Страница 224 - гдз по физике 7 класс учебник Пёрышкин, Иванов

11. Вода превратилась в пар. Изменились ли при этом её молекулы? Изменилось ли расстояние между молекулами?

Изменились ли при этом её молекулы?
При переходе воды из жидкого состояния в газообразное (пар) происходит физическое явление — изменение агрегатного состояния. Этот процесс не затрагивает внутреннюю структуру молекул. Молекула воды, как в жидком, так и в газообразном состоянии, по-прежнему состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода и имеет химическую формулу $H_2O$. Таким образом, сами молекулы не изменяются.
Ответ: нет, молекулы не изменились.

Изменилось ли расстояние между молекулами?
Да, расстояние между молекулами изменилось, причём очень существенно. В жидкой воде молекулы находятся близко друг к другу, и между ними действуют силы притяжения, которые удерживают их вместе, придавая жидкости определенный объем. При нагревании и превращении в пар молекулы получают достаточно кинетической энергии, чтобы преодолеть эти силы притяжения и разлететься. В газообразном состоянии молекулы движутся хаотично и находятся на значительно больших расстояниях друг от друга по сравнению с жидкостью.
Ответ: да, расстояние между молекулами значительно увеличилось.

12. Вокруг гвоздя, забитого в доску, появляется красноватый налёт. Объясните явление.

Решение

Красноватый налёт, появляющийся вокруг гвоздя, забитого в доску, — это ржавчина. Ржавчина является продуктом химической реакции, известной как коррозия или окисление железа.

Для протекания этой реакции необходимо одновременное наличие трёх компонентов:

1. Железо (Fe), из которого сделан гвоздь.
2. Кислород (O₂), который содержится в воздухе.
3. Вода (H₂O), которая выступает в роли среды (электролита) для протекания реакции.

В данном случае источником железа является сам гвоздь. Кислород поступает из окружающего воздуха. Ключевым фактором является наличие влаги. Древесина, даже если она кажется сухой, является гигроскопичным материалом и практически всегда содержит определённое количество влаги в своих волокнах. Когда гвоздь забивают в доску, его металлическая поверхность вступает в тесный контакт с этой влагой.

В присутствии воды и кислорода на поверхности гвоздя начинается электрохимический процесс коррозии. Атомы железа окисляются, превращаясь в ионы железа, которые затем реагируют с кислородом и водой, образуя гидратированный оксид железа(III). Химическую формулу ржавчины можно условно записать как $Fe_2O_3 \cdot nH_2O$. Именно это вещество мы и видим как красно-бурый налёт.

Кроме того, процесс может ускоряться из-за наличия в древесине дубильных веществ (таннинов), которые создают слабокислую среду, способствующую более быстрой коррозии металла.

Ответ: Красноватый налёт — это ржавчина (гидратированный оксид железа), которая образуется в результате химической реакции окисления железа (из которого сделан гвоздь) при его контакте с кислородом из воздуха и влагой, содержащейся в древесине.

13. Почему не рекомендуется мокрую ткань, окрашенную в тёмный цвет, оставлять на длительное время в соприкосновении с белой тканью?

Это явление объясняется процессом диффузии. Диффузия — это самопроизвольный процесс переноса частиц вещества из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией.

В данном случае частицами вещества являются молекулы красителя, придающие ткани тёмный цвет. В тёмной ткани концентрация этих молекул высока. В белой ткани их нет, то есть концентрация равна нулю. Когда ткани сухие, молекулы красителя прочно связаны с волокнами и их движение затруднено.

Однако, когда ткань намокает, вода становится средой, в которой молекулы красителя могут перемещаться. При соприкосновении мокрой тёмной ткани с белой, молекулы красителя начинают двигаться из тёмной ткани (область высокой концентрации) в белую (область низкой концентрации). Этот процесс происходит до тех пор, пока концентрация красителя в воде, пропитывающей обе ткани, не выровняется. Чем дольше ткани находятся в контакте, тем большее количество красителя успеет диффундировать. В быту это явление называют «линькой». В результате белая ткань окрашивается в цвет тёмной ткани, что обычно является нежелательным эффектом.

