Номер 32, страница 46, часть 1 - гдз по физике 7 класс учебник Генденштейн, Булатова

Часть 1. Глава II. Начальные сведения о строении вещества. Параграф 5. Атомы и молекулы - номер 32, страница 46.

Условие.

32. Используя небольшой сосуд, частично заполненный подкрашенной водой, пробку с отверстием и трубочку для коктейля, соберите установку, с помощью которой можно наблюдать изменение высоты подъёма столбика жидкости в трубке при изменении температуры окружающей среды. Опишите свои опыты и сделайте фотографии.

Решение.

Соберите установку

Для сборки установки, с помощью которой можно наблюдать изменение высоты столбика жидкости при изменении температуры, необходимо выполнить следующие действия. Взять небольшой сосуд (например, стеклянную бутылку или колбу) и частично заполнить его водой. Для того чтобы уровень воды был хорошо виден, её следует подкрасить, добавив несколько капель чернил, пищевого красителя или раствора перманганата калия (марганцовки). Далее нужно взять пробку, плотно входящую в горлышко сосуда, и проделать в ней отверстие, в которое можно туго вставить тонкую прозрачную трубочку (например, для коктейля). Трубочку следует вставить в пробку так, чтобы её нижний конец при закрытом сосуде был погружён в воду, но не касался дна. После этого сосуд нужно герметично закрыть пробкой. Для полной герметичности стык пробки с горлышком сосуда и с трубочкой можно промазать пластилином. После сборки часть воздуха окажется запертой в сосуде. Давление этого воздуха заставит воду подняться в трубке на некоторую высоту. Этот начальный уровень следует отметить на трубочке маркером.

Опишите свои опыты и сделайте фотографии

С помощью собранной установки, которая по сути является воздушным термоскопом, можно провести следующие опыты:

Опыт 1: Нагревание.
Возьмите сосуд в ладони и согрейте его теплом своих рук, или поместите его в ёмкость с тёплой водой. Вы увидите, что столбик подкрашенной воды в трубочке начнёт подниматься. Это происходит потому, что воздух, запертый в сосуде, при нагревании расширяется. Увеличиваясь в объёме, он создаёт избыточное давление на поверхность воды в сосуде, что и выталкивает её вверх по узкой трубочке. Чем выше температура, тем выше поднимется столбик жидкости.

Опыт 2: Охлаждение.
Теперь поместите сосуд в ёмкость с холодной водой или снегом. Наблюдайте за уровнем жидкости в трубочке: он начнёт опускаться, возможно, даже ниже первоначальной отметки. При охлаждении воздух в сосуде сжимается, его объём и давление уменьшаются. В результате внешнее атмосферное давление, действующее на столбик жидкости в трубке, оказывается больше внутреннего, и уровень воды опускается.

Эти опыты наглядно демонстрируют зависимость объёма газа от температуры. Физическая основа этого явления — закон теплового расширения газов (закон Гей-Люссака), который гласит, что при постоянном давлении объём данной массы газа прямо пропорционален его абсолютной температуре: $ V/T = const $. В нашем случае изменение объёма запертого воздуха $ \Delta V $ приводит к изменению высоты столбика жидкости $ \Delta h $ в трубке. Тепловым расширением самой воды можно пренебречь, так как оно во много раз меньше, чем у воздуха.

Так как предоставить реальные фотографии невозможно, приведём их словесное описание:
1. Фотография 1. Исходное состояние: собранная установка стоит на столе при комнатной температуре. На трубочке маркером отмечен начальный уровень воды.
2. Фотография 2. Нагревание: установка находится в руках экспериментатора или в миске с тёплой водой. Уровень воды в трубочке заметно выше начальной отметки.
3. Фотография 3. Охлаждение: установка помещена в миску с холодной водой. Уровень воды в трубочке опустился ниже начальной отметки.

Ответ:
Для демонстрации зависимости объёма от температуры была собрана установка (воздушный термоскоп), состоящая из колбы с подкрашенной водой, герметично закрытой пробкой со вставленной в неё трубочкой. Опыты показали, что при нагревании сосуда (например, в руках) уровень воды в трубочке повышается, а при охлаждении (в холодной воде) — понижается. Это явление объясняется тем, что запертый в сосуде воздух при нагревании расширяется, а при охлаждении сжимается, что соответствует закону Гей-Люссака ($ V \propto T $). Изменение объёма воздуха приводит к выталкиванию или втягиванию столбика жидкости в трубке.