Страница 27 - гдз по физике 7 класс учебник Пёрышкин, Иванов

1. Как можно доказать, что вещества состоят из мельчайших частиц?

Доказательство того, что все вещества состоят из мельчайших частиц (атомов, молекул, ионов), основывается на ряде наблюдаемых явлений и экспериментов, которые невозможно объяснить, если считать вещество сплошным. Основные доказательства включают:

Диффузия

Это явление взаимного проникновения частиц одного вещества в промежутки между частицами другого. Например, если в стакан с водой капнуть каплю чернил или бросить кристаллик марганцовки, то через некоторое время вся вода равномерно окрасится. Также мы чувствуем запах духов или еды на расстоянии, потому что молекулы пахучих веществ распространяются в воздухе. Это явление объясняется тем, что частицы веществ находятся в непрерывном и хаотичном движении и между ними существуют промежутки, куда могут проникнуть частицы другого вещества. Если бы вещества были сплошными, такое взаимное проникновение было бы невозможно.

Ответ: Явление диффузии доказывает, что вещество имеет дискретное (прерывистое) строение, то есть состоит из отдельных частиц, между которыми есть промежутки, и что эти частицы постоянно движутся.

Броуновское движение

Это беспорядочное, хаотичное движение мельчайших видимых частиц (например, пыльцы растений, частиц краски или пыли), взвешенных в жидкости или газе. Наблюдая в микроскоп, можно увидеть, как эти частицы постоянно "дрожат" и перемещаются без видимой причины. Объяснение заключается в том, что невидимые молекулы окружающей среды (воды или воздуха), находящиеся в постоянном тепловом движении, непрерывно и с разных сторон ударяют взвешенную частицу. Поскольку число ударов и их сила с разных сторон в каждый момент времени неодинаковы, их действие не компенсируется, что и заставляет частицу беспорядочно двигаться. Это явление является прямым видимым следствием существования и движения молекул.

Ответ: Броуновское движение является наглядным экспериментальным подтверждением существования молекул и их непрерывного хаотичного теплового движения.

Сжимаемость газов и тепловое расширение тел

Тот факт, что газы можно легко сжать (например, в насосе или шприце), говорит о том, что между их частицами существуют большие промежутки. При сжатии эти промежутки уменьшаются. Жидкости и твердые тела сжимаются очень плохо, что указывает на значительно меньшие расстояния между их частицами. Кроме того, практически все тела при нагревании расширяются, а при охлаждении сжимаются. Это происходит не потому, что сами частицы становятся больше или меньше, а потому, что с ростом температуры увеличивается скорость их движения и, как следствие, среднее расстояние между ними.

Ответ: Способность веществ изменять свой объем под действием давления или температуры доказывает наличие межмолекулярных промежутков и, следовательно, подтверждает, что вещество состоит из отдельных частиц.

Химические реакции и законы стехиометрии

Химические реакции протекают в строгих количественных соотношениях (закон постоянства состава, закон кратных отношений). Например, для образования воды ($H_2O$) масса кислорода всегда в 8 раз больше массы водорода, вступившего в реакцию. Это легко объяснить, если предположить, что вещества состоят из атомов, которые соединяются друг с другом в определенных целочисленных отношениях (два атома водорода на один атом кислорода). Модель сплошного, непрерывного вещества не может объяснить эти законы.

Ответ: Закономерности протекания химических реакций служат косвенным, но очень весомым доказательством того, что вещество состоит из дискретных частиц — атомов.

Прямое наблюдение с помощью современных приборов

С изобретением в XX веке электронных и сканирующих туннельных микроскопов (СТМ) у человечества появилась возможность "увидеть" отдельные атомы. Эти приборы позволяют получать изображения поверхностей материалов с разрешением, достаточным для того, чтобы различить индивидуальные атомы, расположенные в кристаллической решетке. Более того, с помощью СТМ можно не только наблюдать, но и целенаправленно перемещать атомы, создавая наноразмерные структуры.

