Страница 25 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин, Иванов

1. Как на опыте показать нагревание за счёт излучения?

1. Провести опыт, демонстрирующий нагревание за счёт излучения, можно, сравнив скорость нагрева тел с разным цветом поверхности.

Решение

Оборудование: два одинаковых термометра, две одинаковые металлические или картонные пластины, чёрная матовая и белая краска (или блестящая фольга), источник тепла (мощная лампа накаливания, электрический рефлектор).

Ход опыта:

1. Одну пластину окрашивают в чёрный матовый цвет, другую — в белый (или оборачивают фольгой). К обратной стороне каждой пластины прикрепляют по термометру.

2. Пластины размещают на одинаковом расстоянии от источника излучения так, чтобы они были обращены к нему одной стороной и получали равное количество энергии.

3. Записывают начальную температуру обеих пластин, которая должна быть одинаковой.

4. Включают источник излучения и в течение 10–15 минут наблюдают за изменением температуры, фиксируя показания термометров через равные промежутки времени.

Наблюдение и вывод:

В ходе опыта будет видно, что обе пластины нагреваются. Это доказывает, что тепловая энергия передаётся от источника к пластинам посредством излучения, поскольку прямой контакт (теплопроводность) и значительные потоки воздуха (конвекция) отсутствуют. При этом пластина с тёмной поверхностью нагревается значительно быстрее и достигает более высокой температуры. Это объясняется тем, что тёмные тела лучше поглощают падающее на них излучение, в то время как светлые и блестящие поверхности его в большей степени отражают.

Ответ: Для демонстрации нагревания за счёт излучения нужно взять два тела с разной поверхностью (тёмной и светлой), снабдить их термометрами и поместить на равном расстоянии от источника тепла (например, лампы). Наблюдение за ростом температуры обоих тел докажет факт теплопередачи излучением, а различная скорость их нагрева (тёмное тело нагреется быстрее) продемонстрирует, что интенсивность поглощения излучения зависит от свойств поверхности.

2. Какие тела лучше поглощают энергию излучения, а какие хуже?

1. Как на опыте показать нагревание за счёт излучения?

Для демонстрации нагревания за счёт излучения можно провести простой и наглядный опыт. Для этого понадобятся два одинаковых жидкостных термометра и две небольшие металлические пластинки одинакового размера: одна должна быть покрашена в матовый чёрный цвет, а другая — в блестящий белый или серебристый цвет.

Ход опыта:

1. Закрепим на обратной стороне каждой пластинки по термометру. Убедимся, что их начальные показания одинаковы.

2. Разместим обе пластинки на одинаковом расстоянии от мощного источника излучения, например, лампы накаливания, инфракрасного обогревателя или просто вынесем их под прямые солнечные лучи.

3. Включим источник излучения и начнем наблюдать за показаниями термометров через равные промежутки времени (например, каждую минуту).

Наблюдение и вывод:

Мы заметим, что термометр, прикреплённый к чёрной пластинке, будет показывать значительно более быстрое и сильное повышение температуры по сравнению с термометром на белой (блестящей) пластинке. Так как обе пластинки находятся в одинаковых условиях (расстояние до источника, температура окружающего воздуха), то единственная причина разницы в их нагреве — это разная способность поглощать энергию излучения. Этот опыт доказывает, что тела могут нагреваться без прямого контакта с источником тепла, то есть за счёт излучения.

Ответ: Нагревание за счёт излучения можно показать на опыте, облучая светом две пластинки (чёрную и белую) с закреплёнными на них термометрами. Чёрная пластинка нагреется сильнее и быстрее, что доказывает факт передачи энергии излучением и зависимость поглощения от цвета поверхности.

2. Какие тела лучше поглощают энергию излучения, а какие хуже?

Способность тела поглощать или отражать энергию излучения (поглощательная способность) зависит главным образом от цвета и характера его поверхности.

