Ответьте на вопросы, страница 166 - гдз по физике 7 класс учебник Закирова, Аширов

Ответьте на вопросы

1. Почему уровень воды в сосуде с водой не повышается при таянии плавающего в нем большого куска льда?

2. Почему лед тонет в бензине?

3. Почему невозможно потушить керосин водой?

4. Почему плавает большое судно, а гвоздь, упавший в воду, тонет?

5. Почему морские животные не нуждаются в прочных скелетах?

6. Почему перевозки нефтепродуктов морским путем создают угрозу загрязнения вод?

7. На каком физическом явлении основано действие отстойников для очистки воды? Достаточно ли этого способа очистки? Назовите местные источники загрязнения воды.

1. Почему уровень воды в сосуде с водой не повышается при таянии плавающего в нем большого куска льда?

Чтобы ответить на этот вопрос, воспользуемся законом Архимеда. Этот вопрос является классической физической задачей, и для его решения необходимо сравнить объем вытесненной воды с объемом воды, которая образуется после таяния льда.

Дано:

$m_л$ — масса куска льда.

$\rho_в$ — плотность воды.

$\rho_л$ — плотность льда.

$V_{погр}$ — объем погруженной в воду части льда.

$V_в$ — объем воды, образовавшейся после таяния льда.

$\text{g}$ — ускорение свободного падения.

Найти:

Доказать, что изменение уровня воды равно нулю, то есть $V_{погр} = V_в$.

Решение:

Когда лед плавает в воде, на него действует выталкивающая сила (сила Архимеда) $F_A$, которая уравновешивает его силу тяжести $P_л$.

Условие плавания тела: $F_A = P_л$.

Сила тяжести льда равна $P_л = m_л g$.

Сила Архимеда равна весу вытесненной жидкости: $F_A = \rho_в g V_{погр}$.

Приравнивая эти две силы, получаем: $\rho_в g V_{погр} = m_л g$.

Сократив $\text{g}$, найдем объем погруженной части льда:

$V_{погр} = \frac{m_л}{\rho_в}$.

Это объем, который подводная часть льда занимает в воде.

Теперь рассмотрим процесс таяния. Когда лед массой $m_л$ полностью растает, он превратится в воду. Масса при этом сохранится, то есть масса образовавшейся воды $m_в$ будет равна массе льда $m_л$: $m_в = m_л$.

Объем этой воды можно найти по формуле $V_в = \frac{m_в}{\rho_в}$. Заменив $m_в$ на $m_л$, получаем:

$V_в = \frac{m_л}{\rho_в}$.

Сравнивая выражения для $V_{погр}$ и $V_в$, мы видим, что они равны:

$V_{погр} = V_в$.

Это означает, что объем воды, образовавшейся в результате таяния льда, в точности равен объему той части льда, которая была погружена в воду. Таким образом, растаявшая вода займет то же самое место, которое до этого занимала подводная часть ледяного куска, и общий уровень воды в сосуде не изменится.

Ответ: Уровень воды не повышается, потому что объем воды, образующийся при таянии льда, равен объему вытесненной им воды, когда он плавал (то есть объему его подводной части).

2. Почему лед тонет в бензине?

Условие плавания тела в жидкости определяется соотношением их плотностей. Тело тонет, если его плотность больше плотности жидкости, и плавает, если его плотность меньше.

Плотность льда ($\rho_л$) составляет примерно 917 кг/м³. Плотность бензина ($\rho_б$), в зависимости от марки, составляет примерно 700–780 кг/м³.

Сравнивая эти значения, мы видим, что $\rho_л > \rho_б$. Так как плотность льда больше плотности бензина, выталкивающая сила, действующая на лед в бензине, будет меньше его силы тяжести. В результате лед опустится на дно.

Ответ: Лед тонет в бензине, потому что его плотность (≈917 кг/м³) больше плотности бензина (≈750 кг/м³).

3. Почему невозможно потушить керосин водой?

Попытка потушить горящий керосин водой не только неэффективна, но и опасна по двум основным причинам, связанным с физическими свойствами этих веществ.

1. Разница в плотности. Плотность керосина (около 780–810 кг/м³) меньше плотности воды (около 1000 кг/м³). Из-за этого вода, будучи тяжелее, опускается под слой керосина, а керосин всплывает и продолжает гореть на поверхности воды.

2. Несмешиваемость. Керосин, как и другие нефтепродукты, не смешивается с водой. Вместо того чтобы погасить пламя, вода растекается, увлекая за собой горящий керосин, что приводит к увеличению площади пожара.

Для тушения горящих жидкостей, таких как керосин, необходимо перекрыть доступ кислорода к очагу возгорания. Для этого используют огнетушители (порошковые, углекислотные), песок или специальные пены, которые покрывают горящую поверхность и изолируют ее от воздуха.

Ответ: Невозможно потушить керосин водой, так как керосин легче воды и не смешивается с ней. Он всплывает на поверхность и продолжает гореть, а вода способствует распространению пожара.

4. Почему плавает большое судно, а гвоздь, упавший в воду, тонет?

Это явление объясняется законом Архимеда и понятием средней плотности.

Гвоздь сделан из стали, плотность которой составляет около 7850 кг/м³. Это почти в 8 раз больше плотности воды (1000 кг/м³). Поскольку плотность гвоздя больше плотности воды, действующая на него выталкивающая сила значительно меньше его веса, и он тонет.