Ответ: Современные научные приборы, такие как СТМ, предоставляют прямое и неопровержимое визуальное доказательство того, что вещества состоят из отдельных атомов.

2. Приведите примеры опытов, показывающих, что частицы вещества очень малы.

Приведите примеры опытов, показывающих, что частицы вещества очень малы.

Решение

Тот факт, что все вещества состоят из мельчайших частиц (атомов, молекул, ионов), можно подтвердить с помощью простых и наглядных опытов. Эти опыты демонстрируют, что частицы настолько малы, что невидимы невооруженным глазом, но их совокупное действие проявляется на макроскопическом уровне.

Опыт 1: Растворение перманганата калия (марганцовки) в воде.

Если в сосуд с чистой водой бросить один или несколько маленьких кристалликов перманганата калия, то можно наблюдать, как вода постепенно окрашивается в фиолетовый цвет. Сначала вокруг кристаллика образуется яркое облачко, которое со временем распространяется по всему объему воды, делая ее равномерно окрашенной. Это явление называется диффузией.

Объяснение: Каждый кристаллик марганцовки состоит из огромного числа мельчайших частиц. При попадании в воду эти частицы отрываются от кристалла и начинают хаотично двигаться между частицами воды, равномерно распределяясь по всему объему. Поскольку даже один крошечный кристаллик способен окрасить значительный объем воды, это доказывает, что частиц в нем чрезвычайно много, а следовательно, размеры каждой отдельной частицы ничтожно малы.

Опыт 2: Распространение запаха.

Если в одном углу комнаты открыть флакон с пахучим веществом, например, духами или нашатырным спиртом, то через некоторое время запах почувствуется во всей комнате. Это также является примером диффузии, но уже в газовой среде.

Объяснение: Молекулы пахучего вещества испаряются с поверхности жидкости и, двигаясь хаотично, смешиваются с молекулами воздуха (азота, кислорода и др.). Постепенно они достигают самых дальних уголков помещения. Поскольку мы не видим сами молекулы, а лишь ощущаем их присутствие по запаху, и для заполнения всего объема комнаты достаточно небольшого количества вещества, можно сделать вывод о малых размерах и огромном количестве этих частиц.

Ответ: Опыты с растворением марганцовки в воде или с распространением запаха в воздухе наглядно показывают, что вещества состоят из огромного количества очень маленьких, невидимых глазу частиц, которые способны перемещаться и смешиваться с частицами других веществ.

3. Объясните, почему меняется объём тела при нагревании.

Решение

Изменение объема тела при нагревании или охлаждении — это явление, известное как тепловое расширение или сжатие. Оно напрямую связано с молекулярно-кинетической теорией строения вещества.

Согласно этой теории, все тела состоят из частиц (атомов и молекул), которые находятся в непрерывном хаотическом движении, и между которыми существуют промежутки.

Когда тело нагревают, ему сообщается дополнительная энергия. Эта энергия поглощается частицами вещества, в результате чего увеличивается их средняя кинетическая энергия. Это означает, что частицы начинают двигаться быстрее и колебаться с большей амплитудой вокруг своих положений равновесия.

Вследствие более интенсивного движения частицы начинают сильнее отталкиваться друг от друга, и среднее расстояние между ними увеличивается. Важно отметить, что размер самих частиц при этом не меняется, увеличиваются именно промежутки между ними.

Так как промежутки между всеми частицами в теле становятся больше, то и суммарный объем, занимаемый телом, возрастает. Мы наблюдаем это как расширение тела.

При охлаждении происходит обратный процесс: частицы теряют энергию, их скорость и амплитуда колебаний уменьшаются, среднее расстояние между ними сокращается, и в результате объем тела уменьшается.

Ответ: Объем тела при нагревании меняется (увеличивается), потому что с ростом температуры увеличивается скорость движения составляющих его частиц. Вследствие этого увеличиваются средние расстояния (промежутки) между частицами, что и приводит к увеличению общего объема всего тела.

