарении энергии теряется больше, чем экономится при нагревании меньшей массы.
8. Что сильнее обжигает: пар или кипяток?
Неосторожно приподнимая крышку кастрюли с кипящей жидкостью, можно сильно
обжечься паром, и опрокинув на себя кипящую воду, тоже можно обжечься. Что обжигает
сильнее – определенная масса пара или такая же масса кипятка? Оказывается, что для того
же теплового воздействия понадобится почти в 10 раз большая масса кипятка! Кроме того,
при ожоге паром значительно больше оказывается площадь поражения. Внутренняя энергия пара больше энергии кипятка на ту же величину, которую затратили на превращение
воды в пар. Конденсируясь, пар превращается в воду, и при этом выделяется такое же количество тепла, какое было затрачено на парообразование.
9. Из каких чашек пить чай?
Размеры, форма и материал емкостей для чая − это не просто дань национальным
традициям. Они диктовались прежде всего требованиями функциональности. Тот, кому
приходилось пить чай из алюминиевой кружки, знает, что она обжигает не только губы,
но и руки. Фарфоровые и глиняные чашки обладают плохой теплопроводностью, поэтому
подходят для чайной церемонии гораздо больше. Как правило, чашки для чая расширяются кверху, потому что увеличение площади поверхности ускоряет испарение воды с поверхности, а значит, ускоряет охлаждение. Кочевники придумали пиалы – чашки без ручек, они занимают мало места при упаковке, к тому же ручка так часто сразу отбивается,
что уменьшает прочность чашки. Использование стаканов диктовалось только их дешевизной сравнительно с фарфором.
Раздел 5. Материалы для подготовки к конференции
117
5-02. Качественные задачи, вопросы, опыты
Вопросы
1. Отличаются ли между собой молекулы холодной и горячей воды, молекулы воды, льда
и водяного пара? Отличаются ли горячая и холодная вода? вода и лед? вода и пар?
2. Если в толстостенном очень прочном стальном цилиндре сжимать масло, то можно добиться того, что на стенках цилиндра выступят капельки масла. Объясните это явление.
3. Объясните процесс склеивания с точки зрения молекулярной гипотезы.
4. Почему от смешения двух равных стаканов спирта и воды получается менее двух стаканов смеси? Получим ли мы тот же самый эффект, если смешаем два равных стакана ртути и воды? растительного масла и воды?
5. Замечено, что различные жидкости смешиваются друг с другом не одинаково быстро.
О чем свидетельствует это обстоятельство?
6. Что называется относительной влажностью? Какими приборами измеряется относительная влажность? Если относительная влажность воздуха 100%, что это означает? Когда
относительная влажность воздуха бывает равна 100%? Как изменяется относительная
влажность воздуха при его нагревании?
7. Почему мелкие капли разлитой по столу ртути имеют шарообразную форму, а более
крупные капли сплюснуты по направлению сверху вниз? Не проверяйте это экспериментально, ртуть – очень ядовитое вещество!
8. Какие силы называются силами поверхностного натяжения? При каких условиях жидкость смачивает и не смачивает поверхность тела? Какую жидкость можно налить в стакан выше краев? Что происходит с поверхностным натяжением жидкости при кипении?
9. В чем заключается явление капиллярности? Где проявляется это явление? Почему уровень жидкости в широком сосуде и капилляре разный?
10. Как объясняется процесс испарения молекулярной теорией? От чего зависит скорость
испарения? При какой температуре испаряются жидкости? Что происходит с температурой жидкости при испарении? Где проявляется и учитывается данное явление? Что происходит с внутренней энергией в процессе испарения?
11. Что называется конденсацией? Что нужно сделать, чтобы сконденсировать газ? Что
происходит с внутренней энергией в процессе конденсации? Как объясняется процесс
конденсации молекулярной теорией?
12. Что называется кипением? При какой температуре жидкости кипят? Почему температура жидкости во время кипения не меняется? Почему пузырьки воздуха исчезают, поднявшись на поверхность, когда жидкость еще недостаточно прогрета, и увеличиваются в
объеме, когда жидкость прогрелась по всему объему?
13. Объясните смысл выражения «динамическое равновесие жидкости и ее пара». Какой
пар называется насыщенным? Как отличить насыщенный пар от ненасыщенного? Как зависят давление и плотность насыщенного пара от температуры? Как зависят давление и
плотность пара от объема, если температура не меняется? Как ненасыщенный пар сделать
насыщенным? Как насыщенный пар сделать ненасыщенным?
14. Как вы думаете, что мы будем наблюдать, если жидкость поместить в термос (в теплонепроницаемую оболочку) с прозрачными стенками?
15. При какой температуре испаряется вода? масло? спирт?
16. Всякий ли кипяток обжигает? Почему температура кипения у различных веществ различна (см. таблицу в разделе «Справочные материалы»)? Можно ли не обжечься кипящей
водой?
17. Для того чтобы температура насыщенного пара не менялась, поршень очень медленно
опускали. Опишите, что при этом происходило на микроуровне. До каких пор можно
будет опускать поршень?
