Страница 122 - гдз по физике 7 класс учебник Пёрышкин, Иванов

1. Как на основе знаний о движении молекул объяснить давление газа?

Давление газа объясняется на основе положений молекулярно-кинетической теории. Согласно этой теории, любое вещество состоит из мельчайших частиц — молекул, которые находятся в непрерывном и хаотическом движении. В газах молекулы расположены далеко друг от друга и движутся с большими скоростями по всему предоставленному им объему.

В процессе своего движения молекулы газа постоянно сталкиваются друг с другом и со стенками сосуда, в котором находится газ. Каждое столкновение отдельной молекулы со стенкой является упругим ударом, в результате которого молекула передает стенке некоторый импульс и оказывает на нее кратковременное силовое воздействие.

Хотя сила удара одной молекулы ничтожно мала, количество молекул в газе огромно, и они совершают миллиарды столкновений в секунду. Суммарное действие этих многочисленных, непрерывных ударов создает постоянную, усредненную силу, действующую на стенки сосуда. Давление газа ($p$) — это и есть физическая величина, равная отношению этой суммарной силы ($F$), действующей перпендикулярно поверхности, к площади этой поверхности ($S$):

$p = \frac{F}{S}$

Таким образом, давление газа — это результат совокупного действия ударов его молекул о стенки сосуда. Давление зависит от концентрации молекул (количества молекул в единице объема) и их температуры (которая определяет среднюю кинетическую энергию и, следовательно, скорость движения молекул). Чем выше температура и концентрация, тем чаще и сильнее удары молекул, и тем выше давление газа.

Ответ: Давление газа возникает из-за непрерывных и хаотических ударов его молекул о стенки сосуда. Каждая молекула при столкновении оказывает на стенку кратковременное воздействие, а суммарный эффект от огромного числа таких ударов создает постоянную силу давления.

2. Существование давления газа можно продемонстрировать с помощью простого и наглядного опыта с воздушным шариком.

Ход опыта:

1. Возьмем обычный ненадутый резиновый воздушный шарик.

2. Начнем надувать его, то есть вдувать внутрь воздух (смесь газов).

Наблюдение:

По мере наполнения шарика воздухом его резиновые стенки начинают растягиваться, а сам шарик увеличивается в объеме. Он становится упругим на ощупь. Если продолжать надувать, он станет еще больше и тверже, пока, в конечном итоге, не лопнет.

Объяснение:

Вдуваемый в шарик воздух состоит из молекул. Эти молекулы, находясь внутри замкнутого пространства, беспорядочно движутся и постоянно сталкиваются с внутренней поверхностью резиновых стенок шарика. Совокупность этих ударов создает давление газа изнутри на стенки. Это внутреннее давление заставляет стенки шарика растягиваться, преодолевая силу упругости резины и давление окружающего атмосферного воздуха снаружи. Таким образом, опыт наглядно показывает, что газ, находящийся внутри шарика, производит давление на его стенки, способное совершать работу по их растяжению.

Ответ: Простейший опыт, показывающий, что газ производит давление — это надувание воздушного шарика. Воздух (газ) внутри шарика давит на его стенки из-за ударов молекул, заставляя их растягиваться и увеличивать объем шарика.

2. Опишите опыт, показывающий, что газ производит давление на стенки сосуда, в котором он находится.

Давление газа на стенки сосуда, в котором он находится, а также на любое тело, помещенное в газ, вызвано многочисленными ударами молекул газа об эти поверхности. Согласно молекулярно-кинетической теории, все вещества состоят из частиц (атомов, молекул), которые находятся в непрерывном и хаотическом (беспорядочном) движении. Молекулы газа, двигаясь, постоянно сталкиваются друг с другом и со стенками сосуда. Каждый такой удар о стенку создает кратковременную силу, действующую на малый участок поверхности. Так как молекул в газе огромное количество и движутся они очень быстро, число ударов в секунду о стенки сосуда чрезвычайно велико. Совокупное действие этих ударов создает постоянно действующую силу, распределенную по всей поверхности. Давление — это физическая величина, определяемая как отношение этой силы $F$, действующей перпендикулярно поверхности, к площади этой поверхности $S$: $p = F/S$. Таким образом, давление газа является макроскопическим результатом микроскопического движения его молекул.

