Страница 139 - гдз по физике 7 класс учебник Пёрышкин, Иванов

1. Что такое атмосфера?

Атмосфера — это газовая оболочка, которая окружает небесное тело (например, планету) и удерживается силой его притяжения. Атмосфера Земли имеет слоистое строение и сложный химический состав, которые делают возможной жизнь на планете.

Состав атмосферы Земли

Земная атмосфера в основном состоит из смеси газов. У поверхности планеты состав сухого воздуха следующий:

• Азот ($N_2$) — примерно 78,08%;
• Кислород ($O_2$) — примерно 20,95%;
• Аргон (Ar) — примерно 0,93%;
• Углекислый газ ($CO_2$) — примерно 0,04%.

Кроме того, в атмосфере присутствуют незначительные количества других газов (неон, гелий, метан и др.), а также водяной пар, пыль и различные аэрозоли.

Строение атмосферы Земли

Атмосфера делится на несколько основных слоёв, различающихся по температуре и плотности:

1. Тропосфера — нижний слой (до 8–18 км), в котором сосредоточено около 80% массы атмосферы. Здесь формируются облака, осадки и другие погодные явления. Температура с высотой понижается.
2. Стратосфера — слой до высоты около 50 км. Здесь находится озоновый слой, который поглощает вредное ультрафиолетовое излучение Солнца. Температура в этом слое с высотой растёт.
3. Мезосфера — слой до высоты около 85 км. В нём сгорает большинство метеоров. Температура здесь снова падает с высотой.
4. Термосфера — простирается до высоты в несколько сотен километров. Температура в этом слое значительно возрастает из-за поглощения солнечной радиации. Здесь возникают полярные сияния.
5. Экзосфера — самый верхний, очень разреженный слой, который постепенно переходит в межпланетное пространство.

Функции и значение атмосферы

• Обеспечивает живые организмы кислородом для дыхания.
• Защищает Землю от жёсткого ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца.
• Регулирует температуру на планете благодаря парниковому эффекту, предотвращая резкие перепады между днём и ночью.
• Защищает от падения большинства метеоритов.
• Является средой, в которой происходят погодные и климатические процессы.

Ответ: Атмосфера — это газовая оболочка, окружающая Землю, состоящая преимущественно из азота и кислорода, имеющая слоистое строение и выполняющая ключевые функции для поддержания жизни, такие как защита от космического излучения, регуляция температуры и обеспечение дыхания.

2. Почему молекулы газов, входящих в состав атмосферы, не падают на Землю и не покидают её?

Атмосфера — это газовая оболочка, окружающая небесное тело (планету, звезду и т.д.) и удерживаемая его гравитацией. Атмосфера Земли представляет собой сложную динамическую систему, смесь различных газов, которая защищает жизнь на планете, регулирует её температуру и участвует во множестве природных процессов.

Состав: Земная атмосфера состоит преимущественно из азота ($N_2$) — около 78%, кислорода ($O_2$) — около 21%, и аргона ($Ar$) — около 0,9%. Оставшаяся доля приходится на углекислый газ ($CO_2$), неон, гелий, метан, криптон, водород, а также водяной пар, количество которого сильно варьируется.

Структура: Атмосфера не однородна и по характеру изменения температуры с высотой делится на несколько основных слоев:

• Тропосфера — нижний слой (высота до 8–18 км), в котором сосредоточено около 80% всей массы атмосферы и практически весь водяной пар. Здесь формируется погода.
• Стратосфера — слой до высоты около 50 км. Здесь находится озоновый слой, который поглощает большую часть вредного ультрафиолетового излучения Солнца.
• Мезосфера — слой до высоты около 85 км. Самый холодный слой атмосферы.
• Термосфера — простирается до высоты около 600 км. Температура в этом слое сильно возрастает из-за поглощения солнечной радиации.
• Экзосфера — самый внешний, очень разреженный слой, где атмосфера постепенно переходит в межпланетное пространство.

Ответ: Атмосфера — это удерживаемая гравитацией газовая оболочка планеты. Атмосфера Земли состоит из смеси газов (в основном азота и кислорода), имеет слоистую структуру и выполняет жизненно важные функции, такие как защита от солнечной радиации и регуляция климата.

2. Положение молекул газов в атмосфере определяется балансом двух противодействующих факторов: гравитационного притяжения Земли и кинетической энергии теплового движения самих молекул.

Почему молекулы не падают на Землю?
Молекулы всех веществ, включая газы, находятся в непрерывном и хаотическом движении. Это явление называется тепловым движением. Кинетическая энергия этого движения у молекул газа настолько велика, что они движутся с огромными скоростями (сотни метров в секунду) и постоянно сталкиваются друг с другом. Хотя сила тяжести действует на каждую молекулу, стремясь притянуть её к поверхности, интенсивное движение и взаимные столкновения не позволяют им всем вместе "осесть" на Землю. Это движение создает давление, которое уравновешивает вес вышележащих слоев воздуха и поддерживает атмосферу в "подвешенном" состоянии.

