Вариант 5, страница 63 - гдз по физике 8 класс дидактические материалы Марон, Марон

Самостоятельные работы. СР-1. Внутренняя энергия - страница 63.

Условие.

Вариант 5

1. Почему коньки легко скользят по льду, а по стеклу, поверхность которого более гладкая, на коньках кататься нельзя?

2. Перед тем как в стакан налить крутой кипяток, в него опускают ложку. Для чего это делают?

3. В чём причина сильного нагревания и сгорания искусственных спутников Земли при вхождении в нижние плотные слои атмосферы?

Решение.

1. Лезвие конька имеет очень маленькую площадь соприкосновения со льдом. Из-за этого вес человека создает под лезвием очень высокое давление. Давление $\text{p}$ определяется как отношение силы $\text{F}$ (в данном случае, веса человека) к площади $\text{S}$, на которую эта сила действует: $p = F/S$. Уникальное свойство воды заключается в том, что температура ее плавления понижается при увеличении давления. Под высоким давлением, создаваемым лезвием конька, лед плавится даже при отрицательных температурах, образуя тонкий слой жидкой воды прямо под лезвием. Этот слой воды действует как смазка, резко уменьшая коэффициент трения и позволяя конькам легко скользить. Стекло, несмотря на свою гладкость, таким свойством не обладает. Давление лезвия конька не приводит к плавлению стекла и образованию смазочного слоя. Поэтому трение скольжения между металлом конька и твердым стеклом остается очень высоким, что делает катание невозможным.
Ответ: Коньки легко скользят по льду, потому что под высоким давлением лезвия лед тает, создавая тонкую водяную пленку, которая действует как смазка и значительно снижает трение. Стекло таким свойством не обладает, поэтому трение о его поверхность остается высоким.

2. Это делают для того, чтобы стеклянный стакан не треснул от резкого перепада температур. Стекло является плохим проводником тепла. Когда в стакан наливают кипяток, его внутренние стенки мгновенно нагреваются и начинают расширяться. Внешние же стенки остаются холодными и сохраняют свой размер, так как тепло до них доходит медленно. Из-за этой разницы в расширении во внутренних слоях стекла возникают сильные механические напряжения, которые могут превысить предел его прочности, что и приводит к растрескиванию. Металлическая ложка (особенно серебряная или из нержавеющей стали) обладает высокой теплопроводностью. Опущенная в стакан, она забирает на себя значительную часть тепловой энергии кипятка, быстро и равномерно распределяя ее. В результате вода немного остывает, а стенки стакана прогреваются более медленно и равномерно. Это уменьшает разницу температур между внутренней и внешней поверхностями стакана, снижает термические напряжения и предотвращает его разрушение.
Ответ: Металлическую ложку опускают в стакан, чтобы она, обладая высокой теплопроводностью, забрала часть тепла у кипятка и обеспечила более медленный и равномерный прогрев стенок стакана, что предотвращает его растрескивание из-за резкого перепада температур.

3. Основной причиной сильного нагревания и сгорания искусственных спутников при вхождении в плотные слои атмосферы является адиабатическое сжатие воздуха перед летящим объектом. Спутники входят в атмосферу на огромных скоростях, многократно превышающих скорость звука (гиперзвуковых скоростях), порядка 8 км/с. На такой скорости спутник сжимает находящийся перед ним воздух настолько быстро, что тепло, выделяющееся при сжатии, не успевает рассеяться в окружающее пространство. Этот процесс называется адиабатическим сжатием. В результате перед спутником образуется ударная волна — область чрезвычайно сжатого и раскаленного до нескольких тысяч градусов Цельсия газа (плазмы). Эта плазма интенсивно передает тепло спутнику путем конвекции и излучения. Кроме того, огромную роль играет работа силы сопротивления воздуха. Сила трения (сопротивления) совершает работу по торможению спутника, и эта работа преобразуется в тепловую энергию, которая также нагревает и аппарат, и окружающий его воздух. Совокупное действие этих факторов приводит к тому, что температура обшивки спутника достигает точки плавления и кипения материалов, из которых он сделан, в результате чего он сгорает.
Ответ: Причина сильного нагрева и сгорания спутников — это интенсивное адиабатическое сжатие воздуха перед аппаратом, движущимся с гиперзвуковой скоростью, и работа силы сопротивления воздуха, что приводит к образованию раскаленной плазмы и передаче огромного количества тепла поверхности спутника.