Ответ: Давление газа на стенки сосуда вызвано непрерывными ударами его молекул, которые находятся в постоянном хаотическом движении.

2. Чтобы продемонстрировать, что газ производит давление, можно провести следующий классический опыт.

Поместим под стеклянный колокол, соединенный с вакуумным насосом, слегка надутый резиновый шарик. В начальном состоянии давление воздуха внутри шарика уравновешивается давлением воздуха снаружи (под колоколом) и силами упругости материала шарика.

Затем с помощью насоса начнем откачивать воздух из-под колокола. По мере уменьшения количества воздуха под колоколом, давление на внешние стенки шарика будет падать. Давление газа внутри шарика при этом остается практически неизменным. Возникает разность давлений: внутреннее давление становится значительно больше внешнего. В результате этой разности сил давления, действующих изнутри, шарик начинает раздуваться, его объем увеличивается.

Если прекратить откачку и впустить воздух обратно под колокол, внешнее давление возрастет, и шарик сожмется до своего первоначального объема. Этот эксперимент наглядно показывает, что газ внутри шарика оказывает давление на его стенки.

Ответ: Опыт с резиновым шариком, помещенным под колокол вакуумного насоса. При откачивании воздуха снаружи шарик раздувается, что доказывает наличие давления газа внутри него, действующего на его стенки.

3. Описанный выше опыт с шариком под вакуумным колоколом доказывает несколько фундаментальных положений:

• Существование давления газа: Опыт является прямым доказательством того, что газ, заключенный в оболочку, оказывает на нее давление. Именно это давление заставляет шарик расширяться.
• Давление действует во всех направлениях: Шарик раздувается более или менее равномерно во все стороны, принимая сферическую форму. Это говорит о том, что давление газа распространяется одинаково по всем направлениям (что является следствием хаотичности движения молекул).
• Проявление давления: Сила давления становится заметной и производит работу (по расширению шарика), когда существует разность давлений между двумя областями.

Ответ: Данный опыт доказывает, что газ оказывает давление на стенки сосуда, в котором он находится, и это давление действует во всех направлениях.

3. Что доказывает опыт, изображённый на рисунке 100? Объясните опыт.

Что доказывает опыт, изображённый на рисунке 100? Объясните опыт.

Опыт, который обычно демонстрируется с помощью прибора под названием шар Паскаля (полый шар с множеством мелких отверстий, соединённый с цилиндром и поршнем), доказывает справедливость закона Паскаля.

Объяснение опыта:
1. Шар Паскаля заполняют какой-либо жидкостью (например, подкрашенной водой) или газом (дымом).
2. На поршень оказывают внешнее давление, заставляя его двигаться внутрь и сжимать вещество в шаре.
3. В результате этого мы наблюдаем, как из всех отверстий шара одновременно начинают вырываться струйки жидкости или газа. Ключевым моментом является то, что все струйки имеют одинаковую интенсивность (напор) и направлены перпендикулярно поверхности шара.

Этот результат наглядно показывает, что давление, созданное поршнем в одной части сосуда, передалось по всему объёму жидкости или газа равномерно во всех направлениях. Если бы давление передавалось только в направлении действия силы, струя вырвалась бы только из отверстия напротив поршня.

Таким образом, опыт подтверждает закон Паскаля, который гласит: давление, производимое на жидкость или газ в замкнутом сосуде, передаётся в любую точку без изменений во всех направлениях.

Ответ: Опыт доказывает закон Паскаля. Он демонстрирует, что давление, которое оказывается на жидкость или газ в замкнутом пространстве, передаётся одинаково во все точки этой жидкости или газа и, следовательно, во все стороны.

4. Как объяснить с позиций молекулярного строения вещества изменение давления газа при изменении его объёма?

Изменение давления газа при изменении его объёма объясняется с помощью основных положений молекулярно-кинетической теории (МКТ). Согласно этой теории, газ состоит из огромного числа молекул, которые находятся в непрерывном и хаотическом движении. Давление газа на стенки сосуда является результатом многочисленных ударов этих молекул о стенки.

Рассмотрим два случая, предполагая, что масса газа и его температура остаются постоянными (а значит, и средняя скорость движения молекул не меняется).

