Страница 37 - гдз по физике 7 класс учебник Пёрышкин, Иванов

1. Почему тела не рассыпаются, хотя и состоят из отдельных молекул?

Почему тела не рассыпаются, хотя и состоят из отдельных молекул?

Тела сохраняют свою целостность и не распадаются на составляющие их молекулы благодаря существованию сил межмолекулярного взаимодействия. Эти силы имеют двойственную природу: это силы взаимного притяжения и силы взаимного отталкивания.

Все молекулы, из которых состоит вещество, находятся в непрерывном хаотическом движении. Одновременно с этим между ними действуют силы, которые удерживают их вместе.

• Силы притяжения. На определённых расстояниях между молекулами преобладают силы притяжения. Именно они не позволяют молекулам разлететься в разные стороны под действием их теплового движения. Эти силы удерживают молекулы вместе, формируя единое тело. В жидкостях и твердых телах эти силы достаточно велики, чтобы сохранять веществу постоянный объём.
• Силы отталкивания. При попытке сблизить молекулы на расстояние, меньшее их размеров, между ними начинают преобладать силы отталкивания. Эти силы препятствуют тому, чтобы молекулы проникли друг в друга, что обеспечивает телам упругость и свойство сохранять объём (несжимаемость).

Таким образом, существует определённое равновесное расстояние, на котором силы притяжения и отталкивания уравновешивают друг друга. В твердых телах молекулы колеблются около этих положений равновесия. В жидкостях молекулы могут перемещаться, но силы притяжения всё ещё удерживают их вместе. В газах же расстояния между молекулами велики, а кинетическая энергия высока, поэтому силы притяжения очень слабы и не могут удержать молекулы вместе.

Ответ: Тела не рассыпаются, потому что между составляющими их молекулами действуют силы взаимного притяжения, которые удерживают их вместе на определённых расстояниях, противодействуя их тепловому движению.

2. Почему, для того чтобы, например, сжать или растянуть ластик, нужно приложить усилие?

Для того чтобы сжать или растянуть ластик, необходимо приложить усилие, потому что все тела, включая ластик, состоят из молекул, которые находятся на определённых расстояниях друг от друга. Между этими частицами действуют силы взаимного притяжения и отталкивания. Когда тело не деформировано, эти силы уравновешены.

При попытке растянуть ластик мы увеличиваем расстояние между его молекулами. В результате начинают преобладать силы межмолекулярного притяжения, которые стремятся вернуть частицы в исходное положение. Чтобы преодолеть эти силы, нужно приложить внешнее усилие.

При сжатии ластика расстояние между молекулами уменьшается. В этом случае начинают преобладать силы межмолекулярного отталкивания, которые также препятствуют деформации. Для преодоления этих сил отталкивания снова требуется приложить внешнее усилие.

Таким образом, при любой деформации (сжатии или растяжении) возникают внутренние силы, называемые силами упругости, которые противодействуют изменению формы и размеров тела. Внешнее усилие необходимо как раз для преодоления этих сил упругости.

Ответ: Усилие нужно приложить для преодоления сил межмолекулярного взаимодействия (притяжения при растяжении и отталкивания при сжатии), которые стремятся сохранить первоначальную форму и объём тела.

3. Свойство упругости, которое проявляется при деформации, становится заметнее при увеличении величины этой деформации. Согласно закону Гука, для упругих деформаций сила упругости прямо пропорциональна величине деформации:

$F_{упр} = k \cdot |\Delta x|$

Здесь $F_{упр}$ – это модуль силы упругости, $k$ – коэффициент жёсткости материала, а $|\Delta x|$ – абсолютная величина деформации (насколько тело растянули или сжали).

Из этой формулы видно, что чем больше мы деформируем тело (увеличиваем $|\Delta x|$), тем больше становится сила упругости, которая противодействует этой деформации. Следовательно, тем заметнее она проявляется и тем большее усилие нужно прикладывать для дальнейшей деформации.

Ответ: Свойство упругости (и возникающая сила упругости) проявляется заметнее при увеличении величины деформации тела.

3. При каком условии заметнее проявляется отталкивание молекул; притяжение между молекулами?

Отталкивание молекул

Силы отталкивания между молекулами становятся заметными и преобладающими, когда расстояние между ними становится очень малым, то есть сравнимым или меньшим, чем размеры самих молекул. Это происходит при попытке сжать вещество (особенно твердое тело или жидкость). Когда внешняя сила сжимает тело, она заставляет молекулы сближаться. Как только расстояние между центрами молекул $r$ становится меньше некоторого равновесного расстояния $r_0$, силы отталкивания начинают доминировать над силами притяжения. Эти силы очень быстро возрастают при дальнейшем уменьшении расстояния и препятствуют взаимопроникновению электронных оболочек атомов. Именно поэтому твердые тела и жидкости практически не сжимаемы.

