Страница 173 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин, Иванов

1. «Модели строения атома» (возможная форма: презентация, макет, плакат).

Представления о строении вещества и, в частности, атома, претерпели значительные изменения на протяжении истории науки. Эволюция моделей атома отражает развитие физических теорий и совершенствование экспериментальных методов. Каждая новая модель строилась на основе предыдущей, объясняя новые открытые явления и устраняя противоречия.

1. Античные представления: Атомизм Демокрита (V век до н.э.)

Древнегреческий философ Демокрит предположил, что вся материя состоит из мельчайших, неделимых и вечных частиц, которые он назвал «атомами» (от греч. ἄτομος – «неделимый»). По его мнению, атомы различаются формой, размером и порядком, а их соединение и разъединение объясняет все явления в мире. Эта модель была чисто философской, умозрительной и не имела под собой экспериментального подтверждения.

2. Модель Дальтона (1803 г.) – «Бильярдный шар»

Английский ученый Джон Дальтон на основе количественного анализа химических реакций возродил идею атомизма на научной основе. Его модель представляла атом как крошечную, твердую, неделимую сферу. Основные положения его теории:

• Все вещества состоят из атомов.
• Атомы одного элемента идентичны по массе и свойствам, но отличаются от атомов других элементов.
• Атомы неделимы и не могут быть созданы или уничтожены в ходе химических реакций.
• Химические реакции представляют собой перегруппировку атомов.

Эта модель успешно объясняла законы сохранения массы и постоянства состава, но не могла объяснить природу электричества и существование субатомных частиц.

3. Модель Томсона (1904 г.) – «Пудинг с изюмом»

После открытия электрона в 1897 году Дж. Дж. Томсон предложил первую модель атома, включающую субатомные частицы. Согласно его модели:

• Атом представляет собой сферу, равномерно заполненную положительным зарядом («пудинг»).
• Внутри этой сферы находятся отрицательно заряженные электроны («изюм»).
• Суммарный отрицательный заряд электронов компенсирует положительный заряд сферы, поэтому атом в целом электронейтрален.

Эта модель была важным шагом вперед, так как признавала сложную структуру атома, но она была опровергнута знаменитым опытом Резерфорда.

4. Планетарная модель Резерфорда (1911 г.)

Эрнест Резерфорд, проводя эксперименты по рассеянию альфа-частиц на тонкой золотой фольге, пришел к выводам, которые кардинально изменили представление об атоме. Он предложил ядерную (планетарную) модель:

• В центре атома находится очень маленькое, плотное, положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома.
• Вокруг ядра, подобно планетам вокруг Солнца, по орбитам движутся отрицательно заряженные электроны.
• Атом в основном состоит из пустого пространства.

Главным недостатком этой модели было ее противоречие законам классической электродинамики. Ускоренно движущийся электрон должен был непрерывно излучать энергию, терять скорость и в конечном итоге упасть на ядро, чего в действительности не происходит.

5. Модель Бора (1913 г.)

Датский физик Нильс Бор усовершенствовал модель Резерфорда, применив к ней квантовые идеи Планка. Модель Бора основана на двух постулатах:

1. Электроны в атоме могут двигаться не по любым, а только по определенным «стационарным» орбитам, находясь на которых, они не излучают энергию.
2. Излучение или поглощение энергии происходит только при переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую. Энергия излучённого или поглощённого фотона равна разности энергий стационарных состояний: $ΔE = E_2 - E_1 = hν$, где $h$ – постоянная Планка, а $ν$ – частота излучения.

Модель Бора блестяще объяснила линейчатый спектр атома водорода и его стабильность. Однако она не могла объяснить спектры более сложных атомов и некоторые другие тонкие эффекты (например, расщепление спектральных линий в магнитном поле).

6. Квантово-механическая (волновая) модель (с 1926 г.)

Это современная и наиболее полная модель атома, разработанная на основе работ Шрёдингера, Гейзенберга, де Бройля и других ученых. Ее ключевые особенности:

• Она отказывается от понятия точной траектории (орбиты) электрона из-за принципа неопределенности Гейзенберга: $Δx ⋅ Δp ≥ \hbar/2$, который гласит, что невозможно одновременно точно измерить координату и импульс частицы.
• Поведение электрона описывается волновой функцией $ψ$, решением уравнения Шрёдингера. Квадрат модуля волновой функции ($|ψ|^2$) определяет плотность вероятности нахождения электрона в той или иной точке пространства.
• Область пространства вокруг ядра, где вероятность нахождения электрона наиболее высока (например, 90%), называется атомной орбиталью или «электронным облаком».
• Состояние электрона в атоме полностью описывается четырьмя квантовыми числами (главным, орбитальным, магнитным и спиновым), которые определяют энергию, форму и пространственную ориентацию орбитали, а также собственный момент импульса электрона.

