Страница 99 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин

1. «Ледяной калориметр» (возможная форма: презентация, опыт, макет).

Что такое ледяной калориметр?

Ледяной калориметр — это прибор, предназначенный для измерения количества теплоты, выделяемого или поглощаемого в ходе какого-либо физического или химического процесса. Его действие основано на измерении массы льда, который плавится (или воды, которая замерзает) за счет исследуемого теплового эффекта. Этот тип калориметра был впервые предложен французскими учеными Антуаном Лавуазье и Пьером-Симоном Лапласом в 1780 году. Он позволяет с высокой точностью определять теплоемкости тел, теплоты фазовых переходов и тепловые эффекты химических реакций.

Ответ:ледяной калориметр — это прибор для измерения количества теплоты по массе растаявшего льда.

Устройство и принцип работы

Принцип работы ледяного калориметра основан на фундаментальном свойстве фазового перехода: плавление чистого льда происходит при строго постоянной температуре (0 °C или 273,15 К). Вся подводимая к тающему льду теплота ($Q$) идет не на его нагрев, а исключительно на разрушение кристаллической решетки, то есть на превращение льда в воду.

Количество теплоты, поглощенное льдом, прямо пропорционально массе растаявшей воды ($m_{воды}$):
$Q = \lambda \cdot m_{воды}$
где $\lambda$ — удельная теплота плавления льда, постоянная величина, равная примерно $3,34 \cdot 10^5 \frac{Дж}{кг}$.

Таким образом, измерив массу воды, образовавшейся в результате таяния льда, можно точно определить количество поглощенной теплоты.

Классический калориметр Лавуазье и Лапласа состоит из трех вложенных друг в друга металлических сосудов:

• Внутренний сосуд (камера): сюда помещается исследуемый объект (например, нагретое тело или реакционная смесь).
• Средний сосуд: он окружает внутренний и заполняется мелко наколотым тающим льдом. Тепло из внутреннего сосуда плавит этот лед. Образовавшаяся талая вода стекает через специальный кран в приемник, где ее массу можно измерить.
• Внешний сосуд: он выполняет роль теплоизолирующей "рубашки" и также заполняется тающим льдом. Его задача — защитить средний сосуд от притока тепла из окружающей среды. Таким образом, гарантируется, что таяние льда в среднем сосуде происходит только за счет тепла от объекта во внутреннем сосуде.

Ответ:принцип работы основан на измерении массы льда, растаявшего при постоянной температуре 0 °C, что позволяет по формуле $Q = \lambda \cdot m_{воды}$ найти количество поглощенной теплоты. Конструкция с тремя сосудами обеспечивает точное измерение за счет изоляции от внешней среды.

Пример опыта: Определение удельной теплоемкости

Рассмотрим, как с помощью ледяного калориметра можно определить удельную теплоемкость $c$ металлического образца.

Дано:

Исследуемое тело (например, стальной цилиндр).
Масса тела: $m_{тела}$ (измеряется весами).
Начальная температура тела: $t_{тела}$ (измеряется термометром, например, после нагрева в кипящей воде $t_{тела} \approx 100$ °C).
Масса растаявшей воды, собранной из калориметра: $m_{воды}$ (измеряется весами).
Температура плавления льда: $t_{плавл} = 0$ °C.
Удельная теплота плавления льда (табличное значение): $\lambda \approx 3,34 \cdot 10^5$ Дж/кг.

Найти:

Удельная теплоемкость вещества тела: $c$.

Решение:

Опыт основан на уравнении теплового баланса. Когда горячее тело помещают в калориметр, оно остывает до температуры 0 °C, отдавая количество теплоты $Q_{отд}$. Этот тепловой поток поглощается льдом в калориметре, который тает ($Q_{погл}$). В идеальной теплоизолированной системе $Q_{отд} = Q_{погл}$.

