Задачи-упражнения

Задание 1.Установите, изменяется ли внутренняя энергиятелав предложенных ситуациях.

1. Пластмассовые шарики со льдом бросили вгазированную воду.

2. Хрустальный бокалупал со стола и, ударившись о пол, разбился на несколько осколков.

3. Кубик льда растаял в стакане с соком.

4. Человекподнимается в лифте на 7 этаж.

5. На футбольный мячсели.

6. Чайник с водойнагревают на электрической плите.

7. Яблоко, оторвавшись от ветки, упало на землю и треснуло.

8. Девочка надула воздушный шарик.

9. Горячий чайстоит на столе.

10. Рабочий забивает в стену гвоздь, который при этом нагревается.

Способ выполнения

Решение для ситуации № 1

Выделить тело, изменение внутренней энергии которого требуется установить. Установить, изменяется ли температура тела, и сделать вывод об изменении кинетической энергии молекул. Установить, изменяется ли расстояние между молекулами, и сделать вывод об изменении их потенциальной энергии. Сформулировать ответ.

Требуется установить изменение внутренней энергии газированной воды. Вода охлаждается от льда, значит, Екмолекул уменьшается. При охлаждении объем воды уменьшается, расстояния между молекулами уменьшаются, и Ерчастиц уменьшается. Внутренняя энергия газированной воды уменьшается, так как при ее охлаждении от льда уменьшается температура и объем воды, то есть уменьшается кинетическая и потенциальная энергия молекул.

Задание 2. Установите причину изменения внутренней энергии тела в следующих ситуациях.

1. Горячий хлеб остывает.

2. Колеса легкового автомобиля разогреваются при длительной езде.

3. Пила сильно нагревается, если ею пилить долгое время.

4. Болид сильно разогревается, двигаясь в плотных слоях атмосферы.

5. Туристы подогрели воду на костре.

6. После дождя температура воздуха понизилась.

7. Юные “физики” положили на рельсы гвоздь, который после прохода поезда оказался сплющенным и сильно разогретым.

8. В солнечную погоду крыша дома сильно раскалилась.

9. Вода в ванной нагрелась при доливании в нее кипятка.

10. Днем в парнике становится теплее.

11. Своя ситуация

Способ выполнения	Решение для ситуации №1
1. Выдели тело, внутренняя энергия которого изменяется.	Изменяется внутренняя энергия горячего хлеба.
2. Установи, увеличивается или уменьшается внутренняя энергия	Хлеб остывает, значит его внутренняя энергия уменьшается.
3. Выдели тела, с которыми взаимодействует исследуемое тело.	Хлеб контактирует с подставкой и воздухом.
3. Для каждой пары взаимодействующих тел: а) установи, совершается ли механическая работа при взаимодействии; сделай вывод об изменении внутренней энергии при совершении работы; б) установи, имеют ли тела разную температуру; сделай вывод об изменении внутренней энергии при теплопередаче между телами.	Хлеб не перемещается и не деформируется, то есть механическая работа не совершается. Температура подставки и воздуха меньше, чем хлеба. Значит, при теплопередаче между хлебом и этими телами внутренняя энергия хлеба уменьшается.
4. Сделай вывод о причине изменения внутренней энергии тела.	Внутренняя энергия хлеба уменьшается за счет теплопередачи между горячим хлебом и более холодными воздухом и подставкой.

Задание 3.Опишите превращение механической и внутренней энергии в следующих ситуациях.

1. Трением палочки о доску добывают огонь.

2. При шторме морская вода нагревается.

3. Пар в кастрюле поднимает крышку.

4. Струя воды, ударяя о тело человека, вызывает нагревание и покраснение кожи.

5. В горячий чай добавляют холодные сливки.

6. В смеситель поступает холодная и горячая вода.

7. При движении колеса автомобиля нагреваются.

8. Пуля, пробившая стену, нагрелась.

Задание 4. Опишите виды теплопередачи, в результате которых происходит выравнивание температуры тела в следующих ситуациях.

1. Для охлаждения молочного коктейля, в него бросили кусочки льда.

2. Для охлаждения кипятка чайник поставили на лед.

3. Из-за того, что кипятильник оказался коротким, его погрузили до середины стакана с водой и включили в сеть. При этом верхний слой воды закипел, а нижний остался холодным.

4. Чайник с холодной водой поставили на электрическую плиту.

5. Воздух в комнате хорошо прогревается при помощи батареи, установленной под окном.