Ответ: Не рекомендуется оставлять мокрую тёмную ткань в контакте с белой, так как из-за процесса диффузии частицы красителя из тёмной ткани перейдут на белую, что приведёт к её окрашиванию (линьке).

14. Почему в горячей воде сахар растворяется быстрее, чем в холодной?

Процесс растворения сахара в воде напрямую связан с температурой, и это явление объясняется на основе молекулярно-кинетической теории. Скорость растворения зависит от скорости движения молекул.

Температура вещества — это мера средней кинетической энергии его молекул. Чем выше температура, тем больше энергия молекул и тем быстрее они движутся.

1. Скорость движения молекул воды. В горячей воде молекулы H₂O обладают высокой кинетической энергией, что заставляет их двигаться очень быстро и хаотично. В холодной воде их движение значительно медленнее.

2. Взаимодействие с кристаллами сахара. Когда сахар попадает в воду, её молекулы начинают сталкиваться с кристаллами сахара. В горячей воде эти столкновения происходят гораздо чаще и с большей силой. Энергичные удары быстрых молекул воды эффективно "выбивают" молекулы сахарозы из их упорядоченной структуры в кристаллической решетке.

3. Процесс диффузии. После того как молекулы сахара оторвались от кристалла, они должны распределиться по всему объему воды. Этот процесс перемешивания веществ называется диффузией. В горячей воде диффузия происходит намного быстрее, так как и молекулы воды, и молекулы сахара движутся с высокой скоростью. Они быстро уносятся от поверхности кристалла, освобождая доступ к нему для новых молекул воды. В холодной воде молекулы сахара дольше остаются у поверхности кристалла, замедляя его дальнейшее растворение.

Таким образом, высокая скорость движения молекул в горячей воде одновременно ускоряет и разрушение кристаллической решетки сахара, и распределение его молекул в растворе.

Ответ: Сахар растворяется в горячей воде быстрее, потому что молекулы горячей воды имеют большую кинетическую энергию и движутся быстрее. Это приводит к более частым и сильным столкновениям с кристаллами сахара, что ускоряет их разрушение. Кроме того, в горячей воде быстрее происходит процесс диффузии, то есть распределение молекул сахара по всему объему воды.

15. Какие опыты указывают на то, что между молекулами существует взаимное притяжение?

Существование взаимного притяжения между молекулами, которое называется межмолекулярным взаимодействием, доказывается целым рядом опытов и наблюдаемых явлений. Эти силы становятся заметными только на очень малых расстояниях, сравнимых с размерами самих молекул. Вот несколько ключевых примеров:

• Опыт со свинцовыми цилиндрами. Если взять два цилиндра из свинца с идеально гладкими и чистыми торцевыми поверхностями, а затем сильно прижать их друг к другу, они "схватятся" и будут держаться вместе. Для их разделения потребуется приложить заметное усилие. Это происходит потому, что атомы на поверхностях сближаются настолько, что между ними начинают действовать силы межмолекулярного притяжения, которые и удерживают цилиндры вместе.

• Прочность твердых тел и упругость. Сам факт того, что твердые тела существуют и сохраняют свою форму, указывает на сильное притяжение между их частицами. Чтобы разорвать, сломать или даже просто растянуть твердый предмет (например, пружину или резиновую ленту), необходимо приложить внешнюю силу. Эта сила совершает работу по преодолению сил притяжения между молекулами. Когда внешняя сила убирается, силы притяжения возвращают молекулы в исходное положение, что и проявляется как упругость.

• Существование жидкостей и поверхностное натяжение. В отличие от газов, молекулы которых разлетаются и занимают весь доступный объем, жидкости сохраняют свой объем, что говорит о притяжении между их молекулами. Это притяжение особенно ярко проявляется в явлении поверхностного натяжения. Молекулы на поверхности жидкости втягиваются внутрь объёма, заставляя поверхность сокращаться. Именно поэтому капли жидкости стремятся принять сферическую форму (минимальная площадь поверхности для данного объема), а на поверхности воды может держаться иголка.