Лучше поглощают энергию излучения тела, имеющие тёмную, матовую и шероховатую поверхность. Идеальным поглотителем считается так называемое "абсолютно чёрное тело" — гипотетический объект, поглощающий всё падающее на него электромагнитное излучение любой длины волны. В реальной жизни к нему близки по свойствам сажа, чёрный бархат, зачернённая металлическая поверхность. Именно поэтому тёмные предметы на солнце нагреваются сильнее.

Хуже поглощают энергию излучения тела, имеющие светлую, блестящую (зеркальную) и гладкую поверхность. Они отражают значительную часть падающей на них энергии. Хорошими отражателями являются полированные металлы, зеркала, свежевыпавший белый снег, белая краска. По этой причине летом рекомендуется носить одежду светлых тонов, а цистерны для перевозки горючего часто красят в серебристый цвет, чтобы избежать их перегрева на солнце.

Ответ: Лучше всего энергию излучения поглощают тела с тёмной, матовой поверхностью. Хуже всего — тела со светлой, гладкой и блестящей (зеркальной) поверхностью.

3. Приведите примеры.

(Вопрос на изображении неполный. Наиболее вероятное его продолжение: "...примеры нагревания за счет излучения в природе, технике и быту".)

Нагревание посредством излучения — один из фундаментальных способов теплопередачи, который встречается повсеместно.

Примеры в природе:

• Нагревание Земли Солнцем: основной пример, когда энергия в виде излучения преодолевает миллионы километров вакуума и нагревает поверхность нашей планеты.

• Тепло от костра или вулкана: находясь на расстоянии от огня или потока лавы, мы чувствуем жар — это в основном инфракрасное излучение.

• Поведение животных: многие животные (особенно рептилии) греются на солнце, поглощая его излучение для поддержания температуры тела.

Примеры в технике и быту:

• Микроволновая печь: использует микроволновое излучение для разогрева пищи путем воздействия на молекулы воды.

• Инфракрасные обогреватели: целенаправленно излучают тепловые лучи, которые нагревают не воздух, а непосредственно людей и предметы в комнате.

• Солнечные коллекторы: тёмные панели на крышах домов поглощают солнечное излучение для нагрева воды.

• Электрическая плита и тостер: раскалённые докрасна нагревательные элементы передают тепло продуктам в основном через излучение.

• Тепло от лампы накаливания: значительная часть энергии в таких лампах преобразуется не в свет, а в тепловое излучение, которое можно почувствовать рукой на расстоянии.

Ответ: Примеры в природе: нагрев Земли Солнцем, тепло от костра. Примеры в технике и быту: работа микроволновой печи, инфракрасного обогревателя, тостера, солнечного водонагревателя.

3. Приведите примеры учёта на практике различной способности тел поглощать энергию излучения.

3. Приведите примеры учёта на практике различной способности тел поглощать энергию излучения.

Решение:

Способность тел поглощать и излучать энергию зависит от цвета и состояния их поверхности. Тела с тёмной и матовой поверхностью являются хорошими поглощателями и излучателями энергии, в то время как тела со светлой и блестящей (зеркальной) поверхностью плохо поглощают и излучают энергию, но хорошо её отражают. Это физическое свойство находит широкое применение на практике.