1. Уменьшение объёма (сжатие). Когда объём сосуда с газом уменьшается, молекулы оказываются в более ограниченном пространстве. При этом их количество остаётся прежним. В результате концентрация молекул (их число в единице объёма) возрастает. Это приводит к тому, что молекулы начинают сталкиваться со стенками сосуда значительно чаще. Так как число ударов в единицу времени на единицу площади стенки увеличивается, суммарная сила воздействия на стенки растёт, что мы и воспринимаем как увеличение давления.

2. Увеличение объёма (расширение). При увеличении объёма сосуда те же молекулы распределяются по большему пространству. Концентрация молекул уменьшается. Вследствие этого молекулы сталкиваются со стенками сосуда реже. Уменьшение частоты ударов на единицу площади приводит к снижению суммарной силы воздействия на стенки, то есть к уменьшению давления газа.

Таким образом, зависимость давления от объёма объясняется изменением частоты столкновений молекул газа со стенками сосуда.

Ответ: При уменьшении объёма газа его молекулы чаще ударяются о стенки сосуда, что приводит к увеличению давления. При увеличении объёма газа частота ударов молекул о стенки сосуда уменьшается, что приводит к снижению давления.

5. Поскольку вопрос на изображении обрывается, будем исходить из наиболее вероятной его полной формулировки: "Изменяется ли число молекул воздуха в закрытом сосуде при изменении его объёма?".

Понятие "закрытый сосуд" означает, что он герметичен, то есть обмен веществом (молекулами) с окружающей средой не происходит. Ни одна молекула не может ни войти в сосуд, ни покинуть его.

Следовательно, при любом изменении объёма такого сосуда (например, при движении поршня в цилиндре) общее число молекул воздуха внутри него остаётся строго постоянным. Изменяются лишь такие параметры, как плотность (концентрация молекул), среднее расстояние между ними и, как следствие, давление газа.

Ответ: Число молекул воздуха в закрытом сосуде при изменении его объёма не изменяется.

5. Число молекул воздуха в закрытом сосуде не меняется. Почему же увеличивается давление воздуха на его стенки, если сосуд нагревать?

Давление газа на стенки сосуда создается многочисленными ударами его молекул. В закрытом сосуде количество молекул воздуха ($N$) и объем ($V$), который они занимают, являются постоянными величинами. Следовательно, концентрация молекул $n = N/V$ также остается неизменной.

Согласно молекулярно-кинетической теории, температура тела является мерой средней кинетической энергии его молекул. При нагревании сосуда мы передаем энергию молекулам воздуха, в результате чего их средняя кинетическая энергия ($\overline{E_k}$) увеличивается. Связь между температурой и энергией выражается формулой $\overline{E_k} = \frac{3}{2}kT$, где $k$ — постоянная Больцмана, а $T$ — абсолютная температура.

Поскольку кинетическая энергия зависит от скорости ($E_k = \frac{mv^2}{2}$), увеличение средней кинетической энергии означает, что молекулы воздуха начинают двигаться в среднем с большей скоростью.

Увеличение скорости молекул приводит к двум последствиям, которые влияют на давление:
1. Увеличение частоты ударов: более быстрые молекулы чаще сталкиваются со стенками сосуда.
2. Увеличение силы каждого удара: поскольку молекулы имеют большую скорость, они обладают большим импульсом. При столкновении со стенкой они передают ей больший импульс, то есть удар становится сильнее.

Совместное действие этих двух факторов — более частые и более сильные удары — приводит к увеличению общей силы, действующей на стенки сосуда, а значит, и к увеличению давления. Этот процесс описывается законом Шарля, который гласит, что для фиксированной массы газа при постоянном объеме давление прямо пропорционально абсолютной температуре ($P \sim T$).

Ответ: При нагревании сосуда увеличивается температура воздуха, что приводит к росту средней кинетической энергии и скорости движения его молекул. В результате молекулы начинают ударяться о стенки сосуда чаще и с большей силой, что и вызывает увеличение давления.

6. Почему сжатые газы хранят в прочных стальных баллонах?

