Страница 182 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин

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

Модели строения атома

Представления о строении атома эволюционировали на протяжении веков. Каждая новая модель строилась на основе предыдущих, уточняя и дополняя их в свете новых экспериментальных данных и теоретических открытий. Ниже рассмотрены ключевые исторические модели атома.

1. Философская модель Демокрита (V век до н.э.)

Древнегреческий философ Демокрит был одним из первых, кто предположил, что вся материя состоит из мельчайших, невидимых и неделимых частиц, которые он назвал «атомами» (от греч. ἄτομος — «неделимый»). Согласно его учению:

• Атомы вечны, неизменны и находятся в постоянном движении в пустоте.
• Атомы различаются по форме, размеру и весу.
• Свойства веществ определяются формой и сочетанием составляющих их атомов.

Эта модель была чисто умозрительной и не имела экспериментального подтверждения, однако она заложила фундаментальную идею о дискретном строении вещества.

Ответ: Атом — это мельчайшая, неделимая и вечная частица материи, из которой состоят все тела.

2. Модель Дальтона (1808 г.)

В начале XIX века английский учёный Джон Дальтон, основываясь на экспериментальных законах сохранения массы, постоянства состава и кратных отношений, предложил первую научную атомную теорию. Её основные положения:

• Все вещества состоят из атомов.
• Атомы — это мельчайшие неделимые частицы, которые нельзя ни создать, ни уничтожить.
• Атомы одного и того же химического элемента идентичны и имеют одинаковую массу.
• Атомы разных элементов имеют разную массу и свойства.
• Химические реакции представляют собой перегруппировку атомов.

Модель Дальтона представляла атом в виде крошечной, твёрдой, неделимой сферы. Она успешно объясняла многие законы химии, но не могла объяснить существование субатомных частиц и природу их взаимодействия.

Ответ: Атом — это неделимая сфера, причём атомы разных элементов различаются по массе и свойствам.

3. Модель Томсона («пудинг с изюмом», 1904 г.)

После открытия электрона в 1897 году Джозефом Джоном Томсоном стало ясно, что атом делим. Поскольку атом в целом электронейтрален, а электроны несут отрицательный заряд, в его составе должна была присутствовать и положительно заряженная материя. Томсон предложил модель, известную как «пудинг с изюмом»:

• 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, делая атом нейтральным.

Эта модель была первым шагом к пониманию сложной внутренней структуры атома, но была опровергнута экспериментами Эрнеста Резерфорда.

Ответ: Атом представляет собой положительно заряженную сферу, в которую вкраплены отрицательно заряженные электроны, что обеспечивает общую электронейтральность.

4. Планетарная модель Резерфорда (1911 г.)

В 1909-1911 годах под руководством Эрнеста Резерфорда был проведён знаменитый опыт по рассеянию альфа-частиц на тонкой золотой фольге. Результаты были неожиданными: большинство частиц пролетало насквозь, но некоторые отклонялись на большие углы, а единицы — отбрасывались назад. Это было невозможно объяснить в рамках модели Томсона. На основе этих данных Резерфорд предложил планетарную модель:

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

Противоречие этой модели заключалось в том, что, согласно классической электродинамике, вращающийся электрон (ускоренно движущийся заряд) должен непрерывно излучать энергию, терять скорость и в итоге упасть на ядро. Это означало бы нестабильность атома, что противоречит реальности.

Ответ: Атом состоит из массивного, положительно заряженного ядра в центре и вращающихся вокруг него по орбитам электронов.

5. Модель Бора (1913 г.)

Датский физик Нильс Бор усовершенствовал модель Резерфорда, введя в неё квантовые постулаты, чтобы разрешить противоречие с классической физикой:

1. Постулат стационарных состояний: Электрон может двигаться не по любым, а только по определённым (стационарным) круговым орбитам, находясь на которых, он не излучает энергию. Каждой орбите соответствует определённый уровень энергии.
2. Правило частот: Излучение или поглощение энергии атомом происходит только при переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую. Энергия излучённого или поглощённого фотона равна разности энергий этих орбит: $E_{\text{фотона}} = h\nu = E_k - E_n$, где $h$ — постоянная Планка, а $E_k$ и $E_n$ — энергии стационарных состояний.