• Одежда и быт: В жарких странах и в летний период люди носят одежду светлых тонов. Белая или светлая ткань отражает большую часть солнечных лучей, что предохраняет тело от перегрева. Зимой же предпочтительнее тёмная одежда, так как она лучше поглощает солнечное излучение, помогая согреться.
• Строительство и техника: Крыши домов в южных регионах часто красят в белый или серебристый цвет, чтобы они меньше нагревались на солнце, что позволяет снизить расходы на кондиционирование помещений. С той же целью цистерны для перевозки легковоспламеняющихся жидкостей или сжиженных газов (например, бензовозы) красят в светлые, отражающие цвета. И наоборот, панели солнечных водонагревателей и солнечных батарей делают чёрными и матовыми для максимального поглощения солнечной энергии.
• Авиация и космонавтика: Самолёты, как правило, окрашивают в белый цвет. Это не только делает их более заметными в небе, но и защищает от перегрева на солнце во время стоянки на аэродроме. Внешние поверхности космических аппаратов и спутников покрывают специальными материалами с заданной отражающей или поглощающей способностью для терморегуляции в условиях космоса, где происходит резкий перепад температур между освещённой и теневой сторонами.
• Сельское хозяйство: Для ускорения таяния снега на полях весной их могут посыпать тёмными материалами, такими как зола или торфяная крошка. Тёмная поверхность интенсивнее поглощает солнечное тепло, что приводит к более быстрому освобождению почвы от снежного покрова и позволяет раньше начать сельскохозяйственные работы.

Ответ: Практическими примерами учёта различной способности тел поглощать излучение являются: ношение светлой одежды летом и тёмной зимой; окрашивание крыш домов и цистерн в светлые цвета для защиты от перегрева; использование чёрного матового покрытия в солнечных коллекторах для максимального поглощения тепла; посыпание снега золой для ускорения его таяния.

4. Как устроен термос?

Решение:

Термос (или сосуд Дьюара) — это устройство, предназначенное для минимизации теплообмена между его содержимым и окружающей средой, что позволяет долго сохранять исходную температуру продуктов. Его конструкция препятствует всем трём видам теплопередачи: теплопроводности, конвекции и излучению.

Основные конструктивные элементы термоса и их назначение:

1. Сосуд с двойными стенками. Термос состоит из двух колб (внутренней и внешней), вставленных одна в другую. Между ними есть зазор.
2. Вакуум. Из пространства между стенками двух колб откачан воздух. Вакуум практически не проводит тепло, поэтому такая конструкция эффективно предотвращает теплопередачу за счёт теплопроводности и конвекции.
3. Зеркальное покрытие. Поверхности стенок, обращённые друг к другу (в вакуумное пространство), покрыты тонким слоем отражающего вещества (например, серебра), что делает их зеркальными. Зеркальная поверхность имеет низкую излучательную способность и высокую отражательную способность. Это минимизирует передачу тепла через излучение. Если внутри горячий напиток, зеркальная поверхность внутренней колбы отражает тепловое излучение обратно внутрь. Если внутри холодное содержимое, зеркальная поверхность внешней колбы отражает внешнее тепловое излучение, не давая ему проникнуть внутрь.
4. Пробка и корпус. Сосуд закрывается пробкой из теплоизолирующего материала (например, пробки или пластика), чтобы уменьшить теплообмен через горловину. Внешний корпус термоса защищает хрупкую стеклянную колбу (в классических моделях) и обеспечивает удобство использования.

Благодаря совокупности этих элементов, термос является эффективным теплоизолятором.

Ответ: Термос представляет собой сосуд с двойными стенками, из пространства между которыми откачан воздух для предотвращения теплопроводности и конвекции. Поверхности стенок, обращенные в это пространство, сделаны зеркальными для минимизации теплопередачи излучением. Сосуд герметично закрывается пробкой из теплоизолирующего материала.

4. Как устроен термос?

Решение

Термос, также известный как сосуд Дьюара, предназначен для длительного сохранения температуры помещенных в него продуктов (как горячих, так и холодных). Его конструкция направлена на максимальное уменьшение теплообмена с окружающей средой. Теплообмен может происходить тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением. Конструкция термоса эффективно борется со всеми тремя видами теплопередачи.