Ответ: Отталкивание молекул заметнее проявляется при сжатии вещества, когда расстояние между молекулами становится меньше их равновесного положения.

Притяжение между молекулами

Силы притяжения между молекулами проявляются наиболее заметно, когда расстояние между ними немного превышает их равновесное расстояние $r_0$. Эти силы удерживают молекулы вместе, обеспечивая существование веществ в конденсированных состояниях (жидком и твердом). Притяжение становится очевидным, когда мы пытаемся растянуть или разорвать тело. Чтобы увеличить расстояние между молекулами, необходимо приложить внешнюю силу, которая будет преодолевать их взаимное притяжение. Например, прочность материалов на разрыв определяется именно силами межмолекулярного притяжения. Также явления смачивания, капиллярности и поверхностное натяжение в жидкостях являются прямым следствием действия этих сил.

Ответ: Притяжение между молекулами заметнее проявляется при растяжении вещества, когда расстояние между молекулами превышает их равновесное положение, но не настолько велико, чтобы силы взаимодействия стали пренебрежимо малыми.

Штукатурка отваливается, если между ней и кирпичной стеной попадает вода. Как это можно объяснить?

Это явление можно объяснить совокупностью нескольких физических и химических процессов. Основная причина заключается в том, что вода, попадая в пространство между штукатуркой и кирпичной стеной, нарушает их сцепление и создает разрушающее механическое воздействие.

Во-первых, сцепление штукатурки со стеной обеспечивается силами адгезии — межмолекулярного притяжения между разнородными материалами. Когда между ними появляется тонкая пленка воды, адгезионные связи ослабевают. Молекулы воды "вклиниваются" между поверхностями штукатурки и кирпича, действуя как разделительный слой и значительно уменьшая силу сцепления.

Во-вторых, и кирпич, и штукатурка являются пористыми материалами. Благодаря капиллярному эффекту вода легко проникает и распространяется по мельчайшим порам и микротрещинам на границе материалов. Это приводит к повсеместному увлажнению и ослаблению связи по всей площади контакта.

Наиболее разрушительным фактором, особенно в условиях климата с отрицательными температурами, является замерзание воды. При переходе в твердое состояние (лед) при температуре ниже $0^\circ\text{C}$ вода расширяется в объеме примерно на 9%. Это расширение создает огромное внутреннее давление на стенки пор и трещин. Сила этого давления способна механически "отрывать" слой штукатурки от стены. Повторяющиеся циклы замерзания и оттаивания с каждым разом все больше разрушают сцепление.

Наконец, вода может растворять соли, содержащиеся в кирпиче и кладочном растворе. При последующем высыхании стены вода испаряется, а соли кристаллизуются. Если рост кристаллов солей происходит под слоем штукатурки, это также создает механическое давление, которое приводит к ее отслоению.

Ответ: Штукатурка отваливается, потому что вода, проникая между ней и стеной, ослабляет силы адгезионного сцепления. В холодное время года вода замерзает, расширяется и создает давление, которое механически отрывает штукатурный слой. Дополнительным разрушающим фактором может быть давление от кристаллов солей, образующихся при высыхании воды.

1. Кузнец раскалил два куска железа, наложил их друг на друга и ударил молотом. Почему в результате этого куски соединились?

Соединение двух раскаленных кусков железа ударом молота — это пример так называемой кузнечной сварки. Этот процесс объясняется на основе молекулярно-кинетической теории строения вещества, в частности, явлениями диффузии и межатомного взаимодействия.

Когда кузнец раскаляет куски железа, он значительно увеличивает их внутреннюю энергию. Это приводит к тому, что атомы в кристаллической решетке железа начинают колебаться с гораздо большей скоростью и амплитудой. В результате металл становится пластичным, а подвижность атомов сильно возрастает.

Сильный удар молотом решает две задачи. Во-первых, он обеспечивает максимально плотное соприкосновение поверхностей двух кусков, разрушая при этом хрупкую оксидную пленку, которая всегда присутствует на поверхности металла и мешает прямому контакту атомов. Во-вторых, под действием давления атомы на поверхностях двух кусков сближаются на очень малое расстояние, сопоставимое с расстоянием между атомами в самом металле.