• Явления смачивания и капиллярности. Наблюдение за тем, как вода растекается по стеклу (смачивает) или как ртуть собирается в шарик на той же поверхности (не смачивает), доказывает существование сил притяжения не только между одинаковыми молекулами (силы когезии), но и между молекулами разных веществ (силы адгезии). Взаимодействие этих сил приводит также к капиллярным эффектам — подъему или опусканию жидкости в узких трубках.

Ответ: На существование взаимного притяжения между молекулами указывают такие опыты и явления, как: слипание свинцовых цилиндров при сжатии; необходимость приложения силы для разрыва или деформации твердых тел (их прочность и упругость); существование жидкостей и явление поверхностного натяжения (например, образование каплями сферической формы); явления смачивания и капиллярности, которые обусловлены силами притяжения между молекулами как одного и того же вещества, так и разных веществ.

16. Люди научились обрабатывать бронзу раньше, чем железо. Попробуйте объяснить, почему так произошло.

Решение

Освоение бронзы человеком произошло раньше освоения железа по нескольким ключевым причинам, связанным как со свойствами самих металлов, так и с технологическим уровнем древних обществ.

Основным препятствием для раннего использования железа была его чрезвычайно высокая температура плавления — около $1538^\circ\text{C}$. Древние печи и горны просто не могли обеспечить такой сильный и стабильный жар. В то же время медь, главный компонент бронзы, плавится при значительно более низкой температуре, около $1085^\circ\text{C}$. Олово, второй компонент классической бронзы, плавится и вовсе при $232^\circ\text{C}$. Таким образом, создание бронзового сплава было технологически гораздо более доступной задачей.

Важную роль играли также характер и доступность сырья. Медь иногда можно было найти в чистом, самородном виде, что позволяло человеку познакомиться с металлом еще до изобретения плавки. Руды меди и олова (например, малахит и касситерит) имеют характерный внешний вид, что облегчало их поиск и добычу. Железо же практически не встречается в природе в чистом виде (за исключением метеоритного железа, которое было редким и ценилось на вес золота). Его руды, хоть и распространены повсеместно, требовали сложного процесса восстановления для извлечения металла.

Сам процесс выплавки железа был несравненно сложнее. Если для получения меди из руды было достаточно простого горна с древесным углем, то для железа требовались специальные сыродутные горны. В них нужно было получить не только высокую температуру, но и создать восстановительную атмосферу для отделения кислорода от железа. При этом на выходе получалась не жидкая отливка, а так называемая крица — губчатая масса раскаленного железа, смешанная со шлаком. Эту крицу необходимо было долго и тяжело проковывать молотами, чтобы уплотнить металл и очистить его от примесей. Бронза же, будучи легкоплавким сплавом, отлично подходила для литья в формы, что позволяло легко тиражировать изделия сложной формы — от оружия до украшений.

Таким образом, сочетание более низкой температуры плавления, более простого процесса получения металла из руды и удобства литейной технологии сделало бронзу первым широко используемым металлом в истории человечества, открыв целую эпоху — Бронзовый век.

Ответ: Люди научились обрабатывать бронзу раньше железа из-за совокупности причин: 1) Температура плавления компонентов бронзы (медь $ \approx 1085^\circ\text{C}$, олово $ \approx 232^\circ\text{C}$) значительно ниже, чем у железа ($ \approx 1538^\circ\text{C}$), и была достижима в древних печах. 2) Медь встречается в самородном виде, а ее руды проще для добычи и переработки. 3) Процесс выплавки железа из руды (в сыродутных горнах) и его последующая обработка (проковка крицы) технологически намного сложнее, чем плавка и литье бронзы.

17. Водяной пар и вода находятся при температуре 100 °С. Что можно сказать о расстояниях между молекулами? Что можно сказать о взаимодействии молекул?

Дано:

Вещества: вода (жидкость) и водяной пар (газ)

Температура: $t = 100 \text{ °С}$

Перевод в систему СИ:

$T = 100 + 273,15 = 373,15 \text{ К}$

Найти:

1. Что можно сказать о расстояниях между молекулами?

2. Что можно сказать о взаимодействии молекул?