Почему молекулы не покидают её (Землю)?
Чтобы покинуть гравитационное поле Земли, молекула должна развить скорость, равную или превышающую вторую космическую скорость (скорость убегания). Для нашей планеты эта скорость составляет примерно $11,2 \text{ км/с}$. Скорости молекул в атмосфере распределены по закону Максвелла: есть как очень медленные, так и очень быстрые молекулы, но большинство из них имеют скорости, близкие к среднему значению. Средние скорости основных компонентов воздуха (азота и кислорода) составляют всего $400-500 \text{ м/с}$, что намного меньше скорости убегания.

Таким образом, гравитационное поле Земли является достаточно мощной "ловушкой" для большинства молекул атмосферы. Лишь в самых верхних слоях (экзосфере), где столкновения редки, наиболее быстрые и легкие молекулы (водород, гелий) могут иногда достигать второй космической скорости и улетать в космос. Этот процесс называется атмосферной диссипацией.

Ответ: Молекулы газов не падают на Землю благодаря своему интенсивному хаотическому тепловому движению, создающему давление, которое противодействует силе тяжести. Они не покидают Землю, так как ее гравитационное притяжение достаточно сильно, а средние скорости молекул значительно меньше второй космической скорости, необходимой для преодоления этого притяжения.

3. В чём причина существования атмосферного давления?

Почему молекулы газов, входящих в состав атмосферы, не падают на Землю и не покидают её?

Молекулы газов, составляющих атмосферу, удерживаются у поверхности Земли благодаря балансу двух основных факторов: силы тяжести и их собственной кинетической энергии (теплового движения).

Почему молекулы не падают на Землю?
Молекулы газов находятся в непрерывном хаотическом движении. Они обладают значительной кинетической энергией, которая заставляет их постоянно двигаться с большими скоростями, сталкиваться друг с другом и с поверхностью Земли. Это интенсивное тепловое движение противодействует силе тяжести, не позволяя молекулам "осесть" на поверхность, подобно частицам пыли. Вместо этого они распределены по всему объему, который занимает атмосфера, хотя и с убывающей плотностью по мере увеличения высоты.

Почему молекулы не покидают Землю?
Сила гравитационного притяжения Земли достаточно велика, чтобы удерживать газовую оболочку. Чтобы покинуть гравитационное поле Земли, молекула должна достичь или превысить вторую космическую скорость, которая у поверхности составляет примерно $11,2$ км/с. Средние скорости большинства молекул в атмосфере (например, азота $N_2$ и кислорода $O_2$) при обычных температурах значительно ниже этой величины (около $0,5$ км/с). Только самые легкие газы (водород, гелий) в самых верхних, разреженных и горячих слоях атмосферы (экзосфере), где столкновения редки, могут изредка приобретать достаточную скорость для преодоления земного притяжения и "улетучиваться" в космос. Однако для основной массы атмосферы гравитация Земли является непреодолимым барьером.

Ответ: Молекулы газов не падают на Землю из-за своего непрерывного теплового движения, а не покидают её, так как сила притяжения Земли удерживает их, а их скорости в подавляющем большинстве случаев недостаточны для преодоления этого притяжения.

3. В чём причина существования атмосферного давления?

Причиной существования атмосферного давления является действие силы тяжести на воздух, который составляет атмосферу Земли. Атмосфера, как и любое физическое тело, имеет массу, а следовательно, и вес.

Давление по определению — это физическая величина, равная отношению силы, действующей перпендикулярно поверхности, к площади этой поверхности: $p = F/S$. В случае с атмосферой, сила $F$ — это вес столба воздуха, который давит на данную площадь $S$ и простирается от этой площади до верхних границ атмосферы. Этот огромный столб воздуха своим весом оказывает давление на земную поверхность и на все находящиеся на ней и в ней тела.

Согласно закону Паскаля, давление, производимое на жидкость или газ, передается в любую точку без изменений во всех направлениях. Поэтому атмосферное давление действует не только вниз (на горизонтальные поверхности), но также вверх и в стороны. Кроме того, на микроскопическом уровне давление создается бесчисленными ударами хаотически движущихся молекул воздуха о поверхность.

Ответ: Причина существования атмосферного давления — это вес воздушного столба, который под действием силы тяжести давит на земную поверхность и все находящиеся на ней тела.

4. Как экспериментально доказать существование атмосферного давления?

Существование атмосферного давления можно продемонстрировать с помощью ряда наглядных экспериментов. Вот два классических примера:

1. Опыт с Магдебургскими полушариями.
Этот исторический опыт был проведен немецким физиком Отто фон Герике в 1654 году. Два полых металлических полушария складываются вместе, образуя герметичную сферу. Затем из внутренней полости сферы с помощью насоса откачивается воздух. В результате внешнее атмосферное давление сжимает полушария с такой огромной силой, что их не удается разъединить даже с помощью упряжек лошадей. Однако, как только внутрь сферы впускают воздух, давление внутри и снаружи выравнивается, и полушария распадаются без всякого усилия. Это убедительно доказывает, что именно внешнее давление воздуха удерживало их вместе.

