Номер 4, страница 172 - гдз по физике 7 класс учебник Пёрышкин, Иванов

Задание 35. § 49. Плавание судов. Воздухоплавание. Глава 3. Давление твёрдых тел, жидкостей и газов - номер 4, страница 172.

4. Изготовьте модель китайского фонарика — летающей светящейся конструкции из бумаги, натянутой на лёгкий деревянный каркас. Опробуйте её в действии. Будьте осторожны, запускайте фонарик на открытом месте.

Для выполнения данного задания необходимо изготовить модель китайского фонарика, опробовать её в действии, соблюдая меры предосторожности, и понять физический принцип, лежащий в основе её полёта.

Необходимые материалы

Для изготовления фонарика понадобятся: тонкая, но прочная и негорючая или обработанная огнезащитным составом бумага (например, рисовая, папиросная) для купола; лёгкие деревянные палочки (например, бамбуковые шпажки) или тонкая проволока для каркаса; тонкая стальная проволока для крепления горелки; клей или термопистолет; ножницы; материал для горелки — кусочек хлопчатобумажной ткани, ваты или специальный топливный элемент, пропитанный парафином или воском.

Инструкция по изготовлению

1. Создание каркаса. Из лёгких палочек или проволоки делается обруч — основание фонарика. Его диаметр может составлять 30-50 см. Для удержания формы купола и крепления горелки к обручу крест-накрест крепится проволока.

2. Изготовление купола. Из бумаги вырезаются несколько одинаковых сегментов (лепестков) трапециевидной формы. Чем больше сегментов, тем более округлым будет купол. Сегменты аккуратно склеиваются между собой, образуя герметичный купол. Важно, чтобы не было щелей, через которые может уходить тёплый воздух. Нижний край готового купола приклеивается по периметру к каркасу-обручу.

3. Подготовка горелки. В центре проволочной крестовины закрепляется фитиль — топливный элемент. Важно, чтобы горелка была закреплена надёжно и находилась точно по центру основания на безопасном расстоянии от бумажных стенок, чтобы избежать их возгорания.

Принцип действия

Полёт китайского фонарика объясняется законом Архимеда, применимым к газам. Горелка, расположенная в основании, нагревает воздух внутри бумажного купола. Согласно уравнению состояния идеального газа, при постоянном давлении объём газа прямо пропорционален его температуре. При нагревании воздух расширяется, его плотность уменьшается. В результате на фонарик начинает действовать выталкивающая сила (сила Архимеда), направленная вертикально вверх.

Величина силы Архимеда $F_A$ равна весу объёма окружающего воздуха, вытесненного фонариком:

$F_A = \rho_{окр} \cdot g \cdot V$

Здесь $\rho_{окр}$ — плотность холодного окружающего воздуха, $g$ — ускорение свободного падения, $V$ — объём купола фонарика.

Вниз на фонарик действует сила тяжести $F_g$, которая складывается из веса самой конструкции (каркас, бумага, горелка) $m_{констр}$ и веса нагретого воздуха внутри купола $m_{внутр}$:

$F_g = (m_{констр} + m_{внутр}) \cdot g = (m_{констр} + \rho_{внутр} \cdot V) \cdot g$

Здесь $\rho_{внутр}$ — плотность нагретого воздуха внутри купола, которая меньше $\rho_{окр}$.

Фонарик начнёт подниматься в воздух, когда выталкивающая сила превысит суммарную силу тяжести:

$F_A > F_g$

Подставив выражения для сил, получаем условие для взлёта:

$\rho_{окр} \cdot g \cdot V > (m_{констр} + \rho_{внутр} \cdot V) \cdot g$

Подъёмная сила, которая заставляет фонарик двигаться вверх, равна разности между силой Архимеда и силой тяжести:

$F_{под} = F_A - F_g = (\rho_{окр} - \rho_{внутр}) \cdot g \cdot V - m_{констр} \cdot g$

Для успешного полёта необходимо, чтобы эта сила была положительной. Это достигается за счёт максимального облегчения конструкции и сильного нагрева воздуха внутри купола.

Запуск и меры предосторожности

ВНИМАНИЕ: Запуск небесных фонариков может быть опасен и во многих регионах запрещён законодательно из-за высокого риска возникновения пожаров. Перед запуском всегда уточняйте местные правила и законы.

1. Выбор места и времени. Запускать фонарик можно только на больших открытых площадках, вдали от зданий, деревьев, стогов сена, линий электропередач и аэропортов. Погода должна быть сухой и безветренной.

2. Процесс запуска. Аккуратно расправьте купол фонарика, чтобы он наполнился воздухом. Запуск удобнее производить вдвоём: один человек держит фонарик за верхнюю часть купола, а другой поджигает горелку. Необходимо удерживать фонарик у земли, пока воздух внутри него полностью не прогреется. Вы почувствуете, как он начнёт тянуть вверх. Когда подъёмная сила станет достаточной, плавно отпустите фонарик.

3. Ответственность. Помните, что вы несёте ответственность за запуск объекта с открытым огнём. Не запускайте фонарики вблизи лесных массивов, особенно в засушливый период.

Ответ: Для изготовления модели китайского фонарика необходимо создать лёгкий каркас с горелкой и обтянуть его герметичным бумажным куполом. Принцип его полёта основан на законе Архимеда: воздух внутри фонарика нагревается горелкой, его плотность ($\rho_{внутр}$) уменьшается по сравнению с плотностью окружающего воздуха ($\rho_{окр}$), и возникает выталкивающая сила ($F_A = \rho_{окр} \cdot g \cdot V$), которая превышает вес конструкции с горячим воздухом внутри ($F_g = (m_{констр} + \rho_{внутр} \cdot V) \cdot g$) и поднимает фонарик вверх. Запускать фонарик следует с соблюдением строгих мер пожарной безопасности: на открытой местности, в безветренную погоду и вдали от легковоспламеняющихся объектов, предварительно уточнив законность таких действий в вашем регионе.