Страница 221 - гдз по физике 7-9 класс сборник задач Лукашик, Иванова

64.1 [н] Почему мы видим свет Солнца и чувствуем тепло его лучей, прошедших огромное расстояние в безвоздушном пространстве?

64.1 [Н]

Мы видим свет Солнца и чувствуем его тепло даже после того, как его лучи прошли огромное расстояние в безвоздушном пространстве, благодаря процессу, называемому излучением. Существует три способа передачи тепла: теплопроводность, конвекция и излучение.

1. Теплопроводность — это передача энергии от более нагретых частей тела к менее нагретым за счет теплового движения и взаимодействия частиц. Этот механизм требует прямого контакта и невозможен в вакууме.
2. Конвекция — это перенос энергии потоками жидкости или газа. Этот механизм также невозможен в безвоздушном пространстве.
3. Излучение — это процесс переноса энергии в виде электромагнитных волн. Любое тело с температурой выше абсолютного нуля ($T > 0 \text{ K}$) излучает электромагнитные волны. Важнейшей особенностью этого вида теплопередачи является то, что для него не требуется среда — электромагнитные волны могут распространяться и в вакууме.

Солнце — это чрезвычайно горячий объект, который испускает мощное электромагнитное излучение в широком диапазоне длин волн. Часть этого излучения находится в видимом для человеческого глаза диапазоне — это и есть тот свет, который мы видим. Другая значительная часть, в основном инфракрасное излучение, невидима, но несет энергию. Когда эти электромагнитные волны достигают Земли и поглощаются объектами, включая нашу кожу, их энергия преобразуется во внутреннюю энергию этих объектов, что приводит к их нагреванию. Это мы и ощущаем как тепло.

Таким образом, и свет, и тепло от Солнца — это проявления единого процесса: переноса энергии электромагнитным излучением, которое способно беспрепятственно пересекать вакуум космоса.

Ответ: Свет и тепло от Солнца являются формами электромагнитного излучения, которое, в отличие от теплопроводности и конвекции, не требует среды для распространения и может свободно проходить через безвоздушное пространство (вакуум). Видимая часть спектра этого излучения воспринимается нашими глазами как свет, а поглощение невидимой (инфракрасной) части нашими телами ощущается как тепло.

64.2 [1484] Начертите в тетради таблицу. Распределите в два столбика тела, являющиеся естественными или искусственными источниками света: Солнце, свеча, экран телевизора, звезда, гни-лушка, лампа дневного света, молния, газовая горелка, полярное сияние, экран дисплея.

Источники света

естественные

искусственные

Источники света — это тела, способные излучать свет. Они делятся на две большие группы в зависимости от их происхождения: естественные и искусственные.

• Естественные источники света — это все природные объекты и явления, которые излучают свет. Они существуют в природе без вмешательства человека.
• Искусственные источники света — это устройства и приспособления, созданные человеком, основной или побочной функцией которых является излучение света.

Исходя из этих определений, распределим предложенные тела в таблицу.

Ответ:

Естественные источники света: Солнце, звезда, гнилушка, молния, полярное сияние.

Искусственные источники света: свеча, экран телевизора, лампа дневного света, газовая горелка, экран дисплея.

64.3 [1485] Какой источник света позволяет вам в настоящий момент читать эти строки: естественный или искусственный? Назовите этот источник света.

Решение

В настоящий момент вы читаете этот текст, скорее всего, на экране электронного устройства — компьютера, смартфона или планшета. Сам экран является источником света, поскольку он состоит из множества пикселей, которые излучают свет и формируют видимое изображение с текстом.

Источники света делятся на два типа:

• Естественные — источники, созданные природой (например, Солнце, звезды, молнии).
• Искусственные — источники, созданные человеком (например, электрическая лампа, свеча, костер, экран устройства).

Поскольку экран устройства создан человеком и преобразует электрическую энергию в световую, он является искусственным источником света. Даже если в помещении, где вы находитесь, есть естественный свет от Солнца, непосредственно эти строки вы можете прочитать благодаря свету, излучаемому самим экраном.

Ответ: Искусственный источник света. Название этого источника — экран электронного устройства (монитор, дисплей).

64.4 [1486] Назовите источники света, которыми вам довелось когда-либо пользоваться при чтении.

При чтении приходится использовать самые разнообразные источники света. Их можно условно разделить на две большие категории: естественные и искусственные.

Естественные источники

• Солнце: основной естественный источник. Чтение при дневном свете, как на улице, так и в помещении у окна, является наиболее комфортным и безопасным для зрения.
• Луна: чтение возможно только в ясную ночь при полной луне, и только если текст напечатан крупным, контрастным шрифтом.
• Костёр: используется для чтения в походных условиях или на отдыхе на природе в тёмное время суток.