2. Опыт со стаканом воды и листом бумаги.
Это простой, но эффектный опыт. Стакан наполняют водой до самых краев. Сверху его накрывают листом плотной бумаги. Придерживая лист рукой, стакан аккуратно переворачивают вверх дном над раковиной. Затем руку можно убрать — лист бумаги останется "приклеенным" к краям стакана, и вода не выльется. Это происходит потому, что сила давления атмосферного воздуха, действующая на лист снизу вверх, больше, чем сила тяжести (вес) столба воды в стакане, действующая вниз.

Ответ: Экспериментально доказать существование атмосферного давления можно с помощью опытов, которые наглядно демонстрируют его силу. Например, опыт с Магдебургскими полушариями, которые невозможно разъединить после откачки из них воздуха, или опыт с перевернутым стаканом воды, в котором вода удерживается листом бумаги за счет давления воздуха снизу.

4. Как экспериментально доказать существование атмосферного давления?

Причиной существования атмосферного давления является действие силы тяжести на воздух, который составляет атмосферу Земли. Атмосфера представляет собой газовую оболочку, которая, как и все тела на Земле, имеет массу и притягивается к планете.

Давление, по определению, это сила, действующая на единицу площади поверхности. Воздушный столб, простирающийся от поверхности Земли до верхних границ атмосферы, своим весом давит на эту поверхность и на все находящиеся на ней тела. Вес этого воздушного столба и создает атмосферное давление.

Согласно закону Паскаля, давление, производимое на жидкость или газ, передается в любую точку без изменений во всех направлениях. Поэтому атмосферное давление действует не только вниз, но и вверх, и в стороны на все тела, погруженные в атмосферу.

Таким образом, основная причина — это гравитационное притяжение воздушных масс к Земле.

Ответ: Причиной существования атмосферного давления является вес столба воздуха, который давит на земную поверхность и все находящиеся на ней объекты под действием силы тяжести.

4. Существование атмосферного давления можно доказать с помощью простого эксперимента со стаканом воды и листом бумаги. Сначала нужно наполнить обычный стеклянный стакан водой до самых краев. Затем накрыть стакан листом плотной бумаги так, чтобы он полностью закрывал отверстие. Придерживая лист бумаги рукой, следует аккуратно и быстро перевернуть стакан вверх дном, после чего убрать руку. В результате эксперимента можно наблюдать, что лист бумаги не падает, и вода не выливается из стакана. Это происходит потому, что на лист бумаги снизу действует сила давления атмосферного воздуха. Эта сила оказывается больше, чем сила тяжести столба воды в стакане, которая давит на лист сверху. Сила атмосферного давления, направленная вверх, удерживает лист и воду внутри стакана, наглядно демонстрируя, что воздух оказывает давление.

Ответ: Экспериментально доказать существование атмосферного давления можно с помощью опыта со стаканом воды: если полный стакан накрыть листом бумаги и перевернуть, вода не выльется, так как её будет удерживать сила давления атмосферы, действующая на лист снизу.

5. Да, плотность атмосферы зависит от высоты над поверхностью Земли, причём с увеличением высоты плотность воздуха уменьшается. Это объясняется в первую очередь сжимаемостью воздуха под действием силы тяжести. Нижние слои атмосферы испытывают давление со стороны всех вышележащих слоев, которые притягиваются к Земле. Из-за этого веса нижние слои сжимаются и становятся более плотными. По мере подъема на большую высоту столб воздуха над точкой наблюдения уменьшается, его вес становится меньше, а значит, падает и давление. Уменьшение давления приводит к тому, что воздух расширяется и становится менее плотным (более разреженным).

Эта зависимость математически описывается барометрической формулой, которая для идеализированной изотермической атмосферы показывает экспоненциальное убывание давления $p$ с высотой $h$: $p(h) = p_0 e^{-Mgh/RT}$, где $p_0$ — давление на нулевой высоте, $M$ — молярная масса воздуха, $g$ — ускорение свободного падения, $R$ — универсальная газовая постоянная, а $T$ — абсолютная температура. Поскольку плотность газа пропорциональна давлению, она также убывает с высотой по экспоненциальному закону.

Ответ: Да, плотность атмосферы уменьшается с увеличением высоты. Это происходит потому, что верхние слои воздуха своим весом сжимают нижние слои. С набором высоты вес вышележащего столба воздуха уменьшается, давление падает, и воздух становится более разреженным (менее плотным).

5. Зависит ли плотность атмосферы от высоты над поверхностью Земли? Почему?

Зависит ли плотность атмосферы от высоты над поверхностью Земли? Почему?

Решение

Да, плотность атмосферы напрямую зависит от высоты над поверхностью Земли и значительно уменьшается по мере её увеличения. Это явление объясняется совокупностью нескольких фундаментальных физических причин.

