Что можно сжать больше физика 7 класс
Газы (окончание)
Главное свойство газа
Можно ли наполнить воздухом только половину воздушного шарика или мяча, если внутри него нет перегородок? Каждый, кто надувал шарик или накачивал мяч, знает, что нельзя: воздух заполняет весь шар или мяч. А вот заполнить, например, стакан водой только до половины — можно. Итак,
газ занимает весь предоставленный ему объём.
Сжимаемость газа
Мы уже отмечали, что сжать твёрдое тело или жидкость очень трудно. А газ сжать легко: в этом можно убедиться, сжимая руками не сильно накачанный мяч или воздушный шарик (рис. 7.3, а). Вот второе отличие газов от жидкостей и твёрдых тел:
газы легко сжимаемы.
Рис. 7.3. Сжимаемость газов и её объяснение: а — опыт показывает, что газ легко сжимаем; б — это свойство газа объясняется его молекулярным строением: расстояния между молекулами намного больше самих молекул
Чем объясняются свойства газа?
Сжимаемость газа означает, что
молекулы в газах расположены не вплотную друг к другу, а на некотором расстоянии.
Поэтому при сжатии сосуда с газом молекулы не «упираются» друг в друга, а уменьшаются только расстояния между молекулами.
А то, что газ заполняет весь предоставленный ему объём, означает, что
молекулы в газах хаотически движутся и слабо взаимодействуют друг с другом.
Действительно, не будучи связаны друг с другом и двигаясь хаотически во всех направлениях, молекулы газа разлетаются по всему сосуду.
На рис. 7.3, б схематически изображено расположение молекул в воздухе: опыты показывают, что среднее расстояние между молекулами примерно в 10 раз больше самих молекул.
§ 37. Давление газа
Мы уже знаем, что газы, в отличие от твёрдых тел и жидкостей, заполняют весь сосуд, в котором они находятся. Например, стальной баллон для хранения газов, камера автомобильной шины или волейбольный мяч. При этом газ оказывает давление на стенки, дно и крышку баллона, камеры или любого другого тела, в котором он находится. Давление газа обусловлено иными причинами, чем давление твёрдого тела на опору.
Известно, что молекулы газа беспорядочно движутся. При своём движении они сталкиваются друг с другом, а также со стенками сосуда, в котором находится газ (рис. 95). Молекул в газе много, потому и число их ударов очень велико. Например, число ударов молекул воздуха, находящегося в комнате, о поверхность площадью 1 см 2 за 1 с выражается двадцатитрёхзначным числом. Хотя сила удара отдельной молекулы мала, но действие всех молекул на стенки сосуда значительно, оно и создаёт давление газа.
Итак, давление газа на стенки сосуда (и на помещённое в газ тело) вызывается ударами молекул газа.
Рассмотрим следующий опыт. Под колокол воздушного насоса помещают завязанный резиновый шарик. Он содержит небольшое количество воздуха (рис. 96, а) и имеет неправильную форму. Затем насосом откачивают воздух из-под колокола. Оболочка шарика, вокруг которой воздух становится всё более разреженным, постепенно раздувается и принимает форму шара (рис. 96, б).
Как объяснить этот опыт?
В нашем опыте движущиеся молекулы газа непрерывно ударяют о стенки шарика внутри и снаружи. При откачивании воздуха число молекул в колоколе вокруг оболочки шарика уменьшается. Но внутри завязанного шарика их число не изменяется. Поэтому число ударов молекул о внешние стенки оболочки становится меньше, чем число ударов о внутренние стенки. Шарик раздувается до тех пор, пока сила упругости его резиновой оболочки не станет равной силе давления газа. Оболочка шарика принимает форму шара. Это показывает, что газ давит на её стенки по всем направлениям одинаково. Иначе говоря, число ударов молекул, приходящихся на каждый квадратный сантиметр площади поверхности, по всем направлениям одинаково. Одинаковое давление по всем направлениям характерно для газа и является следствием беспорядочного движения огромного числа молекул.
Попытаемся уменьшить объём газа, но так, чтобы масса его осталась неизменной. Это значит, что в каждом кубическом сантиметре газа молекул станет больше, плотность газа увеличится. Тогда число ударов молекул о стенки сосуда возрастёт, т. е. возрастёт давление газа. Это можно подтвердить опытом.
На рисунке 97, а изображена стеклянная трубка, один конец которой закрыт тонкой резиновой плёнкой. В трубку вставлен поршень. При вдвигании поршня объём воздуха в трубке уменьшается, т. е. газ сжимается (рис. 97, б). Резиновая плёнка при этом выгибается наружу, указывая на то, что давление воздуха в трубке увеличилось.
