Страница 37 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин

1. Как на опыте показать нагревание за счёт излучения?

1. Чтобы на опыте продемонстрировать нагревание за счёт излучения, можно провести классический эксперимент, сравнивающий поглощающую способность тел с разной поверхностью.

Необходимое оборудование:

• Два одинаковых объекта, например, две небольшие металлические пластины или банки.
• Матовая чёрная краска и белая краска (или можно оставить одну из поверхностей полированной, блестящей).
• Два термометра.
• Источник тепла, создающий интенсивное излучение (например, мощная лампа накаливания, электрический обогреватель с открытой спиралью или солнечный свет).
• Штатив для крепления источника света (при необходимости).

Ход эксперимента:

1. Подготовьте объекты: одну пластину (или банку) покрасьте в матовый чёрный цвет, а другую — в белый или оставьте её блестящей.
2. Закрепите на обратной стороне каждой пластины по термометру (или опустите термометры в банки, если используются они). Убедитесь, что начальная температура обоих тел одинакова.
3. Расположите обе пластины на одинаковом расстоянии от источника излучения так, чтобы лучи падали на них под одинаковым углом. Важно исключить или минимизировать другие виды теплопередачи: не должно быть сквозняков (конвекция), и пластины не должны касаться источника тепла (теплопроводность).
4. Включите источник излучения.
5. Наблюдайте за показаниями термометров, фиксируя температуру через равные промежутки времени (например, каждую минуту в течение 10-15 минут).

Наблюдения и вывод:

В ходе эксперимента вы заметите, что температура чёрной пластины растёт значительно быстрее и достигает более высокого значения, чем температура белой (блестящей) пластины.

Это объясняется тем, что энергия от источника передаётся в виде электромагнитных волн (инфракрасного излучения). Тёмные, матовые поверхности являются хорошими поглотителями излучения. Они поглощают большую часть падающей на них энергии, которая превращается во внутреннюю энергию тела, вызывая его нагрев. Светлые и блестящие поверхности, напротив, хорошо отражают излучение и поглощают лишь малую его часть, поэтому их нагрев происходит значительно медленнее.

Таким образом, этот опыт наглядно доказывает, что передача тепла может происходить на расстоянии без прямого контакта и участия среды (посредством излучения), и интенсивность этого процесса зависит от свойств поверхности тела.

Ответ: Чтобы показать нагревание за счёт излучения, необходимо провести опыт с двумя телами, имеющими разный цвет поверхности (тёмный и светлый). Их следует расположить на одинаковом расстоянии от источника тепла (например, лампы) и с помощью термометров зафиксировать, что тёмное тело нагревается значительно быстрее. Это демонстрирует передачу тепла излучением и зависимость поглощения этого излучения от цвета поверхности.

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

1. Как на опыте показать нагревание за счёт излучения?

Чтобы на опыте продемонстрировать нагревание за счёт излучения, можно провести следующий простой эксперимент. Понадобится источник излучения (например, мощная настольная лампа накаливания или электрический камин) и приёмник тепла (наша рука или термометр).

Ход опыта:

1. Включите лампу.
2. Поднесите руку к лампе сбоку на некотором расстоянии (не касаясь её). Вы сразу почувствуете тепло. Это тепло передаётся от лампы к руке именно излучением. Если поднести руку над лампой, то к теплу от излучения добавится тепло от конвекции (нагретый воздух поднимается вверх), и ощущение тепла будет сильнее.
3. Для объективного измерения можно использовать термометр. Разместите его на некотором расстоянии от лампы (сбоку, чтобы уменьшить влияние конвекции). За короткое время термометр покажет повышение температуры по сравнению с первоначальной температурой в комнате.

Этот опыт доказывает, что энергия может передаваться от одного тела к другому без непосредственного контакта и без участия среды-переносчика (как при теплопроводности или конвекции). Энергия передаётся в виде электромагнитных волн. Для полной чистоты эксперимента его можно провести в вакууме (под стеклянным колпаком, из которого откачан воздух), и нагрев всё равно будет происходить, что исключает конвекцию и теплопроводность через воздух.

Ответ: Нагревание за счёт излучения можно показать, разместив термометр или руку на некотором расстоянии сбоку от источника тепла (например, лампы) и зафиксировав повышение температуры или ощущение тепла, что свидетельствует о передаче энергии электромагнитными волнами.