Модель Бора блестяще объяснила линейчатые спектры атома водорода, но была неприменима для более сложных атомов и не могла объяснить некоторые тонкие эффекты.

Ответ: Электроны движутся по строго определённым стационарным орбитам (энергетическим уровням), не излучая энергии, и могут переходить между ними, поглощая или испуская кванты света.

6. Квантово-механическая модель (современная, с 1926 г.)

Развитие квантовой механики трудами Луи де Бройля, Вернера Гейзенберга и Эрвина Шрёдингера привело к созданию современной модели атома. Она основана на следующих принципах:

• Корпускулярно-волновой дуализм: Электрон обладает свойствами и частицы, и волны.
• Принцип неопределённости Гейзенберга: Невозможно одновременно точно определить положение и импульс (а следовательно, и траекторию) электрона.

В этой модели понятие «орбита» заменяется понятием «орбиталь». Орбиталь — это область пространства вокруг ядра, в которой вероятность нахождения данного электрона наиболее высока (обычно 90%). Состояние электрона в атоме описывается волновой функцией ($\Psi$), а форма и энергия орбиталей определяются набором четырёх квантовых чисел. Эта модель является наиболее полной и точно описывает поведение атомов и образование химических связей.

Ответ: Электрон не движется по определённой траектории; его положение описывается вероятностно через понятие атомной орбитали — области пространства вокруг ядра, где его можно обнаружить с наибольшей вероятностью.

2. «Статическое электричество, я тебя знаю!» (возможная форма: презентация, реферат, опыт, викторина).

Презентация «Статическое электричество, я тебя знаю!»

Структура презентации может быть следующей:

• Слайд 1: Титульный лист. Название темы, имя автора.
• Слайд 2: Введение. Что такое статическое электричество? Определение: совокупность явлений, связанных с возникновением, сохранением и релаксацией свободного электрического заряда на поверхности или в объёме диэлектриков или на изолированных проводниках.
• Слайд 3: Историческая справка. Упоминание Фалеса Милетского (VII-VI вв. до н.э.), который обнаружил, что потёртый о шерсть янтарь (греч. «электрон») притягивает лёгкие предметы. Работы Уильяма Гильберта, который ввёл сам термин «электричество».
• Слайд 4: Два рода зарядов. Положительные (+) и отрицательные (-) заряды. Основной постулат электростатики: одноимённые заряды отталкиваются, разноимённые — притягиваются. Демонстрация с помощью иллюстраций.
• Слайд 5: Способы электризации.
  • Электризация трением (трибоэлектрический эффект): при соприкосновении и трении двух разнородных веществ электроны переходят с одного тела на другое.
  • Электризация через влияние (электростатическая индукция): перераспределение зарядов в проводнике под действием внешнего электрического поля.
• Слайд 6: Основной закон электростатики. Закон Кулона, описывающий силу взаимодействия между двумя точечными зарядами. Формула: $F = k \frac{|q_1 q_2|}{r^2}$, где $F$ — сила взаимодействия, $q_1$ и $q_2$ — величины зарядов, $r$ — расстояние между ними, $k$ — коэффициент пропорциональности.
• Слайд 7: Проводники и диэлектрики. Объяснение разницы: в проводниках есть свободные носители заряда, которые могут перемещаться по всему объёму. В диэлектриках свободные заряды практически отсутствуют.
• Слайд 8: Статическое электричество в природе. Молния как гигантский искровой разряд. Огни святого Эльма.
• Слайд 9: Полезное статическое электричество. Применение в технологиях: лазерные принтеры и копировальные аппараты (ксерография), электростатическая покраска, промышленные фильтры для очистки газов от пыли.
• Слайд 10: Опасности и защита. Риск возгорания от искры в легковоспламеняющейся среде. Влияние на чувствительную электронику. Методы защиты: заземление, увлажнение воздуха, использование антистатиков.
• Слайд 11: Выводы. Краткое обобщение ключевых моментов презентации.
• Слайд 12: Спасибо за внимание!