Искусственные источники

Эта группа гораздо более разнообразна и включает в себя:

• Электрические лампы:
  • Лампа накаливания: традиционная лампа с вольфрамовой нитью, излучающая тёплый жёлтый свет. Часто встречается в настольных лампах, торшерах и люстрах.
  • Люминесцентная лампа: также известна как "энергосберегающая". Даёт рассеянный свет, который может быть как тёплым, так и холодным "дневным".
  • Светодиодная (LED) лампа: самый современный и экономичный тип ламп. Используется повсеместно: от потолочных светильников до карманных фонариков.
  • Галогенная лампа: разновидность лампы накаливания, отличающаяся большей яркостью и более белым светом.
• Источники, основанные на горении:
  • Свеча: используется скорее в декоративных или аварийных целях. Даёт слабое, колеблющееся пламя, не очень подходящее для длительного чтения.
  • Керосиновая лампа: как и свеча, в основном применяется при отсутствии электричества, например, на даче или в походе.
• Экраны электронных устройств:
  • Экран смартфона, планшета или компьютера: эти устройства сами являются источниками света, что позволяет читать текст с них в любых условиях освещённости.
  • Экран электронной книги (ридера): многие модели оснащены специальной подсветкой (чаще всего типа "frontlight", когда свет направлен на экран, а не в глаза читателя), что делает чтение максимально комфортным.
• Портативные фонари:
  • Аккумуляторный или батареечный фонарик (карманный, налобный): незаменимый помощник при чтении в дороге (поезд, автобус), в палатке или во время отключения электроэнергии.

Ответ: Источниками света, которыми доводилось пользоваться при чтении, являются: Солнце, Луна, костер, свеча, керосиновая лампа, электрические лампы (накаливания, люминесцентные, светодиодные, галогенные), экраны различных электронных устройств (смартфон, планшет, электронная книга, ноутбук), а также переносные фонари.

64.5 [1487] В чём различие между излучением, создаваемым радиатором центрального отопления, и излучением горящей свечи?

Основное различие между излучением, создаваемым радиатором центрального отопления, и излучением горящей свечи заключается в их спектральном составе, который напрямую зависит от температуры излучающих тел.

Температура поверхности радиатора центрального отопления относительно невысока, обычно она составляет 50–80 °C. При такой температуре, согласно законам теплового излучения, тело испускает электромагнитные волны преимущественно в инфракрасном диапазоне. Это излучение невидимо для человеческого глаза, но воспринимается нами как тепло.

Температура пламени горящей свечи значительно выше и может достигать 1400 °C. Эта высокая температура, поддерживаемая процессом горения, приводит к тому, что частички сажи (углерода) в пламени раскаляются до такой степени, что начинают испускать видимый свет. Согласно закону смещения Вина, который описывает зависимость длины волны максимальной интенсивности излучения $λ_{max}$ от температуры $T$: $λ_{max} = \frac{b}{T}$ (где $b$ — постоянная Вина), с ростом температуры максимум излучения смещается в область более коротких волн. Поэтому пламя свечи излучает не только в инфракрасном диапазоне (мы чувствуем от него тепло), но и в видимом диапазоне, что и позволяет нам его видеть.

Таким образом, радиатор является источником только невидимого теплового излучения, в то время как свеча является источником и тепла (инфракрасное излучение), и света (излучение в видимой части спектра).

Ответ: Радиатор центрального отопления имеет низкую температуру и создаёт невидимое глазом инфракрасное (тепловое) излучение. Горящая свеча имеет значительно более высокую температуру, поэтому она создаёт излучение как в инфракрасном, так и в видимом диапазоне электромагнитных волн, то есть является источником и тепла, и света.

64.6 [1488] Что общего и в чём различие между излучением, создаваемым чайником с кипятком, и излучением, создаваемым электрической лампой; излучением, создаваемым нагретым утюгом, и излучением, создаваемым пламенем костра?

излучением, создаваемым чайником с кипятком, и излучением, создаваемым электрической лампой
Общим для излучения чайника с кипятком и электрической лампы является его природа — это тепловое электромагнитное излучение. Любое тело, температура которого выше абсолютного нуля, излучает электромагнитные волны за счет своей внутренней энергии.
Различие заключается в температуре источников и, как следствие, в спектре их излучения.
Температура чайника с кипятком составляет около 100 °C (373 K). При такой относительно невысокой температуре излучение происходит почти полностью в невидимом для человеческого глаза инфракрасном (ИК) диапазоне. Мы воспринимаем это излучение как тепло.
Нить накаливания в электрической лампе разогревается до гораздо более высоких температур, порядка 2500–3000 K. Согласно закону смещения Вина ($ \lambda_{max} = \frac{b}{T} $, где $ T $ — абсолютная температура, а $ b $ — постоянная Вина), с ростом температуры максимум интенсивности излучения смещается в сторону более коротких волн. Поэтому лампа излучает не только в ИК-диапазоне, но и интенсивно в видимой части спектра, что мы и воспринимаем как свет.

