Номер 7, страница 40, 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 7, страница 40.

Условие.

7. Прочитайте следующий текст и выполните задания к нему.

В первой половине XIX века английский ботаник Роберт Броун, наблюдая в микроскоп плавающие в воде частицы цветочной пыльцы, заметил, что они непрестанно хаотически движутся. На рисунке 5.4 приведена многократно увеличенная фотография, на которой положения одной из частиц через минутные промежутки времени соединены отрезками. Полученная ломаная линия наглядно показывает беспорядочность движения, которое назвали броуновским.

Рис. 5.4

Объяснить броуновское движение учёные смогли только через полвека после его открытия. Выяснилось, что оно обусловлено ударами молекул воды, в которой находятся частицы: молекулы ударяют по ним с разных сторон, заставляя их двигаться. Чем меньше эти частицы, тем заметнее броуновское движение, подобно тому, как слабое волнение на море раскачивает лодку, а большой корабль остаётся неподвижным. Броуновское движение можно заметить только для частиц размером не более одной тысячной доли миллиметра. Напомним, что размеры молекул ещё в тысячи раз меньше!

Броуновское движение стало опытным подтверждением молекулярного строения вещества и движения молекул.

При нагревании воды интенсивность броуновского движения возрастает. Это означает, что при повышении температуры скорость хаотического движения молекул увеличивается. Поэтому хаотическое движение молекул называют тепловым движением.

а) Почему внимание Роберта Броуна привлекло хаотическое движение частиц пыльцы?

б) Поначалу Броун предположил, что движение частиц обусловлено тем, что это крошечные живые существа. Чтобы проверить это, он заменил пыльцу очень мелкой сажей. Что вы можете предположить о результатах опытов с частицами сажи? Обоснуйте своё предположение.

в) Зависит ли скорость хаотического движения молекул от температуры? Если зависит, то как: увеличивается или уменьшается при нагревании?

г) Почему броуновское движение заметно только для очень малых частиц? Можно ли считать примером броуновского движения «пляску» пылинок в воздухе? Обоснуйте свой ответ.

Решение.

а) Почему внимание Роберта Броуна привлекло хаотическое движение частиц пыльцы?

Внимание Роберта Броуна привлекло хаотическое движение частиц пыльцы, потому что оно было совершенно неожиданным. Пыльца — это неживые частицы, и ожидалось, что они будут неподвижны в спокойной воде или будут медленно оседать на дно. Вместо этого он наблюдал их непрерывное, беспорядочное движение, как будто они были живыми. Именно это необъяснимое на тот момент «оживление» неживой материи и стало предметом его пристального изучения.

Ответ: Внимание Роберта Броуна привлекло непрерывное и беспорядочное движение неживых частиц пыльцы, которое было неожиданным и напоминало движение живых организмов.

б) Поначалу Броун предположил, что движение частиц обусловлено тем, что это крошечные живые существа. Чтобы проверить это, он заменил пыльцу очень мелкой сажей. Что вы можете предположить о результатах опытов с частицами сажи? Обоснуйте своё предположение.

Можно предположить, что частицы сажи будут двигаться так же хаотично, как и частицы пыльцы. Обоснование заключается в том, что, как объясняется в тексте, броуновское движение вызвано не жизненной силой частиц, а ударами молекул окружающей жидкости (воды). Молекулы воды находятся в непрерывном хаотическом движении и постоянно ударяют по взвешенной в ней частице со всех сторон. Для достаточно малой частицы (как сажа или пыльца) эти удары не уравновешивают друг друга в каждый момент времени, что и приводит к её беспорядочному перемещению. Поскольку природа этого явления физическая, а не биологическая, оно будет наблюдаться для любых достаточно мелких частиц, независимо от их происхождения.

Ответ: Частицы сажи будут двигаться так же хаотично, как и частицы пыльцы, потому что броуновское движение является физическим явлением, вызванным ударами молекул жидкости, и не зависит от того, является ли частица живой или неживой.

в) Зависит ли скорость хаотического движения молекул от температуры? Если зависит, то как: увеличивается или уменьшается при нагревании?

Да, скорость хаотического движения молекул зависит от температуры. Как указано в тексте, при нагревании (то есть при повышении температуры) скорость хаотического движения молекул увеличивается. Температура является мерой средней кинетической энергии хаотического движения молекул вещества. Чем выше температура, тем больше средняя кинетическая энергия молекул $E_k = \frac{mv^2}{2}$, а следовательно, и их средняя скорость.

Ответ: Да, зависит. При нагревании скорость хаотического движения молекул увеличивается.

г) Почему броуновское движение заметно только для очень малых частиц? Можно ли считать примером броуновского движения «пляску» пылинок в воздухе? Обоснуйте свой ответ.

Броуновское движение заметно только для очень малых частиц, потому что на большую частицу одновременно со всех сторон ударяет огромное количество молекул. Согласно закону больших чисел, эти удары практически полностью компенсируют друг друга, и суммарная сила, действующая на частицу, близка к нулю. Для малой же частицы число одновременных ударов меньше, и случайные флуктуации (когда с одной стороны ударяет больше молекул, чем с другой) становятся существенными. Это создает кратковременную неуравновешенную силу, которая и сдвигает частицу.

«Пляску» пылинок в воздухе, видимую невооруженным глазом (например, в луче света), как правило, нельзя считать примером броуновского движения. Видимое движение крупных пылинок вызвано в основном конвекционными потоками воздуха — упорядоченным движением больших объемов воздуха, а не хаотичными ударами отдельных молекул. Пылинки, видимые глазом, слишком велики и массивны, чтобы удары молекул воздуха могли вызвать их заметное смещение. Настоящее броуновское движение для частиц в воздухе (например, частиц дыма) можно наблюдать только в микроскоп.

Ответ: Броуновское движение заметно для малых частиц, так как удары молекул о них не компенсируются. Видимую «пляску» пылинок в воздухе нельзя считать броуновским движением, так как она вызвана потоками воздуха (конвекцией), а сами пылинки слишком велики для заметного эффекта от ударов отдельных молекул.