Основными элементами термоса являются:

1. Внутренняя колба с двойными стенками. Это главный элемент термоса. Колба изготавливается из стекла или нержавеющей стали и имеет двойные стенки.
2. Вакуум. Пространство между внешней и внутренней стенками колбы делается безвоздушным (создается вакуум). Поскольку для теплопередачи путем теплопроводности и конвекции необходима среда (вещество), вакуум, в котором практически нет частиц, почти полностью исключает эти виды теплообмена между внутренней колбой и внешним корпусом.
3. Зеркальное покрытие. Внутренняя поверхность внешней стенки и внешняя поверхность внутренней стенки колбы покрываются отражающим слоем (например, серебром). Это зеркальное покрытие сводит к минимуму теплопередачу путем теплового излучения. Горячее содержимое излучает тепло, которое отражается от зеркальной поверхности обратно внутрь. Аналогично, внешнее тепловое излучение отражается от зеркальной поверхности наружу, не давая нагреть холодное содержимое.
4. Пробка (крышка). Пробка герметично закрывает горлышко термоса. Ее изготавливают из материалов с низкой теплопроводностью (например, пробка, пластик). Она выполняет две функции:
   • Предотвращает теплообмен через конвекцию, не позволяя воздуху циркулировать между содержимым термоса и окружающей средой.
   • Предотвращает потерю тепла за счет испарения (для горячих жидкостей).
5. Внешний корпус. Он защищает хрупкую внутреннюю колбу (особенно если она стеклянная) от механических повреждений и обеспечивает удобство использования. Между колбой и корпусом обычно находятся специальные амортизирующие прокладки, которые также имеют низкую теплопроводность, чтобы минимизировать передачу тепла через точки контакта.

Таким образом, благодаря вакууму, зеркальным поверхностям и герметичной пробке, термос является эффективным теплоизолятором.

Ответ: термос устроен как сосуд с двойными стенками (сосуд Дьюара), между которыми откачан воздух для создания вакуума. Вакуум предотвращает передачу тепла за счет теплопроводности и конвекции. Поверхности стенок, обращенные друг к другу, делают зеркальными, чтобы уменьшить теплообмен путем излучения. Сверху термос герметично закрывается пробкой из материала с низкой теплопроводностью, что также препятствует конвекции и испарению.

УПРАЖНЕНИЕ 6

1. Почему летом носят одежду светлых тонов?

1. Летом основным источником тепла на улице является солнечное излучение. Способность любого тела поглощать или отражать это излучение напрямую зависит от цвета его поверхности.

Одежда светлых тонов (белая, бежевая, светло-голубая) обладает высокой отражательной способностью. Это означает, что большая часть падающих на нее солнечных лучей отражается, и лишь малая часть поглощается и превращается в тепло. В результате такая одежда слабо нагревается на солнце.

Одежда темных тонов (черная, темно-синяя, коричневая), наоборот, поглощает большую часть солнечного излучения. Поглощенная энергия преобразуется во внутреннюю энергию, что приводит к сильному нагреву ткани.

Таким образом, чтобы избежать перегрева и чувствовать себя комфортнее в жаркую погоду, люди выбирают одежду светлых тонов, которая меньше нагревается под воздействием солнечных лучей.

Ответ: Одежда светлых тонов лучше отражает солнечное излучение и поэтому меньше нагревается, что помогает сохранять прохладу в жаркую летнюю погоду.

2. Вы не раз сидели у костра и, наверное, защищали себя от тепла рукой. Почему это можно сделать?

Решение

Когда человек сидит у костра, он ощущает тепло, которое передается от огня в основном двумя способами: конвекцией и тепловым излучением. Конвекция — это перенос тепла потоками нагретого воздуха, который поднимается вверх. Тепловое излучение — это перенос энергии в виде электромагнитных (инфракрасных) волн, которые распространяются от источника тепла во все стороны по прямым линиям.

Когда мы находимся сбоку от костра, основной вклад в ощущение жара вносит именно тепловое излучение. Рука, помещенная между лицом и костром, работает как экран. Будучи непрозрачным для инфракрасных лучей телом, она поглощает и частично отражает это излучение. В результате, до лица доходит значительно меньше тепловой энергии, и мы чувствуем себя комфортнее. Рука при этом сама нагревается, но благодаря кровообращению тепло отводится, и к тому же, рука менее чувствительна к теплу, чем кожа лица.

