Опыт 1, страница 19 - гдз по физике 8 класс учебник Кронгарт, Насохова

Опыт 1. В штативе закрепим горизонтально металлический стержень, а к нему снизу пластилином на одинаковом расстоянии друг от друга прикрепим канцелярские кнопки. Второй конец стержня начнем нагревать пламенем свечи, как показано на рисунке 4.1. Через некоторое время кнопки начнут отпадать. Сначала отпадут кнопки у нагретого конца стержня, потом по очереди остальные. Этот опыт показывает, что вдоль стержня от более нагретого конца к менее нагретому концу идет теплопередача.

Рис. 4.1

Опыт 1. Анализ и объяснение опыта

В данном опыте демонстрируется одно из фундаментальных явлений в физике – теплопередача. Рассмотрим его детально.

1. Наблюдаемое явление и его качественное описание

Решение:

Эксперимент заключается в следующем: металлический стержень, закрепленный в штативе, нагревается с одного конца пламенем свечи. К стержню снизу с помощью пластилина прикреплены канцелярские кнопки на равном расстоянии друг от друга. Через некоторое время после начала нагревания можно наблюдать, как кнопки начинают отпадать. Важно, что они отпадают не все сразу, а поочередно: сначала падает кнопка, расположенная ближе всего к пламени, затем следующая и так далее, в порядке их удаленности от источника тепла. Это происходит потому, что пластилин, достигнув определенной температуры (температуры плавления), размягчается и перестает удерживать кнопку. Последовательное отпадание кнопок наглядно показывает, что тепло от горячего конца стержня распространяется к холодному не мгновенно, а с некоторой скоростью.

Ответ: Опыт демонстрирует, что тепловая энергия передается вдоль твердого тела (металлического стержня) от его более нагретой части к менее нагретой, и этот процесс занимает определенное время.

2. Физический механизм явления

Решение:

Передача тепла, наблюдаемая в опыте, осуществляется посредством теплопроводности. Рассмотрим этот процесс на микроуровне. Металлический стержень состоит из атомов, образующих кристаллическую решетку, и свободных электронов.

Когда конец стержня нагревается, частицы (ионы в узлах решетки и свободные электроны) в этой области начинают двигаться интенсивнее, их кинетическая энергия увеличивается.

1. Ионы, совершая более интенсивные колебания около своих положений равновесия, передают энергию своим "соседям" по кристаллической решетке через силы межчастичного взаимодействия. Этот процесс похож на распространение волны по цепочке связанных шариков.

2. В металлах основной вклад в теплопроводность вносят свободные электроны. Подобно молекулам газа, они хаотически движутся по всему объему металла. В нагретой части стержня электроны приобретают большую кинетическую энергию. Перемещаясь в более холодные области, они сталкиваются с ионами решетки и другими электронами, передавая им часть своей избыточной энергии. Из-за высокой скорости и большого количества свободных электронов металлы обладают очень хорошей теплопроводностью.

Таким образом, энергия постепенно "перекачивается" от одного участка стержня к другому, что приводит к последовательному повышению температуры вдоль его длины. Как только температура участка стержня под очередной кнопкой достигает температуры плавления пластилина, кнопка отпадает.

Ответ: Тепло передается по стержню за счет теплопроводности, которая в металлах обусловлена двумя механизмами: колебаниями ионов в узлах кристаллической решетки и переносом энергии свободными электронами.

3. Математическое описание и вывод

Решение:

Процесс теплопроводности описывается законом Фурье. Согласно этому закону, количество теплоты $Q$, переносимое за время $t$ через поперечное сечение стержня площадью $S$, прямо пропорционально площади сечения, времени, температурному градиенту (скорости изменения температуры с расстоянием) и коэффициенту теплопроводности материала $k$. В упрощенном виде для участка стержня длиной $\Delta x$ с разностью температур на концах $\Delta T$ формула выглядит так:

$\frac{Q}{t} = -kS\frac{\Delta T}{\Delta x}$

Знак "минус" указывает на то, что тепло всегда течет в направлении убывания температуры, то есть от более горячего участка к более холодному. Коэффициент теплопроводности $k$ является характеристикой материала. У металлов (медь, алюминий, сталь) он высокий, поэтому они хорошо проводят тепло. У диэлектриков (дерево, пластик, стекло) он низкий. Именно поэтому для опыта используется металлический стержень — в нем процесс распространения тепла достаточно быстр, чтобы его можно было наблюдать в течение короткого времени.

Ответ: Опыт является наглядной иллюстрацией процесса теплопередачи путем теплопроводности в твердых телах. Он показывает, что тепло распространяется от горячего к холодному, и скорость этого процесса зависит от свойств материала. Последовательное падение кнопок визуализирует постепенное распространение тепла по стержню.