118
Физика. 7 класс. Рабочая тетрадь
18. В цилиндрах с зафиксированным поршнем установилось динамическое равновесие
воды и водяного пара. В каком из них температура насыщенного пара больше? Что будет
происходить, если в цилиндры добавить водяной пар?
19. Какими способами можно перевести пар в жидкость. Что такое критическая температура? Как вещества меняют свои свойства при низких температурах?
20. Какова характерная особенность расположения
частиц в кристаллических веществах? В чем причина образования кристаллической решетки? Что такое элементарная ячейка? Какую информацию о
веществе позволяет получить знание строения элементарной ячейки? Что такое полиморфизм? Приведите примеры. Что такое анизотропия? Приведите
примеры. Обладает ли свойством анизотропии поликристалл? жидкие кристаллы?
21. В чем состоит различие перехода в жидкое состояние кристаллических и аморфных тел, как это
различие отражается на графике зависимости температуры от времени нагревания? Применение кристаллических и аморфных тел.
22. Чем объяснить, что в начале осени в реках и озерах вода не замерзает, хотя температура воздуха на несколько градусов ниже нуля?
23. Что называют плавлением и отвердеванием? Почему при плавлении температура не
меняется? Что происходит с внутренней энергией тела при плавлении? Как объяснить
процесс плавления и отвердевания на основе молекулярной теории строения вещества?
24. Как ведет себя при нагревании аморфное тело?
Физика в быту
25. Если закрытую бочку, наполненную плотно сухими бобами, поливать водой, то она
лопнет. Вследствие чего это произойдет?
26. Некоторые жидкости собираются в шарики на полу. Если же капнуть маслом на пол,
масло растечется по поверхности. Объясните эти явления с молекулярной точки зрения.
27. Ртутные шарики при сближении поглощают друг друга. А что будет происходить с
водяными шариками в невесомости при встрече?
28. Каким платком лучше вытирать пот – шелковым или льняным?
29. Почему мокрые волосы тяжело расчесывать (они слипаются)? Почему слепить фигурку из сухого песка нельзя, а из мокрого можно?
30. На каком явлении основано действие полотенца, носового платка, фитиля спиртовки?
31. С некоторых тканей масляные пятна удается свести следующим образом: под пятном
и над ним располагают промокательную бумагу и проглаживают горячим утюгом. Делают
так несколько раз. Объясните эффект.
32. Отличается ли обыкновенно влажность воздуха в комнате зимой и летом? Почему?
33. Как надо положить тонкую иглу, покрытую слоем жира, на поверхность воды, чтобы
она не тонула?
34. Какой хлеб больше весит – свежеиспеченный или остывший. Почему?
35. В каком случае мокрое белье высохнет скорее – на чердаке при открытых окнах или в
жарко натопленной комнате? Обоснуйте экспериментально и теоретически свое мнение.
36. Почему одеколон освежает лицо разгоряченного человека?
37. Почему большое скопление публики в комнате вызывает запотевание оконных стекол
и даже стен комнаты?
38. Почему считается целесообразным при приготовлении освежающих компрессов прибавлять к воде уксус?
39. Почему в холодных квартирах легко развивается сырость?
Раздел 5. Материалы для подготовки к конференции
119
40. Понятно, что сырые дрова горят не так ярко и не так быстро, как сухие. Но почему
они, кроме того, и тепла дают меньше?
41. Почему самовар не распаивается от горящих углей, пока в нем есть вода? Можно ли
вскипятить воду в бумажном пакете?
42. Отчего крышка чайника иногда начинает слегка на нем подпрыгивать?
43. Какой хлеб скорее зачерствеет: тот, который лежит на тарелке на столе, или тот, который находится на полке в закрытом столовом буфете?
44. Почему над чугуном с кипящей водой, пока он стоит в печке, не заметно паров, но
стоит чугун вынуть из печки, как над ним появляются целые клубы пара?
45. Правильно ли применить слово «затуманивается» в отношении зеркала в ванной комнате после принятия горячего душа?
46. Почему пар виден только на некотором расстоянии от носика кипящего чайника?
47. Почему скорее сохнет пол, на который пролита вода, если ее растирают по полу?
48. «Торопливо и обрадовано мальчик послюнил палец и, подняв, стал медленно поворачивать…» (А. Серафимович «Лесная жизнь»). Что хочет узнать мальчик?
49. На чем основано действие скороварки? Как работает аварийный клапан у скороварки?
Что является существенным для скорости приготовления пищи?
50. Налейте в прозрачные стаканы сырую и кипяченую воду. Может ли наблюдение помочь определить, в каком стакане какая вода?
51. Зимой в целях ограждения от холода обыкновенно вставляют в окна квартир вторые
рамы. Неужели тонкий (не более 3 – 4 мм) слой стекла этих рам в состоянии оградить
обитателей дома от наружного холода? Не лучше ли вставить более толстые стекла?
52. Объясните, почему стеклопакеты лучше сохраняют тепло, чем обычные окна?
53. Почему подошвы обуви не делают из стали, ведь она тверже и прочнее кожи?