1. Гравитационное притяжение: Земля своей силой тяжести удерживает воздушную оболочку вокруг себя. Молекулы газов, составляющих атмосферу, притягиваются к центру планеты. Вследствие этого основная масса воздуха (около 80%) сконцентрирована в нижнем слое — тропосфере, простирающейся до высот 10–15 км. С увеличением высоты количество молекул воздуха, расположенных выше, уменьшается.
2. Сжимаемость газов и атмосферное давление: Воздух, как и любой газ, обладает свойством сжимаемости. Атмосферное давление на любой высоте создается весом столба воздуха, расположенного выше. У поверхности Земли этот столб имеет максимальную высоту и, соответственно, максимальный вес. Это высокое давление сжимает нижние слои атмосферы, увеличивая их плотность (то есть количество молекул в единице объема). По мере подъема высота воздушного столба над точкой измерения уменьшается, давление падает, и воздух становится менее сжатым, а значит, и менее плотным (более разреженным).

Таким образом, плотность воздуха максимальна у земной поверхности и убывает с высотой по закону, близкому к экспоненциальному. В рамках упрощенной модели изотермической атмосферы (атмосферы с постоянной температурой по всей высоте) эта зависимость описывается барометрической формулой:

$\rho(h) = \rho_0 \cdot e^{-\frac{Mgh}{RT}}$

где:

• $\rho(h)$ — плотность воздуха на высоте $h$;
• $\rho_0$ — плотность воздуха у поверхности Земли (при $h=0$);
• $e$ — основание натурального логарифма (число Эйлера, $e \approx 2.718$);
• $M$ — средняя молярная масса воздуха (около $0.029 \text{ кг/моль}$);
• $g$ — ускорение свободного падения (около $9.8 \text{ м/с}^2$);
• $R$ — универсальная газовая постоянная (около $8.31 \text{ Дж/(моль·К)}$);
• $T$ — абсолютная температура воздуха в кельвинах.

Эта формула наглядно показывает, что с ростом высоты $h$ множитель $e$ возводится во все более отрицательную степень, что приводит к экспоненциальному уменьшению плотности $\rho$.

Ответ: Да, плотность атмосферы зависит от высоты. Плотность уменьшается с увеличением высоты, поскольку сила гравитационного притяжения Земли концентрирует большую часть молекул воздуха в нижних слоях, а вес вышележащих слоев воздуха сжимает нижние слои, делая их более плотными.

Какую роль при питье играет атмосферное давление?

Атмосферное давление играет ключевую, решающую роль в процессе питья. На самом деле, мы не "всасываем" жидкость. Мы лишь создаем условия, при которых атмосферное давление само заталкивает жидкость нам в рот.

Рассмотрим этот процесс пошагово на примере питья через соломинку:

1. Когда соломинка просто опущена в стакан с водой, уровень жидкости внутри и снаружи соломинки одинаков. Это происходит потому, что на поверхность воды в стакане и на воду внутри соломинки действует одинаковое давление – атмосферное.
2. Когда мы начинаем пить, мы с помощью мышц щек и диафрагмы увеличиваем объем своей ротовой полости. Согласно закону Бойля-Мариотта, увеличение объема воздуха в замкнутом пространстве (наш рот и соломинка) приводит к уменьшению его давления. Таким образом, давление внутри нашего рта и, соответственно, в соломинке ($P_{\text{внутр}}$) становится ниже атмосферного ($P_{\text{атм}}$).
3. В то же время на остальную поверхность жидкости в стакане продолжает действовать неизменное, более высокое атмосферное давление.
4. Эта разница давлений ($ \Delta P = P_{\text{атм}} - P_{\text{внутр}} $) создает силу, которая действует на жидкость в соломинке. Внешнее, более высокое атмосферное давление буквально "вдавливает" или "выталкивает" жидкость вверх по соломинке в область с более низким давлением, то есть в наш рот.

Таким образом, именно атмосферное давление выполняет основную работу по подъему жидкости. Без него (например, в космосе) пить из открытого стакана через соломинку было бы невозможно, так как не было бы внешней силы, способной "затолкать" жидкость наверх.

Ответ: Атмосферное давление является движущей силой в процессе питья. Когда мы создаем во рту область пониженного давления, более высокое внешнее атмосферное давление выталкивает жидкость из сосуда вверх по направлению к этой области низкого давления.

1. Объясните опыт, изображённый на рисунке 128, используя закон Паскаля.

Опыт, который обычно используется для иллюстрации закона Паскаля, — это демонстрация с так называемым «шаром Паскаля». Установка состоит из полого шара, имеющего множество мелких отверстий по всей поверхности, и соединенного с ним цилиндра с поршнем. Вся система заполняется жидкостью (например, водой) или дымом.

Закон Паскаля гласит, что давление, производимое на жидкость или газ в замкнутом объеме, передается в любую точку этого объема без изменений во всех направлениях.

