Страница 43 - гдз по физике 7 класс учебник Пёрышкин, Иванов

Обсудим? Прочитайте отрывки из поэмы римского поэта и философа Тита Лукреция Кара «О природе вещей», жившего в первой половине I в. до н. э. Соотнесите примеры, которые он описывает в этих отрывках, с тем, что вы знаете о строении вещества.

...Запахи мы обоняем различного рода,
Хоть и не видим совсем, как в ноздри они проникают.
Также палящей жары или холода нам не приметить
Зреньем своим никогда, да и звук увидать невозможно.
Но это всё обладает, однако, телесной природой,
Если способно оно приводить наши чувства в движенье:
Ведь осязать, как и быть осязаемым, тело лишь может.
И наконец, на морском берегу, разбивающем волны,
Платье сыреет всегда, а на солнце вися, оно сохнет;
Видеть, однако, нельзя, как влага на нём оседает,
Да и не видно того, как она исчезает от зноя...

...Капля за каплей долбит, упадая, скалу; искривлённый
Плуга железный сошник незаметно стирается в почве;
И мостовую дорог, мощённую камнями, видим
Стёртой ногами толпы; и правые руки у статуй
Бронзовых возле ворот городских постепенно худеют
От припадания к ним проходящего мимо народа.
Нам очевидно, что вещь от стиранья становится меньше,
Но отделение тел, из неё каждый миг уходящих,
Нашим глазам усмотреть запретила природа ревниво...

Решение

В отрывках из поэмы «О природе вещей» римский философ Тит Лукреций Кар приводит примеры из жизни, которые являются блестящими для своего времени доказательствами атомистической гипотезы строения вещества. Соотнесем его наблюдения с положениями современной молекулярно-кинетической теории (МКТ).

Анализ первого отрывка («Запахи мы обоняем...»)

Этот фрагмент иллюстрирует два основных положения МКТ: все тела состоят из частиц, и эти частицы находятся в непрерывном хаотическом движении.
«Запахи мы обоняем различного рода, / Хоть и не видим совсем, как в ноздри они проникают». Данное наблюдение описывает явление диффузии. Источник запаха испускает невидимые частицы (молекулы), которые, хаотично двигаясь в воздухе и сталкиваясь с его частицами, со временем достигают наших органов обоняния. Невидимость этого процесса указывает на чрезвычайно малые размеры самих частиц.
«Также палящей жары или холода нам не приметить / Зреньем своим никогда, да и звук увидать невозможно». Здесь Лукреций интуитивно подходит к пониманию природы энергии. Теплота, с точки зрения МКТ, — это мера средней кинетической энергии движения частиц вещества. Звук — это распространение колебаний частиц в упругой среде. Мы не можем «увидеть» тепло или звук, потому что это не объекты, а процессы, связанные с движением и взаимодействием невидимых частиц.
«...платье сыреет всегда, а на солнце вися, оно сохнет». Это описание фазовых переходов воды: конденсации и испарения. Влажный морской воздух насыщен невидимыми молекулами воды (пар). При контакте с тканью они оседают на ней (конденсируются). Под действием солнечного тепла (энергии) молекулы воды с ткани начинают двигаться интенсивнее и отрываются от поверхности, переходя в газообразное состояние (испаряются). То, что мы не видим, «как влага... оседает» и «как она исчезает», снова подтверждает, что вещество состоит из невидимых частиц.

Анализ второго отрывка («Капля за каплей долбит...»)

Этот фрагмент является доказательством третьего аспекта строения материи — ее дискретности (прерывистости).
«Капля за каплей долбит... скалу; ...железный сошник незаметно стирается... мостовую... видим стёртой... правые руки у статуй... худеют». Все эти примеры описывают процесс постепенного истирания или эрозии. Лукреций гениально подмечает, что макроскопическое изменение (истертая скала, сточенный плуг) является результатом огромного числа микроскопических событий. Каждая капля воды, каждый шаг или прикосновение уносит с поверхности ничтожно малое, невидимое глазу количество частиц (атомов). По отдельности эти события незаметны, но их совокупный эффект за долгое время становится очевидным. Если бы вещество было сплошным, непрерывным, такой механизм постепенного износа был бы невозможен.

