Номер 3, страница 10 - гдз по физике 7 класс учебник Пёрышкин, Иванов

Обсуди с товарищами. Параграф 3. Научные методы изучения природы. Введение. Физика и её роль в познании окружающего мира - номер 3, страница 10.

Условие.

3. Вам поставлена задача определить, как зависит время таяния данного кусочка льда от температуры окружающего воздуха. Приведите последовательность ваших действий, аргументируйте её.

Решение.

Решение 2.

Для определения зависимости времени таяния кусочка льда от температуры окружающего воздуха необходимо провести эксперимент. Ниже представлена последовательность действий и их аргументация.

Цель эксперимента

Экспериментально установить, как время полного таяния ($t$) одного и того же кусочка льда зависит от температуры окружающего воздуха ($T_{возд}$).

Необходимое оборудование

• Несколько абсолютно одинаковых по массе и форме кусочков льда (их можно получить, замораживая одинаковый объем воды в идентичных формочках).
• Электронные весы для подтверждения одинаковой массы льда.
• Термометр для измерения температуры воздуха с достаточной точностью.
• Секундомер для измерения времени.
• Несколько изолированных помещений с разной, но стабильной температурой (например, холодильная камера, комната, слегка обогреваемое помещение) или специальная термостатическая камера.
• Теплоизолирующая подставка (например, сетка из тонкой проволоки или кусок пенопласта) для размещения на ней льда.

Последовательность действий (план эксперимента)

1. Подготовка. Подготовить несколько одинаковых по массе ($m$) и форме кусочков льда. Перед каждым измерением следует убедиться, что масса льда одинакова, и дать ему постоять при комнатной температуре несколько минут, пока его поверхность не начнет плавиться. Это гарантирует, что начальная температура льда равна температуре плавления, то есть 0 °C.
2. Измерение №1. Поместить первый кусочек льда на теплоизолирующую подставку в среду с первой, наиболее низкой, постоянной температурой ($T_1$). Измерить эту температуру термометром и записать ее. Одновременно с размещением льда запустить секундомер. Остановить секундомер в тот момент, когда весь лед превратится в воду. Записать полученное время таяния $t_1$.
3. Измерение №2. Взять второй, точно такой же, кусочек льда и повторить действия из пункта 2, но уже в среде с другой, более высокой, постоянной температурой воздуха ($T_2$). Записать значения $T_2$ и соответствующее время таяния $t_2$.
4. Последующие измерения. Повторить эксперимент еще несколько раз (рекомендуется не менее 3-5 измерений для получения надежных данных) при различных значениях температуры воздуха ($T_3, T_4, ...$), каждый раз используя новый, идентичный предыдущим, кусочек льда.
5. Обработка результатов. Все полученные данные ($T_1, t_1; T_2, t_2; ...$) занести в таблицу. Затем построить график зависимости времени таяния $t$ (ось ординат) от температуры воздуха $T_{возд}$ (ось абсцисс).

Аргументация (обоснование)

Данная последовательность действий выбрана для того, чтобы максимально точно выявить искомую зависимость, исключив влияние других факторов.

• Использование одинаковых кусочков льда. Количество теплоты ($Q$), необходимое для плавления льда, прямо пропорционально его массе: $Q = \lambda \cdot m$, где $\lambda$ — удельная теплота плавления льда. Чтобы зависимость времени таяния отражала влияние только температуры, масса ($m$) и форма (которая определяет площадь поверхности $S$) должны быть контролируемыми, то есть постоянными во всех опытах.
• Начальная температура льда 0 °C. Если бы начальная температура льда была ниже нуля, то часть времени ушла бы на его нагрев до 0 °C. Обеспечивая начальную температуру плавления, мы изучаем только процесс фазового перехода, что упрощает анализ.
• Теплоизолирующая подставка. Лед получает тепло от окружающей среды в основном за счет теплообмена с воздухом (конвекция и излучение). Чтобы минимизировать неконтролируемую передачу тепла от поверхности, на которой он лежит (теплопроводность), используется подставка из материала с низкой теплопроводностью или с минимальной площадью контакта.
• Изменение только одного параметра. В ходе эксперимента целенаправленно изменяется только один параметр — температура воздуха ($T_{возд}$), который является независимой переменной. Время таяния ($t$) является зависимой переменной. Все остальные условия (масса льда, его форма, давление, отсутствие сквозняков) поддерживаются постоянными. Это основной принцип постановки чистого физического эксперимента.
• Теоретическая основа. Скорость теплопередачи (мощность $P$) от воздуха ко льду описывается законом Ньютона-Рихмана: $P \approx k \cdot S \cdot (T_{возд} - T_{льда})$. Поскольку $T_{льда} = 0^\circ C$, то $P \approx k \cdot S \cdot T_{возд}$. Если предположить, что мощность теплопередачи постоянна в ходе плавления (что является упрощением), то полное количество теплоты $Q = P \cdot t$. Подставляя $Q = \lambda m$, получаем $\lambda m \approx (k \cdot S \cdot T_{возд}) \cdot t$. Отсюда время таяния: $t \approx \frac{\lambda m}{kS} \cdot \frac{1}{T_{возд}}$. Таким образом, теоретически, время таяния должно быть обратно пропорционально температуре окружающего воздуха (измеренной в градусах Цельсия, так как она представляет разность температур). Эксперимент позволяет проверить эту гипотезу.

Ответ: Для определения зависимости времени таяния льда от температуры воздуха необходимо провести серию экспериментов, в каждом из которых измеряется время полного таяния идентичного кусочка льда при разной, но постоянной температуре окружающей среды. Ключевыми условиями корректности эксперимента являются: использование одинаковых по массе и форме кусочков льда, обеспечение их начальной температуры 0 °C, минимизация теплообмена с подставкой и поддержание постоянства прочих условий. Собранные данные (температура и соответствующее время таяния) позволят построить график и определить характер искомой зависимости, которая теоретически является обратно пропорциональной.