Объясним, как этот закон проявляется в данном опыте. Когда на поршень прикладывают внешнюю силу, он начинает давить на жидкость. Это создает в жидкости избыточное давление $p$, которое можно рассчитать по формуле $p = F/S$, где $F$ – приложенная сила, а $S$ – площадь поршня. Согласно закону Паскаля, это давление не остается только под поршнем, а мгновенно передается во все точки жидкости и к внутренним стенкам шара. Давление жидкости всегда действует перпендикулярно поверхности, с которой она соприкасается. Так как давление во всем объеме жидкости стало одинаковым, то и на стенки шара во всех точках действует одно и то же давление. В местах, где есть отверстия, это давление выталкивает жидкость наружу. Поскольку давление одинаково, то и струи жидкости из всех отверстий вырываются с одинаковой скоростью и силой (при условии, что все отверстия имеют одинаковый размер). Это наблюдение и является прямым подтверждением закона Паскаля.

Ответ: В опыте с шаром Паскаля при давлении на поршень создается давление в жидкости. Согласно закону Паскаля, это давление передается одинаково во все точки жидкости внутри шара. В результате жидкость выталкивается из всех отверстий с одинаковой силой, что наглядно демонстрирует равномерное распределение давления в замкнутом объеме жидкости или газа.

2. Определите вес воздуха объёмом 3 м³ (при нормальном атмосферном давлении и температуре 0 °С).

Дано:

$V = 3 \text{ м}^3$

Условия: нормальные (температура $t = 0 \text{ °C}$, нормальное атмосферное давление)

$\rho_{воздуха} \approx 1,29 \text{ кг/м}^3$ (справочное значение плотности воздуха при н.у.)

$g \approx 9,8 \text{ Н/кг}$ (ускорение свободного падения)

Найти:

$P$ - ?

Решение:

Вес ($P$) — это сила, с которой тело действует на опору или подвес вследствие гравитационного притяжения. Он вычисляется по формуле:

$P = m \cdot g$

где $m$ — это масса тела, а $g$ — ускорение свободного падения.

Чтобы найти вес воздуха, сначала необходимо определить его массу. Масса вычисляется через плотность ($\rho$) и объём ($V$):

$m = \rho \cdot V$

В задаче указаны нормальные условия (температура 0 °C и нормальное атмосферное давление). Плотность сухого воздуха при этих условиях является стандартной справочной величиной: $\rho_{воздуха} \approx 1,29 \text{ кг/м}^3$.

Подставим известные значения в формулу для массы:

$m = 1,29 \text{ кг/м}^3 \cdot 3 \text{ м}^3 = 3,87 \text{ кг}$

Теперь, зная массу воздуха, можем рассчитать его вес. В качестве значения ускорения свободного падения примем стандартное значение $g \approx 9,8 \text{ Н/кг}$.

$P = 3,87 \text{ кг} \cdot 9,8 \text{ Н/кг} = 37,926 \text{ Н}$

Округлим результат до десятых.

$P \approx 37,9 \text{ Н}$

Ответ: вес воздуха объёмом 3 м³ при нормальных условиях равен приблизительно 37,9 Н.

3*. Почему, находясь в походе, туристы, чтобы выпить молоко из консервной банки, делают в ней два отверстия, а не одно?

Это явление объясняется действием атмосферного давления.

С одним отверстием:
Когда в банке проделано только одно отверстие и мы начинаем выливать молоко, внутри банки над жидкостью образуется пустое пространство. Объем этого пространства увеличивается по мере вытекания молока. Воздух, который был в этом пространстве, расширяется, и его давление $P_{вн}$ становится ниже, чем атмосферное давление $P_{атм}$ снаружи. Внешнее атмосферное давление давит на поверхность жидкости в отверстии и препятствует ее вытеканию. Молоко вытекает прерывисто, с "бульканьем" – это происходит потому, что для выравнивания давления воздух вынужден прорываться внутрь банки через то же отверстие, через которое вытекает жидкость.

С двумя отверстиями:
Когда в банке делают два отверстия, одно из них (обычно большего размера) служит для выливания молока, а второе – для впуска воздуха. Через второе отверстие воздух свободно поступает в банку, и давление над поверхностью молока внутри банки $P_{вн}$ остается практически равным внешнему атмосферному давлению $P_{атм}$. В результате атмосферное давление помогает выталкивать жидкость, и она вытекает из первого отверстия ровной и непрерывной струей под действием силы тяжести.

Ответ:

Туристы делают в банке с молоком два отверстия, чтобы обеспечить свободный доступ воздуха внутрь банки. Через одно отверстие молоко вытекает, а через второе внутрь заходит воздух, который замещает объем вытекшей жидкости и уравнивает давление внутри банки с атмосферным давлением снаружи. Это позволяет молоку вытекать быстро и равномерно, без "бульканья".

1. Заполните пластиковую бутылку горячей водой. Вылейте воду и сразу закройте бутылку пробкой. Что произошло с пустой бутылкой спустя некоторое время? Объясните наблюдаемое явление.

1. Решение

После того как из пластиковой бутылки вылить горячую воду и сразу же плотно ее закрыть, через некоторое время можно будет наблюдать, как бутылка сжимается, ее стенки деформируются и втягиваются внутрь.

Это физическое явление объясняется изменением давления газа внутри бутылки при ее остывании.

1. Когда мы наливаем в бутылку горячую воду, воздух внутри нее нагревается. Кроме того, из-за высокой температуры вода интенсивно испаряется, и пространство внутри бутылки заполняется большим количеством горячего водяного пара.