1. Количество теплоты, отданное телом при остывании:
$Q_{отд} = c \cdot m_{тела} \cdot (t_{тела} - t_{плавл})$
Поскольку $t_{плавл} = 0$ °C, формула упрощается:
$Q_{отд} = c \cdot m_{тела} \cdot t_{тела}$

2. Количество теплоты, необходимое для плавления массы льда $m_{воды}$:
$Q_{погл} = \lambda \cdot m_{воды}$

3. Приравниваем отданную и поглощенную теплоту, составляя уравнение теплового баланса:
$c \cdot m_{тела} \cdot t_{тела} = \lambda \cdot m_{воды}$

4. Из этого уравнения выражаем искомую удельную теплоемкость $c$:
$c = \frac{\lambda \cdot m_{воды}}{m_{тела} \cdot t_{тела}}$

Проведя измерения масс $m_{тела}$ и $m_{воды}$, а также начальной температуры тела $t_{тела}$, и используя табличное значение $\lambda$, можно рассчитать удельную теплоемкость вещества.

Ответ:удельная теплоемкость вещества рассчитывается по формуле $c = \frac{\lambda \cdot m_{воды}}{m_{тела} \cdot t_{тела}}$.

Идея для макета или упрощенного опыта

Создать действующий макет ледяного калориметра можно из доступных материалов.

Оборудование: термос с широким горлом, небольшая пробирка, мелко наколотый лед, электронные весы, нагретое тело (например, несколько крупных гаек), термометр.

Сборка и проведение опыта:

1. Наполните термос доверху мелко наколотым льдом. Лед должен быть тающим, то есть находиться при температуре 0 °C. Можно добавить немного холодной воды для лучшего контакта.
2. Аккуратно вдавите пробирку в центр льда. Пробирка будет играть роль внутренней камеры для исследуемого тела.
3. Подождите несколько минут, чтобы система пришла в тепловое равновесие. Термос будет выполнять роль и среднего, и внешнего сосуда, обеспечивая хорошую теплоизоляцию.
4. Взвесьте нагретое тело (гайки) $m_{тела}$ и измерьте его температуру $t_{тела}$ (например, после выдерживания в кипятке).
5. Быстро перенесите горячее тело в пробирку и закройте термос крышкой.
6. Дождитесь полного остывания тела. Тепло от него растопит часть льда, непосредственно прилегающего к пробирке.
7. Измерение массы талой воды: это самый сложный этап в упрощенной модели. Можно поступить так: по окончании процесса аккуратно вынуть пробирку с остывшим телом. Затем слить всю образовавшуюся в термосе воду (отделив ее от оставшегося льда) в заранее взвешенный стакан и определить ее массу $m_{воды}$. Этот метод имеет погрешность, так как трудно отделить только ту воду, что растаяла от горячего тела, от той, что могла быть там изначально или растаять по другим причинам.
8. Используя полученные данные, рассчитайте удельную теплоемкость по формуле из предыдущего пункта.

Ответ:макет можно собрать из термоса, пробирки и льда. Главная задача — аккуратно измерить массу воды, растаявшей в результате теплообмена с помещенным в пробирку горячим телом.

Преимущества и недостатки ледяного калориметра

Преимущества:

• Высокая точность: поскольку температура в калориметре постоянна (0 °C), исчезают погрешности, связанные с измерением изменения температуры и нелинейностью шкал термометров.
• Отличная термостабильность: внешняя ледяная "рубашка" поддерживает температуру 0 °C, что сводит к минимуму неконтролируемый теплообмен с окружающей средой.

Недостатки:

• Ограниченный диапазон: метод применим только для процессов, которые могут передать тепло льду, т.е. происходят при температурах выше 0 °C.
• Трудоемкость: подготовка калориметра, особенно получение чистого тающего льда и сборка, требует времени и аккуратности.
• Длительность измерений: необходимо дождаться полного завершения теплообмена и таяния льда.

Ответ:основное преимущество — высокая точность за счет постоянства температуры, а главный недостаток — ограниченность применения температурой выше 0 °C и трудоемкость.

2. «Опыт Франклина по изучению излучения и поглощения энергии сукном разного цвета» (возможная форма: презентация, опыт, реферат).

Опыт Франклина по изучению излучения и поглощения энергии сукном разного цвета

Этот классический эксперимент, проведенный американским ученым и политиком Бенджамином Франклином примерно в 1761 году, является одной из самых наглядных демонстраций в истории физики. Он просто и изящно показывает фундаментальную связь между цветом поверхности объекта и его способностью поглощать тепловую энергию от излучения, в данном случае — солнечного света.

Гипотеза. Франклин предположил, что темные поверхности должны поглощать больше солнечного света и, как следствие, сильнее нагреваться, в то время как светлые поверхности должны отражать большую часть падающего на них излучения и нагреваться слабее.