Ответ: Общее — оба излучения являются тепловыми (электромагнитными). Различие — в температуре источников и, следовательно, в спектре: чайник излучает в основном в невидимом инфракрасном диапазоне, а лампа — и в инфракрасном, и в видимом диапазоне, так как ее температура намного выше.

излучением, создаваемым нагретым утюгом, и излучением, создаваемым пламенем костра
Общим для излучения нагретого утюга и пламени костра также является то, что это тепловое излучение, возникающее из-за высокой температуры объектов.
Различия также связаны с температурой и спектральным составом.
Температура нагретого утюга (около 200 °C, или 473 K) недостаточна для заметного излучения в видимом свете. Его излучение, как и у чайника, преимущественно инфракрасное. Даже если бы утюг раскалился докрасна (около 600-700 °C), его свечение было бы слабым по сравнению с костром.
Пламя костра имеет гораздо более высокую температуру (от 600 °C до 1200 °C и выше, то есть 900–1500 K). Поэтому костер является мощным источником как видимого света, так и инфракрасного излучения (тепла). Кроме того, природа излучения пламени сложнее: оно состоит из теплового излучения раскаленных твердых частиц (сажи), которое имеет сплошной спектр, и излучения возбужденных атомов и молекул газа (хемилюминесценция), которое имеет линейчатый спектр. Излучение утюга — это чисто тепловое излучение твердого тела.

Ответ: Общее — оба вида излучения являются тепловыми. Различие — в температуре и составе источников: пламя костра имеет гораздо более высокую температуру и сложный спектр (тепловое излучение + хемилюминесценция), поэтому оно ярко светится в видимом диапазоне и является мощным источником тепла. Утюг имеет более низкую температуру и излучает почти исключительно в невидимом инфракрасном диапазоне.

64.7 [1489] Почему в тёмное время суток при появлении встречных машин водители переключают фары с дальнего света на ближний?

Водители переключают фары с дальнего света на ближний при появлении встречных машин в тёмное время суток по причине безопасности, чтобы избежать ослепления водителя встречного автомобиля. Это явление связано с физиологическими особенностями человеческого зрения и направленностью световых пучков фар.

1. Направление светового пучка. Дальний свет фар предназначен для освещения дороги на максимально возможном расстоянии. Для этого световой пучок направляется практически горизонтально, параллельно дорожному полотну. Это обеспечивает хорошую видимость на пустой дороге, но при этом свет попадает прямо в глаза водителям встречных транспортных средств.

2. Эффект ослепления. В условиях низкой освещённости (ночью) зрачки глаз человека расширяются, чтобы пропустить больше света и лучше видеть в темноте. Когда в глаза попадает внезапный и яркий свет от фар дальнего света, происходит так называемое ослепление. Зрачки резко сужаются, а светочувствительные рецепторы сетчатки (палочки и колбочки) получают избыточную стимуляцию. В результате водитель на некоторое время теряет способность видеть. Он не может различить ни дорогу, ни её границы, ни положение своего автомобиля. Восстановление зрения до нормального уровня занимает от нескольких секунд до минуты. За это время автомобиль, движущийся даже с умеренной скоростью, проезжает значительное расстояние практически "вслепую", что создаёт крайне высокую опасность возникновения ДТП.

3. Безопасность и правила дорожного движения. Ближний свет фар имеет иную конструкцию. Его световой пучок направлен вниз, на дорогу, и немного вправо (в странах с правосторонним движением), чтобы освещать обочину. Таким образом, ближний свет хорошо освещает дорогу непосредственно перед автомобилем, не создавая дискомфорта и опасности для других участников движения. Переключение с дальнего света на ближний при появлении встречного транспорта является не только проявлением вежливости, но и обязательным требованием правил дорожного движения в большинстве стран мира.

Ответ: Водители переключают фары с дальнего света на ближний, чтобы не ослепить водителей встречных машин. Яркий дальний свет вызывает временную слепоту у встречного водителя, что создаёт аварийную ситуацию, так как он на несколько секунд перестает видеть дорогу. Ближний свет направлен вниз и не слепит других водителей, обеспечивая безопасность движения.

