Номер 1, страница 214 - гдз по физике 8 класс учебник Хижнякова, Синявина

Примерные темы учебных проектов. I. История развития физики - номер 1, страница 214.

Условие.

• Из истории открытия газовых законов.

Решение.

Из истории открытия газовых законов.

Открытие газовых законов представляет собой одну из важнейших глав в истории физики и химии, заложившую основы молекулярно-кинетической теории. Этот процесс растянулся на несколько столетий и является ярким примером развития научного знания через эксперимент и теоретическое обобщение.

1. Закон Бойля — Мариотта (1662-1676 гг.). Английский ученый Роберт Бойль в 1662 году и французский аббат Эдмон Мариотт в 1676 году независимо друг от друга экспериментально установили, что при постоянной температуре и массе газа произведение его давления на объем является постоянной величиной. Этот закон описывает изотермический процесс.

Математически закон выражается формулой: $pV = \text{const}$ (при $T = \text{const}, m = \text{const}$).

2. Закон Гей-Люссака (1802 г.). Французский ученый Жозеф Луи Гей-Люссак, основываясь на работах Жака Шарля (1787 г.), установил две важные зависимости. Первый закон (часто называемый законом Шарля) гласит, что при постоянном давлении объем данной массы газа прямо пропорционален его абсолютной температуре. Этот процесс называется изобарным.

Математически: $V/T = \text{const}$ (при $p = \text{const}, m = \text{const}$).

Второй закон Гей-Люссака описывает изохорный процесс: при постоянном объеме давление данной массы газа прямо пропорционально его абсолютной температуре.

Математически: $p/T = \text{const}$ (при $V = \text{const}, m = \text{const}$).

3. Закон Авогадро (1811 г.). Итальянский физик Амедео Авогадро выдвинул гипотезу, которая позже стала законом: в равных объемах любых газов при одинаковых температуре и давлении содержится одинаковое число молекул. Этот закон связал макроскопические параметры газа (объем) с микроскопическими (число частиц).

4. Объединенный газовый закон (Уравнение Клапейрона, 1834 г.). Французский инженер и физик Бенуа Поль Эмиль Клапейрон объединил законы Бойля — Мариотта и Гей-Люссака в одно уравнение, которое связывает все три макроскопических параметра газа — давление, объем и температуру.

Математически: $(pV)/T = \text{const}$ (для данной массы газа).

5. Уравнение состояния идеального газа (Уравнение Менделеева — Клапейрона, 1874 г.). Русский ученый Дмитрий Иванович Менделеев обобщил уравнение Клапейрона, введя в него универсальную газовую постоянную $\text{R}$ и связав параметры газа с количеством вещества (числом молей). Это уравнение описывает состояние так называемого идеального газа.

Математически: $pV = \nu RT$ или $pV = (m/M)RT$, где $\nu$ — количество вещества, $\text{m}$ — масса газа, $\text{M}$ — молярная масса, а $\text{R}$ — универсальная газовая постоянная.

Ответ: Открытие газовых законов — это результат последовательной работы нескольких поколений ученых XVII–XIX веков, таких как Бойль, Мариотт, Шарль, Гей-Люссак и Клапейрон, которые экспериментально установили зависимости между давлением, объемом и температурой газа, что в итоге привело к созданию уравнения состояния идеального газа.

Роль экспериментальных методов исследования.

Экспериментальные методы исследования сыграли ключевую, основополагающую роль в открытии газовых законов. Без тщательно поставленных опытов и точных измерений эти фундаментальные законы природы не могли бы быть сформулированы. Вклад эксперимента в эту область можно охарактеризовать следующими аспектами:

1. Количественные измерения. Переход от качественных наблюдений (например, «газ сжимается при увеличении давления») к точным количественным измерениям стал революционным. Роберт Бойль, например, использовал J-образную трубку, заполненную ртутью, для измерения давления и соответствующего ему объема воздуха с высокой для своего времени точностью. Он записывал данные в таблицы и анализировал их, что позволило ему выявить математическую закономерность $p \cdot V \approx \text{const}$.

2. Контроль над переменными. Успех экспериментов зависел от способности ученых изолировать и контролировать переменные. Чтобы исследовать зависимость объема от давления (закон Бойля), необходимо было поддерживать постоянную температуру. Для изучения зависимости объема от температуры (закон Гей-Люссака) требовалось поддерживать постоянное давление. Умение создавать контролируемые условия — это краеугольный камень научного эксперимента.

3. Развитие измерительных приборов. Открытие газовых законов было бы невозможно без соответствующих инструментов. Изобретение барометра (Эванджелиста Торричелли) позволило измерять давление, а усовершенствование термометров (Даниель Габриель Фаренгейт, Андерс Цельсий) дало возможность точно измерять температуру. Сами экспериментальные установки, хоть и были просты, являлись важными технологическими достижениями.

4. Индуктивный метод: от частного к общему. На основе множества повторяющихся экспериментов ученые делали индуктивные выводы. Они замечали, что определенная математическая связь между параметрами газа сохраняется в различных опытах, и на этом основании формулировали общий закон. Эта методология — от эмпирических данных к универсальному закону — является основой экспериментальной науки.

5. Эмпирическая основа для теории. Экспериментально установленные газовые законы послужили прочным фундаментом для создания более глубокой теории — молекулярно-кинетической теории газов. Эта теория, разработанная в работах Рудольфа Клаузиуса, Джеймса Клерка Максвелла и Людвига Больцмана, объяснила макроскопические свойства газов (давление, температуру) через движение и взаимодействие их микроскопических частиц (молекул). Экспериментальные законы стали главным критерием истинности теоретических моделей.

Ответ: Экспериментальные методы, основанные на точных количественных измерениях, контроле переменных и использовании специализированных приборов, сыграли решающую роль в открытии газовых законов. Они позволили перейти от качественных наблюдений к формулировке строгих математических закономерностей, которые легли в основу молекулярно-кинетической теории.