Судно, хотя и построено в основном из стали, не является сплошным куском металла. Его корпус имеет сложную конструкцию с множеством внутренних полостей, заполненных воздухом. Благодаря этому, средняя плотность судна (общая масса судна, деленная на весь его объем ниже ватерлинии) оказывается меньше плотности воды. Когда судно опускают на воду, оно погружается до тех пор, пока вес вытесненной им воды (сила Архимеда) не станет равным общему весу судна. В этот момент судно начинает плавать.

Ответ: Гвоздь тонет, так как его плотность (плотность стали) больше плотности воды. Судно плавает, так как благодаря воздуху внутри его корпуса средняя плотность судна меньше плотности воды, и оно способно вытеснить объем воды, вес которого равен весу самого судна.

5. Почему морские животные не нуждаются в прочных скелетах?

Морские животные не нуждаются в таких прочных скелетах, как наземные, благодаря выталкивающей силе воды (силе Архимеда). Плотность тела большинства морских организмов очень близка к плотности морской воды. Из-за этого вода эффективно поддерживает их вес, создавая состояние, близкое к невесомости (нейтральная плавучесть).

На суше животным необходим прочный скелет для противодействия силе тяжести, поддержки веса тела и передвижения. В водной среде эта поддерживающая функция в значительной степени выполняется самой водой. Поэтому у многих морских обитателей, например у медуз, скелет отсутствует вовсе. У крупных морских млекопитающих, таких как киты, скелет есть, но он не рассчитан на то, чтобы выдерживать их огромный вес на суше. Если кит оказывается на берегу, его собственный вес может раздавить его внутренние органы.

Ответ: Морские животные не нуждаются в прочных скелетах, так как выталкивающая сила воды поддерживает их тела, компенсируя большую часть силы тяжести и выполняя опорную функцию.

6. Почему перевозки нефтепродуктов морским путем создают угрозу загрязнения вод?

Перевозки нефтепродуктов (нефти, бензина, мазута) морским путем, в основном с помощью танкеров, создают серьезную угрозу загрязнения вод из-за высокого риска аварий. Аварии, такие как столкновения, посадка на мель или повреждение корпуса, могут привести к разливу тысяч и даже миллионов тонн нефти в океан.

Последствия разливов нефти катастрофичны для морской экосистемы:

1. Образование нефтяной пленки. Нефть легче воды и не смешивается с ней, поэтому она растекается по поверхности, образуя пленку. Эта пленка блокирует доступ солнечного света, необходимого для фотосинтеза водных растений и фитопланктона, и нарушает газообмен между водой и атмосферой, что ведет к гибели морских организмов от недостатка кислорода.

2. Гибель животных. Нефть покрывает перья птиц и мех морских млекопитающих (тюленей, выдр), лишая их водоотталкивающих и теплоизоляционных свойств. Это приводит к переохлаждению и гибели. Животные также отравляются, пытаясь очистить себя или проглатывая загрязненную пищу и воду.

3. Токсичность. Нефтепродукты содержат токсичные вещества, которые отравляют рыбу, моллюсков и другие организмы, нарушая их развитие и репродуктивные функции.

Даже штатные операции, такие как мойка танков, могут приводить к хроническому загрязнению вод.

Ответ: Перевозки нефтепродуктов морским путем создают угрозу из-за возможных аварий и разливов, которые приводят к формированию нефтяной пленки на поверхности воды. Эта пленка токсична, нарушает доступ кислорода и света, что вызывает массовую гибель морских животных и растений.

7. На каком физическом явлении основано действие отстойников для очистки воды? Достаточно ли этого способа очистки? Назовите местные источники загрязнения воды.

Физическое явление. Действие отстойников основано на явлении седиментации (осаждения). Суть его в том, что частицы, взвешенные в жидкости (в данном случае в воде), плотность которых больше плотности жидкости, под действием силы тяжести постепенно опускаются на дно. Таким образом происходит разделение воды и твердых нерастворимых примесей (песка, ила, глины).

Достаточность способа. Нет, этого способа очистки совершенно недостаточно для получения питьевой воды. Отстаивание является лишь первой, грубой стадией очистки. Оно позволяет удалить только относительно крупные и тяжелые взвешенные частицы. Однако в воде остаются:

• растворенные химические вещества (соли, кислоты, щелочи, пестициды);
• мелкие коллоидные частицы, которые оседают очень медленно или не оседают вовсе;
• болезнетворные микроорганизмы (бактерии и вирусы).

Поэтому после отстаивания необходимы дальнейшие этапы очистки: фильтрация, коагуляция, аэрация и обязательное обеззараживание (например, хлорирование или УФ-облучение).

Местные источники загрязнения воды. К основным местным источникам загрязнения водных объектов (рек, озер) можно отнести:

• Коммунально-бытовые сточные воды: сбросы из городской канализации, которые могут быть недостаточно очищены.
• Промышленные стоки: сбросы с заводов и фабрик, содержащие тяжелые металлы, химикаты и другие токсичные вещества.
• Сельскохозяйственные стоки: смыв с полей удобрений, пестицидов и гербицидов, а также отходы животноводческих ферм.
• Ливневая канализация (поверхностный сток): смыв с городских улиц, дорог и парковок нефтепродуктов, реагентов, мусора.
• Несанкционированные свалки и выброс мусора вблизи водоемов.

Ответ: Действие отстойников основано на гравитационном осаждении (седиментации) частиц, плотность которых больше плотности воды. Этого способа недостаточно для полной очистки, так как он не удаляет растворенные вещества и микроорганизмы. Местными источниками загрязнения являются бытовые и промышленные стоки, смывы с сельхозугодий и городских территорий.