54. Где ноги стынут больше: на заснеженном тротуаре или на тротуаре, посыпанном солью?
55. Если вы будете мешать в стакане чайной серебряной ложкой только что налитый горячий чай, то через некоторое, очень короткое время, вы обожжетесь. Почему же этого не
произойдет, когда вы будете держать в руке зажженную спичку?
56. Почему летом в каменных строениях прохладнее, чем в деревянных?
57. При наливании в стакан кипятка обыкновенно советуют для того, чтобы стакан не
лопнул, класть в него чайную ложку. На чем основан такой совет?
58. Если взять две кастрюли одинаковой вместимости, но одну железную, а другую медную, наполнить их доверху водой и начать подогревать их, то вместимость обеих кастрюль, как известно, от этого увеличится, но тем не менее вода по мере нагревания будет
выливаться из обеих кастрюль. Как объяснить этот факт? Одинаковое ли количество воды
выльется (в одно и то же время) из обеих кастрюль?
59. Нагрейте над свечкой стакан и приложите плотно к ладони руки. Почему он по прошествии некоторого времени сильно пристанет к руке?
60. Почему в просторной одежде всегда теплее, чем в узкой?
61. Зная, что фальшивые драгоценные камни хуже проводят тепло по сравнению с настоящими, скажите, каким образом ощупью обнаружить подделку камня?
62. Температура нашего тела выше температуры окружающего воздуха даже в натопленной комнате. Почему нам в такой комнате тепло, если теплопередача идет от тела с более
высокой температурой к телу менее нагретому?
63. Почему в холодном помещении в первую очередь мерзнут ноги?
64. Почему пушинка над горящей свечой быстро поднимается вверх?
65. Почему вентиляторы для очистки воздуха обычно помещают у
потолка?
66. В какой кастрюле (см. рисунок)
содержимое охладится быстрее?
120
Физика. 7 класс. Рабочая тетрадь
67. В термосе чай долго можно сохранить горячим. Можно ли использовать термос для
хранения мороженого?
68. Почему термосы изготавливают круглого, а не квадратного сечения?
Физика и техника
69. Для чего на заводах, фабриках и электростанциях трубы, по которым отводятся дым и
горячие газы из топок паровых котлов, строятся очень высокими?
70. Почему кирпичная дымовая труба создает в топке парового котла большую тягу, чем
железная труба такой же высоты?
71. При распиливании дерева пила всегда нагревается до более высокой температуры, чем
дерево. Объясните, почему это происходит.
72. Как можно получить сплав, не переводя составляющие сплав металлы в жидкое состояние?
73. Прежде, когда приготовление и действие динамита было неизвестно, в каменоломнях
для откалывания кусков каменной массы употреблялся такой простой способ: в отверстие,
сделанное в камне, плотно вгонялся деревянный сухой клин, который потом обильно поливался водой; этого было вполне достаточно, чтобы громадная каменная глыба раскололась. На чем основан такой прием?
74. На вопрос Вани: «Почему рельсы удлиняются при нагревании?», он получил разные
ответы. Старший брат Петя объяснил это тем, что при нагревании молекулы начинают
двигаться быстрее. Мама сказала, что при нагревании молекулы расширяются. Сестра
Света считает, что увеличивается среднее расстояние между молекулами. Собачка Жучка
полагает, что увеличиваются промежутки. Кто из них прав?
75. Почему в картинных галереях и многих музеях тщательно следят за относительной
влажностью? Как можно увеличить и уменьшить относительную влажность в помещении?
76. Врачи для исследования горла и зубов иногда вводят в рот пациента зеркальце. При
этом зеркальце предварительно нагревают выше 37 °C. Зачем?
77. Почему острый зубец стеклянной трубки после плавления на пламени округляется?
78. Для получения свинцовой дроби расплавленный свинец льют сквозь узкие отверстия с
некоторой высоты в воду, причем во время падения свинец застывает, принимая форму
шариков. Объясните это явление.
79. Почему перед покраской деревянные поверхности покрывают олифой? С какой целью
смолят дно лодок, деревянные шпалы?
80. Почему писать чернилами легко на плотной бумаге, трудно – на промокательной, невозможно – на промасленной?
81. Что такое «перегретая жидкость» и можно ли ее получить в домашних условиях?
В старинных книгах указывается, что довольно часты случаи взрывов парового котла, когда машинист после продолжительной стоянки выпускал пар. Предполагается, что причиной этого была особенная вода, которая после продолжительного кипения лишалась воздуха и требовала значительно большего тепла для закипания, чем обычно.
82. Будет ли кипящая вода подниматься по тонкой трубочке?
83. Изменится ли температура кипения у воды, если в нее добавить соль? Если смешать
две жидкости с разной температурой кипения, какая будет температура кипения у смеси?
84. Узнайте, как перегретая жидкость служит для регистрации элементарных частиц.
85. Почему сложно сжижать водород и гелий? Как из жидкого воздуха получают составляющие его газы? Как используют сжиженные газы? Как хранят сжиженные газы?