Наоборот, при увеличении объёма этой же массы газа число молекул в каждом кубическом сантиметре уменьшится. От этого уменьшится число ударов о стенки сосуда — давление газа станет меньше. Действительно, при вытягивании поршня из трубки объём воздуха увеличивается, плёнка прогибается внутрь сосуда (рис. 97, в). Это указывает на уменьшение давления воздуха в трубке. Такие же явления наблюдались бы, если бы вместо воздуха в трубке находился любой другой газ.
Итак, при уменьшении объёма газа его давление увеличивается, а при увеличении объёма давление уменьшается при условии, что масса и температура газа остаются неизменными.
Следовательно, давление газа в закрытом сосуде тем больше, чем выше температура газа, при условии, что масса газа и объём не изменяются.
Из этих опытов можно сделать общий вывод, что давление газа тем больше, чем чаще и сильнее молекулы ударяют о стенки сосуда.
Для хранения и перевозки газов их сильно сжимают. При этом давление их возрастает, газы приходится заключать в специальные, очень прочные стальные баллоны (рис. 98). В таких баллонах, например, содержат сжатый воздух в подводных лодках, кислород, используемый при сварке металлов.
Вопросы
1. Какие свойства газов отличают их от твёрдых тел и жидкостей?
2. Как объясняют давление газа на основе учения о движении молекул?
3. Как можно на опыте показать, что газ производит давление на стенки сосуда, в котором он находится?
4. Из чего можно заключить, что газ производит одинаковое давление по всем направлениям?
5. Почему давление газа увеличивается при сжатии и уменьшается при расширении?
6. Почему сжатые газы содержат в специальных баллонах?
Задание
Надуйте воздушный шарик и крепко его завяжите. Положите в любую ёмкость. Вначале облейте его водой, охлаждённой в морозильной камере (до 5°С), затем горячей водой (70°С). Дайте объяснение наблюдаемому явлению.
Ответы на вопросы к §37
Физика А.В. Перышкин
1. Какие свойства газов отличают их от твёрдых тел и жидкостей?
2. Как объясняют давление газа на основе учения о движении молекул?
3. Как можно на опыте показать, что газ производит давление на стенки сосуда, в котором он находится?
4. Из чего можно заключить, что газ производит одинаковое давление по всем направлениям?
5. Почему давление газа увеличивается при сжатии и уменьшается при расширении?
6. Почему сжатые газы содержат в специальных баллонах?
1. Газы занимают весь предоставленный им объем и принимают форму сосуда, в котором они находятся.
2. Молекулы газа, постоянно двигаясь, ударяют по стенкам сосуда, в котором находится газ.
3. Под колокол воздушного насоса поместить наполовину сдутый воздушный шарик. Откачивая воздух из-под колокола, можно заметить, что шарик увеличивается в размере. Это происходит за счет разности давлений внутри шарика и под колоколом.
4. Оболочка воздушного шарика при надувании принимает сферическую форму, что свидетельствует о том, что газ производит одинаковое давление по всем направлениям.
5. При сжатии концентрация молекул в единице объема газа увеличивается, они чаще соударяются. При расширении все происходит наоборот.
6. Сжатые газы следует держать в прочных баллонах, т.к. они оказывают очень большое давление на стенки сосудов, в которых находятся. При таких давлениях хрупкие емкости разрушаются.
Сила упругости. Закон Гука
Содержание
На все тела, которые находятся на Земле, действует сила тяжести. Все они стремятся под ее действием упасть вниз. Но не похоже, чтобы все в мире лежало на земле.
На еду в вашей тарелке действует сила тяжести, но она же не проваливается сквозь тарелку. На учебник на вашей парте тоже действует сила тяжести. Но стол от этого не придавливается к полу.
Значит, существует некая сила, уравновешивающая силу тяжести. В данном уроке мы узнаем, что же это за сила.
Определение силы упругости
Начнем с рассмотрения простого опыта (рисунок 1).
Рисунок 1. Деформация горизонтально расположенной доски, на которую поместили груз.
На два бруска положим доску. На доску поставим гирю. Мы увидим, что доска прогнется. Что же здесь происходит со стороны физики?
На гирю действует сила тяжести, она начинает двигаться вниз и прогибает доску. Доска деформируется из-за взаимодействия с гирей. Значит, возникает еще одна сила, с которой доска в ответ действует на гирю.
Сила тяжести, действующая на гирю, направлена вертикально вниз, а другая сила направлена вертикально вверх. Поэтому она и уравновесила силу тяжести. Нашу искомую силу называют силой упругости.
