Номер 1, страница 10 - гдз по физике 8 класс учебник Закирова, Аширов

Подготовьте сообщение по темам (на выбор):

1. «Теория броуновского движения в реальной жизни» или «Как вести себя, если блуждаешь в поле или в лесу».

2. «Диффузия в быту и технике».

3. Из жизни ученого (Р. Клаузиус, Дж. Джоуль, Дж. Максвелл, Л. Больцман, М. Ломоносов, Р. Броун, Ж. Перрен, А. Эйнштейн).

«Теория броуновского движения в реальной жизни»

Броуновское движение — это беспорядочное, хаотическое движение микроскопических частиц, взвешенных в жидкости или газе. Это явление было впервые замечено в 1827 году шотландским ботаником Робертом Броуном, который наблюдал в микроскоп за движением пыльцевых зерен в воде. Он увидел, что частицы постоянно и хаотично перемещаются, но не смог объяснить причину этого движения.

Полное теоретическое объяснение броуновского движения было дано Альбертом Эйнштейном в 1905 году. Он предположил, что видимое движение частиц пыльцы вызвано их постоянными столкновениями с невидимыми, но непрерывно движущимися молекулами воды. Молекулы жидкости ударяют по взвешенной частице со всех сторон. Если частица достаточно мала, то удары не уравновешивают друг друга в каждый момент времени, что приводит к ее случайному перемещению. Эта теория стала одним из самых веских доказательств существования атомов и молекул.

Проявления броуновского движения в реальной жизни многочисленны:

1. Движение пылинок в солнечном луче: Маленькие частицы пыли, видимые в столбе света, совершают беспорядочные «танцующие» движения. Это происходит не только из-за потоков воздуха, но и из-за непрерывных ударов молекул воздуха (азота, кислорода и др.) по этим пылинкам.

2. Распространение загрязнителей: На микроуровне распространение дыма в воздухе или загрязняющих веществ в воде подчиняется законам броуновского движения, которое является основой более масштабного процесса — диффузии.

3. Биологические процессы: Внутри живых клеток различные органеллы и крупные белковые молекулы находятся в постоянном броуновском движении. Это случайное перемещение играет важную роль, например, помогая ферментам и их субстратам «найти» друг друга для вступления в биохимическую реакцию.

4. Финансовые рынки: Математические модели, описывающие броуновское движение (например, винеровский процесс), широко используются в финансовой математике для моделирования случайных колебаний цен на акции, валют и других активов. Знаменитая модель Блэка-Шоулса для оценки опционов основана на этих принципах.

Ответ: Броуновское движение, представляющее собой хаотическое движение микрочастиц в жидкости или газе из-за столкновений с молекулами среды, находит проявления в таких явлениях, как движение пылинок в луче света, распространение загрязнителей, внутриклеточные процессы и даже в моделях для анализа финансовых рынков, подтверждая атомарное строение вещества.

«Диффузия в быту и технике»

Диффузия — это процесс взаимного проникновения молекул или атомов одного вещества между молекулами или атомами другого, приводящий к самопроизвольному выравниванию их концентраций по всему занимаемому объёму. В основе диффузии лежит тепловое, хаотическое движение частиц вещества. Этот процесс играет огромную роль как в нашей повседневной жизни, так и в современных технологиях.

Примеры диффузии в быту:

1. Распространение запахов: Аромат духов, кофе или свежей выпечки распространяется по комнате именно благодаря диффузии. Молекулы пахучего вещества перемещаются из области высокой концентрации (от источника запаха) в область низкой концентрации, пока не заполнят все доступное пространство.

2. Приготовление пищи и напитков: Когда мы завариваем чай, молекулы красителей и ароматизаторов из чайных листьев диффундируют в горячую воду. Точно так же происходит растворение сахара или соли в воде — их частицы равномерно распределяются по всему объему жидкости.

3. Дыхание: Жизненно важный процесс газообмена в легких основан на диффузии. Кислород из воздуха в альвеолах (где его концентрация высока) проникает через их стенки в кровь (где его концентрация ниже). Одновременно углекислый газ, наоборот, диффундирует из крови в альвеолы для последующего выдоха.

4. Засолка и маринование: При засолке овощей или мариновании мяса частицы соли и специй проникают вглубь продукта, равномерно распределяясь в нем.

