Физическая викторина. Теплота и молекулярная физика. Теплообмен, расширение тел от нагревания
* Задачи, не требующие для решения эксперимента, отмечены звездочкой. Решая такие задачи, можно использовать рисунки (если они есть в задании), выводя их на экран.
1. Толстый гвоздь плотно обернуть полоской бумаги и внести его в пламя свечи (рис.). Бумага не горит. Объяснить явление.
2. На цинковую пластинку 1 положить тонкий лист слюды 2. Нагреть изогнутую в дугу латунную полоску 3 и положить ее на середину слюды (рис.). Если пластинку слегка толкнуть, то она начинает колебаться. Колебание будет продолжаться длительное время. Объяснить явление.
3*. В каком случае для нагревания металлического шара до одной и той же температуры потребуется больше энергии: если шар висит на нити или если он лежит на подставке? Считать, что подставка и нить энергию не поглощают.
4. Тело, плавающее в холодной воде и тонущее в горячей. В небольшую пробирку положить несколько дробинок и заткнуть ее пробкой. Количество дроби и величину выступающей части пробки отрегулировать так, чтобы пробирка в воде, нагретой до 40°С, медленно погружалась. Такая пробирка тонет в горячей воде, нагретой выше 40°С, и плавает в холодной. Объяснить явление.
5*. Два сообщающихся сосуда наполнены однородной жидкостью (рис.). Изменится ли уровень жидкости в сосуде Б, если нагреть жидкость в сосуде А? Рассмотреть три случая: а) сосуд А цилиндрический; б) сосуд А расширяющийся; в) сосуд А сужающийся.
6. В сосуд с подкрашенной водой опустить изогнутую в виде прямоугольника трубку, наполненную чистой водой (рис.). При нагревании нижнего колена трубки вода из сосуда поднимается в трубку. Объяснить явление.
7. В стакан поставить зажженный огарок свечи. На верхний край стакана положить несколько сложенных стопкой и намоченных в воде бумажных колец, внутренний диаметр которых немного меньше диаметра стакана. Осторожно поставить на эти прокладки второй перевернутый стакан и прижать его к бумаге (рис.). Свеча вскоре потухнет. Взяв рукой за верхний стакан, поднять его. Вместе с ним поднимается и прилипший к нему нижний стакан. Объяснить явление.
8. Оба конца стеклянной трубки длиной 15 см закрыть картофельными пробками, полученными погружением концов трубки в пластинку толщиной 1,5 см, вырезанную из картофеля (рис.).
Нагреть середину трубки в пламени спиртовки. Пробки вылетят. Объяснить явление.
Примечание. Прибор заслонить от зрителей куском оконного стекла.
9*. Два шара с объемами V1 и V2, наполненные воздухом при 0° С, соединены трубкой, в которой помещен столбик ртути (рис.). Будет ли перемещаться этот столбик при изменении окружающей температуры? Рассмотреть два случая: 1) трубка горизонтальная; 2) трубка вертикальная. Расширением шаров при нагревании пренебречь.
10*. Будет ли гореть спичка, зажженная внутри искусственного спутника, движущегося по орбите вокруг Земли?
11. Горящую свечу накрыть ламповым стеклом — свеча гаснет. Опыт повторить, предварительно вставив внутрь стекла Т-образную перегородку из жести,— свеча продолжает гореть. Объяснить явление (рис.).
12. Взять банку с плотной крышкой и небольшой пузырек. Пузырек, наполовину наполненный водой, плотно закрыть пробкой, в которую вставить трубку так, чтобы ее нижний конец почти доходил до дна пузырька. Пузырек поставить на внутреннюю поверхность крышки, положенной верхней стороной на стол. На крышку надеть резиновое кольцо-прокладку (рис.).
Банку некоторое время подержать отверстием вниз над пламенем свечи или спиртовки и затем плотно насадить на крышку так, чтобы пузырек оказался внутри банки. Банку утяжелить грузом в 30—50 Н. Из пузырька начнет бить фонтанчик воды. Объяснить явление.
Ответы
1. Железо, обладая хорошей теплопроводностью, отводит тепло от бумаги, поэтому она не загорается.
2. Под латунной пластинкой слюда нагревается и образует выпуклость, в результате чего пластинка наклоняется в одну сторону, затем слюда прогревается в другом месте, пластинка перемещается обратно и т. д.
Цинковый лист под слюдой охлаждает ее, поэтому пластинка в каждый момент касается холодного места слюды и, нагревая, деформирует его. Если бы цинкового листа не было, то слюда быстро бы нагрелась и колебание пластинки прекратилось.
3. Для нагревания шара, лежащего на подставке, потребуется больше энергии, так как при расширении от нагревания центр тяжести этого шара перемещается вверх, при этом увеличивается потенциальная энергия шара.
У висящего на нити шара центр тяжести при нагревании понижается, и поэтому для его нагревания необходимо затратить меньшую энергию.
4. Нагреваясь, вода расширяется, ее плотность становится меньше, чем у холодной воды. Средняя плотность пробирки больше плотности горячей воды и меньше плотности холодной воды. Поэтому в горячей воде она тонет, а в холодной плавает.
5. а) Пусть при нагревании жидкости в цилиндрическом сосуде А ее уровень повысится на h см. При этом ее сила тяжести, а также гидростатическое давление в сечении mn соединительной трубки останутся неизменными. Поэтому уровень жидкости в сосуде Б также не изменится.
б) При нагревании жидкости в расширяющемся сосуде А ее уровень поднимется на высоту, меньшую чем h см, следовательно, и ее гидростатическое давление в сечении mn будет меньше, чем в первом случае. Поэтому уровень жидкости в сосуде Б понизится.
в) Так же можно доказать, что если сосуд А сужающийся, то уровень жидкости в сосуде Б повысится.
6. Нагретые слои воды, расширяясь, становятся легче окружающих холодных слоев, поэтому всплывают вверх и вытесняют вниз холодные слои. Происходит циркуляция воды (конвекция).
7. Пламя свечи нагревает воздух в стакане, он расширяется, и часть его выходит наружу. После того как свеча погаснет, воздух в стакане охлаждается, его давление становится меньше атмосферного. Поэтому внешнее атмосферное давление прижимает один стакан к другому.
8. При нагревании воздуха в трубке давление его увеличивается, он расширяется и выталкивает пробки.
9. Приращения давлений воздуха в шарах при нагревании на Δt градусов равны:
Δp = (p0 / 273)Δt,
Δp' = (p'0 / 273)Δt.
При горизонтальном расположении трубки p0=p'0, следовательно, Δp = Δp', столбик ртути останется в покое.
При вертикальном расположении трубки p'0=p0 + р, где p'0 — давление воздуха в нижнем, p0 — в верхнем шаре и p — давление столбика ртути.
Очевидно, p'0 > p0 и, следовательно, Δр' > Δр. Столбик ртути начнет подниматься вверх.
10. Все предметы внутри спутника находятся в состоянии невесомости. Поэтому конвекции воздуха внутри спутника не будет и продукты сгорания, скопляясь около пламени, погасят его.
11. Перегородка делит ламповое стекло на две части. По одной из них перемещаются вверх теплые струи воздуха, содержащие продукты горения, а по другой вниз — холодные. Таким образом, улучшаются условия доступа к свече кислорода и горение становится возможным.
12. Так как воздух в банке нагревается, то часть его выходит из нее. После того как банку насадят на крышку, давление воздуха в ней из-за охлаждения станет меньше, чем в пузырьке. Поэтому воздух, находящийся в пузырьке, выгонит воду из него.