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

Способность тела поглощать энергию излучения зависит в первую очередь от цвета и состояния его поверхности.

• Лучше поглощают энергию излучения тела, имеющие тёмную и матовую (шероховатую) поверхность. Идеальным поглотителем является так называемое абсолютно чёрное тело, которое поглощает всё падающее на него излучение. В реальности таких тел нет, но тела с чёрной, матовой поверхностью (например, покрытые сажей) близки к ним по свойствам.
• Хуже поглощают энергию излучения тела, имеющие светлую и блестящую (полированную, зеркальную) поверхность. Такие поверхности большую часть падающей на них энергии отражают и лишь незначительную часть поглощают.

Важно отметить, что тела, которые хорошо поглощают излучение, так же хорошо его и излучают при нагревании. И наоборот, тела, плохо поглощающие излучение, являются и плохими излучателями.

Ответ: Тела с тёмными и матовыми поверхностями лучше поглощают энергию излучения, а тела со светлыми и блестящими поверхностями — хуже.

3. Приведите примеры.

Вот несколько примеров, иллюстрирующих различную поглощательную способность тел:

Примеры тел, хорошо поглощающих излучение:

• Тёмная одежда и асфальт: В солнечный день асфальт и одежда тёмных цветов нагреваются значительно сильнее, чем светлая одежда или бетонное покрытие, так как они поглощают больше солнечной энергии.
• Солнечные коллекторы: Панели для нагрева воды от солнца (солнечные коллекторы) красят в чёрный матовый цвет, чтобы они максимально эффективно поглощали солнечное излучение и нагревали воду.
• Задняя стенка холодильника: Радиатор (конденсатор) на задней стенке холодильника обычно окрашен в чёрный цвет, чтобы эффективнее излучать тепло в окружающее пространство, охлаждая хладагент.

Примеры тел, плохо поглощающих излучение:

• Светлая одежда: В жарких странах люди предпочитают носить одежду белого или светлых тонов, так как она отражает большую часть солнечных лучей и меньше нагревается.
• Термос: Внутренние стенки колбы термоса делают зеркальными (посеребрёнными), чтобы минимизировать передачу тепла излучением. Они отражают тепловое излучение обратно к горячей жидкости, сохраняя её температуру, или отражают внешнее тепло, не давая нагреться холодному напитку.
• Цистерны для перевозки топлива: Большие баки и цистерны, в которых перевозят или хранят легковоспламеняющиеся жидкости (например, бензин), часто красят в серебристый или белый цвет. Это делается для отражения солнечных лучей и предотвращения опасного перегрева содержимого.

Ответ: Примерами хорошего поглощения являются нагрев чёрного асфальта на солнце и использование чёрных панелей в солнечных коллекторах. Примерами плохого поглощения (хорошего отражения) являются белая одежда в жару и зеркальные стенки термоса.

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

3. Какие тела лучше поглощают энергию излучения, а какие — хуже? Приведите примеры учёта на практике различной способности тел поглощать энергию излучения.

Способность тела поглощать энергию излучения (поглощательная способность) зависит в первую очередь от цвета и состояния его поверхности.
Тела с тёмной, матовой или шероховатой поверхностью лучше поглощают энергию излучения. Идеальным поглотителем является так называемое абсолютно чёрное тело, которое поглощает всё падающее на него излучение.
Тела со светлой, блестящей или гладкой (зеркальной) поверхностью поглощают энергию излучения хуже, так как они в значительной степени отражают падающее на них излучение.

Примеры учёта различной поглощательной способности на практике:

• Одежда: В жаркую солнечную погоду люди предпочитают носить одежду светлых тонов (белую, бежевую), так как она меньше поглощает солнечное излучение и, следовательно, меньше нагревается. Зимой, наоборот, тёмная одежда помогает лучше поглощать солнечное тепло.
• Строительство: В южных, жарких странах крыши и стены домов часто красят в белый или другие светлые цвета. Это позволяет отражать большую часть солнечных лучей и сохранять прохладу внутри помещений. В холодных регионах иногда используют тёмные материалы для кровли, чтобы они лучше поглощали солнечное тепло и способствовали обогреву дома.
• Техника: Поверхности солнечных коллекторов (водонагревателей) и фотоэлементов (солнечных батарей) делают чёрными, чтобы они поглощали максимальное количество солнечной энергии. С другой стороны, самолёты и космические корабли часто красят в белый или серебристый цвет, чтобы избежать перегрева от солнечного излучения. Цистерны для перевозки горючих жидкостей, например бензина, также красят в серебристый или белый цвет для уменьшения нагрева на солнце.
• Сельское хозяйство: Для ускорения таяния снега на полях весной их могут посыпать тёмным веществом, например, торфяной крошкой или золой. Тёмная поверхность лучше поглощает солнечное тепло, и снег тает быстрее.

Ответ: Лучше всего энергию излучения поглощают тела с тёмной и матовой поверхностью, хуже — тела со светлой и блестящей (зеркальной) поверхностью. На практике это учитывается при выборе цвета одежды, окраске зданий, самолётов, цистерн, а также в конструкции солнечных коллекторов.

4. Как устроен термос?

Термос, или сосуд Дьюара, — это бытовое устройство, предназначенное для длительного сохранения температуры продуктов (как горячих, так и холодных) за счет минимизации теплообмена с окружающей средой. Теплообмен может происходить тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением. Конструкция термоса направлена на борьбу со всеми тремя видами теплопередачи.

Основные элементы конструкции термоса:

1. Двойные стенки: Термос состоит из колбы с двойными стенками (внутренней и внешней), изготовленной обычно из стекла или нержавеющей стали.
2. Вакуум: Пространство между внутренней и внешней стенками колбы является ключевым элементом. Из этого пространства откачан воздух, что создает вакуум (сильное разрежение). Поскольку в вакууме почти нет молекул вещества, он является очень плохим проводником тепла. Это практически полностью предотвращает передачу тепла через теплопроводность и конвекцию между стенками колбы.
3. Зеркальное покрытие: Поверхности стенок, обращенные друг к другу (внутренняя поверхность внешней стенки и внешняя поверхность внутренней стенки), покрыты отражающим слоем (посеребрены). Эта зеркальная поверхность препятствует теплообмену путем излучения. Если в термосе находится горячая жидкость, её тепловое излучение отражается от зеркальной поверхности обратно внутрь. Если же в термосе холодная жидкость, зеркальная поверхность отражает внешнее тепловое излучение, не давая ему нагреть содержимое.
4. Пробка (крышка): Горлышко термоса закрывается пробкой, сделанной из материала с низкой теплопроводностью (например, из пробки или пластика). Это минимизирует потери тепла через горлышко путем теплопроводности и конвекции.

Таким образом, благодаря вакуумной прослойке, зеркальным поверхностям и герметичной пробке теплообмен содержимого термоса с окружающей средой сводится к минимуму, что позволяет долго сохранять его температуру.

Ответ: Термос представляет собой сосуд с двойными стенками, из пространства между которыми откачан воздух (создан вакуум). Стенки, обращённые в вакуум, имеют зеркальное покрытие. Вакуум предотвращает теплопередачу за счёт теплопроводности и конвекции, а зеркальные поверхности — за счёт излучения. Плотная пробка уменьшает теплообмен через горлышко сосуда.

4. Как устроен термос?

Термос, также известный как сосуд Дьюара, — это устройство, предназначенное для поддержания температуры содержимого (горячего или холодного) в течение длительного времени. Его конструкция направлена на минимизацию всех видов теплообмена с окружающей средой: теплопроводности, конвекции и теплового излучения. Основные конструктивные элементы термоса и их функции следующие.

Двустенная колба с вакуумом
Сердцем термоса является колба, состоящая из двух сосудов, вставленных один в другой. Пространство между стенками этих сосудов герметично, и из него откачан воздух для создания вакуума. Вакуум является чрезвычайно плохим проводником тепла, поскольку в нем практически отсутствуют частицы вещества (молекулы), которые могли бы переносить энергию. Таким образом, вакуумная прослойка эффективно предотвращает передачу тепла от внутренней стенки к внешней (и наоборот) посредством теплопроводности и конвекции.