2. В момент, когда мы выливаем воду и герметично закрываем бутылку, внутри остается смесь горячего воздуха и водяного пара. Давление этой смеси внутри бутылки ($p_{внутр}$) первоначально примерно равно давлению окружающего воздуха снаружи ($p_{атм}$).

3. Со временем бутылка и ее содержимое остывают до комнатной температуры. При остывании происходят два процесса, которые приводят к падению давления внутри бутылки:
- Охлаждение воздуха. Согласно газовому закону Шарля, при постоянном объеме ($V = \text{const}$) давление газа прямо пропорционально его абсолютной температуре ($p/T = \text{const}$). Когда температура воздуха внутри падает, его давление также уменьшается.
- Конденсация водяного пара. Это наиболее существенный фактор. Остывая, водяной пар переходит из газообразного состояния в жидкое — он конденсируется в капельки воды на внутренних стенках бутылки. Этот переход вещества в другое агрегатное состояние приводит к резкому уменьшению числа молекул газа в замкнутом объеме, что вызывает значительное падение давления.

4. В результате этих двух процессов итоговое давление внутри бутылки становится значительно ниже внешнего атмосферного давления. Возникает существенная разница давлений $ \Delta p = p_{атм} - p_{внутр} $.

5. Внешнее атмосферное давление создает силу, действующую на стенки бутылки снаружи. Поскольку внутреннее давление мало и не может скомпенсировать эту силу, стенки бутылки, не рассчитанные на такой перепад давлений, сминаются внутрь.

Ответ: Спустя некоторое время пустая бутылка сожмется (деформируется). Это происходит потому, что горячий воздух и водяной пар, оставшиеся в закрытой бутылке, при остывании создают внутри нее область пониженного давления. Внешнее атмосферное давление, которое оказывается значительно больше внутреннего, сжимает стенки бутылки.

2. Если взять стеклянный сосуд с трубкой (рис. 130), откачать из него воздух, опустить трубку под воду, то в сосуде начнёт бить фонтан. Объясните принцип действия такого фонтана.

2. Решение

Принцип действия такого фонтана основан на разности давлений — атмосферного давления снаружи и пониженного давления внутри сосуда.

Когда из стеклянного сосуда откачивают воздух, давление внутри него ($P_{внутр}$) становится значительно ниже, чем давление окружающей атмосферы ($P_{атм}$). Внутри сосуда создается разрежение (частичный вакуум).

На свободную поверхность воды, в которую опускают трубку, действует сила атмосферного давления. Согласно закону Паскаля, это давление передается без изменений во все точки жидкости. Таким образом, на воду у отверстия трубки также действует атмосферное давление $P_{атм}$.

Поскольку давление снаружи трубки ($P_{атм}$) намного превышает давление внутри сосуда ($P_{внутр}$), возникает сила, направленная внутрь сосуда. Эта сила выталкивает воду из емкости вверх по трубке.

Вода с силой устремляется в пространство с низким давлением, образуя струю, которая и выглядит как фонтан. Фонтан будет бить до тех пор, пока давление внутри сосуда не уравновесится с внешним атмосферным давлением. Это произойдет, когда сосуд заполнится водой до определенного уровня, и давление столба воды вместе с давлением оставшегося сжатого воздуха станет равным атмосферному.

Ответ: Принцип действия фонтана заключается в том, что внешнее атмосферное давление, действующее на поверхность воды, "вталкивает" воду по трубке в сосуд, в котором создано разрежение (низкое давление) путем откачки воздуха.

3. Изготовьте автопоилку для своего питомца.

Чтобы изготовить автопоилку для питомца, необходимо использовать принцип атмосферного давления, который проиллюстрирован на рисунках. Ниже приведена инструкция по созданию такой поилки из подручных материалов.

Необходимые материалы:

• Пластиковая бутылка (объемом 1-2 литра) с плотно закручивающейся крышкой.
• Глубокая и устойчивая миска или лоток. Диаметр миски должен быть больше диаметра бутылки, чтобы питомцу было удобно пить.
• Острый предмет для проделывания отверстия (например, шило, гвоздь или нож).
• Водонепроницаемый скотч или пластырь (необязательно, но может упростить процесс).

Инструкция по изготовлению:

1. Тщательно вымойте бутылку и миску.
2. Поставьте пустую бутылку в миску и определите, какой уровень воды вы хотите постоянно поддерживать для вашего питомца. Сделайте на стенке бутылки отметку на этой высоте.
3. Проделайте в пустой бутылке на месте отметки небольшое отверстие диаметром 2-3 мм.
4. Временно закройте сделанное отверстие пальцем или заклейте его кусочком скотча.
5. Наполните бутылку чистой водой доверху.
6. Не убирая палец с отверстия, плотно закрутите крышку.
7. Аккуратно переверните бутылку и установите ее вертикально в центр миски.
8. Теперь можно убрать палец (или скотч) с отверстия.

