Ответьте на вопросы, страница 11 - гдз по физике 8 класс учебник Закирова, Аширов

Ответьте на вопросы

1. Почему термометры должны быть по размеру меньше, чем тела, температуру которых определяют?

2. Почему врач определяет показание термометра не раньше, чем через 5–7 минут после начала измерения?

3. Почему жидкости, которые используют в термометрах, должны расширяться сильнее, чем стекло?

4. Почему изменение температуры по шкале Цельсия и по шкале Кельвина совпадают по значению? Какие доказательства данному утверждению вы можете представить?

1. Почему термометры должны быть по размеру меньше, чем тела, температуру которых определяют?

Измерение температуры — это процесс установления теплового равновесия между термометром и телом, температуру которого измеряют. При контакте между ними происходит теплообмен. Если термометр будет иметь большую массу и теплоемкость по сравнению с измеряемым телом, то он отберет у тела (или отдаст ему) значительное количество теплоты. Это приведет к заметному изменению температуры самого тела, и в результате термометр покажет не истинную первоначальную температуру, а некое усредненное значение для системы «тело-термометр». Чтобы погрешность измерения была минимальной, термометр должен быть достаточно маленьким, чтобы его собственная теплоемкость была пренебрежимо мала по сравнению с теплоемкостью тела. В этом случае он не сможет существенно повлиять на температуру измеряемого объекта.

Ответ: Термометр должен быть меньше измеряемого тела для того, чтобы при достижении теплового равновесия он не изменял существенно температуру этого тела, что обеспечивает точность измерения.

2. Почему врач определяет показание термометра не раньше, чем через 5–7 минут после начала измерения?

Для точного измерения температуры необходимо, чтобы термометр и тело человека достигли состояния теплового равновесия, то есть их температуры сравнялись. Когда относительно холодный термометр помещают в контакт с телом (например, под мышку), начинается процесс теплопередачи от тела к термометру. Рабочая жидкость в термометре (ртуть, галинстан) или его электронный датчик нагреваются, и показания прибора начинают расти. Этот процесс не является мгновенным и требует времени. Интервал 5–7 минут для ртутного или галинстанового термометра — это эмпирически определенное среднее время, за которое тепловой поток практически прекращается, и температура термометра стабилизируется, достигая значения температуры тела. Снятие показаний раньше этого времени приведет к заниженному результату.

Ответ: Врач ждет 5–7 минут, чтобы дать термометру и телу пациента время для достижения теплового равновесия, что является необходимым условием для получения точного значения температуры.

3. Почему жидкости, которые используют в термометрах, должны расширяться сильнее, чем стекло?

Работа жидкостного термометра основана на явлении теплового расширения веществ. При повышении температуры расширяются все части термометра: и жидкость в резервуаре, и само стекло, из которого сделаны резервуар и капиллярная трубка. Мы наблюдаем подъем столбика жидкости потому, что коэффициент теплового расширения жидкости (например, спирта или ртути) значительно больше, чем у стекла. Это означает, что при одинаковом нагреве объем жидкости увеличивается намного сильнее, чем внутренний объем стеклянной оболочки. Эта разница в расширении и заставляет «избыток» жидкости подниматься по узкому капилляру. Если бы жидкость и стекло расширялись одинаково, уровень жидкости не менялся бы, и прибор был бы бесполезен.

Ответ: Чтобы при нагревании уровень жидкости в капилляре термометра заметно поднимался, необходимо, чтобы объемное расширение жидкости было значительно сильнее, чем расширение стеклянного корпуса термометра.

4. Почему изменение температуры по шкале Цельсия и по шкале Кельвина совпадают по значению? Какие доказательства данному утверждению вы можете представить?

Решение

Шкала температур Цельсия ($t$, измеряется в $°C$) и абсолютная шкала температур Кельвина ($T$, измеряется в $K$) связаны простым соотношением:

$T(K) = t(°C) + 273.15$

Это соотношение показывает, что шкалы сдвинуты друг относительно друга на 273.15 единиц, но размер единицы измерения (градуса) на обеих шкалах одинаков. То есть, один градус Цельсия ($1 °C$) как интервал температуры в точности равен одному кельвину ($1 K$).

Докажем, что изменение температуры ($ \Delta $) на обеих шкалах одинаково. Пусть температура тела изменилась от начального значения $t_1$ до конечного $t_2$.

Изменение температуры по шкале Цельсия: $ \Delta t = t_2 - t_1 $.

Соответствующие значения по шкале Кельвина будут $ T_1 = t_1 + 273.15 $ и $ T_2 = t_2 + 273.15 $.

Изменение температуры по шкале Кельвина: $ \Delta T = T_2 - T_1 = (t_2 + 273.15) - (t_1 + 273.15) = t_2 - t_1 $.

Следовательно, $ \Delta T = \Delta t $. Численные значения изменения температуры совпадают.

В качестве доказательства можно привести числовой пример. Пусть вода нагрелась от $t_1 = 10 °C$ до $t_2 = 50 °C$. Изменение температуры составило $ \Delta t = 50 °C - 10 °C = 40 °C$.

В кельвинах это будет:

$T_1 = 10 + 273.15 = 283.15 K$

$T_2 = 50 + 273.15 = 323.15 K$

Изменение температуры в кельвинах: $ \Delta T = 323.15 K - 283.15 K = 40 K$.

Как мы видим, $ \Delta t = 40 °C $ и $ \Delta T = 40 K $, значения изменений совпадают.

Ответ: Изменение температуры по шкале Цельсия и по шкале Кельвина совпадает по значению, так как размер одного градуса Цельсия по определению равен размеру одного кельвина. Шкалы отличаются только положением нулевой отметки, что при вычислении разности (изменения) температур нивелируется.