Номер 7, страница 71 - гдз по физике 7 класс учебник Кронгарт, Даданбеков

7. Как вы объясните то, что теплый воздух поднимается вверх?

Явление, при котором теплый воздух поднимается вверх, объясняется законами физики, в частности, тепловым расширением и законом Архимеда. Этот процесс называется естественной конвекцией.

1. Тепловое расширение и плотность. При нагревании любое вещество, включая газы, как правило, расширяется. Молекулы воздуха, получая дополнительную тепловую энергию, начинают двигаться с большей скоростью и на большем расстоянии друг от друга. В результате объем, занимаемый той же массой воздуха, увеличивается. Плотность ($\rho$) определяется как масса ($m$), деленная на объем ($V$): $ \rho = m/V $. Поскольку масса воздуха в определенном объеме остается прежней, а сам объем увеличивается, плотность нагретого воздуха уменьшается. Таким образом, теплый воздух становится менее плотным, чем окружающий его холодный воздух.

2. Закон Архимеда и выталкивающая сила. Атмосферу можно рассматривать как огромный резервуар с газом (воздухом). Согласно закону Архимеда, на любое тело, погруженное в жидкость или газ, действует выталкивающая сила ($F_A$), направленная вертикально вверх и равная весу вытесненной жидкости или газа. В нашем случае "телом" является порция теплого, менее плотного воздуха, а "газом" — окружающий его более плотный холодный воздух.

3. Подъем воздуха. На порцию теплого воздуха действуют две основные силы:

• Сила тяжести ($F_g$), направленная вниз: $ F_g = m_{теплого} \cdot g = \rho_{теплого} \cdot V \cdot g $.

• Выталкивающая сила Архимеда ($F_A$), направленная вверх: $ F_A = m_{холодного} \cdot g = \rho_{холодного} \cdot V \cdot g $.

Поскольку теплый воздух менее плотный, чем холодный ($ \rho_{теплого} < \rho_{холодного} $), выталкивающая сила, действующая на него, оказывается больше, чем его собственная сила тяжести ($ F_A > F_g $). Эта разница сил создает результирующую силу, направленную вверх, которая и заставляет теплый воздух подниматься. Он будет продолжать свой подъем до тех пор, пока не достигнет слоя атмосферы, где плотность окружающего воздуха будет равна его собственной плотности.

Ответ: Теплый воздух поднимается вверх, потому что при нагревании он расширяется, и его плотность становится меньше плотности окружающего холодного воздуха. Вследствие этого, согласно закону Архимеда, выталкивающая сила, действующая со стороны холодного воздуха, становится больше силы тяжести, действующей на теплый воздух, что и приводит к его подъему.