Решение:

Вода и водяной пар при температуре $100 \text{ °С}$ (температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении) представляют собой два различных агрегатных состояния одного и того же вещества — жидкое и газообразное. Так как температура у них одинаковая, то и средняя кинетическая энергия движения молекул в обоих состояниях одинакова. Однако, структура и свойства этих состояний кардинально различаются из-за разной потенциальной энергии взаимодействия молекул.

Что можно сказать о расстояниях между молекулами?
В жидкой воде молекулы расположены очень близко друг к другу. Расстояние между соседними молекулами сравнимо с размерами самих молекул. Они плотно упакованы, но сохраняют подвижность, что позволяет жидкости течь. Из-за близкого расположения молекул жидкость имеет определенный объем.
В водяном паре (газе) молекулы находятся на больших расстояниях друг от друга, которые во много раз превышают их собственные размеры. Молекулы движутся хаотично и практически не связаны друг с другом, поэтому пар занимает весь предоставленный ему объем.
Ответ: Расстояния между молекулами в водяном паре значительно больше, чем в жидкой воде.

Что можно сказать о взаимодействии молекул?
Сила взаимодействия между молекулами сильно зависит от расстояния между ними. В жидкой воде, из-за близкого расположения молекул, силы межмолекулярного притяжения (водородные связи) достаточно сильны. Эти силы удерживают молекулы вместе, не давая им разлететься, что и определяет наличие у жидкости собственного объема. Потенциальная энергия взаимодействия молекул является значительной.
В водяном паре, наоборот, из-за больших расстояний между молекулами силы притяжения очень малы и ими можно пренебречь. Взаимодействие сводится к редким и кратковременным столкновениям. Потенциальная энергия взаимодействия молекул близка к нулю по сравнению с их кинетической энергией.
Ответ: Взаимодействие (силы притяжения) между молекулами в воде намного сильнее, чем в водяном паре.

18. Может ли медь быть жидкой, а ртуть твёрдой? Ответ поясните.

Да, и медь может быть жидкой, и ртуть может быть твёрдой. Агрегатное состояние вещества (твёрдое, жидкое или газообразное) не является его постоянным свойством, а зависит от внешних условий, в первую очередь от температуры и давления.

У каждого кристаллического вещества есть своя определённая температура плавления — температура, при которой оно переходит из твёрдого состояния в жидкое. Процесс перехода из жидкого состояния в твёрдое называется кристаллизацией или замерзанием и происходит при той же температуре.

Медь в привычных нам условиях (при комнатной температуре) является твёрдым металлом. Однако её температура плавления составляет приблизительно $1085 \ °C$. Если нагреть кусок меди до этой температуры, он начнёт плавиться и перейдёт в жидкое состояние. Этот процесс широко используется в металлургии для литья медных изделий.

Ртуть, наоборот, при комнатной температуре является жидкостью. Это происходит потому, что её температура плавления очень низкая и составляет приблизительно $-39 \ °C$. Если охладить жидкую ртуть до этой температуры или ниже, она замёрзнет и станет твёрдым металлом, по внешнему виду похожим на олово или свинец.

Таким образом, изменяя температуру, можно получить медь в жидком состоянии, а ртуть — в твёрдом.

Ответ: Да, может. Медь станет жидкой, если её нагреть до температуры плавления, равной примерно $1085 \ °C$. Ртуть станет твёрдой, если её охладить до температуры замерзания, равной примерно $-39 \ °C$.

19. Почему объём газов при сжатии изменяется значительно больше, чем объём жидкостей и твёрдых тел (при одинаковых условиях)?

Решение

Различие в сжимаемости газов, жидкостей и твёрдых тел обусловлено фундаментальными различиями в их молекулярном строении, а именно в расстояниях между частицами (атомами или молекулами) и силах взаимодействия между ними.

В газах молекулы находятся на очень больших расстояниях друг от друга, которые во много раз превышают размеры самих молекул. Силы притяжения между ними крайне малы, поэтому молекулы движутся хаотично и свободно, заполняя весь предоставленный им объём. Наличие огромного свободного пространства между молекулами позволяет при приложении внешнего давления легко их сблизить. В результате объём, занимаемый газом, значительно уменьшается.