6. В жаркий солнечный день верхний слой воды прогревается хорошо, а нижние слои прогреваются слабо.

7. Воздух в парнике прогревается постепенно от земли, которая нагревается солнечными лучами.

Способ выполнения	Решение для ситуации № 1
1. Выделите неравномерно нагретое тело. 2. Установите, является ли оно твердым, и сделайте вывод о теплопроводности. 3. Для жидкости или газа установите, какие слои более нагреты, и сделайте вывод об их движении. 4. Сформулируйте ответ.	Молочный коктейль сверху охлаждается льдом, а снизу - теплый. Это - жидкость, в которой нижние слои нагреты и, следовательно, будут подниматься вверх. Коктейль охлаждается в результате конвекции: охлаждаемые льдом верхние слои опускаются, а теплые снизу - поднимаются.

Задание 5.Сравните теплопроводность следующих тел.

1. Кирпич, внутри которого имеются полые отверстия, и кирпич без них.

2. Витринное стекло, имеющее толщину 8 мми окно, состоящее из двух стекол толщиной4 ммкаждое, разделенных воздушным промежутком.

3. Стальные половники, имеющие ручки разной длины.

4. Деревянная и серебряная ложки.

5. Рыхлый снег и ледяная корка той же толщины, покрывающие озимые в поле .

6. Окно, состоящее из двух стекол, разделенных слоем воздуха, и стеклопакет, состоящий из таких же стекол, между которыми откачан воздух.

7. Стена дома, уложенная в два кирпича, и стена другого дома, уложенная в один кирпич.

8. Металлический и стеклянный колпаки, которыми накрывают блюда с горячей пищей.

Способ выполнения	Решение для ситуации № 1
Выделить тела, теплопроводность которых необходимо сравнить. Установите, одинаковы ли размеры тел. Сравнить теплопроводность веществ, из которых состоят тела Сформулируйте ответ.	Кирпич с полыми отверстиями и кирпич без отверстий. Их размеры одинаковы. Воздух в полых отверстиях обладает плохой теплопроводность по сравнению с глиной. Теплопроводность кирпича с отверстиями хуже, чем сплошного, так как воздух в полостях обладает плохой теплопроводностью.

Задание 6. Объясните скорость изменения температуры тел хорошей или плохой теплопроводностью вещества в следующих ситуациях.

1. В жарких странах для предохранения от жары носят ватные халаты.

2. Для того, чтобы не обжечься, сковороду берут прихваткой.

3. В лютый мороз в подвалах обычно бывает тепло.

4. Чтобы сохранить лед, его оборачивают ватным одеялом.

5. Если прикоснуться губами к краю железной кружки, в которую налит горячий чай, можно обжечься.

6. Корпус космического корабля «Буран» облицован керамической плиткой, сохраняющей разность температур по ее стороны в 1000⁰С.

7. В мороз металлический поручень в трамвае кажется намного холоднее, чем дерматиновая обивка кресла.

8. Человек не чувствует прохлады на воздухе при 20⁰С, зато в воде зябнет при25⁰С.

9. Озимые на поле, покрытом рыхлым снегом, не промерзают.

Способ выполнения	Решение для ситуации № 1
Выделите тело, температура которого изменяется в результате теплопередачи с окружающими телами. Установите, быстро или медленно изменяется температура тела. Выделите тела, расположенные между рассматриваемым телом и окружающими телами. Установите, какова теплопроводность этих тел. Сформулируйте ответ.	Температура тела человека должна повышаться в жару под действием Солнца, окружающего воздуха других раскаленных тел. Температура человека повышается медленно, если он одет в ватный халат. Ватный халат – пористое тело, обладающее плохой теплопроводностью. Из-за плохой теплопроводности халата теплопередача между горячим воздухом и телом человека затруднена, и тело человеку не так жарко.

Задание 7.Объясните различное изменение температуры тел вследствие излучения или поглощения в следующих ситуациях.

1. Чистое оконное стекло плохо нагревается солнечными лучами в отличие от сильно загрязненного.

2. В жаркий солнечный день легче идти босиком по траве, чем по асфальту.

3. В белой одежде жара переносится лучше, чем в темной.

4. Нижнее белье белого цвета лучше темного предохраняет от холода.

5. Пища дольше остается горячей в зеркальном термосе, чем в кастрюле.

6. Черноземные почвы лучше прогреваются солнечными лучами, чем подзолистые, которые имеют более светлую окраску.

7. Вода в открытых водоемах нагревается солнечными лучами медленнее, чем суша.