Эта модель является основой современной квантовой химии и физики и позволяет с высокой точностью описывать строение и свойства атомов и молекул.

Ответ: История развития моделей строения атома представляет собой последовательную смену представлений: от философской идеи неделимой частицы (Демокрит) к простой механической модели «бильярдного шара» (Дальтон), затем к первой модели со сложной структурой «пудинг с изюмом» (Томсон), которая была заменена планетарной моделью с массивным ядром в центре (Резерфорд). Противоречия последней были разрешены введением квантовых постулатов в модели Бора, которая, в свою очередь, уступила место наиболее полной на сегодняшний день квантово-механической (волновой) модели, описывающей электрон как вероятностное «облако» (орбиталь) вокруг ядра.

Что такое статическое электричество?

Статическое электричество — это явление, при котором на поверхности или внутри различных объектов, в основном диэлектриков, накапливается электрический заряд. Слово «статическое» означает, что заряд находится в состоянии покоя, в отличие от электрического тока, где заряды постоянно движутся. Этот заряд возникает из-за нарушения электрического равновесия, то есть когда в теле образуется избыток или недостаток электронов. Тела, обладающие таким зарядом, могут притягивать или отталкивать другие тела, а при определенных условиях заряд может «стечь» с тела, что сопровождается искровым разрядом.

Ответ: Статическое электричество — это дисбаланс положительных и отрицательных зарядов на поверхности объекта, который создает электрическое поле и может приводить к притяжению, отталкиванию или искровым разрядам.

Как возникает статическое электричество?

Основной причиной возникновения статического электричества является контакт и последующее разделение двух материалов. Этот процесс называется трибоэлектрической электризацией. Все вещества состоят из атомов, которые в обычном состоянии электрически нейтральны, так как число положительно заряженных протонов в ядре равно числу отрицательно заряженных электронов на орбитах. При тесном контакте и трении электроны могут переходить с одного материала на другой. Материал, который отдал электроны, становится заряженным положительно, а материал, который их получил, — отрицательно. Способность материалов отдавать или принимать электроны описывается трибоэлектрическим рядом. Например, при трении шерсти о резину, резина забирает электроны у шерсти и становится отрицательно заряженной, а шерсть — положительно.

Ответ: Статический заряд возникает в результате трения или контакта двух различных материалов, что приводит к переходу электронов от одного материала к другому и созданию на них зарядов противоположных знаков.

Примеры в быту и природе

Мы постоянно сталкиваемся со статическим электричеством в повседневной жизни. Вот несколько распространенных примеров:

• Если потереть воздушный шарик о волосы, он начнет притягивать волосы или сможет «прилипнуть» к стене.
• После ходьбы по синтетическому ковру в сухой день можно получить небольшой удар током, прикоснувшись к металлической дверной ручке.
• Синтетическая одежда, особенно после сушки в машине, «трещит» и прилипает к телу.
• Экран телевизора или монитора притягивает пыль, так как его поверхность заряжается во время работы.

Самым грандиозным природным проявлением статического электричества является молния. Она представляет собой гигантский искровой разряд, который возникает между грозовыми облаками или между облаком и землей из-за накопления огромных статических зарядов.

Ответ: Проявления статического электричества включают прилипание воздушного шарика к стене, удары током от дверных ручек, треск синтетической одежды и молнии во время грозы.

Опасность и защита

Несмотря на то, что в быту статическое электричество чаще всего безобидно, в некоторых ситуациях оно может представлять серьезную опасность. Искровой разряд может воспламенить горючие пары (например, на автозаправочной станции) или взрывоопасную пыль (на мукомольных предприятиях, в шахтах), что может привести к пожарам и взрывам. Кроме того, электростатический разряд (ЭСР) губителен для чувствительных электронных компонентов, таких как микросхемы. Для защиты от статического электричества применяются различные методы:

• Заземление: соединение оборудования с землей для безопасного отвода накопившегося заряда.
• Повышение влажности воздуха: влажный воздух лучше проводит электричество, способствуя «стеканию» заряда.
• Использование антистатических материалов: специальная одежда, обувь, браслеты, коврики и упаковка, которые не накапливают заряд или проводят его на землю.
• Ионизаторы воздуха: устройства, которые насыщают воздух ионами, нейтрализующими статические заряды на поверхностях.