В жидкостях и твёрдых телах, напротив, частицы упакованы очень плотно. В жидкостях молекулы находятся вплотную друг к другу, но могут перемещаться. В твёрдых телах атомы или молекулы занимают фиксированные положения и лишь совершают колебательные движения около них. В обоих этих состояниях вещества свободного пространства между частицами практически нет. Поэтому для того, чтобы уменьшить объём жидкости или твёрдого тела, необходимо преодолеть мощные силы отталкивания, возникающие между близко расположенными частицами. Это требует приложения чрезвычайно высокого давления для достижения даже минимального изменения объёма. По этой причине жидкости и твёрдые тела считаются практически несжимаемыми при обычных условиях.

Ответ: Объём газов при сжатии изменяется значительно больше, чем объём жидкостей и твёрдых тел, потому что в газах расстояния между молекулами очень велики по сравнению с размерами самих молекул. Это позволяет легко сближать их под действием внешнего давления, уменьшая объём. В жидкостях и твёрдых телах молекулы уже находятся вплотную друг к другу, и для их дальнейшего сближения требуется преодолеть мощные силы отталкивания, что делает их практически несжимаемыми в обычных условиях.

20. Пассажир едет в электричке. Относительно каких тел он находится: в покое; в движении?

Понятия покоя и движения являются относительными. Это означает, что состояние тела (покоится оно или движется) зависит от выбора так называемого тела отсчета, то есть тела, относительно которого рассматривается движение.

в покое:

Если выбрать в качестве тела отсчета электричку, то пассажир будет находиться в состоянии покоя. Его положение относительно вагона, кресла, окна или другого пассажира, сидящего рядом, не изменяется со временем. Таким образом, пассажир покоится относительно вагона электрички, своего кресла, других пассажиров и предметов, находящихся в вагоне.

Ответ: Пассажир находится в покое относительно вагона электрички, своего места, других пассажиров и предметов внутри вагона.

в движении:

Если выбрать в качестве тела отсчета Землю, то пассажир вместе с электричкой будет находиться в движении. Его положение относительно земли, рельсов, станций, деревьев и зданий вдоль пути следования постоянно изменяется. Следовательно, пассажир движется относительно Земли, железнодорожных путей, платформ, людей, стоящих на перроне, и других объектов, неподвижных относительно Земли.

Ответ: Пассажир находится в движении относительно Земли, рельсов, станций, деревьев и зданий вдоль дороги.

21. Как определить, какая из двух противоположно стоящих электричек начала движение?

Это классический пример принципа относительности движения. Чтобы определить, какая из двух электричек начала движение, необходимо найти третью, заведомо неподвижную систему отсчета. Когда вы смотрите из окна своего вагона только на соседний поезд, вы наблюдаете лишь их относительное смещение, и в первый момент невозможно однозначно сказать, какой из поездов движется относительно земли.
Для разрешения этой неопределенности нужно посмотреть на объект, который является частью неподвижной системы отсчета. Такими объектами могут быть перрон (платформа), столбы на перроне, здание вокзала или любые другие стационарные предметы за окном.
Возможны два сценария:
1. Если вы видите, что платформа и объекты на ней начинают смещаться назад относительно вашего вагона, это означает, что ваша электричка начала движение вперед.
2. Если платформа и объекты на ней остаются неподвижными относительно вас, а соседняя электричка начинает удаляться, значит, движение начала именно она.
Дополнительным признаком, который может помочь, являются физические ощущения. Начало движения поезда часто сопровождается легким толчком, вибрацией и характерным звуком работающих двигателей. Если вы почувствовали толчок, скорее всего, тронулась именно ваша электричка.

Ответ: Нужно посмотреть на неподвижный объект за окном (например, на платформу или столб). Если он смещается относительно вас, значит, движется ваша электричка. Если он остается неподвижным, а смещается другой поезд, то движется он.

22. Последняя ступень второй советской космической ракеты имела скорость 11,2$\frac{км}{с}$. Выразите эту скорость в $\frac{км}{ч}$.