8. Грязный снег в солнечную погоду тает быстрее, чем чистый.

9. Железнодорожные вагоны-ледники, служащие для перевозки скоропортящихся продуктов, снаружи окрашиваются краской светлых цветов, а не темных.

Способ выполнения задания	Решение для ситуации №1
1. Выделите тела, температура которых изменяется по-разному. 2. Установите причину изменения температуры тел: излучение или поглощение излучения. 3. Сравните интенсивность излучения или поглощения выделенных тел. 4. Сформулируйте ответ.	По-разному нагреваются чистое оконное стекло и сильно загрязненное в результате поглощения излучения Солнца. Поскольку поглощение больше у темной поверхности, загрязненное стекло лучше поглощает излучение Солнца в отличие от чистого, прозрачного стекла. Чистое стекло поглощает излучение Солнца в меньшей степени, чем загрязненное, так как является прозрачным, и поэтому нагревается хуже.

Задание 8.Опишите виды теплопередачи, которые приводят к изменению внутренней энергии тел в следующих ситуациях.

1. Горячий хлеб остывает.

2. Для того, чтобы кипяток в кастрюлях остыл, одну из них поставили на лед, а на другую лед положили сверху на крышку.

3. Вода в железном баке нагревается на Солнце.

4. Комната обогревается с помощью электрического обогревателя, находящегося на полу.

5. Обогреватель, дающий тепловое излучение, устанавливают под потолком помещения.

6. Горячий настой шиповника, оставленный в закрытом термосе, со временем остывает.

7. Для охлаждения воды в бокал бросили кусочки льда.

8. Летом воздух в здании нагревается через стены, открытую форточку, стекла окон.

9. В микроволновой печи пища быстро нагревается.

10. Зимой открыли форточку, и в комнате стало прохладно.

Способ выполнения задания		Решение для ситуации №1
Выделите тело, внутренняя энергия которого изменяется, и установите, как изменяется внутренняя энергия.		Горячий хлеб остывает, то есть его внутренняя энергия уменьшается.
Если внутренняя энергия тела увеличивается , то выделите более нагретые тела, с которыми оно соприкасается, установите вид теплопередачи между ними и внутри тела и опишите ее; установите, падает ли на тело излучение более нагретого тела и опишите поглощение излучения.
Если внутренняя энергия тела уменьшается, то выделите менее нагретые тела, с которыми оно соприкасается, установите вид теплопередачи между ними и внутри тел и опишите ее; опишите уменьшение внутренней энергии в результате излучения. Сформулируйте ответ.	Хлеб лежит на подставке, его окружает воздух. Между корочкой хлеба и подставкой теплопередача осуществляется путем теплопроводности, то есть молекулы хлеба и молекулы подставки сталкиваются и обмениваются энергией. Между хлебом и воздухом теплопередача осуществляется путем теплопроводности и конвекции: прилегающий слой воздуха нагревается в результате теплопроводности, затем он поднимается вверх, а на его место опускается более холодный слой. Внутренние кусочки хлеба остывают в результате теплопроводности от центра к корочке. Горячий хлеб дает излучение, которое распространяется в воздухе и в подставке, и хлеб в результате охлаждается. Внутренняя энергия хлеба уменьшается вследствие теплопроводности с подставкой и воздухом, конвекции в воздухе и собственного излучения.

Задание 9.Найдите значение количества теплоты, полученного или отданного телом, в следующих ситуациях.

1. При нагреве чайника на огне его внутренняя энергия изменилась на 100 Дж.

2. Внутренняя энергия баллона колеса автомобиля в процессе движения увеличилась на 500 Дж.

3. Внутренняя энергия кольца увеличилась на 5 Джпосле того, как его надели на руку.

4. Пирог вынули из духовки. Через некоторое время его внутренняя энергия уменьшилась на 70 Дж.

5. Монету, лежавшую на морозе, согрели, потирая ее теплыми руками. При трении была совершена работа 15 Дж, а внутренняя энергия монеты увеличилась на25 Дж.

6. Метеорит, пролетая через атмосферу, увеличил внутреннюю энергию на 10 Дж.

7. При выпускании газа из баллончика его внутренняя энергия уменьшилась на 3 Дж.

8. Внутренняя энергия воды уменьшилась на 300 Джпосле того, как ее поместили в морозилку для получения льда.

9. Обрабатывая деталь напильником, рабочий увеличил ее внутреннюю энергию на 30 Дж.

