Номер 3, страница 57 - гдз по физике 7 класс самостоятельные и контрольные работы Марон, Марон

Глава 3. Давление твёрдых тел, жидкостей и газов. Самостоятельные работы. СР-49. Плавание судов. Воздухоплавание. Вариант 2 - номер 3, страница 57.

Условие.

3. Подъёмная сила стратостата зависит от времени суток и днём имеет наибольшее значение. Объясните почему.

Решение.

Решение

Подъёмная сила, действующая на стратостат, представляет собой разность между выталкивающей силой Архимеда, действующей со стороны окружающего воздуха, и силой тяжести газа, заполняющего оболочку стратостата. Эта сила $F_{под}$ может быть выражена следующей формулой:

$F_{под} = ( \rho_{возд} - \rho_{газа} ) \cdot V \cdot g$

где $\rho_{возд}$ — плотность окружающего воздуха, $\rho_{газа}$ — плотность газа внутри оболочки (например, гелия или водорода), $\text{V}$ — объём стратостата, а $\text{g}$ — ускорение свободного падения.

Из уравнения состояния идеального газа следует, что плотность газа при постоянном давлении обратно пропорциональна его абсолютной температуре $\text{T}$ ($ \rho \propto 1/T $). Давление внутри и снаружи стратостата примерно одинаково.

В дневное время солнечные лучи нагревают как сам стратостат, так и окружающий воздух. Однако оболочка стратостата и газ внутри неё поглощают солнечное излучение интенсивнее, чем прозрачный атмосферный воздух. Вследствие этого газ внутри оболочки нагревается до более высокой температуры, чем воздух снаружи.

Повышение температуры газа внутри стратостата приводит к значительному уменьшению его плотности $\rho_{газа}$. Плотность окружающего воздуха $\rho_{возд}$ также уменьшается из-за нагрева, но в меньшей степени. В результате разность плотностей $( \rho_{возд} - \rho_{газа} )$ увеличивается.

Так как подъёмная сила прямо пропорциональна этой разности, её значение днём становится наибольшим.

Ночью, в отсутствие солнечного нагрева, газ в стратостате остывает, его температура приближается к температуре окружающего воздуха. Разность плотностей уменьшается, и, соответственно, подъёмная сила снижается.

Ответ: Днём солнечное излучение нагревает газ внутри стратостата сильнее, чем окружающий воздух. Из-за этого плотность газа внутри оболочки уменьшается в большей степени, чем плотность воздуха снаружи. Это увеличивает разность между плотностью воздуха и плотностью газа, что, согласно закону Архимеда, приводит к увеличению подъёмной силы.