86. Зачем выращивают кристаллы? Где их применяют? Как выращивают кристаллы из
расплавов? Как невесомость помогает получить особенно однородные кристаллы?
87. Бронзу начали обрабатывать раньше, чем железо. Какие могут быть причины этого?
88. Твердая сталь при нагревании расширяется, следовательно, удлиняются и рельсы, по
которым ходят поезда. Может быть, именно поэтому стоимость железнодорожных билетов летом выше, чем зимой?
Раздел 5. Материалы для подготовки к конференции
121
89. В электротехнике широко используются биметаллические пластины, принцип действия которых основан на тепловом расширении металлов. Объясните, как работают и для
чего применяются биметаллические пластины.
Физика в природе
90. Как явление диффузии помогает и как мешает жизни растений и животных?
91. Причина ветра – разность давлений. Всем известно, что давление воздуха с высотой
над уровнем Земли понижается. Почему же тогда воздушные массы не устремляются
вверх? Почему ветер дует вдоль поверхности Земли, а не снизу вверх?
92. Воспользуйтесь разделом «Справочные материалы» и обоснуйте утверждение о том,
что более горячий воздух поднимается вверх, а более холодный опускается вниз. Как и
почему меняется плотность атмосферы с высотой?
93. С чем связано то, что разные участки земли нагреваются по-разному?
94. Можно ли провести аналогию между потоками воздуха и потоками воды, между воздушными и водными течениями? Если да, то в океане должно быть постоянное течение
воды снизу вверх – ведь внизу давление воды больше, чем наверху.
95. Как связана относительная влажность со здоровьем людей, животных и растений?
96. Почему утром на земле и на листьях растений образуется роса? Почему ночью при
густой облачности не бывает росы?
97. Что представляет собой туман? Почему и при каких условиях появляется туман? В каких местах вероятнее всего появление тумана?
98. Почему водомерка может скользить по поверхности воды, почти не погружаясь в нее?
99. Как проявляются и используются и смачивание, и несмачивание в природе?
100. Почему водоплавающие птицы не намокают, плавая в воде, а собаки и кошки намокают под дождем?
101. Для чего после таяния снега в полях производят вспашку почвы? Какой грунт сохнет
быстрее после дождя – песчаный или глинистый?
102. Почему снегозадержание, своевременно проведенное на полях, является средством
накопления влаги в почве и средством успешной борьбы с вымерзанием озимых посевов?
103. Летом воздух в доме нагревается разными способами: через стены, через открытое
окно, в которое входит теплый воздух, через стекло. С каким видом теплопередачи мы
имеем дело в каждом случае?
104. С чем связано образование облаков над землей?
105. Какое значение имеет для организма выделение пота?
106. Почему уровень воды в океане не повышается, несмотря на постоянно прибывающие
запасы воды, приносимые реками, впадающими в океан?
107. Почему сырое белье, надетое на тело человека, может служить причиной простуды?
108. Действительно ли после дождя жара спадает? Теплеет ли, когда идет снег?
109. Одинаково ли должны обжигать пар и вода при 100 °C? При ответе на вопрос не
прибегайте к эксперименту!
110. Утром над озером стелется туман, который образуется в результате ночного похолодания. Так, может быть, правильнее говорить: «ночной туман», а не «утренний»?
111. Оскар Уайльд писал: «В Лондоне слишком много туманов и серьезных людей. То ли
туманы порождают серьезных людей, то ли наоборот – понять трудно, но и те и другие
действуют мне на нервы». Действительно ли туман вреден для нервной системы и вообще
для здоровья? Что такое «смог», можно ли его считать туманом?
112. Если днем было ясно, а вечером небо затянулось облаками, то следует ли ожидать
ночью заморозков?
113. Чувствительность кожи у разных людей различна. Разные участки кожи также обладают разной чувствительностью. Узнайте, при каких условиях обычно возникает ожог.
Какие бывают степени ожога, как зависит степень ожога от температуры горячего тела,
длительности контакта и особенностей организма?
122
Физика. 7 класс. Рабочая тетрадь
114. Почему говорят, что холод тоже обжигает?
115. Как кристаллы растут в природе?
116. Если случалось вам гулять по лесу в морозный день, то вы, вероятно, слышали тот
непрерывный треск, который происходит от лопающейся древесной коры. Что заставляет
кору лопаться?
117. Оцените время, за которое замерзнет пруд (задача академика П.Л. Капицы).
118. Когда легче слепить снежок – при сильном или слабом морозе? Почему?
119. Объясните, почему человек может бежать по очень тонкому льду и не может стоять
на нем не проваливаясь (задача академика П.Л. Капицы).
120. Применим ли закон Архимеда к телам сыпучим? Как глубоко может погрузиться в
сухой песок деревянный шар, положенный на его поверхность? Может ли человек утонуть
с головой в сыпучем песке? (Из книги Я.И. Перельмана «Знаете ли вы физику?».)
121. У берегов морей или больших озер днем дует ветер с воды на сушу (дневной бриз), а
ночью – с суши на воду (ночной бриз). Каковы возможные причины этих бризов?