Зеркальные поверхности
Внутренняя поверхность внешней стенки и внешняя поверхность внутренней стенки колбы покрыты отражающим слоем, как правило, посеребренным. Этот слой работает как зеркало для теплового (инфракрасного) излучения. Горячее содержимое термоса излучает тепло, которое отражается от зеркальной поверхности внутренней колбы обратно к содержимому. Аналогично, если в термосе находится холодная жидкость, зеркальный слой отражает внешнее тепловое излучение, не давая ему нагреть содержимое. Это значительно снижает теплообмен путем излучения.

Пробка и корпус
Тепло может уходить (или поступать) через горлышко термоса и точки соприкосновения колбы с внешним корпусом. Для минимизации этих потерь пробка (крышка) изготавливается из материала с низкой теплопроводностью (например, пластика или пробки) и обеспечивает герметичное закрытие. Это предотвращает теплообмен через конвекцию (выход пара или движение воздуха) и снижает теплопроводность через верхнее отверстие. Внешний корпус (из металла или пластика) защищает хрупкую внутреннюю колбу, а точки контакта между колбой и корпусом делаются минимальными и из теплоизолирующих материалов, чтобы уменьшить прямую передачу тепла.

Совокупность этих элементов позволяет термосу эффективно изолировать его содержимое от внешней среды, сохраняя его температуру на протяжении многих часов.

Ответ: Термос устроен как сосуд с двойными стенками (колба), из пространства между которыми откачан воздух для создания вакуума, что предотвращает теплопередачу за счет теплопроводности и конвекции. Поверхности стенок, обращенные друг к другу, покрыты зеркальным (посеребренным) слоем для отражения теплового излучения. Сверху термос закрывается герметичной пробкой из теплоизолирующего материала для минимизации потерь тепла через горлышко.

1. Почему летом носят одежду светлых тонов?

1. Летом люди предпочитают носить одежду светлых тонов из-за ее физических свойств, связанных с взаимодействием с солнечным светом. Этот выбор помогает поддерживать комфортную температуру тела в жаркую погоду.

Основной источник тепла в летний день — это солнечное излучение. Цвет объекта, который мы воспринимаем, зависит от того, какие длины волн света он отражает, а какие поглощает. Поверхности темных цветов, особенно черного, поглощают большую часть падающего на них светового излучения. Эта поглощенная энергия преобразуется в тепло, из-за чего темная одежда сильно нагревается на солнце. В противоположность этому, поверхности светлых цветов, особенно белого, отражают большую часть солнечных лучей. Так как значительная доля энергии отражается, а не поглощается, светлая одежда нагревается гораздо слабее.

Таким образом, надевая одежду белых, бежевых, голубых и других светлых оттенков, человек минимизирует количество тепла, поглощаемого от солнца. Это позволяет телу меньше перегреваться и способствует лучшему самочувствию в жаркий день.

Ответ: Одежду светлых тонов носят летом, потому что светлые поверхности отражают большую часть солнечных лучей и, следовательно, меньше нагреваются. Это помогает избежать перегрева тела в жаркую 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 в основном из-за теплового излучения. Тепловое излучение — это электромагнитные волны (преимущественно в инфракрасном диапазоне), которые испускаются любым нагретым телом, в данном случае — пламенем и углями костра.

Ключевые свойства теплового излучения, объясняющие данный эффект:

1. Излучение распространяется в пространстве прямолинейно, подобно свету от лампочки.
2. Когда излучение встречает на своем пути какое-либо тело, оно частично поглощается им, а частично отражается. Человеческая ткань непрозрачна для инфракрасных лучей.

Когда вы выставляете руку между своим лицом и костром, она становится экраном (преградой) на пути прямолинейно распространяющихся тепловых лучей. Рука поглощает и отражает большую часть этой лучистой энергии, не давая ей достичь вашего лица. В результате область за рукой оказывается в "тепловой тени", и вы чувствуете облегчение от жара. Конечно, сама рука при этом нагревается, но она защищает более чувствительную кожу лица от прямого интенсивного теплового потока.

Ответ: Это возможно потому, что основная часть тепла от костра передается через тепловое излучение, которое распространяется прямолинейно. Рука, будучи непрозрачным телом, выступает в роли экрана, который блокирует (поглощает и отражает) эти тепловые лучи, не позволяя им достичь лица.