Ответ: Примеры, которые Тит Лукреций Кар приводит в своей поэме, напрямую соотносятся с фундаментальными положениями современной молекулярно-кинетической теории строения вещества.
1. Распространение запахов, а также намокание и высыхание одежды доказывают, что все вещества состоят из мельчайших частиц (атомов и молекул), которые находятся в непрерывном и хаотическом движении. Научные названия этих явлений — диффузия, конденсация и испарение.
2. Невидимость тепла и звука объясняется тем, что это не вещество, а проявления энергии движения и взаимодействия частиц.
3. Постепенное истирание твердых тел (камня, металла) от многократных, но слабых воздействий доказывает, что вещество имеет дискретное, то есть прерывистое, строение. Износ происходит за счет потери отдельных, невидимых глазу частиц с поверхности тела.

1. Создайте модель жидкостного термометра. Объясните принцип его действия.

1. Создание модели жидкостного термометра

Для изготовления простой действующей модели жидкостного термометра потребуются следующие материалы:

• Небольшая стеклянная или прозрачная пластиковая бутылка.
• Прозрачная пластиковая соломинка для напитков.
• Пластилин или любой другой герметик.
• Вода.
• Пищевой краситель, чернила или акварельная краска для подкрашивания воды.

Порядок сборки модели:

1. Наполните бутылку водой примерно на одну треть.
2. Добавьте в воду краситель, чтобы уровень жидкости был хорошо заметен.
3. Опустите соломинку в бутылку так, чтобы ее нижний конец оказался в воде, но не касался дна.
4. Используя пластилин, герметично закройте отверстие бутылки вокруг соломинки. Важно обеспечить полную герметичность, чтобы воздух не мог проходить через уплотнение.
5. После герметизации уровень воды в соломинке должен установиться немного выше уровня воды в бутылке. Модель готова. Для проверки ее работы можно согреть бутылку ладонями — уровень жидкости в соломинке начнет подниматься.

Объяснение принципа действия

Принцип действия жидкостного (и в данном случае, газожидкостного) термометра основан на физическом явлении теплового расширения. Все вещества при нагревании увеличиваются в объеме (расширяются), а при охлаждении — уменьшаются (сжимаются).

В собранной модели при изменении температуры происходят следующие процессы:

• При нагревании. Когда температура окружающей среды повышается, тепловая энергия передается бутылке, воде и, что наиболее важно, воздуху, запертому в объеме над водой. Газы расширяются значительно сильнее жидкостей. Расширяющийся воздух увеличивает давление на поверхность воды в бутылке. Это избыточное давление вытесняет воду вверх по узкой соломинке. Чем выше температура, тем выше поднимается столбик жидкости.
• При охлаждении. При понижении температуры происходит обратный процесс. Воздух и вода охлаждаются и сжимаются в объеме. Давление внутри бутылки падает, и столбик жидкости в соломинке опускается под действием силы тяжести.

Узкий диаметр соломинки играет решающую роль: благодаря ему даже небольшое изменение объема воздуха в бутылке приводит к значительному и хорошо заметному изменению высоты столбика жидкости. Математически это явление описывается закономерностью теплового расширения, для которого можно записать формулу:

$ \Delta V = V_0 \beta \Delta T $

где $ \Delta V $ — это изменение объема тела, $ V_0 $ — его начальный объем, $ \beta $ — коэффициент объемного теплового расширения, а $ \Delta T $ — изменение температуры. В нашей модели основной вклад вносит расширение воздуха, так как его коэффициент $ \beta $ намного больше, чем у воды.

