Номер 1, страница 18 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин, Иванов

ЗАДАНИЕ

Возьмите две проволочки — стальную и медную или стальную и алюминиевую длиной по 5 см каждая. Отметьте время в секундах и введите одновременно обе проволочки на 1 см в один и тот же слой верхней части пламени свечи, держа проволочки за один конец двумя пальцами. Пальцы должны захватывать 1 см каждой проволочки. Когда пальцам на одной проволочке станет горячо, нужно выпустить её из рук и отметить время. Так же поступите и с другой проволочкой. Сравните результаты. Остудите обе проволочки в блюдце с холодной водой (или под краном), вытрите их насухо тряпочкой и повторите опыт, чтобы закрепить результат.

Дано:

Две проволочки (стальная и медная, или стальная и алюминиевая).

Общая длина каждой проволочки: $L = 5 \text{ см} = 0.05 \text{ м}$.

Длина погружаемой в пламя части: $l_{нагр} = 1 \text{ см} = 0.01 \text{ м}$.

Длина захватываемой пальцами части: $l_{рук} = 1 \text{ см} = 0.01 \text{ м}$.

Расстояние, по которому тепло распространяется до пальцев: $d = L - l_{нагр} - l_{рук} = 3 \text{ см} = 0.03 \text{ м}$.

Найти:

Сравнить время ($t$), через которое каждая из проволочек (медная, алюминиевая, стальная) нагреется настолько, что ее будет горячо держать.

Решение:

Это задание является экспериментом на изучение явления теплопроводности. Теплопроводность — это способность вещества передавать тепловую энергию от более нагретых частей тела к менее нагретым в результате теплового движения и взаимодействия составляющих его частиц.

Скорость передачи тепла по материалу характеризуется коэффициентом теплопроводности $\lambda$. Чем выше этот коэффициент, тем лучше материал проводит тепло и, следовательно, тем быстрее тепло от пламени свечи достигнет пальцев.

Обратимся к справочным данным по коэффициентам теплопроводности для меди, алюминия и стали (значения могут незначительно варьироваться в зависимости от чистоты металла и его марки):

• Теплопроводность меди: $\lambda_{медь} \approx 400 \frac{\text{Вт}}{\text{м} \cdot \text{К}}$
• Теплопроводность алюминия: $\lambda_{алюминий} \approx 237 \frac{\text{Вт}}{\text{м} \cdot \text{К}}$
• Теплопроводность стали: $\lambda_{сталь} \approx 50 \frac{\text{Вт}}{\text{м} \cdot \text{К}}$

Сравнивая эти значения, мы видим следующее соотношение: $\lambda_{медь} > \lambda_{алюминий} > \lambda_{сталь}$.

Это означает, что медь проводит тепло лучше всех из этих трех материалов, а сталь — хуже всех.

Поскольку все условия эксперимента (длина проволочек, глубина погружения в пламя, температура пламени) одинаковы, время $t$, необходимое для того, чтобы пальцы почувствовали тепло, будет обратно зависеть от коэффициента теплопроводности. Чем выше теплопроводность, тем меньше времени потребуется на нагрев.

Таким образом, мы можем предсказать следующий результат эксперимента для двух возможных пар:

1. Пара "стальная и медная проволока": Медная проволока обладает теплопроводностью примерно в 8 раз большей, чем стальная ($\frac{400}{50} = 8$). Поэтому медная проволока нагреется до некомфортной температуры очень быстро. Стальную проволоку можно будет держать в руках значительно дольше. Время для медной проволоки $t_{медь}$ будет намного меньше времени для стальной $t_{сталь}$.
2. Пара "стальная и алюминиевая проволока": Алюминиевая проволока имеет теплопроводность почти в 5 раз большую, чем стальная ($\frac{237}{50} \approx 4.7$). Следовательно, алюминиевую проволоку также придется отпустить раньше, чем стальную. Время для алюминиевой проволоки $t_{алюминий}$ будет значительно меньше времени для стальной $t_{сталь}$.

Если бы мы сравнивали все три материала одновременно, то порядок времени, через которое проволоку стало бы горячо держать, был бы следующим: $t_{медь} < t_{алюминий} < t_{сталь}$.

Ответ:

При проведении эксперимента пальцы почувствуют тепло быстрее всего от медной проволоки, затем от алюминиевой, и медленнее всего — от стальной. Это связано с тем, что у меди самая высокая теплопроводность, у алюминия — средняя (среди этих трех), а у стали — самая низкая. Таким образом, в паре со стальной проволокой и медную, и алюминиевую проволоку придется отпустить значительно раньше. Если бы сравнивались медная и алюминиевая проволоки, то медную пришлось бы отпустить раньше.