64.8 [1490] Какие превращения энергии происходят при свечении лампы карманного фонаря?

Решение

При работе карманного фонаря происходит последовательная цепь превращений энергии. Весь процесс можно разбить на несколько этапов.

Сначала в источнике питания фонаря, которым обычно служат батарейки или аккумуляторы, запасена химическая энергия. Эта энергия заключена в химических связях веществ внутри элемента питания.

При включении фонаря (замыкании электрической цепи) внутри батареек начинаются электрохимические реакции. В результате этих реакций химическая энергия преобразуется в электрическую энергию. Эта энергия заставляет заряженные частицы упорядоченно двигаться по цепи, создавая электрический ток.

Далее электрический ток течет по проводам к лампе фонаря. В лампе происходит финальное преобразование. Электрическая энергия превращается в световую энергию (излучение видимого света) и внутреннюю (тепловую) энергию. В зависимости от типа лампы соотношение этих энергий разное. В лампе накаливания электрический ток сильно нагревает тонкую вольфрамовую нить, которая начинает светиться. Здесь большая часть электрической энергии преобразуется в тепло, и лишь малая часть — в свет. В светодиодной (LED) лампе преобразование происходит более эффективно, и основная часть электрической энергии превращается в световую, а потери на нагрев значительно меньше.

Таким образом, общая последовательность такова: химическая энергия → электрическая энергия → световая энергия + тепловая энергия.

Ответ: При свечении лампы карманного фонаря химическая энергия, запасенная в батарейках, преобразуется в электрическую энергию, которая в лампе, в свою очередь, преобразуется в световую и тепловую энергию.

64.9 [1491] Какие превращения энергии происходят при горении свечи?

Решение

Горение свечи — это химический процесс, сопровождающийся преобразованием энергии. Изначально система, состоящая из свечи (воска/парафина) и окружающего воздуха (кислорода), обладает химической энергией. Эта энергия запасена в химических связях молекул исходных веществ.

Когда свечу поджигают, запускается экзотермическая реакция горения. В ходе этой реакции происходит окисление паров воска кислородом. При этом разрушаются химические связи в молекулах воска и кислорода и образуются новые, более прочные связи в молекулах продуктов реакции (углекислого газа и воды).

Энергия, которая выделяется в результате этой реакции (разница между энергией исходных связей и энергией конечных связей), преобразуется в другие виды. В основном это:

1. Тепловая энергия. Пламя свечи имеет высокую температуру. Выделившаяся энергия увеличивает кинетическую энергию молекул продуктов горения, что мы воспринимаем как тепло. Это тепло передается в окружающее пространство путем конвекции, излучения и теплопроводности.

2. Световая энергия. Раскаленные в пламени частицы (в основном частицы сажи) и газы испускают электромагнитные волны в видимом диапазоне, что мы наблюдаем как свет.

Таким образом, при горении свечи происходит следующая основная цепь превращений энергии: химическая энергия переходит в тепловую и световую.

Ответ: При горении свечи химическая энергия, запасенная в воске и кислороде, превращается в тепловую и световую энергию.

64.1° [1492]

Свет излучают раскалённый металл, экран телевизора, молния, экран дисплея, пламя горящей древесины, электрическая лампа накаливания, жучок-светлячок. Укажите, какие из этих источников света относятся к тепловым, а какие — к холодным (люминесцентным) источникам света.

Для классификации перечисленных источников света необходимо определить основной принцип их свечения. Источники света делятся на тепловые, которые излучают свет за счёт высокой температуры, и холодные (люминесцентные), использующие для свечения другие виды энергии (химическую, электрическую и т.д.) без значительного нагрева.

Тепловые источники света

К этой группе относятся источники, в которых видимое излучение (свет) возникает в результате нагрева вещества до высоких температур. В заданном списке это:раскалённый металл, молния (свечение раскалённого до состояния плазмы воздуха), пламя горящей древесины (свет излучают раскалённые частицы сажи в пламени) и электрическая лампа накаливания (светится вольфрамовая нить, раскалённая электрическим током).

Ответ: раскалённый металл, молния, пламя горящей древесины, электрическая лампа накаливания.

Холодные (люминесцентные) источники света

К этой группе относятся источники, свечение которых не связано с высокой температурой, а является результатом люминесценции — преобразования поглощаемой энергии в световое излучение. В заданном списке это:экран телевизора и экран дисплея (их работа основана на электролюминесценции светодиодов или фотолюминесценции люминофоров) и жучок-светлячок (его свечение — это результат химической реакции, называемой биолюминесценцией).

Ответ: экран телевизора, экран дисплея, жучок-светлячок.