Ответ: Модель жидкостного термометра создается из бутылки с подкрашенной водой и герметично вставленной в нее соломинкой. Принцип действия основан на тепловом расширении веществ: при нагревании воздух и вода в бутылке расширяются, создавая избыточное давление, которое выталкивает столбик воды в соломинке вверх. При охлаждении вещества сжимаются, давление падает, и уровень воды в соломинке опускается.

2. «Объясняется диффузией» (возможная форма: презентация, демонстрация опытов, компьютерная анимация).

Решение

1. Что такое диффузия?

Диффузия — это процесс взаимного проникновения молекул или атомов одного вещества между молекулами или атомами другого, приводящий к самопроизвольному выравниванию их концентраций по всему занимаемому объёму. В основе этого явления лежит хаотическое тепловое движение частиц вещества (атомов, молекул, ионов). Частицы непрерывно и беспорядочно движутся, сталкиваются друг с другом и со стенками сосуда, меняя направление своего движения. В результате этого случайного блуждания происходит их постепенное перемешивание.

Процесс диффузии наблюдается во всех агрегатных состояниях вещества: в газах, жидкостях и твердых телах. Однако скорость протекания процесса сильно различается: наиболее быстро диффузия происходит в газах, медленнее — в жидкостях, и крайне медленно — в твердых телах.

2. Примеры явлений, объясняемых диффузией

В быту:

Распространение запахов. Когда мы открываем флакон духов или завариваем кофе, молекулы ароматических веществ испаряются и, двигаясь хаотично, смешиваются с молекулами воздуха, постепенно достигая наших обонятельных рецепторов даже на значительном расстоянии.

Заваривание чая. Погруженный в горячую воду чайный пакетик выпускает красящие и ароматические вещества, которые путем диффузии равномерно распределяются по всему объему чашки, окрашивая воду и придавая ей вкус.

Растворение сахара или соли в воде. Если насыпать на дно стакана с водой сахар и не перемешивать, через некоторое время вода станет сладкой во всем объеме. Это происходит потому, что молекулы сахара диффундируют между молекулами воды.

В природе и биологии:

Дыхание живых организмов. В легких кислород из вдыхаемого воздуха диффундирует через тонкие стенки альвеол в кровь, где его концентрация ниже. Одновременно углекислый газ, концентрация которого в крови выше, диффундирует из крови в альвеолы и удаляется при выдохе.

Питание клеток. Питательные вещества и кислород, доставленные кровью к тканям, проникают внутрь клеток через их мембраны также благодаря диффузии, двигаясь из области большей концентрации в область меньшей.

Питание растений. Растения поглощают из почвы воду и растворенные в ней минеральные соли через корневые волоски. Этот процесс во многом основан на диффузии и ее частном случае — осмосе.

В технике и производстве:

Диффузионная сварка. Металлические детали плотно прижимают друг к другу и нагревают. При высокой температуре атомы с поверхности одного металла начинают проникать (диффундировать) в кристаллическую решетку другого, образуя прочное неразъемное соединение.

Цементация (науглероживание) стали. Для придания поверхностному слою стальной детали большей твердости ее нагревают в среде, богатой углеродом. Атомы углерода диффундируют в поверхностный слой железа, делая его более прочным.

Производство полупроводников. В кристалл чистого кремния путем диффузии при высокой температуре вводят атомы примесей (например, фосфора или бора). Этот процесс называется легированием и позволяет создавать полупроводниковые структуры, являющиеся основой транзисторов и микросхем.

3. Демонстрация опытов

Опыт с диффузией в жидкости. В стакан с чистой водой можно аккуратно капнуть каплю чернил или бросить кристаллик перманганата калия (марганцовки). Без всякого перемешивания окрашенная область будет постепенно расширяться, и через некоторое время вся жидкость станет равномерно окрашенной. Это наглядная демонстрация диффузии в жидкостях.

Опыт с диффузией в газах. Если в одном углу комнаты распылить освежитель воздуха или открыть флакон с нашатырным спиртом, то через некоторое время запах распространится по всему помещению. Это происходит из-за диффузии молекул пахучего вещества в воздухе.

