Опыт 1, страница 20 - гдз по физике 8 класс учебник Кронгарт, Насохова

Опыт 1. Нальем в колбу воду, как показано на рисунке 4.4, и аккуратно положим щипцами на дно колбы маленький кусочек акварельной краски. Начнем нагревать воду. Через некоторое время в центральной части колбы окрашенные струйки воды начнут подниматься вверх и опускаться вдоль ее стенок вниз. Вода вблизи боковых стенок колбы более холодная. Мы наблюдаем естественное перемешивание нагретых и ненагретых слоев воды.

Рис. 4.4

Опыт 1. Решение

В представленном на изображении опыте демонстрируется явление теплопередачи в жидкости, которое называется конвекцией. Рассмотрим этот процесс подробно.

Когда колбу с водой начинают нагревать снизу, в первую очередь тепло получает самый нижний слой воды. При нагревании молекулы воды начинают двигаться быстрее и на большее расстояние друг от друга. В результате этого вода расширяется, то есть тот же самый вес (масса) воды занимает больший объем.

Плотность вещества ($\rho$) связана с его массой ($m$) и объемом ($V$) соотношением $\rho = \frac{m}{V}$. Поскольку при нагревании масса воды остается прежней, а объем увеличивается, ее плотность уменьшается. Таким образом, нагретый нижний слой воды становится менее плотным (более легким), чем холодные верхние слои.

Согласно закону Архимеда, на менее плотное тело (в данном случае, на объем нагретой воды), находящееся в более плотной среде, действует выталкивающая сила. Эта сила заставляет нагретую, менее плотную воду подниматься вверх. Кусочек акварельной краски, растворяясь в воде у дна, окрашивает именно этот нагревающийся слой, делая его движение видимым.

Место поднявшейся теплой воды занимают более холодные и плотные слои, которые опускаются вниз вдоль стенок колбы. Опустившись на дно, они в свою очередь нагреваются, их плотность уменьшается, и они снова устремляются вверх. Этот непрерывный процесс циркуляции жидкости, при котором происходит перенос тепла, и есть конвекция. Мы наблюдаем его в виде поднимающихся по центру окрашенных струй и опускающейся вдоль стенок неокрашенной (или менее окрашенной) воды.

Таким образом, данный опыт наглядно показывает механизм естественной конвекции — одного из основных способов переноса тепла в жидкостях и газах.

Ответ: Опыт демонстрирует явление естественной конвекции. При нагревании воды снизу ее нижние слои расширяются, их плотность уменьшается, и они всплывают под действием архимедовой силы. Их место занимают более холодные и плотные верхние слои, которые опускаются вниз. Возникают циркулирующие потоки (конвекционные потоки), переносящие тепло по всему объему жидкости. Краска используется для визуализации этих потоков.