Ответ: представлен пошаговый план-структура презентации на тему «Статическое электричество», охватывающий историю, теорию, природные явления и практическое применение.

Реферат «Статическое электричество, я тебя знаю!»

Статическое электричество — это явление, известное с глубокой древности, но и сегодня не утратившее своей актуальности как в быту, так и в передовых технологиях. Под статическим электричеством понимают возникновение и накопление электрических зарядов на телах, как правило, диэлектрических или изолированных от земли.

В основе явления лежит существование двух видов электрических зарядов — положительных и отрицательных. Носителями элементарного отрицательного заряда являются электроны, а положительного — протоны. В обычном состоянии тело электрически нейтрально, так как число протонов и электронов в его атомах одинаково. Процесс, при котором тело приобретает избыточный заряд, называется электризацией. Самый распространённый способ — электризация трением, когда при контакте двух различных материалов часть электронов переходит с одного на другой. Тело, потерявшее электроны, заряжается положительно, а тело, получившее их — отрицательно.

Фундаментальным принципом является закон сохранения электрического заряда: в изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всех тел остаётся постоянной.

Сила взаимодействия между неподвижными заряженными телами описывается законом Кулона. Для двух точечных зарядов $q_1$ и $q_2$, находящихся на расстоянии $r$ друг от друга в вакууме, сила их взаимодействия $F$ равна: $F = k \frac{|q_1 q_2|}{r^2}$ где $k$ — коэффициент пропорциональности, равный примерно $9 \cdot 10^9$ Н·м²/Кл².

Это взаимодействие осуществляется посредством электрического поля, которое создаётся каждым зарядом в окружающем пространстве. Силовой характеристикой поля является его напряжённость $E$, определяемая как отношение силы, действующей на пробный заряд в данной точке поля, к величине этого заряда: $E = F/q_{пробн}$.

Явления статического электричества находят широкое применение. В ксерографии используется свойство заряженных частиц тонера притягиваться к областям с противоположным зарядом на фотобарабане. При электростатической покраске частицам краски сообщают заряд, а окрашиваемой детали — заряд противоположного знака, что обеспечивает равномерное покрытие и экономию материала. В то же время статическое электричество может быть опасным, вызывая искры, способные воспламенить горючие смеси, или повреждая компоненты микроэлектроники.

Ответ: изложены основные теоретические положения по теме статического электричества, включая определение, способы электризации, закон сохранения заряда и закон Кулона, а также примеры применения.

Опыт «Электроскоп своими руками»

Цель опыта: продемонстрировать явление электризации тел и электростатической индукции.

Необходимые материалы:

• Стеклянная банка с пластиковой или металлической крышкой.
• Большой металлический гвоздь (или кусок толстой медной проволоки).
• Две полоски тонкой алюминиевой фольги (примерно 3-4 см в длину и 0.5 см в ширину).
• Пластмассовая расчёска.
• Шерстяная ткань или собственные сухие волосы.

Ход работы:

1. Проделайте в центре крышки банки отверстие, достаточное для того, чтобы в него плотно вошёл гвоздь.
2. Вставьте гвоздь в крышку так, чтобы его шляпка была снаружи, а острый конец — внутри банки.
3. На остром конце гвоздя аккуратно подвесьте две полоски фольги, чтобы они свободно свисали, соприкасаясь друг с другом.
4. Плотно закройте банку крышкой. Ваш электроскоп готов.
5. Энергично потрите пластмассовую расчёску о шерстяную ткань или сухие волосы. Расчёска приобретёт отрицательный заряд.
6. Поднесите заряженную расчёску к шляпке гвоздя, не касаясь её. Вы увидите, как полоски фольги разойдутся в стороны.
7. Уберите расчёску. Полоски фольги сразу же опадут и снова сойдутся.
8. Снова наэлектризуйте расчёску и на этот раз коснитесь ею шляпки гвоздя. Полоски фольги разойдутся.
9. Уберите расчёску. Теперь полоски фольги останутся в разошедшемся положении.

