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

Примерные темы учебных проектов. II. Эксперимент и моделирование — основные физические методы исследования природы - номер 1, страница 214.

Условие.

• Конструирование и экспериментальное исследование моделей технических объектов: калориметра, электроскопа, электрической цепи.

Решение.

Конструирование и экспериментальное исследование модели калориметра

Конструирование:
Простейшую модель калориметра можно изготовить из подручных материалов. Цель — создать систему, максимально изолированную от теплообмена с окружающей средой. Для этого берутся два сосуда разного размера, например, небольшой металлический стакан и более крупный пластиковый. Маленький стакан помещается внутрь большого. Пространство между стенками сосудов заполняется теплоизоляционным материалом: воздухом, ватой, поролоном или пенопластовой крошкой. Сверху конструкция накрывается крышкой (например, из картона или пенопласта) с двумя отверстиями: одно для термометра, другое для мешалки (ее можно сделать из проволоки). Такая конструкция минимизирует потери тепла за счет теплопроводности и конвекции.

Экспериментальное исследование:
С помощью самодельного калориметра можно провести ряд экспериментов, например, определить удельную теплоемкость вещества.
Пример: Определение удельной теплоемкости твердого тела.
1. Во внутренний стакан калориметра наливают воду массой $m_в$ и измеряют ее начальную температуру $t_в$.
2. Твердое тело (например, металлический цилиндр) известной массы $m_т$ нагревают в кипящей воде до температуры $t_т \approx 100 °C$.
3. Нагретое тело быстро переносят в калориметр с водой.
4. Воду осторожно перемешивают и наблюдают за показаниями термометра. Фиксируют максимальную установившуюся температуру $t_к$ — это будет конечная температура и воды, и тела.
5. Составляют уравнение теплового баланса, предполагая, что система замкнута (потерями тепла пренебрегаем). Количество теплоты, отданное горячим телом ($Q_{отд}$), равно количеству теплоты, полученному холодной водой ($Q_{пол}$).
$Q_{отд} = c_т \cdot m_т \cdot (t_т - t_к)$
$Q_{пол} = c_в \cdot m_в \cdot (t_к - t_в)$
Из равенства $Q_{отд} = Q_{пол}$ получаем:
$c_т \cdot m_т \cdot (t_т - t_к) = c_в \cdot m_в \cdot (t_к - t_в)$
Отсюда можно выразить искомую удельную теплоемкость тела $c_т$:
$c_т = \frac{c_в \cdot m_в \cdot (t_к - t_в)}{m_т \cdot (t_т - t_к)}$
Зная удельную теплоемкость воды ($c_в = 4200 \, \frac{\text{Дж}}{\text{кг} \cdot °C}$) и измерив все массы и температуры, можно рассчитать удельную теплоемкость исследуемого тела.

Ответ: Модель калориметра конструируется по принципу "сосуд в сосуде" с теплоизоляцией для минимизации теплообмена с окружающей средой. Экспериментальное исследование с его помощью позволяет, на основе уравнения теплового баланса $Q_{отд} = Q_{пол}$, определять тепловые характеристики веществ, например, удельную теплоемкость.

Конструирование и экспериментальное исследование модели электроскопа

Конструирование:
Электроскоп — прибор для обнаружения электрического заряда. Простейшую модель можно собрать из стеклянной банки с крышкой (пластиковой или картонной), металлического стержня (например, гвоздя), шарика из алюминиевой фольги и двух легких полосок из фольги или тонкой бумаги. Стержень пропускается через центр крышки так, чтобы снаружи остался конец для крепления шарика, а внутри банки — конец для подвешивания полосок-лепестков. Важно обеспечить хорошую электрическую изоляцию стержня от крышки, например, с помощью пластилина. Шарик закрепляется на верхнем конце стержня, а лепестки — на нижнем. Принцип действия основан на отталкивании одноименных зарядов: при сообщении заряда стержню он передается лепесткам, которые, получив одинаковый заряд, отталкиваются друг от друга.

Экспериментальное исследование:
С помощью электроскопа можно продемонстрировать и исследовать несколько явлений.
1. Электризация тел. Потерев эбонитовую палочку о мех (она зарядится отрицательно), можно коснуться ею шарика электроскопа. Часть заряда перейдет на стержень и лепестки, и они разойдутся. Это доказывает, что в результате трения палочка приобрела электрический заряд.
2. Электростатическая индукция. Если заряженную палочку не коснуться шарика, а лишь поднести к нему, лепестки также разойдутся. Это происходит потому, что под действием поля палочки свободные заряды в стержне перераспределяются: на шарике концентрируется заряд, противоположный по знаку заряду палочки, а на лепестках — одноименный. Если палочку убрать, лепестки опадут, так как разделение зарядов прекратится.
3. Проводники и диэлектрики. Можно коснуться шарика заряженного электроскопа различными предметами. Если лепестки быстро опадут, значит, предмет является проводником (он "забрал" заряд на себя и на тело экспериментатора). Если угол расхождения лепестков не изменится, предмет — диэлектрик (не проводит заряд).

Ответ: Модель электроскопа состоит из металлического стержня с лепестками, изолированного от корпуса (банки). Принцип его работы основан на кулоновском отталкивании одноименных зарядов. Эксперименты с ним позволяют наглядно изучить явления электризации, электростатической индукции и разделение материалов на проводники и диэлектрики.

Конструирование и экспериментальное исследование модели электрической цепи

Конструирование:
Простейшая электрическая цепь состоит из четырех основных элементов:
1. Источник тока (например, батарейка или аккумулятор), создающий напряжение.
2. Потребитель (нагрузка), в котором электрическая энергия преобразуется в другие виды (например, лампочка от карманного фонаря).
3. Соединительные провода, по которым течет ток.
4. Замыкающее/размыкающее устройство (ключ), позволяющее управлять цепью.
Сборка модели заключается в последовательном соединении этих элементов с помощью проводов. Для проведения измерений в цепь также включают измерительные приборы: амперметр (для измерения силы тока, включается последовательно) и вольтметр (для измерения напряжения, включается параллельно участку цепи).

Экспериментальное исследование:
Собранная модель позволяет экспериментально проверить основные законы электрического тока.
Пример: Проверка закона Ома для участка цепи.
1. Собирается цепь из источника тока, ключа, амперметра и резистора (или лампочки), соединенных последовательно. Параллельно резистору подключается вольтметр.
2. Замкнув ключ, снимают показания амперметра ($\text{I}$) и вольтметра ($\text{U}$).
3. Чтобы получить разные значения тока и напряжения, можно изменять сопротивление цепи (с помощью реостата) или напряжение источника (используя другой источник).
4. Проводят несколько (3-5) измерений, каждый раз записывая пару значений ($U, I$).
5. Для каждого измерения вычисляют отношение $R = \frac{U}{I}$.
6. Результаты показывают, что это отношение для данного резистора остается практически постоянным. Это экспериментально подтверждает закон Ома: сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению на этом участке ($I \sim U$) и обратно пропорциональна его сопротивлению ($I = \frac{U}{R}$).
Также можно исследовать последовательное и параллельное соединение проводников, измерив общее сопротивление и сравнив его с расчетными значениями ($R_{общ} = R_1 + R_2$ для последовательного и $\frac{1}{R_{общ}} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2}$ для параллельного соединения).

Ответ: Модель электрической цепи конструируется из источника тока, потребителя, ключа и соединительных проводов. Экспериментальное исследование с использованием измерительных приборов (амперметра и вольтметра) позволяет изучать и проверять фундаментальные законы постоянного тока, такие как закон Ома для участка цепи и правила соединения проводников.