5. Решение

Давление газа на стенки сосуда создается многочисленными ударами его молекул. Согласно молекулярно-кинетической теории, температура вещества является мерой средней кинетической энергии хаотического движения его частиц. При нагревании сосуда газу передается теплота, его температура, а следовательно, и средняя кинетическая энергия его молекул возрастают.

Увеличение кинетической энергии означает, что молекулы начинают двигаться с большей скоростью. Вследствие этого молекулы чаще ударяются о стенки сосуда, и каждый такой удар становится более сильным, так как молекулы обладают большим импульсом. Оба этих фактора приводят к увеличению суммарной силы, действующей на стенки сосуда изнутри, что и означает увеличение давления.

Для газа в замкнутом объеме (этот процесс называется изохорным) зависимость давления от температуры описывается законом Шарля. Он гласит, что давление данной массы газа при постоянном объеме прямо пропорционально абсолютной температуре. Математически это выражается как $p/T = \text{const}$, где $p$ – давление, а $T$ – абсолютная температура (измеряемая в кельвинах). Таким образом, с ростом температуры давление неизбежно возрастает.

Ответ: При нагревании сосуда давление воздуха на его стенки увеличится.

6. Решение

Сжатые газы хранятся под очень высоким давлением, которое многократно превышает атмосферное. Это делается для того, чтобы вместить большое количество вещества (газа) в сравнительно небольшой объем баллона.

Такое высокое давление создает огромную силу, которая равномерно действует изнутри на всю поверхность стенок баллона. Чтобы выдерживать эту силу и не разрушиться, стенки контейнера должны обладать очень высокой механической прочностью. Сталь является конструкционным материалом, который обладает необходимой прочностью и упругостью, что позволяет изготавливать из нее надежные сосуды высокого давления.

Использование прочных стальных баллонов обусловлено критическими требованиями безопасности. Во-первых, если баллон не будет достаточно прочным, он может взорваться из-за высокого внутреннего давления, а внезапный выброс сжатого газа представляет смертельную опасность. Во-вторых, необходимо учитывать возможное изменение внешних условий. Как было показано в предыдущем вопросе, при нагревании (например, под прямыми солнечными лучами или вблизи источника тепла) давление газа в баллоне будет расти, еще больше увеличивая нагрузку на стенки. Поэтому баллоны проектируются со значительным запасом прочности, чтобы безопасно выдерживать и такие повышения давления.

Ответ: Сжатые газы создают очень высокое внутреннее давление на стенки сосуда. Чтобы выдерживать это давление и обеспечить безопасность при хранении и транспортировке, их помещают в баллоны, изготовленные из очень прочного материала, такого как сталь.

1. Возьмите пустую пластиковую бутылку с завинчивающейся крышкой ёмкостью 0,5 л. Подержите её час в морозильной камере. Достаньте бутылку и сфотографируйте её. Дайте объяснение наблюдаемому эффекту.

Если взять пустую пластиковую бутылку, плотно закрыть её крышкой при комнатной температуре и поместить в морозильную камеру, то через некоторое время можно будет наблюдать, что бутылка деформировалась — она будет выглядеть смятой, как будто её сжали.

Это явление объясняется законами физики, описывающими состояние газов. "Пустая" бутылка на самом деле заполнена воздухом. Когда мы закрываем её при комнатной температуре, давление воздуха внутри бутылки равно атмосферному давлению.

При помещении в морозильную камеру воздух внутри бутылки охлаждается. Согласно закону Шарля, при постоянном объёме давление газа прямо пропорционально его абсолютной температуре. Это можно выразить формулой: $ \frac{P}{T} = \text{const} $ где $P$ — давление газа, а $T$ — его абсолютная температура (в Кельвинах).

Так как температура воздуха внутри бутылки значительно понижается, его давление также падает и становится существенно меньше внешнего атмосферного давления. Из-за этой разницы давлений на стенки бутылки снаружи начинает действовать сила, значительно превышающая силу давления газа изнутри. Под действием этой результирующей силы, направленной внутрь, гибкие пластиковые стенки бутылки сминаются, и её объём уменьшается.

Ответ: Бутылка деформируется (сминается), так как при охлаждении давление воздуха внутри неё уменьшается и становится меньше внешнего атмосферного давления. Возникающая разность давлений создаёт силу, которая сжимает бутылку.