Проведение опыта. Для проверки своей гипотезы в ясный и солнечный зимний день Франклин взял несколько квадратных лоскутов шерстяной ткани (сукна). Все лоскуты были одинакового размера и толщины, но разных цветов: черный, темно-синий, зеленый, красный, желтый и белый. Он разложил эти образцы ткани на ровной поверхности свежевыпавшего, чистого снега и оставил их на несколько часов под прямыми лучами солнца.

Результаты и наблюдения. По прошествии некоторого времени результаты эксперимента стали очевидны и полностью подтвердили гипотезу. Лоскуты погрузились в снег на разную глубину. Черный лоскут, поглотивший наибольшее количество солнечной энергии, нагрелся сильнее всего и проплавил под собой снег, опустившись на максимальную глубину. Белый лоскут, отразивший почти все излучение, практически не нагрелся и остался лежать на поверхности снега. Остальные цветные лоскуты опустились на промежуточную глубину, которая была прямо пропорциональна темноте их цвета: чем темнее был цвет, тем глубже погружался лоскут.

Вывод и научное объяснение. Опыт однозначно показал, что темные тела поглощают больше лучистой энергии, а светлые — отражают. Физическая суть этого явления заключается во взаимодействии света с веществом. Видимый цвет объекта определяется теми длинами волн света, которые он отражает. Черный объект поглощает почти весь видимый свет, преобразуя его энергию в тепло. Белый объект, напротив, отражает почти весь падающий на него свет. Количество поглощенной теплоты ($Q_{погл}$) связано с энергией падающего излучения ($Q_{пад}$) через безразмерный коэффициент поглощения $\alpha$:$Q_{погл} = \alpha \cdot Q_{пад}$Для абсолютно черного тела $\alpha = 1$, а для идеально белого (зеркального) тела $\alpha = 0$. В опыте Франклина черный лоскут имел коэффициент поглощения, близкий к единице, а белый — близкий к нулю.

Практическое значение. Открытие Франклина имеет огромное и разнообразное практическое применение. Оно объясняет, почему для защиты от перегрева в солнечный день рекомендуется носить одежду светлых тонов, а зимой темная одежда помогает лучше согреться. Этот же принцип используется в строительстве (белые «прохладные крыши» в жарких странах), в гелиоэнергетике (рабочие поверхности солнечных коллекторов и батарей делают черными для максимального поглощения энергии), а также играет ключевую роль в глобальной климатической системе Земли через эффект альбедо (отражающей способности) снежных и ледяных покровов планеты.

Ответ: Опыт Бенджамина Франклина доказывает, что темные поверхности поглощают солнечное излучение значительно интенсивнее, чем светлые. Поглощающая способность тела напрямую зависит от его цвета: чем темнее цвет, тем больше энергии поглощается и преобразуется в тепло, а чем светлее — тем больше энергии отражается.

3. «Моя умная теплица» (возможная форма: презентация, реферат, макет).

Проект «Моя умная теплица» представляет собой разработку автоматизированной системы для выращивания растений, которая самостоятельно поддерживает оптимальные условия микроклимата. Ниже представлено развернутое описание проекта, которое можно использовать для подготовки реферата, презентации или создания макета.

Концепция и актуальность проекта

Основная идея проекта — создать полностью или частично автономную теплицу, управление которой осуществляется с помощью микроконтроллера на основе данных, получаемых от различных датчиков. Система призвана минимизировать участие человека в процессе ухода за растениями, обеспечивая их всем необходимым для здорового роста и развития: светом, водой, теплом и вентиляцией.

Актуальность проекта обусловлена несколькими факторами:

• Рациональное использование ресурсов: автоматический полив и освещение по необходимости значительно снижают расход воды и электроэнергии.
• Повышение урожайности: поддержание идеальных условий 24/7 способствует более быстрому росту и обильному плодоношению растений.
• Доступность: такая система позволяет заниматься растениеводством даже очень занятым людям или тем, кто часто уезжает.
• Образовательная ценность: создание «умной теплицы» является отличной практикой в области программирования, электроники и биологии.

Ответ: Концепция проекта заключается в создании автоматизированной теплицы для эффективного выращивания растений с минимальным вмешательством человека, что актуально ввиду необходимости экономии ресурсов и повышения урожайности.