3. Объясните, почему меняется объём тела при нагревании.

Изменение объема тела при нагревании объясняется на основе молекулярно-кинетической теории строения вещества. Все тела состоят из мельчайших частиц (атомов, молекул), которые находятся в состоянии непрерывного и хаотического движения. Температура является мерой средней кинетической энергии этих частиц. Когда тело нагревают, ему сообщается дополнительная энергия. Эта энергия увеличивает внутреннюю энергию тела, в результате чего частицы начинают двигаться с большей скоростью. В твердых телах частицы колеблются с большей амплитудой около своих положений равновесия, а в жидкостях и газах они движутся быстрее. Увеличение интенсивности движения приводит к тому, что среднее расстояние между частицами становится больше. Поскольку все частицы "отодвигаются" друг от друга, это приводит к увеличению линейных размеров и, как следствие, общего объема всего тела. Этот процесс называется тепловым расширением.

Ответ: Объем тела при нагревании увеличивается, потому что составляющие его частицы (атомы и молекулы) начинают двигаться быстрее, из-за чего среднее расстояние между ними возрастает, что и приводит к расширению всего тела.

4. Предположительно, на рисунке изображен опыт с прибором Гравсанда (шар и кольцо), который наглядно демонстрирует тепловое расширение твердых тел. Проведение опыта можно описать следующим образом. Сначала, при комнатной температуре, проверяют, что металлический шар свободно проходит через металлическое кольцо. Это начальное условие показывает, что диаметр шара немного меньше внутреннего диаметра кольца. Далее шар нагревают в пламени горелки или спиртовки в течение нескольких минут, не нагревая при этом кольцо. После нагревания предпринимается попытка снова пропустить шар через кольцо. Наблюдается, что шар застревает и не проходит сквозь кольцо. Это происходит потому, что в результате нагревания объем шара увеличился, и его диаметр стал больше внутреннего диаметра кольца. Для завершения демонстрации шар оставляют остывать до комнатной температуры (или принудительно охлаждают, например, в воде). После остывания шар снова легко проходит через кольцо, так как он вернулся к своему первоначальному объему.

Ответ: Опыт демонстрирует тепловое расширение твердого тела. Вначале шар в холодном состоянии проходит через кольцо. Затем шар нагревают, после чего он уже не может пройти через то же кольцо, так как его объем увеличился. После охлаждения шар снова сжимается до первоначального размера и свободно проходит через кольцо.

4. Опишите, как проводился опыт, показанный на рисунке 22. Какой вывод следует из этого опыта? Как объяснить его результаты?

Поскольку на изображении отсутствует рисунок 22, опишем один из наиболее вероятных классических опытов, который он мог бы иллюстрировать. Это опыт по смешиванию двух жидкостей (например, воды и спирта) для демонстрации дискретного (прерывистого) строения вещества.

Описание проведения опыта:
1. Берутся два мерных сосуда (мензурки).
2. В один сосуд наливают точно отмеренный объём воды, например, $V_{воды} = 50$ мл.
3. В другой сосуд наливают такой же точно отмеренный объём другой жидкости, например, спирта: $V_{спирта} = 50$ мл.
4. Затем одну жидкость аккуратно переливают в сосуд с другой жидкостью и перемешивают.
5. После смешивания измеряют общий объём получившейся смеси. Наблюдают, что итоговый объём $V_{смеси}$ оказывается меньше, чем сумма исходных объёмов: $V_{смеси} < V_{воды} + V_{спирта}$. В нашем примере он будет равен примерно 96–97 мл, а не 100 мл.

Какой вывод следует из этого опыта?
Главный вывод заключается в том, что вещество не является сплошным. Оно состоит из отдельных частиц (молекул), между которыми существуют промежутки (межмолекулярное пространство).