Таким образом, возможность защититься от жара костра рукой основана на свойстве теплового излучения распространяться прямолинейно и на способности руки блокировать (экранировать) это излучение.

Ответ:

Защититься от тепла костра рукой можно потому, что основной механизм передачи тепла от костра на расстояние — это тепловое излучение, которое распространяется по прямым линиям. Рука, как непрозрачное тело, создает преграду на пути этих лучей, поглощая и отражая их, тем самым выполняя роль экрана и защищая лицо или тело от избыточного жара.

3. Почему снег, покрытый сажей или грязью, тает быстрее, чем чистый?

Снег, покрытый сажей или грязью, тает быстрее чистого снега из-за фундаментальных различий в их способности поглощать и отражать солнечное излучение. Это явление напрямую связано с цветом поверхности и ее взаимодействием со светом.

1. Отражательная способность (альбедо) чистого снега. Чистый, свежевыпавший снег имеет ярко-белый цвет. Белые поверхности обладают очень высокой отражательной способностью, известной как альбедо. Альбедо чистого снега может достигать 90%, что означает, что до 90% падающего на него солнечного света (который является формой энергии) отражается обратно в пространство. Лишь небольшая часть энергии поглощается снегом и преобразуется в тепло. Поэтому чистый снег нагревается очень медленно.

2. Поглощающая способность сажи и грязи. Сажа, грязь, пыль и другие подобные частицы имеют темный, чаще всего черный или темно-коричневый цвет. Темные поверхности, в отличие от светлых, имеют очень низкое альбедо. Они поглощают большую часть падающего на них солнечного света (до 90-95%) и отражают лишь малую его долю.

3. Процесс таяния. Когда солнечный свет попадает на грязный снег, частицы сажи и грязи активно поглощают световую энергию и преобразуют ее в тепловую. В результате эти частицы сильно нагреваются. Затем они передают накопленное тепло окружающим их кристалликам снега посредством теплопроводности. Это приводит к тому, что температура снега, находящегося в непосредственном контакте с грязью, быстро повышается до температуры плавления ($0^\circ C$) и он начинает активно таять. Чистый снег в тех же условиях отражает большую часть энергии и поэтому тает значительно медленнее.

Таким образом, темный слой на поверхности снега действует как своего рода коллектор солнечной энергии, который эффективно собирает тепло и ускоряет процесс таяния.

Ответ: Снег, покрытый сажей или грязью, тает быстрее, так как его темная поверхность поглощает гораздо больше солнечного света, чем белая поверхность чистого снега. Поглощенная световая энергия преобразуется в тепло, которое нагревает частицы грязи и передается снегу, ускоряя его плавление. Чистый же снег большую часть солнечного света отражает, поэтому нагревается и тает медленнее.

4. Почему спецодежда пожарных обычно серебристого цвета?

Решение

Спецодежда пожарных, особенно теплоотражательные костюмы, используемые для работы в условиях экстремально высоких температур, имеет серебристый цвет по физической причине, связанной с особенностями теплопередачи.

Основная задача такой спецодежды — защитить пожарного от интенсивного теплового воздействия. Тепло от огня передается тремя основными способами: теплопроводностью (через прямой контакт), конвекцией (через потоки горячего воздуха и газов) и тепловым излучением (в виде электромагнитных, в основном инфракрасных, волн).

На больших пожарах именно тепловое излучение является одним из главных поражающих факторов. Различные поверхности по-разному взаимодействуют с излучением:

• Темные и матовые поверхности хорошо поглощают излучение, что приводит к их сильному нагреву.
• Светлые, а в особенности блестящие, зеркальные поверхности (как у серебра или полированного алюминия) большую часть падающего на них излучения отражают.