Архитектура системы «Умная теплица»

Система состоит из трех основных блоков: управляющего центра, датчиков (органов чувств) и исполнительных устройств (органов действия).

1. Управляющий центр (мозг): В качестве контроллера может выступать платформа Arduino или микрокомпьютер Raspberry Pi. Он получает, обрабатывает информацию с датчиков и отдает команды исполнительным механизмам.
2. Датчики (сенсоры):
   • Датчик температуры и влажности воздуха (DHT11/DHT22): измеряет параметры микроклимата внутри теплицы.
   • Датчик влажности почвы: погружается в грунт и определяет необходимость полива.
   • Датчик освещенности (фоторезистор или модуль с люксметром): определяет уровень естественного света и решает, нужно ли включать искусственное освещение.
   • Датчик уровня воды: устанавливается в резервуаре для полива и сигнализирует о необходимости пополнить запасы воды.
3. Исполнительные устройства (актуаторы):
   • Система полива: небольшой водяной насос, подключенный к системе шлангов (чаще всего используется капельный полив для экономного расхода).
   • Система вентиляции: сервопривод для открытия/закрытия форточки или кулер (вентилятор) для принудительной циркуляции воздуха.
   • Система освещения: светодиодные фитолампы, которые включаются при недостатке солнечного света.
   • Система подогрева: небольшой нагревательный элемент (например, резистивный или инфракрасный), включающийся при падении температуры ниже заданного порога.

Ответ: Архитектура системы включает центральный контроллер (например, Arduino), набор датчиков (температуры, влажности, света, уровня воды) и исполнительные механизмы (полив, вентиляция, освещение, обогрев).

Алгоритм работы и логика управления

Контроллер работает по циклическому алгоритму, в котором заданы пороговые значения для каждого параметра.

1. Контроллер считывает показания со всех датчиков.
2. Сравнивает полученные данные с заданными в программе оптимальными значениями (например, температура 20-25°C, влажность почвы 60-70%).
3. На основе сравнения принимает решение:

• Если влажность почвы ниже порога → включить насос для полива на определенное время.
• Если температура выше порога → включить вентилятор или открыть форточку.
• Если температура ниже порога → включить обогреватель.
• Если освещенность ниже порога (и текущее время соответствует "дню") → включить фитолампы.

Для более "умного" управления можно учитывать комплексные факторы. Например, интенсивность полива может зависеть не только от влажности почвы, но и от температуры воздуха. Расчет потребляемой энергии для освещения можно провести по формуле:

$E = P \cdot t$

где $E$ – потребленная энергия (в кВт⋅ч), $P$ – мощность лампы (в кВт), $t$ – время работы (в часах). Это позволяет оценить экономическую эффективность системы.

Ответ: Алгоритм работы основан на циклическом опросе датчиков и сравнении их показаний с заданными пороговыми значениями, после чего контроллер активирует необходимые исполнительные устройства для поддержания оптимальных условий.

Формы реализации проекта (презентация, реферат, макет)

Данный проект можно представить в нескольких форматах:

• Презентация:
  Структура может включать слайды: титульный лист, актуальность и цели, схема устройства "умной теплицы", подробное описание каждого компонента, блок-схема алгоритма работы, демонстрация преимуществ, выводы и перспективы развития (например, добавление удаленного управления через интернет).
• Реферат:
  Письменная работа с более глубоким теоретическим обоснованием. Структура: введение (цели, задачи, актуальность), основная часть (глава 1: обзор существующих решений; глава 2: проектирование аппаратной части; глава 3: разработка программного обеспечения и алгоритма), заключение (выводы, результаты), список литературы.
• Макет:
  Наиболее наглядная форма. Создается миниатюрная модель теплицы (например, из оргстекла или прозрачного пластикового контейнера) с установленными реальными компонентами: контроллером, датчиками, насосом, светодиодами и вентилятором. Макет позволяет вживую продемонстрировать работу всех систем: например, полить землю, чтобы насос отключился, или посветить фонариком на датчик света, чтобы фитолампы погасли.

Ответ: Проект можно представить в виде презентации со схемами и описанием, подробного реферата с теоретическим обоснованием или действующего физического макета, демонстрирующего работу всех автоматизированных систем.