122. Благодаря какому виду теплопередачи можно греться у костра?
123. Каким образом некоторые люди приспосабливаются работать на сильном холоде?
Уникальный пример приспособленности к холоду обнаружил Чарльз Дарвин у индейцев
племени Яган в Южной Америке: при температуре, близкой к 0 °C, они едва прикрывают
плечи меховой накидкой. Какие физические изменения должны происходить в организме, чтобы адаптация к холоду стала возможной?
124. Почему вы дрожите, когда вам холодно?
125. Почему в южных странах пастухи и охотники даже в очень жаркое время носят толстые халаты и тюрбаны?
126. Почему при холодной погоде многие животные спят свернувшись в клубок?
Экспериментальные задания
127. Справедливо ли считают, что влажный воздух менее плотный, чем сухой? Ведь мокрая тряпка тяжелее сухой.
128. Можно ли показать на опыте, от каких факторов зависит степень нагретости поверхности земли при одинаковом потоке солнечного света?
129. На какой бумаге оттиск печати или рисунка выйдет отчетливее? Проверьте.
130. Рассказывают, что папа Сикст V при постановке на площади в Риме обелиска запретил зрителям всякие разговоры под страхом смертной казни. Когда обелиск был поднят и
почти достиг пьедестала, удерживавшие его веревки вследствие громадной его тяжести
вытянулись и... вся церемония грозила принять комический характер. К счастью, один
смельчак крикнул: «Смочите веревки!» Как вы думаете, поможет ли вода укоротиться веревкам? Если веревки от смачивая укорачиваются, должны ли они удлиняться при высыхании? Попробуйте проверить это экспериментально.
131. Почему тонкие иголки, покрытые легким слоем какого-нибудь жирного вещества,
могут плавать на поверхности воды, а на поверхности спирта тонуть?
132. Проведите небольшое домашнее исследование. Сравните, в каком случае удобнее
наливать воду до краев наполненного стакана: когда края стакана ничем не смазаны или
когда они смазаны салом, густым вазелином или маслом. В чем причина различия?
133. Почему расплавленный жир плавает на поверхности воды в виде кружков?
134. Если в тарелку положить спички, а потом в центре коснуться кусочком размоченного
мыла, спички сместятся к краям. Почему?
135. С помощью стеклянной пластинки и динамометра измерьте силу поверхностного натяжения какой-нибудь жидкости. Как поверхностное натяжение зависит от свойств жидкости, от длины соприкасающегося с жидкостью контура?
136. Продемонстрируйте образование жидких пленок. Покажите, что силы поверхностного натяжения стремятся сократить до минимума поверхностную пленку.
137. Вырастите кристалл.
Раздел 5. Материалы для подготовки к конференции
123
138. Можно ли в земных условиях доказать, что в невесомости капля жидкости принимает сферическую форму? Чем объясняется такая форма?
139. Как уровень жидкости в капилляре зависит от того, смачивает жидкость стенки капилляра или не смачивает? От чего зависит высота подъема жидкости в капилляре?
140. Сделайте сильный выдох в теплом и холодном помещении (вместо холодного помещения сгодится морозильная камера домашнего холодильника). Опишите и объясните
разницу в наблюдаемом явлении.
141. Соедините теплоприемник с жидкостным манометром и капните на него спиртом.
Предположите, что должно произойти с уровнем жидкости и почему. Проверьте свое
предположение.
142. Покажите экспериментально, как зависит скорость испарения от температуры жидкости? Можно ли увеличить скорость испарения жидкости без изменения ее температуры?
143. На весах уравновешено два одинаковых закупоренных сосуда с воздухом. Воздух в
обоих сосудах имеет одинаковые температуры и давления, но различается влажностью.
Одинаковые ли массы воздуха в сосудах?
144. Почему температура воды, сколько бы она ни стояла в комнате в открытом сосуде,
будет всегда немного ниже температуры комнатного воздуха?
145. В душном зале барышня обмахивается веером. Почему это освежает ее лицо и как к
этому должны относиться окружающие (им становится жарче или прохладнее)?
146. Почувствуем ли мы разницу, если «дыхнуть» и «дунуть» себе на руку? Почему?
147. Воспользуйтесь таблицами и сравните скрытую теплоту парообразования воды,
спирта и эфира. Сделайте прогноз – какова будет разница в ощущениях, если руку протереть эфиром, спиртом и водой. Проверьте свою догадку экспериментально.
148. Если в кипящую воду налить немного масла, то вы не заметите ничего особенного.
Если, наоборот, в раскаленное масло капнуть воду, масло будет разбрызгиваться в стороны. Чем объяснить это? Опыт проводить только в присутствии взрослых!
149. На весах уравновешены два одинаковых сосуда с холодной и горячей водой. Одинаковое ли количество воды в обоих сосудах? Как долго сохранится равновесие?
150. На весах уравновешены два сосуда одинакового объема, но разной высоты. В оба сосуда налили одинаковое количество одинаковой воды. Как долго сохранится равновесие?
