Вода нагревается в сосуде с помощью спиртовки

#хакнем_физика ???? рубрика, содержащая интересный, познавательный контент по физике как для школьников, так и для взрослых ????

Если решая математические задачи, следует руководствоваться только условиями, в том числе и неявно заданными (например: находя градусную меру одного из смежных углов в случаях, когда известна градусная мера другого, непременной частью условия является значение суммы градусных мер смежных углов, равной 180 град.), то при решении физических задач следует учитывать ВСЕ физические явления и процессы, влияющие на результат рассматриваемой в задаче ситуации.

Вот для примера известная и часто встречающаяся во многих учебниках и сборниках задач, в том числе и олимпиадных (и не только для семиклассников) по физике.

ЗАДАЧА

В стакане с водой плавает кусок льда. Изменится ли уровень воды, когда лёд растает?

Прежде чем продолжить чтение, предлагаю читателю дать (хотя бы для себя) обоснованный ответ на вопрос задачи…

В «Сборнике вопросов и задач по физике» [Н.И. Гольдфарб, изд. 2, «Высшая школа», М.: 1969] эта задача, помещённая как часть № 10.7 на стр. 48, на стр.193 приводится ответ:

«Лёд вытесняет воду, вес которой равен весу льда. Когда лёд растает, образуется такое же количество воды, поэтому уровень не изменится».

Такой же ответ приводится и во многих других сборниках…

А вот в популярнейшем и по сей день, выдержавшим множество изданий трёхтомнике «Элементарный учебник физики» под редакцией академика Г.С. Ландсберга [т. I, изд. 7, стереотипное, «Наука», М.: 1971] ответа на эту задачу (№ 162.2, стр. 351) не приводится. И это не случайно!

Что же не учтено в вышеприведённом ответе? Правильно! Не учтено, что при таянии льда вода в стакане охлаждается — именно поэтому мы и бросаем туда кусочек льда!

Вот как должен выглядеть правильный ответ:

«При таянии льда вода в стакане охлаждается. При охлаждении все вещества уменьшаются в объёме. Однако вода, единственная из всех известных веществ, имеет наибольшую плотность при температуре +4 град. С, а это значит, что при дальнейшем охлаждении данная масса воды увеличивается в объёме, что, как мне это было известно из курса природоведения в 5 классе (1961/1962 учебный год), является условием сохранения жизни на Земле, поскольку позволяет достаточно глубоким водоёмам не промерзать до самого дна!).

При этом возможно три варианта развития ситуации:

I. Если температура воды до начала таяния льда была выше 4 град. С и, хотя и понизилась после таяния льда, но осталась выше этой температуры, то уровень воды в стакане уменьшится.

II. Если температура воды до начала таяния льда была ниже 4 град. С, а после таяния льда ещё и уменьшилась, то уровень воды в стакане увеличится.

III. В случае, когда начальная температура воды была выше 4 град. С, а после того как лёд растаял, оказалась ниже этой температуры, то об уровне ничего определённого сказать нельзя — нужны конкретные данные о температуре и массе воды и льда, чтобы дать точный ответ на вопрос задачи!».

С этой задачей связана для меня одна интересная история.

Лет 15 назад во дворе дома, в котором я живу, ко мне с грустным выражением лица подошёл паренёк по имени Серёжа и попросил помочь подготовиться к предстоящей ему завтра апелляции по физике в нашем Политехническом институте (ныне Технический университет).

Поскольку времени было слишком мало, то я ограничился советом: если, по его мнению, апелляция пройдёт не очень удачно, и надежды исправить тройку на вступительном экзамене не будет, то попросить экзаменатора ответить на вопрос этой задачи и заставил его дословно вызубрить приведённый выше ответ и даже отработал с ним интонацию изложения этого ответа. На следующий вечер он подошёл ко мне с достаточно счастливым видом.

Вот его рассказ, каким я его запомнил:

«Всё получилось так, как Вы и хотели. Апелляцию проводили два человека: профессор и ассистент кафедры общей физики института. Мне выпало общаться с ассистентом, а профессор в это время общался с другим абитуриентом.

В ответ на мою просьбу ответить на мой вопрос ассистент слегка улыбнувшись сказал: «Пожалуйста…».

«После того, как я проговорил условие задачи, ассистент, широко улыбнувшись, произнёс: «Ну, это известная задача. Уровень воды не изменится — это следует из закона Архимеда: плавающий лёд вытесняет массу воды, равную массе льда. Образовавшаяся при таянии льда вода заполнит тот объём, который занимал в воде плавающий лёд…».

«Позвольте с Вами не согласиться», — начал я и затем совершенно спокойно слово в слово пересказал заготовленный нами ответ…

В это время профессор жестом остановил своего абитуриента и стал внимательно меня слушать…

Когда я закончил, возникла небольшая пауза…Профессор, обращаясь к ассистенту спросил: «Что скажешь?».

«Кажется, всё верно», — неуверенно ответил тот, на что профессор сказал, что никогда ещё не слышал столь аргументированного ответа, после чего, уже обращаясь ко мне, добавил: «Молодой человек, мы, к сожалению, не можем поднять Вам оценку сразу на два балла, но четвёрку Вы очевидно заслужили!»».