Принцип работы:

Сразу после того как вы откроете отверстие, вода из бутылки начнет перетекать в миску. Это будет происходить до тех пор, пока уровень воды в миске не поднимется выше отверстия и не перекроет доступ воздуха в бутылку.

1. Как только отверстие оказывается под водой, ее вытекание прекращается. Это происходит потому, что на поверхность воды в миске действует атмосферное давление. Оно «запирает» воду в бутылке, так как для вытекания новой порции воды необходимо, чтобы на ее место в бутылку попал воздух.
2. Система находится в состоянии равновесия. Внешнее атмосферное давление ($p_{атм}$) уравновешивает давление внутри бутылки, которое складывается из гидростатического давления столба воды ($p_{воды}$) и давления небольшого количества воздуха над водой ($p_{воздуха}$). Формула равновесия выглядит так: $p_{атм} \approx p_{воды} + p_{воздуха}$.
3. Когда питомец выпивает часть воды из миски, уровень воды опускается и открывает отверстие в бутылке.
4. Через отверстие в бутылку проникает пузырек воздуха. Это приводит к тому, что из бутылки вытекает новая порция воды, которая снова поднимает уровень в миске до тех пор, пока он опять не закроет отверстие.
5. Этот цикл повторяется автоматически, обеспечивая постоянное наличие свежей воды в миске, пока она не закончится в бутылке.

Этот физический принцип показан на Рис. 130, где столб воды в пробирке удерживается атмосферным давлением, и на Рис. 131, где вода не вытекает из пипетки при закрытом верхнем отверстии.

Ответ: Для изготовления автопоилки следует взять пластиковую бутылку и миску. На боковой стенке бутылки, на высоте желаемого уровня воды, нужно проделать небольшое отверстие. Затем бутылку следует наполнить водой, плотно закрыть крышкой и, перевернув, установить в миску. Вода будет поступать в миску до тех пор, пока ее уровень не закроет отверстие. Работа устройства основана на равновесии сил: внешнее атмосферное давление противодействует вытеканию воды. Когда уровень воды в миске падает, в бутылку через отверстие поступает воздух, и в миску доливается новая порция воды, поддерживая уровень постоянным.

4. Для взятия проб различных жидкостей часто используют прибор ливер (рис. 131). Объясните действие этого прибора.

Решение

Прибор, изображенный на рисунке и называемый ливером (или пипеткой-пробоотборником), используется для взятия и переноса небольших объемов жидкости. Его действие основано на взаимодействии атмосферного и гидростатического давлений.

Рассмотрим пошагово, как работает этот прибор:

1. Открытую с обоих концов трубку (ливер) опускают в сосуд с жидкостью. Под действием атмосферного давления, которое одинаково давит на поверхность жидкости в сосуде и внутри трубки, жидкость в трубке устанавливается на том же уровне, что и в сосуде.
2. Верхнее отверстие трубки плотно зажимают пальцем. Это действие изолирует столб воздуха над жидкостью внутри трубки от окружающей атмосферы.
3. Трубку с зажатым верхним концом вынимают из сосуда. Жидкость при этом не выливается. Это объясняется тем, что на столб жидкости в трубке действуют три основные силы (в пересчете на давление):
   • Давление запертого воздуха $p_{возд}$ (действует вниз).
   • Гидростатическое давление столба жидкости $p_{жидк} = \rho g h$ (действует вниз, где $\rho$ – плотность жидкости, $g$ – ускорение свободного падения, $h$ – высота столба жидкости).
   • Атмосферное давление $p_{атм}$, действующее на нижнее отверстие трубки (действует вверх).
   При извлечении трубки из сосуда, столб жидкости под действием силы тяжести стремится немного опуститься, что приводит к увеличению объема запертого воздуха. Согласно закону Бойля-Мариотта ($pV=\text{const}$), давление этого воздуха $p_{возд}$ уменьшается и становится ниже атмосферного. Жидкость будет удерживаться в трубке до тех пор, пока сила восходящего атмосферного давления будет больше или равна сумме сил нисходящего давления запертого воздуха и гидростатического давления: $p_{атм} \geq p_{возд} + p_{жидк}$. Таким образом, разница между внешним атмосферным давлением и пониженным давлением внутри трубки создает поддерживающую силу, которая удерживает жидкость.
4. Для переноса пробы в другой сосуд достаточно убрать палец с верхнего отверстия. В этот момент воздух свободно входит в трубку, и давление над столбом жидкости становится равным атмосферному. Давления сверху и снизу столба жидкости (на уровне нижнего среза трубки) выравниваются, и жидкость вытекает под действием собственной силы тяжести.

Ответ: Действие ливера основано на создании разности давлений. Когда верхнее отверстие трубки, опущенной в жидкость, зажимают пальцем и трубку вынимают из сосуда, жидкость удерживается внутри за счет того, что внешнее атмосферное давление, действующее снизу, оказывается больше суммы давления столба жидкости и давления разреженного воздуха, запертого над ней. Когда палец убирают, давление над жидкостью становится равным атмосферному, и она вытекает под действием силы тяжести.