Серебристое покрытие на костюме пожарного работает как зеркало для тепловых лучей. Оно отражает до 90% падающего на него инфракрасного излучения, не давая ему поглотиться тканью и нагреть тело пожарного. Это позволяет значительно снизить тепловую нагрузку и дает возможность работать в непосредственной близости от очага возгорания в течение более длительного времени, минимизируя риск перегрева и ожогов.

Таким образом, выбор серебристого цвета для спецодежды пожарных — это не дизайнерское решение, а жизненно важная функциональная характеристика, основанная на законах физики.

Ответ:

Спецодежда пожарных имеет серебристый цвет, так как блестящая серебристая поверхность обладает высокой отражательной способностью. Она отражает большую часть теплового (инфракрасного) излучения, исходящего от огня, и тем самым защищает пожарного от перегрева и ожогов.

5. Скафандры, надеваемые космонавтами, обычно окрашены в белый цвет. В то же время некоторые поверхности космического корабля чёрные. Чем объясняется выбор цвета?

Выбор цвета для наружных поверхностей в космосе — это ключевой элемент системы пассивной терморегуляции. В условиях вакуума теплообмен с окружающей средой происходит в основном за счёт излучения. Разные цвета по-разному взаимодействуют с электромагнитным излучением (включая видимый свет и тепловое излучение).

• Белые и светлые поверхности обладают высоким коэффициентом отражения. Они отражают большую часть падающего на них солнечного излучения и, следовательно, слабо нагреваются. В то же время они имеют низкую излучательную способность, то есть плохо отдают собственное тепло в окружающее пространство.

• Чёрные и тёмные поверхности, наоборот, имеют высокий коэффициент поглощения. Они поглощают почти всё падающее на них излучение и сильно нагреваются. Одновременно они обладают высокой излучательной способностью, то есть эффективно отдают накопленное тепло в виде теплового излучения.

Исходя из этих принципов, объясняется выбор цвета для скафандров и частей корабля.

Почему скафандры белые?

Основная задача скафандра при выходе в открытый космос — защитить космонавта от перегрева под воздействием прямых солнечных лучей. В космосе нет атмосферы, которая могла бы рассеять или поглотить часть солнечной энергии, поэтому излучение очень интенсивно. Белый цвет скафандра отражает большую часть солнечного света, предотвращая поглощение огромного количества тепла и защищая космонавта от перегрева. Хотя белая поверхность также плохо излучает избыточное тепло, выделяемое самим космонавтом, эта проблема решается активной системой охлаждения внутри скафандра. Кроме того, белый скафандр хорошо заметен на фоне тёмного космоса, что повышает безопасность космонавта.

Почему некоторые поверхности корабля чёрные?

В процессе работы бортовых систем и приборов космического корабля выделяется большое количество тепла, которое необходимо отводить, чтобы избежать перегрева оборудования. Для этой цели используются специальные панели-радиаторы. Чтобы максимально эффективно избавиться от тепла, их нужно сделать хорошими излучателями. Чёрные поверхности лучше всего справляются с этой задачей, так как они имеют максимальную излучательную способность (коэффициент черноты $\epsilon$ близок к 1). Согласно закону Стефана-Больцмана, мощность излучения $P$ прямо пропорциональна этому коэффициенту: $P = \epsilon \sigma A T^4$. Такие чёрные радиаторы обычно располагают на теневой стороне корабля или ориентируют таким образом, чтобы на них не попадало прямое солнечное излучение, иначе они бы поглощали тепло вместо того, чтобы его отводить.

Ответ: Выбор цвета определяется задачей терморегуляции. Скафандры делают белыми, чтобы они отражали максимальное количество солнечного излучения и защищали космонавта от перегрева. Некоторые поверхности космического корабля (радиаторы) делают чёрными, чтобы они могли максимально эффективно излучать в космос избыточное тепло, вырабатываемое бортовыми системами.