Когда атомы двух разных кусков оказываются так близко друг к другу, между ними начинают действовать мощные силы межатомного притяжения. Благодаря высокой подвижности, которую атомы приобрели при нагреве, происходит их взаимное проникновение, или диффузия. Атомы с поверхности одного куска перемещаются в структуру другого и наоборот. В итоге на границе контакта образуется общая для двух кусков кристаллическая решетка, и они становятся единым целым.

Ответ: Куски железа соединились благодаря явлению диффузии. При сильном нагреве атомы железа становятся очень подвижными. Удар молотом сближает атомы двух кусков на расстояние, на котором начинают действовать силы межатомного притяжения. В результате взаимного проникновения (диффузии) атомов одного куска в другой образуется единая кристаллическая структура, и куски свариваются.

2. Клей позволяет прочно соединять тела. Объясните, почему это происходит.

Клей позволяет прочно соединять тела благодаря силам межмолекулярного взаимодействия. Этот процесс можно объяснить двумя основными физическими явлениями: адгезией и когезией.

Ключевую роль играет адгезия — это взаимное притяжение молекул разнородных веществ, в данном случае молекул клея и молекул поверхностей склеиваемых тел. Когда клей наносится на поверхность, он, будучи в жидком состоянии, хорошо смачивает ее, проникая в мельчайшие поры и неровности. Это обеспечивает очень большую площадь контакта. На малых расстояниях, сопоставимых с размерами самих молекул, начинают действовать сильные силы притяжения, которые "сцепляют" клей с поверхностью.

В то же время, чтобы соединение было прочным, сам клеевой слой не должен разорваться. Здесь вступает в силу явление когезии — взаимное притяжение молекул одного и того же вещества, то есть молекул самого клея. В процессе высыхания или отверждения (полимеризации) клея его молекулы сближаются, и силы когезии создают прочную структуру клеевого шва.

Таким образом, прочность склеивания — это результат совместного действия адгезии (клей держится за поверхности) и когезии (клей держит сам себя). Сочетание этих двух сил и обеспечивает надежное и прочное соединение тел.

Ответ: Прочное соединение тел с помощью клея происходит из-за взаимного притяжения молекул. Молекулы клея притягиваются к молекулам склеиваемых поверхностей (явление адгезии), а также молекулы клея сильно притягиваются друг к другу (явление когезии), образуя прочный клеевой шов, который удерживает тела вместе.

Задание 9. Возьмите две небольшие прямоугольные стеклянные пластины. Вымойте их и хорошо вытрите. Плотно прижмите пластины друг к другу. Разъедините их. Выполняйте все действия аккуратно, чтобы не сломать пластины и не пораниться.

Теперь проделайте тот же опыт с влажными пластинами. В каком случае разъединить пластины было легче? Почему?

Решение

Разъединить пластины было значительно легче, когда они были сухими. Это объясняется разницей в силах, действующих между пластинами в каждом из двух случаев.

В первом опыте, с сухими и чистыми стеклянными пластинами, при их сжатии действуют силы межмолекулярного притяжения. Однако поверхности обычных стекол не являются идеально гладкими, они имеют микроскопические неровности. Из-за этого пластины соприкасаются не по всей площади, а лишь в отдельных точках. В результате общая площадь реального контакта очень мала, и суммарная сила притяжения оказывается незначительной. Поэтому разделить сухие пластины можно без большого усилия.

Во втором опыте, с влажными пластинами, между ними образуется тонкая пленка воды. В этом случае возникает несколько эффектов, которые сильно увеличивают силу сцепления. Во-первых, действуют силы адгезии (притяжение между молекулами воды и стекла). Во-вторых, и это главный фактор, проявляется поверхностное натяжение воды. Жидкая пленка стремится сократить свою поверхность, что создает силы, стягивающие пластины друг к другу. Кроме того, у краев пластин вода образует вогнутые мениски, из-за чего давление жидкости в зазоре между пластинами становится ниже атмосферного давления снаружи. Эта разница давлений, умноженная на площадь пластин, создает значительную прижимающую силу. Чтобы разъединить влажные пластины, необходимо преодолеть эту силу, что требует гораздо большего усилия.

Ответ: Легче было разъединить сухие пластины. Причина в том, что между влажными пластинами возникает дополнительная, очень значительная сила притяжения, обусловленная поверхностным натяжением слоя воды и разницей между атмосферным давлением и пониженным давлением внутри этого слоя. Эта сила намного превосходит слабые силы межмолекулярного взаимодействия между сухими стеклянными поверхностями.