Номер 23, страница 52, часть 2 - гдз по физике 7 класс учебник Генденштейн, Булатова

Часть 2. Глава IV. Давление твёрдых тел, жидкостей и газов. Плавание тел. Параграф 21. Плавание тел - номер 23, страница 52.

Условие.

23. Какие газы можно использовать для воздушных шаров, поднимающихся в верхние слои атмосферы? Обоснуйте свой ответ.

Решение.

Решение

Для подъема воздушных шаров в верхние слои атмосферы необходимо использовать газы, плотность которых значительно меньше плотности окружающего воздуха. Это требование основано на законе Архимеда, согласно которому на тело, погруженное в газ, действует выталкивающая сила, равная весу вытесненного объема газа. Чтобы шар поднимался, эта подъемная сила должна превышать его собственный вес (вес оболочки, газа-наполнителя и полезного груза).

Плотность атмосферы уменьшается с увеличением высоты. Следовательно, для достижения верхних, сильно разреженных слоев, газ-наполнитель должен обладать минимально возможной плотностью. Это необходимо для того, чтобы обеспечить достаточную разницу плотностей с окружающим воздухом и, соответственно, создать необходимую подъемную силу. Математически это означает, что разность плотностей $ (\rho_{воздуха} - \rho_{газа}) $ должна быть максимально возможной.

Исходя из этих соображений, наиболее подходящими газами являются:

Водород (H₂). Это самый легкий из всех известных газов, его молярная масса составляет около 2 г/моль (для сравнения, средняя молярная масса воздуха — 29 г/моль). Благодаря этому водород обеспечивает максимальную подъемную силу. Именно его чаще всего используют для беспилотных метеорологических зондов и стратостатов, предназначенных для достижения очень больших высот. Основной и очень серьезный недостаток водорода — его чрезвычайная горючесть и взрывоопасность при контакте с кислородом воздуха.

Гелий (He). Это второй по легкости газ с молярной массой около 4 г/моль. Его подъемная сила лишь ненамного уступает водородной (около 92% от нее), что также позволяет шарам на гелии достигать больших высот. Главное преимущество гелия — он является инертным газом, то есть не горит и химически неактивен. Это делает его абсолютно безопасным наполнителем. Поэтому гелий используется во всех пилотируемых высотных аэростатах и в тех случаях, когда безопасность является главным приоритетом. К его недостаткам относятся значительно более высокая стоимость по сравнению с водородом и ограниченность его мировых запасов.

Другие газы, которые легче воздуха (например, метан или аммиак), а также нагретый воздух не подходят для достижения верхних слоев атмосферы, так как их плотность недостаточно низкая, чтобы обеспечить подъем в сильно разреженной среде на больших высотах.

Ответ: Для воздушных шаров, предназначенных для подъема в верхние слои атмосферы, можно использовать водород или гелий. Обоснование заключается в том, что для полета на больших высотах, где воздух очень разрежен, необходим газ с минимально возможной плотностью для создания достаточной подъемной силы. Водород — самый легкий газ, обеспечивающий максимальную подъемную силу, но он взрывоопасен. Гелий — второй по легкости газ, он безопасен, так как является инертным, но дороже и обладает несколько меньшей подъемной силой.