Способ выполнения	Решение для ситуации № 1
Выделите тело, внутренняя энергия которого изменяется. Установите, какова причина изменения внутренней энергии, и сделайте вывод о том, получило или отдало тело количество теплоты. Установите, на сколько изменилась внутренняя энергия. Сделайте вывод о количестве теплоты, полученном или отданном телом.	Изменяется внутренняя энергия чайника в результате теплопередачи между чайником и огнем, то есть чайник получает некоторое количество теплоты. При этом его внутренняя энергия увеличивается на 100 Дж. Количество теплоты, полученное чайником при теплопередаче с огнем, Q = 100 Дж.

Задание 10. Сравните удельные теплоемкости веществ.

1. Для демонстрации различной удельной теплоемкости стали, алюминия и латуни цилиндры из этих веществ одинаковой массы нагрели в кипящей воде и затем поместили одновременно на парафиновую пла­стину. В процессе остывания до комнатной температуры цилиндры расплавили парафин и погрузились в него, как показано на рис.1.

2. Графики изменения температуры тел одинаковой массы в зависимо­сти от времени нагрева в одинаковых условиях приведены на рис.2.

3. Графики изменения внутренней энергии при изменения температуры двух тел приведены на рис.3.

4. Графики изменения температуры тел одинаковой массы в зависимо­сти от времени охлаждения в одинаковых условиях приведены на рис.4.

рис.1

рис.2

рис.3

рис.4

Способ выполнения	Решение для ситуации № 2
Выделите тела одинаковой массы, которые нагреваются или охлаждаются. Выделите одинаковое изменение температуры тел. Сравните изменение внутренней энергии тел при выделенном оди­наковом изменении температуры. Сделайте вывод о соотношении удельных теплоемкостей вещества этих тел.	Тела 1 и 2 нагреваются. Время нагрева второго тела больше, чем первого, значит, полу­ченное количество теплоты и из­менение внутренней энергии вто­рого тела больше. Удельная теплоемкость вещества больше у того тела, у которого больше изменяется внутренняя энергия при одинаковом измене­нии температуры. Значит, удельная теплоемкость вещества второго тела больше.

Задание 11.Найдите значение неизвестной величины, входящей в фор­мулыΔU = сm(t₂ – t₁) и Q = ΔU, в следующих ситуациях.

1. Какое количество теплоты отдаст кирпичная печь, сложенная из 300кирпичей массой2кгкаждый при остывании от70⁰Сдо20⁰С.

2. Термос, емкость которого 3 л, заполнили кипятком. Через сутки тем­пература воды в термосе стала77⁰С. Найди изменение внутренней энергии воды.

3. На сколько нагреется мороженое массой 100 г, если ему сообщить количество теплоты, равное100 Дж? Удельная теплоемкость сливоч­ного мороженого2180 Дж/кг⁰С.

4. Для нагревания ложки массой 100 гот20⁰Сдо40⁰Спотребовалось500 Джэнергии. Определить, из какого материала сделана ложка.

5. При охлаждении медного паяльника до 20⁰Свыделилось30,4 кДж. До какой температуры был нагрет паяльник, если его масса200 г?

6. Какое количество теплоты потребуется для нагревания воздуха в комнате, объем которой 60 м³, от10⁰Сдо20⁰С?

7. В алюминиевой кастрюле, имеющей массу 400 г, находится3 лводы при температуре20⁰С. Какое количество теплоты необходимо для на­гревания воды в кастрюле до100⁰С?

8. Сколько энергии пошло на нагревание железной заклепки массой 110 гот–20⁰С до 20⁰С?

9. Определить вместимость бассейна, если для нагревания воды в нем от 15⁰Сдо25⁰Стребуется5×10¹⁰Джэнергии.

10. Какое количество теплоты выделяется при охлаждении одной тонны морской рыбы до 0⁰С, если начальная ее температура15⁰С, а удель­ная теплоемкость2,93 кДж/кг⁰С?

Способ выполнения	Решение для ситуации № 3
Выделите тела, которые нагреваются или охлаждаются.	Нагревается мороженое.
Установите и запишите известные значения физических величин, вхо­дящих в формулы DU = сm(t2 – t1) и Q = DU.	Дано: m=100 г Q=100 Дж	Q=сm(t2 – t1) (t2-t1) =
Установите искомую величину и	(t2-t1) - ?	100 г = 0,1 кг
запишите ее обозначение. Выберите или составьте формулу для расчета искомой величины. Рассчитайте значение искомой ве­личины. Сформулируйте ответ.	Мороженое нагрелось примерно на 0,5 0С.