Как объяснить его результаты?
Уменьшение объёма при смешивании объясняется тем, что молекулы одного вещества проникают в промежутки между молекулами другого вещества. Частицы разных веществ имеют разные размеры. Более мелкие частицы одной жидкости могут частично занять пустоты между более крупными частицами другой жидкости. В результате этого взаимного проникновения частицы "упаковываются" более плотно, чем в исходных жидкостях по отдельности, что и приводит к уменьшению суммарного объёма.

Ответ: Опыт, вероятно, заключается в смешивании равных объёмов двух разных жидкостей (например, 50 мл воды и 50 мл спирта) и наблюдении за итоговым объёмом. Вывод из опыта: все вещества состоят из отдельных частиц (молекул), между которыми есть промежутки. Результаты объясняются тем, что частицы одной жидкости проникают в промежутки между частицами другой, из-за чего общий объём смеси оказывается меньше суммы объёмов исходных жидкостей ($V_{смеси} < V_1 + V_2$).

5. Вопрос на изображении представлен не полностью: "Можно ли утверждать, что объём воды в сосуде равен...". Наиболее логичное продолжение, исходя из контекста предыдущего вопроса, — "...сумме объёмов смешиваемых жидкостей?". Ответим на этот предполагаемый вопрос.

Нет, утверждать, что объём смеси в сосуде равен сумме объёмов исходных жидкостей, нельзя. Как показал опыт, описанный в ответе на вопрос 4, итоговый объём смеси всегда оказывается меньше, чем сумма объёмов жидкостей до смешивания. Это фундаментальное свойство, доказывающее наличие промежутков между молекулами. Если бы вещества были сплошными, объёмы бы просто складывались.

Ответ: Если вопрос звучит как "Можно ли утверждать, что объём смеси равен сумме объёмов исходных жидкостей?", то ответ — нет. Объем смеси будет меньше суммы исходных объемов из-за наличия промежутков между молекулами и их взаимного проникновения.

5. Можно ли утверждать, что объём воды в сосуде равен сумме объёмов частиц, из которых вода состоит?

Нет, утверждать, что объём воды в сосуде равен сумме объёмов частиц, из которых она состоит, нельзя. Это фундаментальное заблуждение, которое опровергается молекулярно-кинетической теорией строения вещества.

Согласно этой теории, любое вещество, включая воду, состоит из мельчайших частиц (в случае воды — молекул $H_2O$). Эти частицы находятся в непрерывном хаотическом движении и, что самое важное для данного вопроса, между ними существуют промежутки. Таким образом, объём, который занимает вода в сосуде, — это не только суммарный объём самих молекул, но и объём всего межмолекулярного пространства.

Если обозначить общий объём воды как $V_{воды}$, сумму объёмов всех её молекул как $V_{молекул}$, а суммарный объём промежутков между ними как $V_{промежутков}$, то будет справедливо следующее соотношение: $V_{воды} = V_{молекул} + V_{промежутков}$.

Поскольку молекулы не могут занимать всё пространство без остатка ($V_{промежутков} > 0$), то макроскопический объём воды всегда будет строго больше, чем сумма объёмов составляющих её микроскопических частиц: $V_{воды} > V_{молекул}$. Этот факт объясняет такие явления, как диффузия и сжимаемость жидкостей.

Ответ: нет, нельзя, так как объём воды в сосуде складывается из суммы объёмов её частиц (молекул) и объёма пустого пространства (промежутков) между ними.

1. Длина столбика ртути в медицинском термометре при нагревании увеличилась. Объясните почему.

Увеличение длины столбика ртути в медицинском термометре при нагревании является следствием физического явления, известного как тепловое расширение.