Ответ: Статическое электричество опасно возможностью воспламенения горючих веществ и повреждения электроники; для защиты используют заземление, увлажнение воздуха и антистатические материалы.

Применение статического электричества

Человек научился использовать статическое электричество в своих целях. Вот несколько важных областей его применения:

• Копировальные аппараты и лазерные принтеры: В основе их работы лежит электрофотография. Светочувствительный барабан заряжается, затем лазер (или свет от оригинала) снимает заряд с освещенных участков. К оставшимся заряженным участкам прилипают частицы тонера (сухих чернил), которые затем переносятся на бумагу и закрепляются нагревом.
• Электростатические фильтры: Используются для очистки воздуха от пыли и дыма на промышленных предприятиях. Частицы загрязнителей получают электрический заряд и затем притягиваются к противоположно заряженным пластинам-осадителям.
• Электростатическая покраска: Частицам краски придают один заряд, а окрашиваемой детали (например, кузову автомобиля) — противоположный. Это позволяет краске равномерно распределяться по поверхности, огибая ее, и значительно сокращает потери материала.

Ответ: Статическое электричество нашло полезное применение в технологиях копирования и печати, в промышленных фильтрах для очистки воздуха и в методах эффективной покраски изделий.

Простой опыт: «Притяжение струи воды»

Этот простой эксперимент наглядно демонстрирует силу электростатического притяжения.

1. Что понадобится: пластиковая расческа (или линейка, воздушный шарик), источник тонкой струйки воды (кран на кухне или в ванной), сухие волосы или шерстяная ткань.
2. Что делать: Откройте кран так, чтобы из него текла ровная, тонкая струйка воды. Затем энергично потрите расческу о сухие волосы или шерстяную ткань, чтобы зарядить ее. Медленно поднесите заряженную расческу к струйке воды, не касаясь ее.
3. Наблюдение: Вы увидите, как струйка воды изгибается и притягивается к расческе.
4. Объяснение: Молекулы воды являются полярными, то есть у них есть положительно и отрицательно заряженные стороны. Когда вы подносите заряженную (например, отрицательно) расческу, она притягивает положительные стороны молекул воды и отталкивает отрицательные. В результате вся струя, оставаясь в целом нейтральной, притягивается к расческе. Сила притяжения описывается законом Кулона: $F = k \frac{|q_1 q_2|}{r^2}$.

Ответ: Заряженный предмет (расческа) способен притягивать тонкую струю воды за счет электростатической индукции (поляризации полярных молекул воды).

Викторина: «Проверь себя»

1. Почему, снимая шерстяной свитер через голову в темноте, можно услышать треск и увидеть искорки?
2. Какого знака заряд приобретает стеклянная палочка, если ее потереть о шелк? (Подсказка: стекло легче отдает электроны, чем шелк).
3. Как называется устройство, использующее статическое электричество для очистки промышленных газов от пыли?
4. Что является причиной того, что воздушный шарик, потертый о волосы, «прилипает» к потолку?

Ответ: 1. Из-за трения свитера о тело и волосы происходит электризация, и при снятии накопленный статический заряд разряжается в виде маленьких искорок, что сопровождается треском. 2. Стеклянная палочка отдает электроны шелку и приобретает положительный заряд. 3. Электростатический фильтр (или электрофильтр). 4. Сила электростатического притяжения между заряженным шариком и поверхностью потолка, на которой шарик индуцирует заряд противоположного знака.

3. «Фруктовые гальванические элементы, или сколько нужно лимонов, чтобы загорелась лампочка» (возможная форма: презентация, опыт).

Принцип работы фруктового гальванического элемента

Фруктовый гальванический элемент — это, по сути, простейшая батарейка, где в качестве источника энергии выступает химическая реакция. Для его создания необходимы два различных металла, выполняющих роль электродов, и электролит — вещество, проводящее электрический ток за счет движения ионов. В нашем случае электродами могут служить, например, оцинкованный (покрытый цинком) гвоздь и медная монета или проволока, а электролитом — сок лимона, содержащий лимонную кислоту.