Мне остаётся лишь добавить, что Серёжа был зачислен студентом!…

Наши читатели могут поделиться своим мнением по поводу решения задачи. Если вам было интересно, не забудьте подписаться на наш канал и хэштег #хакнем_физика

Автор: #себихов_александр 71 год, много лет проработал конструктором-технологом микроэлектронных приборов и узлов в одном из НИИ г. Саратова, затем преподавателем математики и физики.

Другие статьи автора:

Вы читаете контент канала “Хакнем Школа”. Подпишитесь на наш канал, чтобы не терять его из виду.

Самостоятельная работа по теме «Виды теплопередачи»

1 вариант

1.Что такое излучение. Чем отличается излучение от теплопроводности?

2.На каком способе передаче теплоты основано водяное отопление?

3.Почему двойные рамы предохраняют от холода?

4.Какие из перечисленных здесь веществ хорошие и какие плохие проводники тепла?

а)бумага; б)солома; в)серебро; г)чугун.

5.Как окрашивают наружную поверхность самолетов, искусственных спутников Земли? Почему?

6.Между пластинками из жести, одна из которых зачернена, находится стальной раскаленный шарик. От какой пластинки спичка, приклеенная парафином, отпадет быстрее? Почему?

7.Изменяется ли температура тела, если оно больше поглощает лучей, чем испускает. Объясните.

8.В каком направлении дует ветер вблизи водоема в жаркий летний день. Объясните.

2 вариант

1.Что такое теплопроводность? Чем отличается теплопроводность от конвекции?

2.Какойспособ передачи теплоты играет наиболее важную роль при нагревании воды в кастрюле на газовой плите?

3.Для чего приствольные круги плодовых деревьев на зиму покрывают навозом?

4.Какие из перечисленных здесь веществ хорошие и какие плохие проводники тепла?

а)воздух; б)алюминий; в)опилки; г)свинец.

5.В каких веществах, перечисленных здесь, теплота передается только путем теплопроводности: а)воздух; б)кирпич; в)керосин.

6.Один из чайников закопчен, другой чистый, белый. В каком из них кипяток остынет быстрее. Масса воды в чайниках одинаковая.

7.Воздух плохо проводит тепло. Почему же на воздухе остывают горячие предметы?

8.Вохдух нагревается радиатором водяного отопления. В каком направлении воздух будет перемещаться?

3 вариант

1.Что такое конвекция. В чем отличие конвекции от теплопроводности?

2.Благодаря какому способу теплопередачи можно греться у костра?

3.При одинаковой температуре металлические предметы всегда кажутся холоднее других. Чем это объяснить?

4.Какие из перечисленных здесь веществ хорошие и какие плохие проводники тепла?

а)вата; б)латунь; в)железо; г)шерсть.

5.Можно ли предсказать, какое направление будет иметь ветер у моря в жаркий летний день?

6.Почему весной снег тает быстрее в городе, чем в поле?

7.Вода в сосуде нагревается при помощи спиртовки. Укажите, в каком направлении она будет перемещаться?

8.Для чего на нефтебазах баки для хранения топлива красят серебристой краской?

4 вариант

1.Каким способом возможна передача теплоты между телами в вакууме?

2.Каким способом теплопередачи нагреваются нижние слои атмосферы?

3.Какие из перечисленных здесь веществ хорошие и какие плохие проводники тепла?

а)сталь; б)пробка; в)медь; г)воздух.

4.В каких веществах, перечисленных здесь, теплота может передаваться путем конвекции: а)бензин; б)песок; в)воздух.

5.Какие почвы при одинаковых условиях сильнее прогреваются на солнце – подзолистые или черноземные?

6.Зарисуйте пламя спиртовки и стрелками покажите направление потоков воздуха.

7.Почему ручки кранов у баков с горячей водой делают деревянными?

8.Пить горячий чай удобнее из фарфоровой кружки, чем из алюминиевой. Почему?

5 вариант

1.Установлено, что теплопроводность жидкостей хуже, чем твердых тел, а у газов хуже, чем жидкостей. Почему?

2.Есть два стеклянных стакана. В один из них положили металлическую ложку. Какой из стаканов при наливании кипятка с большей вероятностью останется цел?

3.Необходимо быстро охладить воду, налитую в бак. Что лучше сделать – поставить бак на лед или положить лед на крышку бака?

4.Каким из способов теплопередачи осуществляется передача тепла в твердых телах, жидкостях?

5.Докажите, что тепло Солнца передается на Землю путем излучения.

6.Чай сохраняют горячим в термосе. Можно ли в термосе сохранить холодным взятый из холодильника компот?

7.Укажите вещества, обладающие высокой теплопроводностью: стекло, кирпич, медь, свинец, вода, воздух, алюминий, сталь.

8.Что такое излучение?

6 вариант

1.Какой кирпич – обыкновенный или пористый – обеспечит лучшую теплоизоляцию здания.

2.Зарисуйте стакан водой, которую нагревают на спиртовке. Покажите стрелками направление струй жидкости.

3.Когда парусникам удобнее заходить в гавань – днем или ночью? Почему?

4.Одинаково ли будет понижаться температура воды в чистом блестящем чайнике и в закопченом?

5.Какой из трех способов теплопередачи играет наибольшую роль в работе центрального водяного отопления.

6.На каком из участков поля – покрытого снегом или льдом – лучше сохранятся озимые посевы?

7.Что такое теплопроводность?

8.Что такое внутренняя энергия тела? Назовите способы её изменения.