4. Факторы, влияющие на скорость диффузии

Скорость процесса диффузии зависит от нескольких ключевых факторов:

Температура. С повышением температуры средняя кинетическая энергия частиц увеличивается, они начинают двигаться быстрее, что приводит к ускорению диффузии. В горячей воде чай заваривается быстрее, чем в холодной.

Агрегатное состояние вещества. В газах молекулы движутся свободно и быстро, поэтому диффузия происходит почти мгновенно. В жидкостях частицы расположены плотнее, их движение затруднено, поэтому диффузия идет медленнее. В твердых телах атомы лишь колеблются около положений равновесия, и диффузия происходит крайне медленно.

Масса частиц. Более легкие частицы при одинаковой температуре движутся быстрее, чем тяжелые, и, соответственно, диффундируют быстрее.

Градиент концентрации. Чем больше разница концентраций вещества в разных областях, тем интенсивнее идет процесс диффузии. По мере выравнивания концентраций он замедляется.

5. Математическое описание

Процессы диффузии количественно описываются законами Фика.

Первый закон Фика связывает диффузионный поток вещества с градиентом его концентрации. Он гласит, что поток направлен из области с высокой концентрацией в область с низкой.

$J = -D \frac{\partial c}{\partial x}$

где $J$ — плотность диффузионного потока, $D$ — коэффициент диффузии (характеризует скорость процесса), а $\frac{\partial c}{\partial x}$ — градиент концентрации. Знак минус указывает, что поток направлен в сторону уменьшения концентрации.

Второй закон Фика описывает, как изменяется концентрация вещества в данной точке пространства с течением времени.

$\frac{\partial c}{\partial t} = D \frac{\partial^2 c}{\partial x^2}$

Это уравнение позволяет рассчитать, как будет распределена концентрация вещества в любой момент времени.

Ответ: Диффузия — это процесс взаимного проникновения частиц одного вещества в другое, обусловленный их хаотичным тепловым движением. Этим явлением объясняется множество процессов в быту (распространение запахов, заваривание чая), в природе и биологии (дыхание, питание клеток и растений), а также в технологии (диффузионная сварка, легирование полупроводников). Скорость диффузии зависит от температуры, агрегатного состояния вещества, массы частиц и градиента концентрации.

3. «Свойства воды в твёрдом и жидком состоянии» (возможная форма: презентация, демонстрация опытов).

Вода ($H_2O$) — уникальное вещество, свойства которого в жидком и твёрдом состояниях имеют фундаментальное значение для жизни на Земле. Рассмотрим эти свойства подробнее.

Свойства воды в жидком состоянии

Жидкая вода существует в диапазоне температур от 0 °C до 100 °C при нормальном атмосферном давлении. Её свойства обусловлены полярностью молекул и их способностью образовывать между собой водородные связи.

1. Текучесть.
Жидкая вода не имеет собственной формы и принимает форму сосуда, в который её наливают. Это свойство обусловлено тем, что молекулы воды подвижны и могут легко перемещаться относительно друг друга, хотя и связаны водородными связями. При этом вода сохраняет свой объём.
Демонстрация опыта: Перелить воду из стакана в тарелку. Вода изменит свою форму, но её количество (объём) останется прежним.

2. Высокое поверхностное натяжение.
На границе с воздухом молекулы воды притягиваются друг к другу сильнее, чем к молекулам воздуха. Это создаёт на поверхности воды подобие упругой плёнки. Благодаря этому явлению некоторые насекомые могут бегать по воде, а капли имеют сферическую форму.
Демонстрация опыта: Аккуратно положить на поверхность воды в стакане металлическую скрепку или иголку. Она будет держаться на поверхности. Если добавить каплю моющего средства, поверхностное натяжение уменьшится, и скрепка утонет.