Когда металлы погружаются в кислоту, начинается химическая реакция. Более активный металл (цинк, Zn) начинает окисляться, то есть отдавать электроны и превращаться в ионы цинка ($Zn^{2+}$), которые переходят в раствор. Этот электрод называется анодом (отрицательный полюс).

$Zn \rightarrow Zn^{2+} + 2e^{-}$

Электроны, освободившиеся от цинка, движутся по внешней цепи (проводам) к другому, менее активному металлу (меди, Cu), который является катодом (положительный полюс). На катоде происходит реакция восстановления. Электроны соединяются с ионами водорода ($H^{+}$), которые в избытке присутствуют в кислом лимонном соке, образуя газообразный водород ($H_2$).

$2H^{+} + 2e^{-} \rightarrow H_2 \uparrow$

Таким образом, возникает направленное движение заряженных частиц (электронов) во внешней цепи, то есть электрический ток. Разность потенциалов между цинковым и медным электродами создает напряжение.

Ответ: Фруктовый гальванический элемент работает за счет химической реакции между двумя разными металлами (электродами), помещенными в электролит (лимонный сок). Один металл (например, цинк) окисляется, отдавая электроны, а на втором металле (например, меди) происходит восстановление ионов водорода из кислоты. Этот процесс создает электрический ток.

Характеристики одного лимонного элемента

Один лимон, с воткнутыми в него цинковым и медным электродами, представляет собой один гальванический элемент. Его электрические характеристики довольно скромны.

Напряжение ($U$), создаваемое одним лимоном, зависит от пары металлов и практически не зависит от размера лимона. Для пары цинк-медь теоретическое напряжение составляет около 1.1 вольта ($В$). На практике, из-за внутреннего сопротивления и других факторов, напряжение одного лимонного элемента обычно находится в диапазоне $0.8 - 0.95$ В. Измерить его можно с помощью вольтметра.

Сила тока ($I$), которую может отдать один лимон, очень мала. Она сильно зависит от площади электродов, их глубины погружения и концентрации кислоты в соке. Обычно сила тока составляет всего несколько миллиампер (мА) или даже микроампер (мкА). Например, типичное значение — около 1 мА ($0.001$ А).

Из-за такой низкой силы тока один лимон не может зажечь даже самый маленький светодиод, не говоря уже о лампе накаливания.

Ответ: Один лимонный элемент с парой электродов цинк-медь создает напряжение около $0.9$ В и очень малую силу тока, порядка $1$ мА ($0.001$ А).

Выбор лампочки

Чтобы ответить на вопрос, сколько нужно лимонов, сначала нужно определиться с потребителем энергии — лампочкой. Обычные лампы накаливания, даже от карманного фонарика, требуют значительной мощности (напряжение в несколько вольт и силу тока в сотни миллиампер). Чтобы получить такую мощность от лимонов, потребовались бы сотни или даже тысячи фруктов, что делает задачу непрактичной.

Поэтому для такого опыта следует выбирать самый экономичный источник света — светодиод (LED - Light Emitting Diode). Маленькие светодиоды имеют следующие типичные параметры: красный светодиод требует напряжение около $1.8-2.2$ В и ток около $10-20$ мА для заметного свечения; зеленый или желтый — $2.2-2.5$ В, $10-20$ мА; синий или белый — $3.0-3.5$ В, $10-20$ мА. Для нашего расчета возьмем самый "простой" вариант — красный светодиод с параметрами $2$ В и $10$ мА.

Ответ: Для эксперимента необходимо использовать не обычную лампочку, а светодиод (LED), так как он требует значительно меньшего напряжения и силы тока. Для расчетов будем использовать красный светодиод, которому для работы нужно около $2$ В и $10$ мА.

Расчет необходимого количества лимонов

Чтобы получить необходимые для светодиода напряжение и силу тока, лимонные элементы нужно правильно соединить между собой. Существует два типа соединения: последовательное соединение, когда плюс одного элемента соединяется с минусом следующего (при этом напряжения всех элементов складываются: $U_{общ} = U_1 + U_2 + ...$), и параллельное соединение, когда все плюсы и все минусы соединяются вместе (при этом складываются силы тока: $I_{общ} = I_1 + I_2 + ...$).