Примеры диффузии в технике:

1. Производство полупроводников: Диффузия является ключевым процессом при создании электронных компонентов, таких как транзисторы и диоды. В кремниевую пластину при высокой температуре «вгоняют» атомы других элементов (легирующих примесей, например, бора или фосфора), чтобы изменить ее электрические свойства в нужных областях и создать p-n-переходы.

2. Металлургия: Для упрочнения поверхности стальных деталей используют процесс цементации (науглероживания) — диффузии атомов углерода в поверхностный слой металла. Это делает поверхность твердой и износостойкой, сохраняя вязкую сердцевину. Сварка и пайка также основаны на взаимной диффузии атомов на границе соединения металлов.

3. Химическая промышленность: Разделение смесей веществ (например, при переработке нефти) в ректификационных колоннах, а также процессы абсорбции и экстракции основаны на законах диффузии.

4. Медицина: Работа аппарата «искусственная почка» (гемодиализ) основана на диффузии вредных веществ из крови пациента через полупроницаемую мембрану в специальный раствор. Трансдермальные пластыри доставляют лекарство в организм с контролируемой скоростью за счет диффузии активного вещества через кожу.

Ответ: Диффузия — фундаментальный процесс, основанный на тепловом движении частиц, который широко распространен как в быту (распространение запахов, заваривание чая, дыхание), так и в ключевых технологических процессах (производство полупроводников, металлургия, медицина, химическая промышленность).

Из жизни ученого (А. Эйнштейн)

Альберт Эйнштейн (1879–1955) — физик-теоретик, один из основателей современной физики. Его имя стало синонимом гениальности, а его работы кардинально изменили представления человечества о пространстве, времени, гравитации и устройстве Вселенной. Особое место в его наследии занимает 1905 год, который вошел в историю науки как «год чудес» (annus mirabilis).

В 1905 году, будучи 26-летним служащим патентного бюро в Берне, Эйнштейн опубликовал четыре статьи, каждая из которых заслуживала Нобелевской премии и заложила основы новых направлений в физике:

1. Теория фотоэффекта: Он предположил, что свет состоит из отдельных порций энергии — квантов (позже названных фотонами). Эта работа стала основополагающей для квантовой теории.

2. Специальная теория относительности (СТО): Эйнштейн сформулировал два постулата: о постоянстве скорости света и о равноправии всех инерциальных систем отсчета. Из СТО вытекали такие революционные следствия, как замедление времени и сокращение длины при движении с околосветовыми скоростями.

3. Масса и энергия: В качестве дополнения к СТО он вывел знаменитую формулу $E=mc^2$, устанавливающую эквивалентность массы и энергии.

4. Теория броуновского движения: Эта работа имела колоссальное значение, поскольку предоставила неопровержимые доказательства существования атомов и молекул, что в то время все еще оспаривалось некоторыми учеными. Эйнштейн математически описал хаотическое движение микроскопических частиц в жидкости, связав его со столкновениями с молекулами самой жидкости. Он вывел уравнение, которое позволяло вычислить размер молекул и число Авогадро, зная наблюдаемые параметры движения частиц. Формула для среднего квадрата смещения частицы за время $t$ выглядела так:

$ \langle x^2 \rangle = \frac{RT}{N_A} \frac{t}{3\pi\eta r} $

Здесь $ \langle x^2 \rangle $ — средний квадрат смещения, $R$ — универсальная газовая постоянная, $T$ — абсолютная температура, $N_A$ — число Авогадро, $\eta$ — вязкость жидкости, а $r$ — радиус частицы. Экспериментальная проверка, проведенная французским физиком Жаном Перреном, блестяще подтвердила теорию Эйнштейна и окончательно утвердила в науке молекулярно-кинетическую теорию.

Таким образом, работа Эйнштейна о броуновском движении не только объяснила давнюю загадку, но и послужила мостом между макроскопическим миром, доступным для наблюдения, и микроскопическим миром атомов и молекул.

Ответ: В 1905 году, в свой «год чудес», Альберт Эйнштейн, помимо создания теории относительности и квантовой теории света, представил математическое объяснение броуновского движения, что стало решающим доказательством существования атомов и позволило рассчитать их характеристики, навсегда изменив облик физической науки.