Сила упругости – это сила, возникающая в теле в результате его деформации и стремящаяся вернуть тело в исходное положение.
Сила упругости – векторная величина:
В ситуации на рисунке 1, опора (доска) прогибается. Чем сильнее этот прогиб, тем больше сила упругости. Когда сила упругости и сила тяжести становятся равны, то опора и тело останавливаются. Так они приходят в равновесие.
Виды деформации
Рассмотрим следующий случай (рисунок 2). Подвесим тело на нити.
Рисунок 2. Тело, подвешенное на нити.
В таких конструкциях нить часто называют подвесом. Когда мы подвесили тело, нить начала растягиваться – в ней возникла сила упругости.
Чем больше нить растягивается, тем больше становится сила упругости. Как и в случае с опорой, как только сила упругости станет равной силе тяжести, растяжение прекратится.
Получается, что сила упругости возникает при деформации тел. Если исчезает деформация, то исчезает и сила упругости.
Иногда после таких взаимодействий тело, испытывающее деформацию, меняет свои форму и размеры – происходит неупругая (пластическая) деформация. А иногда возвращается в исходное состояние. Тогда деформация называется упругой (рисунок 3).
Рисунок 3. Упругая и пластическая деформации.
Упругая деформация – это деформация, при которой после прекращения воздействия деформирующей силы тело полностью восстановило свою форму и объем.
Пластическая деформация – это деформация, сохраняющаяся после прекращения действия деформирующей силы.
Упругая деформация бывает различных видов:
Примеры деформации разных видов
1. Играем на гитаре – кратковременно растягиваем струны
2. Садимся в автомобиль – пружины подвески сжимаются
3. Сидим на тонкой доске – доска прогибается
4. Затягиваем шуруп – происходит кручение отвёртки (хоть мы и не видим деформацию отвёртки)
5. Двигаем расшатанный стул – происходит сдвиг сиденья относительно пола
Закон Гука
От чего же зависит сила упругости? Роберт Гук, современник Ньютона, ответил на этот вопрос (рисунок 8).
Рисунок 8. Английский физик и изобретатель Роберт Гук (1635-1703). Установил зависимость силы упругости от деформации тела.
Рассмотрим опыт, изображенный на рисунке 9.
Рисунок 9. Опыт на определение зависимости силы упругости от деформации тела.
Шнур изменил свою длину после наших действий. Это изменение (удлинение шнура) мы можем найти по формуле:
Этот опыт показывает, что
Изменение длины тела при растяжении или сжатии прямо пропорционально модулю силы упругости.
Так мы подошли к закону Гука:
$$F_ <упр>= k \Delta l$$
1. Какие свойства газов отличают их от твёрдых тел и жидкостей?
Газы занимают весь предоставленный им объем и принимают форму сосуда, в котором они находятся.
2. Как объясняют давление газа на основе учения о движении молекул?
Давление газа на стенки сосуда (и на помешенное в газ тело) вызывается ударами молекул газа.
3. Как можно на опыте показать, что газ производит давление на стенки сосуда, в котором он находится?
Для доказательства этого свойства рассмотрим опыт. Под колокол воздушного насоса поместим завязанный резиновый шарик, который содержит небольшое количество воздуха. Потом откачаем воздух из под колокола, тем самым уменьшим число молекул, которые ударяются о внешнюю оболочку шарика. При таком условии мы увидим, что шарик начинает надуваться, ведь число молекул воздуха, которые ударяются о внутренние стенки шарика, нс изменилось. Этот опыт показывает, что газ производит давление на стенки сосуда, в котором он находится.
4. Из чего можно заключить, что газ производит одинаковое давление по всем направлениям?
Обратившись вновь к нашему опыту, мы увидим, что шарик надувается, и принимает сферическую форму. Именно это показывает, что газ производит одинаковое давление по всем направлениям.
5. Почему давление газа увеличивается при сжатии и уменьшается при расширении?
Если изменить объем газа в котором он находится, но при этом концентрацию молекул и температуру оставить неизменной, то давление несомненно изменится. При уменьшении объема газа его давление увеличится, так как число ударов о стенки сосуда возрастет. А если, наоборот, увеличить объем, то давление соответственно уменьшится.
6. Почему сжатые газы содержат в специальных баллонах?
Для хранения и перевозки газов их сильно сжимают. Поэтому давление производимое ими на стенки сосуда, в который их заключают, очень велико. Из-за такого большого давления газы содержат в специальных баллонах, которые способны его выдержать.