151. Положите на стол листок плотной бумаги, листок промокательной бумаги и кусочек
ткани. Воспользуйтесь пипеткой и поместите по одной капле воды на поверхность стола и
на каждый кусочек испытуемого материала. Сравните скорости высыхания.
152. Используя фен с холодным воздухом или вентилятор, докажите, что скорость высыхания мокрой ткани зависит от движения воздуха.
153. При нагревании 1 л воды от 20 до 30 °C потребовалось 5 минут. Сколько времени
при прочих равных условиях потребуется для нагревания этой воды от 40 до 50 °C, от
80 до 90 °C?
154. Будет ли кипеть вода в кастрюле, плавающей в другой кастрюле с кипящей водой?
Эксперимент проводите в присутствии взрослых.
155. Расплавится ли сера (температура плавления 110 °C), если ее нагревать над пламенем
свечи (температура пламени свечи более 375 °C) в одном сосуде с водой? Объясните.
156. Чем объяснить так называемое «отмучивание», то есть такое явление, когда мутная
жидкость с течением времени делается прозрачной?
157. Выльется ли вода или ртуть из открытой бутылки, если последнюю опрокинуть, погрузив горлышко в стакан с водой или ртутью? Эксперименты с ртутью запрещены! Воспользуйтесь другими источниками информации. А вот с водой опыт провести полезно.
158. Обтяните носовым платком серебряную ложку так, чтобы не было складок, и нагревайте эту ложку на пламени свечи (опыт проводите в присутствии взрослых). Как вы думаете, загорится ли материя? Почему?
159. Увеличится или уменьшится внутренний диаметр стального кольца при нагревании?
Обоснуйте свой ответ экспериментально и теоретически.
Физика. 7 класс. Рабочая тетрадь
124
6. Справочные материалы
6-01. Массы атомов и молекул, m
Атомы
m, 10–27 Атомы
Азот
Алюминий
Водород
Железо
Золото
Кислород
Кремний
23,2
44,8
1,67
92,8
327
26,6
46,6
Медь
Натрий
Ртуть
Серебро
Углерод
Хлор
Фтор
m, 10–27
Молекулы
m, 10–27
105
38,1
333
179
19,9
58,9
31,5
Азот, N2
Вода H2O
Водород, H2
Гелий, He
Кислород O2
Озон, O3
Хлорид натрия, NaCl
46,5
29,9
3,3
6,64
53,2
80
97
6-02. Плотности газов при давлении 760 мм рт. ст. и температуре 0 ºC (водяной пар
при 100 °С)
Газ
Газ
ρ, кг/м3
ρ, кг/м3
Азот
1,25
Водяной пар
0,59
Аммиак
0,77
Воздух сухой
1,29
Аргон
1,78
Гелий
0,18
Водород
0,09
Кислород
1,43
6-03. Плотность атмосферы на различной высоте над Землей
h, м
h, м
h, м
ρ, кг/м3
ρ, кг/м3
0
1,23
1000
1,11
20 000
100
1,21
2000
1,00
50 000
200
1,20
5000
0,74
80 000
500
1,17
10 000
0,41
100 000
ρ, кг/м3
0,09
0,001
0,00002
0,0000006
6-04. Плотность сухого воздуха ρ при различных давлении и температуре
T, К
200
250
273
300
ρ, кг/м³ при давлении
1 атм
10 атм
100 атм
1,769
18,07
231,2
1,413
14,25
150,6
1,293
12,99
1,177
11,8
118,4
T, К
400
500
600
700
ρ, кг/м³ при давлении
1 атм
10 атм
100 атм
0,882
8,8
85,7
0,706
7,03
67,96
0,588
5,86
56,55
0,504
5,02
48,51
6-05. Плотность сухого воздуха ρ при температуре t и норм. атм. давлении
ρ,
ρ,
t, ºC
t, ºC ρ, кг/м³ t, ºC
t, ºC
ρ, кг/м³ t, ºC
кг/м³
кг/м³
–50 1,584
6
1,265
20
1,205
80
0,999
400
–30 1,453
8
1,256
24
1,188
90
0,972
500
–20 1,386
10
1,247
30
1,165
100
0,946
600
–10 1,342
12
1,239
40
1,127
120
0,938
700
0
1,293
14
1,23
50
1,092
150
0,834
800
2
1,284
16
1,221
60
1,06
200
0,746
900
4
1,274
18
1,213
70
1,029
300
0,617
1000
ρ,
кг/м³
0,525
0,456
0,404
0,362
0,329
0,301
0,277
Раздел 6. Справочные материалы