5. Проанализируйте диаграмму «Состав воздуха атмосферы Земли», приведённую на с. 137. Используя Интернет, составьте и зарисуйте подобные диаграммы для Венеры, Марса и Юпитера. Какие выводы о биологической жизни можно сделать из этих данных?

Для проведения анализа и сравнения атмосфер, сначала рассмотрим состав атмосферы Земли, который упоминается в задании и является отправной точкой.

Состав атмосферы Земли (приблизительно)

• Азот ($N_2$): 78,08%
• Кислород ($O_2$): 20,95%
• Аргон ($Ar$): 0,93%
• Углекислый газ ($CO_2$): 0,04%
• Неон, гелий, метан, криптон, водород и другие газы: менее 0,01%

Диаграмма состава атмосферы Венеры

Атмосфера Венеры чрезвычайно плотная и горячая, ее давление у поверхности более чем в 90 раз превышает земное. Состав атмосферы создает мощнейший парниковый эффект.

Приблизительный состав атмосферы Венеры:

• Углекислый газ ($CO_2$): 96,5%
• Азот ($N_2$): 3,5%
• Диоксид серы ($SO_2$), аргон ($Ar$), водяной пар ($H_2O$), угарный газ ($CO$) и др.: следовые количества.

Ответ: Атмосфера Венеры состоит преимущественно из углекислого газа (96,5%) и азота (3,5%).

Диаграмма состава атмосферы Марса

Атмосфера Марса очень разреженная, ее давление у поверхности составляет менее 1% от земного, что неспособно удерживать тепло.

Приблизительный состав атмосферы Марса:

• Углекислый газ ($CO_2$): 95,32%
• Азот ($N_2$): 2,7%
• Аргон ($Ar$): 1,6%
• Кислород ($O_2$): 0,13%
• Угарный газ ($CO$): 0,08%
• Прочие газы (водяной пар, неон, криптон и др.): незначительные примеси.

Ответ: Атмосфера Марса, как и венерианская, состоит в основном из углекислого газа (95,32%), а также содержит азот (2,7%) и аргон (1,6%).

Диаграмма состава атмосферы Юпитера

Юпитер — это газовый гигант, у него нет твердой поверхности, и его атмосфера составляет основную часть планеты. Состав отражает первичный состав Солнечной системы.

Приблизительный состав атмосферы Юпитера (по объему, в верхних слоях):

• Водород ($H_2$): ~89,8%
• Гелий ($He$): ~10,2%
• Метан ($CH_4$): ~0,3%
• Аммиак ($NH_3$): ~0,026%
• Прочие соединения (этан, сероводород, водяной пар и др.): следовые количества.

Ответ: Атмосфера Юпитера состоит главным образом из водорода (~89,8%) и гелия (~10,2%).

Какие выводы о биологической жизни можно сделать из этих данных?

Сравнительный анализ состава атмосфер Земли, Венеры, Марса и Юпитера позволяет сделать следующие выводы о возможности существования на них биологической жизни земного типа:

1. Уникальность земной атмосферы. Атмосфера Земли кардинально отличается от атмосфер других рассмотренных планет. Главное отличие — высокое содержание свободного кислорода (около 21%). Такое количество кислорода не может поддерживаться только за счет небиологических процессов и является результатом жизнедеятельности фотосинтезирующих организмов. Кислород является мощным окислителем, и его присутствие в атмосфере в свободном виде — это сильный признак (биосигнатура) наличия жизни.
2. Непригодность атмосфер Венеры и Марса. Атмосферы Венеры и Марса очень похожи по своему основному составу — обе на ~95-96% состоят из углекислого газа ($CO_2$). Это типичный состав для атмосфер планет земной группы, на которых отсутствует биологическая активность, способная преобразовывать $CO_2$ в кислород. Кроме того, физические условия (экстремальная жара и давление на Венере, сильный холод и крайне низкое давление на Марсе) в сочетании с почти полным отсутствием кислорода и жидкой воды на поверхности делают эти планеты непригодными для существования жизни в известных нам формах.
3. Специфика Юпитера. Атмосфера Юпитера, состоящая из водорода и гелия, отражает состав первичного газопылевого облака, из которого сформировалась Солнечная система. Это атмосфера совершенно иного типа, чем у планет земной группы. На Юпитере нет твердой поверхности, а давление и температуры достигают экстремальных значений. Отсутствие сложной химии на основе углерода и жидкой воды как универсального растворителя делает возникновение и поддержание жизни земного типа практически невозможным.

Таким образом, состав атмосферы является ключевым индикатором пригодности планеты для жизни. Значительное содержание свободного кислорода в атмосфере Земли является прямым следствием и необходимым условием для существования сложной биологической жизни. Атмосферы других планет Солнечной системы лишены этого признака.

Ответ: Состав атмосферы Земли, богатый кислородом, является уникальным и указывает на наличие активной биосферы. Атмосферы Венеры и Марса, состоящие преимущественно из углекислого газа, а также водородно-гелиевая атмосфера Юпитера, свидетельствуют об отсутствии на этих планетах глобальной биологической активности, подобной земной, и создают условия, непригодные для известных форм жизни.