Номер 4, страница 71 - гдз по физике 7 класс контрольные и самостоятельные работы Громцева

Глава 3. Давление твёрдых тел, жидкостей и газов. Самостоятельные работы. СР-40. Воздухоплавание. Вариант № 2 - номер 4, страница 71.

Решение.

Решение

Нагретый воздух поднимается в более холодном из-за физического явления, известного как конвекция, которое, в свою очередь, основано на законе Архимеда и свойстве тел расширяться при нагревании.

Когда порция воздуха нагревается, её молекулы получают дополнительную кинетическую энергию, начинают двигаться быстрее и на большее расстояние друг от друга. Это приводит к тепловому расширению: масса воздуха остается прежней, но он начинает занимать больший объём.

Плотность вещества ($\rho$) определяется как отношение массы ($\text{m}$) к объёму ($\text{V}$), то есть $\rho = m/V$. Поскольку объём нагретого воздуха увеличился, а масса осталась той же, его плотность уменьшается. Таким образом, нагретый воздух становится менее плотным, чем окружающий его холодный воздух.

Согласно закону Архимеда, на любой объём газа, находящийся в другом газе, действует выталкивающая сила ($F_A$), направленная вверх. Величина этой силы равна весу окружающего газа в том же объёме. Формула для силы Архимеда:
$F_A = \rho_{окр} \cdot g \cdot V$
где $\rho_{окр}$ — плотность окружающей среды (холодного воздуха), $\text{g}$ — ускорение свободного падения, а $\text{V}$ — объём рассматриваемой порции воздуха.

Одновременно на эту же порцию воздуха действует сила тяжести ($F_т$), направленная вниз. Она равна:
$F_т = m \cdot g = \rho_{нагр} \cdot V \cdot g$
где $\rho_{нагр}$ — плотность самого нагретого воздуха.

Так как плотность нагретого воздуха меньше плотности холодного ($\rho_{нагр} < \rho_{окр}$), то выталкивающая сила Архимеда оказывается больше силы тяжести ($F_A > F_т$). Эта разница сил создает результирующую силу, направленную вверх, которая и заставляет лёгкий тёплый воздух подниматься. На его место опускается более плотный холодный воздух, создавая конвекционные потоки.

Ответ: Нагретый воздух поднимается в более холодном, потому что при нагревании он расширяется и его плотность становится меньше, чем у окружающего холодного воздуха. В результате выталкивающая сила (сила Архимеда) превышает силу тяжести, действующую на этот объём воздуха, что и заставляет его всплывать вверх.