6-06. Плотность жидкостей при температуре 20 ºC
Жидкость
Жидкость
ρ, кг/м3 ρ, г/см3
Бензин
710
Мед
Вода
1000
1,00
Ртуть
Глицерин
1,26
Серная кислота
Масло подсолнечное
930
Спирт
125
ρ, кг/м3
ρ, г/см3
1,44
13 600
1840
0,79
6-07. Плотность твердых веществ при температуре 20 °C (лед при 0 ºC)
Вещество
Вещество
ρ, г/см3
ρ, кг/м3
ρ, кг/м3
Алмаз
3513
Пробка
Алюминий
2700
Свинец
11 350
Гранит
2,8
Серебро
10 500
Железо
7800
Сталь
Золото
19,3
Стекло
2700
Кирпич
1500
Уголь (каменный)
Лед
900
0,90
Уран
18 950
Медь
8960
Цинк
Нафталин
1,15
Эбонит
1150
Парафин
0,89
Янтарь
1070
ρ, г/см3
0,24
7,8
1,35
7,14
6-08. Плотность древесины свежесрубленной (ρсв), с влажностью 15% (ρ15),
абсолютно сухой (ρс)
Древесная порода
ρсв, кг/м3
ρ15, кг/м3
ρс, кг/м3
Береза
880
640
500
Дуб
1020
700
550
Ель
800
450
360
Липа
790
500
400
Сосна
860
510
400
Тополь
750
460
360
6-09. Теплотворность топлива (удельная теплота сгорания, кал/г или ккал/кг)
Водород 33 500 Бурый уголь 4000 Бензин
11 000 Нефть
10 500
Древесный
Дизельное
Дерево
3000
8000
10 000 Порох
9000
уголь
топливо
Каменный
Торф
3500
7000 Керосин
11 000 Спирт
7000
уголь
6-10. Удельная теплоемкость, кал/(г⋅ºC)
Алюминий
0,22
Керосин 0,51
Вода
1,00
Кирпич 0,22
Глицерин
0,58
Латунь 0,09
Дерево
0,5 – 0,65 Лед
0,50
Железо, сталь
0,11
Медь
0,09
Золото
0,03
Никель 0,11
Олово
Песок
Платина
Ртуть
Свинец
Серебро
0,06
0,23
0,03
0,03
0,03
0,06
Скипидар
Спирт
Чугун
Стекло
Цинк
Эфир
0,42
0,58
0,13
0,20
0,09
0,56
Удельная теплоемкость газов при постоянном давлении, кал/(г⋅°C)
Водяной пар 0,47 Водород
3,41 Кислород 0,22 Азот
0,25
Гелий
1,27 Углекислый газ 0,20 Воздух
0,24
Физика. 7 класс. Рабочая тетрадь
126
6-11. Удельная теплоемкость воды при температуре t и норм. атм. давлении
t, ºC
0
10
20
с,
кал/(г ⋅ ºC)
1,006
1,001
0,999
t, ºC
30
40
50
с,
кал/(г ⋅ ºC)
0,997
0,997
0,997
t, ºC
60
70
80
с,
кал/(г ⋅ ºC)
0,998
1,000
1,002
t, ºC
90
100
с,
кал/(г ⋅ ºC)
1,005
1,008
6-12. Температура плавления и отвердевания, °C
Алюминий
Вода
Вода
морская
Вольфрам
Глицерин
Железо
58
0
Золото
Лед
104
0
Скипидар
Спирт
–10
–114
Чугун
Эфир
1150
–123
–2,5
Медь
1083
Сталь
1400
Азот
–210
80
232
1764
Ртуть
Серебро
Цинк
–39
960
419
Аргон
Водород
Кислород
–189
–259
–218
3370 Нафталин
–19 Олово
1520 Платина
6-13. Удельная теплота плавления и отвердевания, кал/г или ккал/кг
Алюминий
Железо
Золото
Лед
92
49
16
80
Медь
Нафталин
Олово
42
36
14
Платина
Ртуть
Свинец
Серебро
27
3
6
24
Цинк
Чугун белый
Чугун серый
27
33
23
6-14. Средние скорости молекул при температуре 20 °C и норм. атм. давлении
Азот
Аммиак
Аргон
Водород
471
604
395
1755
Водяной пар
Гелий
Кислород
Криптон
587
1252
440
272
Метан
Неон
Углекислый газ
Пары ртути
619
557
376
176
6-15. Температура кипения некоторых веществ при норм. атм. давлении, °C
Азот
Алюминий
Амиак
Анилин
Ацетон
Вода
Водород
Воздух
Гелий
–196
2520
–33
185
57
100
–253
–193
–269
Графит
Железо
Золото
Кислород
Медь
Метан
Молоко цельное
Нафталин
Неон
4200
2750
2947
–183
2540
–162
100
218
–246
Оксид углерода (IV)
Скипидар
Спирт метиловый
Спирт этиловый
Стеарин
Тяжелая вода
Фреон
Хлорид натрия
Цинк
–78
161
65
78
370
101
–30
1467
906
Раздел 6. Справочные материалы
6-16. Температура кипения воды t кип при различных давлениях p, атм.
p,
t кип,
p,
p,
p,
p,
t кип, ºC
t кип, ºC
t кип, ºC
атм.
ºC
атм.
атм.
атм.
атм.