3. Аномальная зависимость плотности от температуры.
В отличие от большинства других веществ, которые при охлаждении сжимаются, вода имеет максимальную плотность при температуре около +4 °C. При дальнейшем охлаждении от +4 °C до 0 °C вода начинает расширяться, и её плотность уменьшается. Это свойство играет ключевую роль в природе: более холодная вода (и лёд) оказывается на поверхности водоёмов, что предотвращает их полное промерзание и сохраняет жизнь водных обитателей зимой.

4. Высокая теплоёмкость.
Вода обладает очень высокой удельной теплоёмкостью (около $4200 \text{ Дж/(кг·°C)}$). Это означает, что для нагревания воды на 1 градус требуется большое количество энергии. Благодаря этому свойству вода медленно нагревается и медленно остывает, что смягчает климат в прибрежных районах и помогает живым организмам поддерживать стабильную температуру тела.

5. Универсальный растворитель.
Вода является полярным растворителем и способна растворять множество других полярных и ионных веществ, таких как соли, сахара, кислоты. Это свойство делает её важнейшей средой для протекания биохимических реакций в живых организмах.
Демонстрация опыта: Растворить в стакане воды ложку поваренной соли или сахара. Затем попробовать добавить растительное масло — оно не растворится, а будет плавать на поверхности, так как является неполярным веществом.

6. Капиллярность.
Способность воды подниматься по узким трубкам (капиллярам) вопреки силе тяжести. Это явление объясняется силами сцепления молекул воды со стенками капилляра (смачивание). Капиллярность обеспечивает подъём воды в почве и по стеблям растений.
Демонстрация опыта: Опустить край бумажной салфетки или кусочек сахара в подкрашенную воду. Можно наблюдать, как вода поднимается вверх по волокнам.

Ответ: В жидком состоянии вода характеризуется текучестью, высоким поверхностным натяжением, аномальной зависимостью плотности от температуры (максимум при +4 °C), высокой теплоёмкостью и способностью растворять многие вещества.

Свойства воды в твёрдом состоянии (лёд)

При температуре 0 °C и ниже вода переходит в твёрдое состояние — лёд. Процесс называется кристаллизацией или замерзанием.

1. Кристаллическая структура и плотность.
В отличие от жидкой воды, где молекулы расположены относительно хаотично, в кристалле льда они образуют упорядоченную шестиугольную (гексагональную) структуру. Водородные связи фиксируют молекулы на большем расстоянии друг от друга, чем в жидкой воде. Из-за этой "рыхлой" структуры плотность льда (около $917 \text{ кг/м³}$) оказывается примерно на 9% меньше плотности жидкой воды. Это главное аномальное свойство воды.
Демонстрация опыта: Поместить кубик льда в стакан с водой. Лёд будет плавать на поверхности. Можно также наполнить пластиковую бутылку водой доверху, плотно закрыть и положить в морозилку. При замерзании вода расширится и может разорвать бутылку.

2. Фиксированная форма и объём.
Как и любое твёрдое тело, лёд имеет собственную форму и сохраняет постоянный объём.

3. Хрупкость.
Лёд является хрупким материалом. При резком механическом воздействии он не деформируется, а раскалывается.

4. Низкая теплопроводность.
Лёд плохо проводит тепло, являясь теплоизолятором. Снежный и ледяной покров защищает почву и водоёмы от глубокого промерзания, сохраняя тепло.

5. Плавление.
Переход льда в жидкое состояние происходит при температуре 0 °C (при нормальном давлении). Важно, что в процессе плавления температура смеси льда и воды не меняется, пока весь лёд не растает. Для разрушения кристаллической решётки требуется значительное количество энергии, называемое удельной теплотой плавления ($334 \text{ кДж/кг}$).

6. Прозрачность.
Чистый лёд прозрачен для видимого света, хотя наличие пузырьков воздуха или примесей может делать его матовым или белым.

Ответ: В твёрдом состоянии (лёд) вода имеет фиксированную кристаллическую структуру, меньшую плотность по сравнению с жидкой водой (поэтому лёд плавает), является хрупкой, обладает низкой теплопроводностью и плавится при постоянной температуре 0 °C.