Объяснение:

В шаге 6, когда вы подносите отрицательно заряженную расчёску, происходит электростатическая индукция. Свободные электроны в металлическом гвозде отталкиваются от расчёски и перемещаются на нижний конец гвоздя и на лепестки. Оба лепестка получают избыточный отрицательный заряд и отталкиваются друг от друга.

В шаге 8, при касании, часть избыточных электронов с расчёски перетекает на гвоздь и лепестки. Электроскоп получает суммарный отрицательный заряд. Поэтому даже после удаления расчёски лепестки остаются заряженными одноимённо и продолжают отталкиваться.

Ответ: описан простой и наглядный физический опыт по созданию и использованию самодельного электроскопа для демонстрации явлений электростатической индукции и электризации через контакт.

Викторина «Статическое электричество, я тебя знаю!»

1. Вопрос: Какой учёный ввёл в науку термины «положительный» и «отрицательный» заряд?
   • а) Шарль Кулон
   • б) Бенджамин Франклин
   • в) Алессандро Вольта
   • г) Майкл Фарадей
   (Правильный ответ: б)
2. Вопрос: Как называется процесс разделения зарядов в незаряженном проводнике под действием внешнего электрического поля?
   (Правильный ответ: Электростатическая индукция)
3. Вопрос: Единицей измерения электрического заряда в системе СИ является:
   • а) Ампер
   • б) Вольт
   • в) Кулон
   • г) Ньютон
   (Правильный ответ: в)
4. Вопрос: Почему во влажную погоду явления статического электричества проявляются значительно слабее, чем в сухую?
   (Примерный ответ: Молекулы воды, содержащиеся во влажном воздухе, являются полярными. Они оседают на поверхности предметов, образуя тончайшую проводящую плёнку, по которой избыточные заряды быстро стекают, и тело разряжается.)
5. Вопрос: Два точечных заряда $q$ и $2q$ находятся на расстоянии $r$ друг от друга. Как изменится сила их взаимодействия, если расстояние между ними увеличить в 2 раза?
   (Ответ: Сила взаимодействия, согласно закону Кулона $F \sim 1/r^2$, уменьшится в $2^2 = 4$ раза.)
6. Вопрос: С какой целью кузов автомобиля перед покраской заземляют и сообщают ему электрический заряд, противоположный заряду частиц краски?
   (Ответ: Чтобы частицы краски лучше притягивались к поверхности, распределялись равномернее и меньше распылялись впустую.)

Ответ: составлена викторина из шести вопросов разного типа (с выбором ответа, с кратким ответом и открытый вопрос) для проверки знаний по теме «Статическое электричество».

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

Чтобы ответить на вопрос, сколько лимонов нужно, чтобы зажечь лампочку, необходимо сначала понять, как работает фруктовый гальванический элемент и какие характеристики он имеет. Также важно уточнить, о какой именно лампочке идет речь.

Принцип работы фруктового гальванического элемента

Лимонная батарейка — это классический пример гальванического элемента, также известного как элемент Вольта. Для её создания необходимы три основных компонента:

1. Два разных металла (электроды). Обычно используют цинк (например, оцинкованный гвоздь) и медь (например, медная монета или провод).
2. Электролит. В данном случае это сок лимона, который содержит лимонную кислоту. Кислота является проводящей средой, в которой могут перемещаться ионы.