0,01
6,698
0,8
92,99
9
175,2
19
210,2
65
0,02
17,20
0,9
96,18
10
179,7
20
212,3
70
0,04
28,64
1
99,7
11
183,8
25
224
75
0,1
45,45
2
120,3
12
187,8
30
236
80
0,2
59,67
3
133,4
13
191,5
35
244
90
0,3
68,68
4
143,5
14
195
40
252
100
0,4
75,42
5
151,7
15
198,2
45
259
110
0,5
80,86
6
158,7
16
201,3
50
266
120
0,6
85,45
7
164,8
17
204,2
55
272
130
0,7
89,45
8
170,8
18
207
60
277
140
127
t кип, ºC
283
288
293
297
305
313
320
327
333
339
6-17. Температура кипения воды t кип при различных давлениях p, мм рт. ст.
p,
p,
p,
p,
t кип, ºС мм
t кип, ºС мм
t кип, ºС
мм
t кип, ºC мм
рт. ст.
рт. ст.
рт. ст.
рт. ст.
680
96,92
710
98,11
740
99,26
770
100,37
690
97,32
720
98,49
750
99,63
780
100,73
700
97,71
730
98,88
760
100,00
790
101,09
6-18. Удельная теплота парообразования при температуре кипения и нормальном
атмосферном давлении, кал/г или ккал/кг
Алюминий 2200 Медь
1290
Платина
600 Вода
540
Железо
1500 Нафталин 75
Ртуть
70
Спирт
216
Золото
420 Олово
720
Свинец
210 Эфир
85
Цинк
430 Чугун
23–33
Серебро
520 Бензин
70
6-19. Давление p и плотность ρ атмосферы на различной высоте h над Землей
p
p
p
ρ
ρ
ρ
h, м
h,
м
h,
м
мм
мм
мм
кг/м3
кг/м3
кг/м3
рт. ст.
рт. ст.
рт. ст.
0
760,00 1,223
700
699,01 1,145
7000
308,31 0,590
50
755,46 1,219
800
690,63 1,134
8000
266,74 0,526
100
751,03 1,213
900
682,35 1,123
9000
231,03 0,467
150
746,58 1,207
1000
674,13 1,112
10 000 198,77 0,414
200
742,15 1,202
2000
596,31 1,007
15 000 90,85
0,195
300
733,36 1,190
3000
525,95 0,909
20 000 41,47
0,089
400
724,64 1,179
4000
462,49 0,819
30 000 8,98
0,018
500
716,02 1,167
5000
405,39 0,736
40 000 2,22
0,004
600
707,47 1,156
6000
354,16 0,660
50 000 0,60
0,001
Физика. 7 класс. Рабочая тетрадь
128
6-20. Давление p и плотность ρ насыщенного водяного пара при температуре t
p
t,º
C
кПа
–20
–10
–5
–3
–1
0
1
2
0,103
0,259
0,401
0,463
0,563
0,611
0,656
0,705
мм
рт.ст.
0,77
1,94
3,01
3,47
4,22
4,58
4,92
5,29
ρ,
г/м³
t,º
C
0,88
2,14
3,25
3,72
4,49
4,86
5,20
5,57
3
4
5
10
15
20
25
30
p
кПа
0,757
0,813
0,872
1,227
1,704
2,337
3,168
4,242
мм
рт.ст.
5,68
6,10
6,54
9,20
12,78
17,53
23,76
31,82
p
ρ,
г/м³
t,º
C
5,95
6,37
6,81
9,41
12,84
17,32
23,08
30,39
40
50
60
70
80
90
100
110
кПа
7,376
12,333
19,915
31,158
47,302
70,093
101,33
1555
мм
рт.ст.
55,32
92,51
149,37
233,70
354,79
525,74
760,00
11664,00
ρ, г/м³
51,16
82,89
129,84
197,22
290,93
419,23
589,79
7099,00
6-21. Коэффициент поверхностного натяжения жидкостей, мН/см (при t = 20 °C)
Вода
Бензин
Мыльный раствор
0,73
0,21
0,4
Молоко
Ртуть
Спирт
0,46
5,1
0,22
6-22. Шпаргалка для решения задач на уравнение теплового баланса
Q1 – количество тепла, выделяющееся при горении;
Горение
Q1 = q ⋅ mт
mт – масса топлива
Нагревание
Q2 – количество тепла, необходимое для
(охлаждение) Q2 = cтт ⋅ mтт⋅ (tпл – t1) нагревания твердого тела или выделяющееся при
твердого тела
охлаждении; mтт – масса твердого тела
Q3 – количество тепла, необходимое для плавления
Плавление
твердого тела или выделяющееся при
Q3 = λ ⋅mтт
кристаллизации; mтт – масса твердого тела
Q4 – количество тепла, необходимое для
Нагревание
нагревания жидкости или выделяющееся при
(охлаждение) Q4 = cж ⋅ mж ⋅ (tк – tпл)
охлаждении;
жидкости
mж – масса жидкости
Q5 – количество тепла, необходимое для
Парообразова
парообразования жидкости или выделяющееся при
Q5 = r ⋅ mп
ние
конденсации пара; mп – масса пара
η=
Qполезное
Qзатраченное
Q5 = r ⋅ mп
t
5
tкип
Лед
Вода
Q1 = q ⋅ mт
tпл
4
3
2
t1
τ