Рассмотрим этот процесс подробнее:

• Молекулярное строение: Все вещества, включая ртуть, состоят из мельчайших частиц (в данном случае атомов), которые находятся в постоянном и хаотическом движении.
• Влияние температуры: Температура является мерой средней кинетической энергии этих частиц. Когда термометр помещают в среду с более высокой температурой (например, измеряют температуру тела человека), ртуть поглощает тепло.
• Увеличение энергии и движения: Полученная тепловая энергия увеличивает кинетическую энергию атомов ртути. В результате они начинают двигаться быстрее и интенсивнее.
• Увеличение расстояния и объема: Из-за более интенсивного движения среднее расстояние между атомами ртути увеличивается. Это приводит к тому, что общий объем, занимаемый ртутью, также увеличивается.
• Подъем по капилляру: Ртуть в термометре находится в небольшом резервуаре, соединенном с очень тонкой стеклянной трубкой — капилляром. Поскольку объем ртути увеличился, ей необходимо занять больше места. Единственный доступный путь для расширения — это вверх по узкому капилляру. Поэтому мы и наблюдаем, как столбик ртути поднимается, то есть его длина увеличивается.

Таким образом, изменение длины ртутного столбика прямо пропорционально изменению температуры, что и позволяет использовать термометр для ее измерения.

Ответ: Длина столбика ртути увеличилась из-за её теплового расширения. При нагревании атомы ртути получают дополнительную энергию, начинают двигаться быстрее, среднее расстояние между ними возрастает, что приводит к увеличению общего объема ртути. В условиях узкого капилляра термометра это проявляется как увеличение длины столбика.

2. Сколько времени прошло между появлением предположения о том, что все тела состоят из мельчайших частиц, и признанием молекулярной теории строения вещества? Как вы думаете, почему этот временной промежуток так велик?

Сколько времени прошло между появлением предположения о том, что все тела состоят из мельчайших частиц, и признанием молекулярной теории строения вещества?
Первые предположения о том, что все тела состоят из мельчайших, неделимых частиц (атомов), были высказаны древнегреческими философами Левкиппом и Демокритом примерно в V веке до нашей эры. Научное же признание молекулярная теория строения вещества (часто называемая молекулярно-кинетической теорией, МКТ) получила лишь в начале XX века. Окончательным доказательством, убедившим научное сообщество, стали работы Альберта Эйнштейна по теории броуновского движения (1905 г.) и их экспериментальное подтверждение Жаном Перреном (1908 г.). Таким образом, между появлением первой философской гипотезы и её научным признанием прошло около 2400 лет.
Ответ: Между появлением предположения об атомарном строении вещества и признанием молекулярной теории прошло около 2400 лет.

Как вы думаете, почему этот временной промежуток так велик?
Столь огромный временной промежуток объясняется несколькими ключевыми причинами:
1. Отсутствие экспериментальной базы. Идеи древних греков были умозрительными, философскими. У них не было ни научного метода, ни технических средств для проверки своих гипотез.
2. Доминирование альтернативных взглядов. Учение Аристотеля, который отрицал атомизм и считал материю сплошной (непрерывной), стало доминирующим в европейской науке почти на две тысячи лет, что препятствовало развитию атомистических идей.
3. Необходимость развития науки и технологий. Для подтверждения молекулярной теории потребовалось развитие целых областей науки: химии (законы постоянства состава и кратных отношений), термодинамики и статистической физики (кинетическая теория газов). Только к XIX-XX векам были созданы точные приборы и математический аппарат, позволившие получить косвенные, но убедительные доказательства.
4. Косвенный характер доказательств. Поскольку прямое наблюдение атомов и молекул было невозможно до середины XX века, их существование доказывалось через объяснение макроскопических явлений (давление газа, диффузия, химические реакции). Решающим таким доказательством стало объяснение броуновского движения.
Ответ: Временной промежуток так велик из-за того, что на протяжении почти двух тысячелетий отсутствовали научный метод и технические возможности для экспериментальной проверки гипотезы, а в науке господствовали взгляды Аристотеля о непрерывности материи. Только к началу XX века наука накопила достаточно косвенных доказательств из разных областей, чтобы молекулярная теория была окончательно принята.