Для зажигания светодиода нам нужно увеличить и напряжение, и силу тока, поэтому мы будем использовать смешанное соединение: несколько последовательных цепей, соединенных параллельно.

Проведем расчет.

Дано:

Напряжение одного лимонного элемента: $U_{лимона} = 0.9 \text{ В}$

Сила тока одного лимонного элемента: $I_{лимона} = 0.001 \text{ А}$

Рабочее напряжение светодиода: $U_{сд} = 2 \text{ В}$

Рабочий ток светодиода: $I_{сд} = 0.01 \text{ А}$

Найти:

Общее количество лимонов $N_{общ}$.

Решение:

1. Сначала определим, сколько лимонов нужно соединить последовательно, чтобы достичь необходимого напряжения. Обозначим это количество как $n$.

$ n = \frac{U_{сд}}{U_{лимона}} = \frac{2 \text{ В}}{0.9 \text{ В}} \approx 2.22 $

Так как количество лимонов может быть только целым, округляем в большую сторону. Нам понадобится $n=3$ лимона, соединенных последовательно. Напряжение такой батареи будет $3 \times 0.9 \text{ В} = 2.7 \text{ В}$, что достаточно для светодиода.

2. Одна такая последовательная цепь из трех лимонов будет давать ток, равный току одного лимона, то есть всего $I_{лимона} = 1$ мА. Этого недостаточно, так как светодиоду нужно $10$ мА ($0.01$ А).

3. Чтобы увеличить силу тока, нам нужно собрать несколько таких последовательных цепей и соединить их параллельно. Определим количество параллельных цепей, обозначив его как $m$.

$ m = \frac{I_{сд}}{I_{лимона}} = \frac{0.01 \text{ А}}{0.001 \text{ А}} = 10 $

Нам понадобится $m=10$ параллельных цепей.

4. Теперь рассчитаем общее количество лимонов. У нас есть $10$ параллельных цепей, в каждой из которых по $3$ лимона, соединенных последовательно.

$ N_{общ} = n \times m = 3 \times 10 = 30 $

Ответ: Для того чтобы зажечь один маленький красный светодиод, теоретически потребуется около 30 лимонов, собранных в батарею из 10 параллельных цепей, каждая из которых состоит из 3 последовательно соединенных лимонов. На практике это число может быть больше из-за потерь в соединениях и разницы в характеристиках лимонов.

Практические рекомендации для опыта

Чтобы эксперимент удался, важно учесть несколько практических моментов.

Необходимые материалы:

- Свежие, сочные лимоны (или другие кислые фрукты/овощи, например, картофель).

- Цинковые электроды: можно использовать оцинкованные гвозди или шурупы.

- Медные электроды: медная проволока (без изоляции) или медные монеты.

- Соединительные провода с зажимами "крокодил" для удобного и надежного соединения.

- Мультиметр для измерения напряжения и силы тока.

- Светодиод с низким рабочим напряжением (красный — лучший выбор).

Порядок действий:

1. Слегка разомните лимоны, чтобы внутри было больше сока.

2. В каждый лимон воткните по одному медному и одному цинковому электроду. Важно, чтобы электроды не соприкасались друг с другом внутри лимона.

3. С помощью мультиметра измерьте напряжение и силу тока одного лимонного элемента, чтобы понимать реальные характеристики ваших "батареек".

4. Для создания последовательной цепи соедините медный электрод одного лимона с цинковым электродом следующего лимона. Повторяйте, пока не наберете нужное напряжение (например, для 3 лимонов).

5. Создайте несколько таких последовательных цепей.

6. Для параллельного соединения объедините все свободные цинковые электроды (минусы) вместе одним проводом, а все свободные медные электроды (плюсы) — другим.

7. Подключите светодиод к получившейся батарее: длинную ножку светодиода (анод, "+") к медному проводу, а короткую (катод, "–") — к цинковому. Если светодиод не загорелся, попробуйте поменять полярность.

Возможные проблемы: окисление электродов, плохой контакт в соединениях, высохшие лимоны — всё это увеличивает внутреннее сопротивление и снижает эффективность батареи.

Ответ: Для успешного проведения опыта важно использовать сочные лимоны, чистые электроды из цинка и меди, надежные провода для соединения и начать с измерения характеристик одного элемента с помощью мультиметра, чтобы точно рассчитать требуемое количество лимонов.