Принцип работы основан на электрохимической реакции. Цинк является более активным металлом, чем медь, поэтому он легче отдает свои электроны. На цинковом электроде (аноде, отрицательный полюс) происходит реакция окисления:

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

Электроны, покинувшие цинковый электрод, проходят по внешнему проводнику (например, проводу, подключенному к лампочке) к медному электроду (катоду, положительный полюс). В кислой среде электролита (лимонного сока) присутствуют ионы водорода $H^+$. Они принимают пришедшие электроны и восстанавливаются до газообразного водорода:

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

В результате этого движения электронов по внешней цепи возникает электрический ток, способный совершать работу, например, зажечь светодиод. Разность потенциалов (напряжение), создаваемая одним таким элементом, зависит от пары металлов и составляет для пары цинк-медь около $0.9-1.0$ вольта.

Расчет количества лимонов для зажигания светодиода

Обычную лампу накаливания (например, от карманного фонарика) зажечь с помощью лимонов практически невозможно, так как она требует большого тока (сотни миллиампер). Лимонный элемент обладает очень высоким внутренним сопротивлением и может отдать лишь очень малый ток (порядка одного миллиампера). Поэтому для эксперимента используют маломощные потребители, такие как светодиоды (LED).

Проведем расчет для стандартного красного светодиода.

Дано:

Напряжение одного лимонного элемента: $U_{эл} \approx 0.9 \text{ В}$

Максимальный ток одного лимонного элемента: $I_{эл} \approx 1 \text{ мА}$

Рабочее напряжение светодиода: $U_{СД} \approx 2.0 \text{ В}$

Рабочий ток светодиода: $I_{СД} \approx 15 \text{ мА}$

Перевод в СИ:

$I_{эл} = 1 \cdot 10^{-3} \text{ А}$

$I_{СД} = 15 \cdot 10^{-3} \text{ А}$

Найти:

Общее количество лимонов $N_{общ}$

Решение:

Один лимон создает напряжение $0.9 \text{ В}$, что недостаточно для зажигания светодиода, которому нужно $2.0 \text{ В}$. Чтобы увеличить напряжение, элементы нужно соединить последовательно. При последовательном соединении общее напряжение равно сумме напряжений отдельных элементов.

Найдем необходимое количество лимонов в одной последовательной цепи ($n_{посл}$):

$n_{посл} = \frac{U_{СД}}{U_{эл}} = \frac{2.0 \text{ В}}{0.9 \text{ В}} \approx 2.22$

Так как количество лимонов должно быть целым, округляем в большую сторону. Нам понадобится 3 лимона, соединенных последовательно.

$n_{посл} = 3$

Общее напряжение такой цепи составит:

$U_{цепь} = n_{посл} \cdot U_{эл} = 3 \cdot 0.9 \text{ В} = 2.7 \text{ В}$

Этого напряжения достаточно. Однако при последовательном соединении сила тока не увеличивается и по-прежнему составляет около $1 \text{ мА}$. Этого тока недостаточно, так как светодиоду для яркого свечения нужно $15 \text{ мА}$.

Чтобы увеличить общую силу тока, необходимо несколько таких последовательных цепей соединить параллельно. При параллельном соединении общая сила тока равна сумме токов в каждой цепи.

Найдем необходимое количество параллельных цепей ($n_{пар}$):

$n_{пар} = \frac{I_{СД}}{I_{эл}} = \frac{15 \text{ мА}}{1 \text{ мА}} = 15$

Итак, нам потребуется 15 параллельных цепей, в каждой из которых по 3 лимона, соединенных последовательно.

Теперь найдем общее количество лимонов:

$N_{общ} = n_{посл} \cdot n_{пар} = 3 \cdot 15 = 45$

Таким образом, для зажигания одного стандартного светодиода потребуется около 45 лимонов, соединенных в смешанную батарею.

Ответ: Чтобы зажечь один небольшой светодиод, теоретически потребуется около 45 лимонов. На практике это число может сильно варьироваться в зависимости от свежести и кислотности лимонов, площади и материала электродов, а также от точных характеристик светодиода.