Опыт 2, страница 21 - гдз по физике 8 класс учебник Кронгарт, Насохова

Опыт 2. Возьмем вертушку, проткнем ее в центре иголкой с ниткой и поднимем за нитку. Осторожно подведем под вертушку зажженную свечку, как показано на рисунке 4.5. Она начнет вращаться. Это нагретые слои воздуха, поднимаясь, вращают вертушку.

Рис. 4.5

Опыт 2. Объяснение опыта 2

В данном опыте демонстрируется физическое явление, называемое конвекцией, и преобразование тепловой энергии в механическую энергию вращения.

Процесс можно разбить на несколько этапов:

1. Нагрев воздуха. Пламя зажженной свечи является источником тепла. Оно передает энергию окружающему воздуху, в первую очередь тому, что находится непосредственно над ним. Молекулы и атомы, из которых состоит воздух, начинают двигаться с большей скоростью и на большем среднем расстоянии друг от друга.

2. Уменьшение плотности. Плотность вещества определяется как отношение его массы к объему: $ \rho = \frac{m}{V} $. Когда воздух нагревается, он расширяется, то есть его объем $V$ увеличивается при той же массе $m$. Следовательно, его плотность $ \rho $ уменьшается. Таким образом, теплый воздух становится менее плотным, чем окружающий его более холодный воздух.

3. Возникновение восходящего потока. Согласно закону Архимеда, который применим не только к жидкостям, но и к газам, на тело (в данном случае, на объем менее плотного теплого воздуха), погруженное в жидкость или газ, действует выталкивающая сила. Эта сила заставляет менее плотный теплый воздух подниматься вверх, а на его место опускается более плотный и холодный воздух. Этот процесс непрерывного перемещения масс воздуха, вызванный разностью температур и плотностей, и есть конвекция. В результате над свечой образуется устойчивый восходящий поток теплого воздуха.

4. Вращение вертушки. Этот восходящий конвекционный поток воздуха устремляется вверх и наталкивается на лопасти вертушки. Лопасти вертушки установлены под углом к ее оси вращения (подобно лопастям пропеллера). Когда поток воздуха давит на наклонную поверхность лопастей, он толкает их, создавая вращающий момент (торк). Под действием этого вращающего момента вертушка начинает вращаться вокруг своей оси.

Таким образом, тепловая энергия от свечи преобразуется в кинетическую энергию движущегося воздуха, которая, в свою очередь, преобразуется в механическую энергию вращения вертушки.

Ответ: Вертушка начинает вращаться, потому что пламя свечи нагревает воздух под ней. Нагретый воздух расширяется, его плотность уменьшается, и он начинает подниматься вверх под действием выталкивающей силы (явление конвекции). Этот восходящий поток воздуха давит на наклонные лопасти вертушки, создавая вращающий момент и приводя ее во вращательное движение.