Экспериментальные задания, страница 168 - гдз по физике 7 класс учебник Закирова, Аширов

Экспериментальные задания

Налейте в стакан сильно газированную воду. Бросьте в нее виноградинку. Проследите за поведением виноградинки (она будет периодически тонуть и всплывать). Объясните ваши наблюдения.

Наблюдаемое явление объясняется взаимодействием трех сил: силы тяжести, выталкивающей силы (силы Архимеда) и силы поверхностного натяжения, удерживающей пузырьки газа на виноградинке. Процесс можно описать пошагово:

1. Погружение виноградинки. Плотность винограда ($\rho_в$) немного больше плотности газированной воды ($\rho_ж$). На виноградинку действуют две основные силы: направленная вниз сила тяжести $F_т = m_в g = \rho_в V_в g$ и направленная вверх выталкивающая сила Архимеда $F_A = \rho_ж V_в g$, где $V_в$ – объем виноградинки. Поскольку $\rho_в > \rho_ж$, сила тяжести оказывается больше выталкивающей силы ($F_т > F_A$), и виноградинка опускается на дно стакана.

2. Накопление пузырьков газа. Газированная вода – это раствор углекислого газа ($CO_2$) в воде. Этот газ постоянно выделяется из раствора в виде пузырьков. Шероховатая поверхность виноградинки служит центром кристаллизации (нуклеации), то есть местом, где пузырькам газа "удобно" формироваться и скапливаться. Со временем виноградинка покрывается множеством маленьких пузырьков газа.

3. Всплытие виноградинки. Пузырьки газа, прилипшие к виноградинке, увеличивают общий объем системы «виноградинка + пузырьки» ($V_{сис} = V_в + V_{пуз}$), при этом ее общая масса практически не изменяется (масса газа пренебрежимо мала). Это приводит к уменьшению средней плотности системы: $\rho_{ср} = m_в / V_{сис}$. Выталкивающая сила, действующая на систему, увеличивается, так как она пропорциональна объему погруженной части: $F_A' = \rho_ж V_{сис} g$. Когда объем пузырьков становится достаточно большим, средняя плотность системы становится меньше плотности воды ($\rho_{ср} < \rho_ж$), и выталкивающая сила превышает силу тяжести ($F_A' > F_т$). В результате виноградинка начинает подниматься к поверхности.

4. Повторное погружение. Достигнув поверхности воды, пузырьки газа контактируют с воздухом, лопаются и отрываются от виноградинки. Система теряет дополнительный объем, созданный газом. Средняя плотность системы снова становится равной плотности самой виноградинки ($\rho_в$), которая больше плотности воды. Сила тяжести вновь становится больше выталкивающей силы, и виноградинка опять тонет.

Этот цикл будет повторяться до тех пор, пока в воде не иссякнет запас растворенного углекислого газа, необходимого для образования пузырьков.

Ответ: Периодическое движение виноградинки вверх и вниз вызвано изменением действующей на нее выталкивающей силы. Изначально виноградинка тонет, так как ее плотность больше плотности воды. Затем на ее поверхности скапливаются пузырьки газа, которые действуют как поплавки: они увеличивают общий объем системы, не меняя ее массу. В результате средняя плотность системы "виноградинка-пузырьки" становится меньше плотности воды, и она всплывает. У поверхности пузырьки отделяются, и виноградинка, снова став "тяжелее" воды, тонет. Процесс повторяется циклически.