Дано:

$v = 11,2 \frac{\text{км}}{\text{с}}$

$v = 11,2 \frac{\text{км}}{\text{с}} = 11,2 \cdot 1000 \frac{\text{м}}{\text{с}} = 11200 \frac{\text{м}}{\text{с}}$

Найти:

$v$ в $\frac{\text{км}}{\text{ч}}$

Решение:

Чтобы перевести скорость из километров в секунду ($\frac{\text{км}}{\text{с}}$) в километры в час ($\frac{\text{км}}{\text{ч}}$), необходимо знать соотношение между единицами времени — секундами и часами.

В одной минуте 60 секунд, а в одном часе 60 минут. Следовательно, количество секунд в одном часе равно:

$1 \text{ ч} = 60 \text{ мин} \cdot 60 \frac{\text{с}}{\text{мин}} = 3600 \text{ с}$

Это означает, что за один час объект пройдет расстояние в 3600 раз большее, чем за одну секунду. Чтобы выразить скорость в $\frac{\text{км}}{\text{ч}}$, нужно данную скорость в $\frac{\text{км}}{\text{с}}$ умножить на 3600.

$v = 11,2 \frac{\text{км}}{\text{с}} \cdot 3600 \frac{\text{с}}{\text{ч}} = 40320 \frac{\text{км}}{\text{ч}}$

Ответ: $40320 \frac{\text{км}}{\text{ч}}$.

23. Гиря часов опустилась за сутки на 120 см. Вычислите скорость движения гири в $\frac{см}{ч}$.

Дано:

$s = 120 \text{ см}$
$t = 1 \text{ сутки}$

Перевод в систему СИ:
$s = 120 \text{ см} = 1,2 \text{ м}$
$t = 1 \text{ сутки} = 24 \text{ ч} = 24 \times 3600 \text{ с} = 86400 \text{ с}$

Найти:

Скорость движения гири $v$ в $\frac{\text{см}}{\text{ч}}$.

Решение:

Скорость движения тела определяется как отношение пройденного пути ко времени, за которое этот путь был пройден. Формула для расчета скорости: $v = \frac{s}{t}$

В условии задачи требуется найти скорость в сантиметрах в час ($\frac{\text{см}}{\text{ч}}$). Поэтому нам нужно выразить пройденный путь в сантиметрах, а время — в часах.

Пройденный путь уже дан в сантиметрах: $s = 120 \text{ см}$

Время движения дано в сутках. Переведем это время в часы. В одних сутках 24 часа: $t = 1 \text{ сутки} = 24 \text{ ч}$

Теперь мы можем подставить значения пути и времени в формулу для скорости: $v = \frac{120 \text{ см}}{24 \text{ ч}}$

Вычислим значение: $v = 5 \, \frac{\text{см}}{\text{ч}}$

Ответ: скорость движения гири равна $5 \, \frac{\text{см}}{\text{ч}}$.

24. Какова скорость велосипедиста, если за 10 мин он проезжает 1,2 км?

Дано:

$t = 10 \text{ мин} = 10 \cdot 60 \text{ с} = 600 \text{ с}$
$S = 1,2 \text{ км} = 1,2 \cdot 1000 \text{ м} = 1200 \text{ м}$

Найти:

$v$

Решение:

Скорость определяется как отношение расстояния, пройденного телом, ко времени, за которое это расстояние было пройдено. Для расчета скорости ($v$) используем формулу: $v = \frac{S}{t}$ где $S$ — расстояние, а $t$ — время.

Для вычисления скорости в Международной системе единиц (СИ), то есть в метрах в секунду (м/с), подставим значения расстояния в метрах и времени в секундах в формулу: $v = \frac{1200 \text{ м}}{600 \text{ с}} = 2 \text{ м/с}$

Также можно выразить скорость в километрах в час (км/ч). Для этого можно умножить значение в м/с на коэффициент 3,6: $v = 2 \text{ м/с} \cdot 3,6 = 7,2 \text{ км/ч}$

Ответ: скорость велосипедиста равна $2 \text{ м/с}$ (или $7,2 \text{ км/ч}$).