Номер 1, страница 30, часть 1 - гдз по физике 8 класс учебник Генденштейн, Булатова

Часть 1. Глава II. Тепловые явления. Параграф 3. Тепловое расширение. Температура и её измерение - номер 1, страница 30.

Условие.

1. Прочитайте следующий текст и выполните задания к нему.

Большинство тел при нагревании расширяются, то есть увеличивают свой объём, а при охлаждении — сжимаются, то есть уменьшают свой объём.

Расширение тел при нагревании называют тепловым. Различные тела при нагревании расширяются по-разному: например, газы расширяются сильнее, чем жидкости, а жидкости расширяются сильнее, чем большинство твёрдых тел.

«Степень нагретости» тел характеризуют физической величиной, которую называют температурой. Чем холоднее тело, тем ниже его температура, а чем оно горячее, тем она выше.

Температуру измеряют термометрами¹, а также датчиками температуры.

На рисунке 3.1 изображены жидкостные термометры. Жидкость, находящаяся в небольшом стеклянном баллоне термометра, при нагревании расширяется и поднимается по стеклянной трубке, впаянной в баллон. Эту трубку специально делают довольно тонкой, чтобы изменение объёма жидкости при нагревании или охлаждении было более заметным.

Рис. 3.1

Температуру измеряют в градусах. В широко распространённой (в том числе в России) температурной шкале Цельсия¹ нулю градусов соответствует температура таяния льда (обозначают $0 \text{ °C}$), а ста градусам ($100 \text{ °C}$) — температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении.

В курсе физики старших классов вы познакомитесь также с температурной шкалой Кельвина². По этой шкале температуре таяния льда равна 273 градусам (записывают как $273 \text{ К}$). Изменение температуры на один градус по шкале Кельвина равно изменению температуры на один градус по шкале Цельсия. Шкалу Кельвина называют также абсолютной шкалой температур, потому что нулю градусов по этой шкале соответствует минимально возможная температура, ниже которой быть не может. При температурах, близких к нулю градусов по шкале Кельвина, почти все вещества затвердевают.

а) Изменялся бы уровень жидкости в жидкостном термометре при нагревании, если бы жидкость в баллоне термометра расширялась при нагревании так же, как стекло, из которого изготовлены стенка баллона и трубка? Обоснуйте свой ответ.

б) Рассмотрите внимательно жидкостные термометры, изображённые на рисунках 3.1, а—г. Примите погрешность измерения температуры каждым термометром равной цене деления его шкалы.

Какой термометр предназначен для измерения температуры тела?

Какой термометр предназначен для измерения температуры в помещении?

Какой термометр предназначен для измерения температуры на улице?

Каким термометром можно измерить температуру кипения воды?

Запишите показание каждого термометра с указанием погрешности измерения.

в) Чему равна температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении по шкале Кельвина?

г) Чему равна минимально возможная температура по шкале Цельсия?

д) Почему нельзя измерять температуры, близкие к нулю по шкале Кельвина, с помощью ртутного или спиртового термометра?

Решение.

а) Уровень жидкости в термометре не изменялся бы. Принцип действия жидкостного термометра основан на том, что при одинаковом изменении температуры жидкость расширяется значительно сильнее, чем твердое тело (стекло). Именно этот избыток объема жидкости и поднимается по узкой капиллярной трубке. Если бы коэффициенты теплового расширения жидкости и стекла были одинаковы, то увеличенный объем жидкости полностью помещался бы в увеличившемся объеме стеклянного баллона, и уровень в трубке не менялся бы.

Ответ: Нет, не изменялся бы, так как изменение объема жидкости было бы скомпенсировано изменением объема баллона.

б) Какой термометр предназначен для измерения температуры тела?
Для измерения температуры тела предназначен медицинский термометр б, так как его шкала (от 35 °C до 42 °C) соответствует диапазону возможных температур человеческого тела и имеет высокую точность (цена деления 0,1 °C).
Какой термометр предназначен для измерения температуры в помещении?
Для измерения температуры в помещении предназначен термометр г, показывающий типичную комнатную температуру (23 °C).
Какой термометр предназначен для измерения температуры на улице?
Для измерения температуры на улице предназначен термометр а, так как он имеет широкий диапазон, включающий отрицательные температуры (от -30 °C до 50 °C).
Каким термометром можно измерить температуру кипения воды?
Температуру кипения воды (100 °C при нормальном давлении) можно измерить термометром в, шкала которого доходит до 100 °C.

Показания термометров (погрешность равна цене деления):
Термометр а: Цена деления составляет $(20-10) / 10 = 1$ °C. Показание: $(10 \pm 1)$ °C.
Термометр б: Цена деления составляет $(38-37) / 10 = 0,1$ °C. Показание: $(37,8 \pm 0,1)$ °C.
Термометр в: Цена деления составляет $(40-20) / 10 = 2$ °C. Показание: $20 + 3 \cdot 2 = 26$. Результат: $(26 \pm 2)$ °C.
Термометр г: Цена деления составляет $(20-10) / 10 = 1$ °C. Показание: $20 + 3 \cdot 1 = 23$. Результат: $(23 \pm 1)$ °C.

Ответ: Для тела – б; для помещения – г; для улицы – а; для кипения воды – в. Показания: а) $(10 \pm 1)$ °C, б) $(37,8 \pm 0,1)$ °C, в) $(26 \pm 2)$ °C, г) $(23 \pm 1)$ °C.

в) Дано:

Температура кипения воды по шкале Цельсия $t_к = 100$ °C.
Температура таяния льда по шкале Цельсия $t_{пл} = 0$ °C.
Температура таяния льда по шкале Кельвина $T_{пл} = 273$ K.

Найти:

Температуру кипения воды по шкале Кельвина $T_к$.

Решение:

Связь между температурой в градусах Цельсия ($\text{t}$) и температурой в кельвинах ($\text{T}$) выражается формулой:
$T(K) = t(°C) + 273$
Подставим значение температуры кипения воды в градусах Цельсия в эту формулу:
$T_к = 100 + 273 = 373$ К.

Ответ: 373 К.

г) Дано:

Минимально возможная температура по шкале Кельвина (абсолютный нуль) $T_{min} = 0$ K.

Найти:

Минимально возможную температуру по шкале Цельсия $t_{min}$.

Решение:

Используем формулу для перевода температуры из шкалы Кельвина в шкалу Цельсия:
$t(°C) = T(K) - 273$
Подставим значение абсолютного нуля:
$t_{min} = 0 - 273 = -273$ °C.

Ответ: -273 °C.

д) Принцип действия ртутного или спиртового термометра основан на свойстве жидкости расширяться при нагревании и сжиматься при охлаждении. При температурах, близких к абсолютному нулю (0 К или -273 °C), любое вещество, используемое в жидкостных термометрах, переходит в твёрдое состояние. Ртуть замерзает при температуре около -39 °C (234 К), а спирт — при -114 °C (159 К). В твёрдом состоянии эти вещества теряют текучесть и не могут перемещаться по капилляру термометра, поэтому измерять им столь низкие температуры невозможно.

Ответ: При температурах, близких к нулю по шкале Кельвина, ртуть и спирт замерзают (переходят в твердое состояние) и термометры перестают работать.