Номер 2, страница 22 - гдз по физике 7 класс обучающая тетрадь Шабусов, Дубина

2. Домашний эксперимент (желательно эксперимент снять на камеру). Обдайте пластиковую бутылку холодной водой изнутри и снаружи (или поместите на несколько минут в холодильник). Поставьте бутылку вертикально. Смочите крышку и положите ее плоской стороной на горлышко. Через некоторое время пробка начнет подскакивать на горлышке. Объясните поведение пробки.

Решение

Данное явление можно объяснить на основе законов молекулярной физики и термодинамики, в частности, процесса теплового расширения газов.

1. Изначально пластиковая бутылка и воздух внутри нее охлаждены. Когда бутылку ставят в теплое помещение, она начинает нагреваться от окружающего воздуха. Тепло передается и воздуху, находящемуся внутри бутылки.

2. Воздух, как и любой газ, при нагревании стремится расшириться. Поскольку он находится в замкнутом объеме (бутылке), его расширение приводит к увеличению давления. Согласно закону Шарля, для идеального газа при постоянном объеме давление прямо пропорционально абсолютной температуре:

$ \frac{P}{T} = \text{const} $

где $\text{P}$ – давление газа, а $\text{T}$ – его абсолютная температура. Таким образом, по мере нагревания воздуха его давление внутри бутылки растет.

3. Смоченная крышка (пробка), положенная на горлышко, создает достаточно герметичное уплотнение благодаря силам поверхностного натяжения воды. Это позволяет давлению внутри бутылки увеличиваться, не стравливаясь постепенно в атмосферу.

4. На пробку действуют две основные силы: сила давления воздуха изнутри бутылки, направленная вверх ($F_{вверх}$), и сумма силы атмосферного давления и силы тяжести самой пробки, направленные вниз ($F_{вниз}$). Когда давление воздуха внутри бутылки ($P_{вн}$) возрастает настолько, что выталкивающая сила становится больше прижимающей силы ($F_{вверх} > F_{вниз}$), пробка подлетает вверх.

5. В момент подпрыгивания пробки образуется щель, через которую избыток нагретого воздуха выходит наружу. В результате давление внутри бутылки резко падает, становясь примерно равным атмосферному. После этого пробка под действием силы тяжести падает обратно на горлышко.

6. Затем процесс повторяется циклически: оставшийся в бутылке воздух продолжает нагреваться, давление снова растет до критического значения, и пробка опять подпрыгивает. Это будет продолжаться до тех пор, пока температура воздуха внутри бутылки не сравняется с температурой окружающей среды.

Ответ: Подскакивание пробки происходит из-за периодического увеличения давления воздуха внутри бутылки при его нагревании от окружающей среды. Когда сила давления нагретого воздуха изнутри становится достаточной, чтобы преодолеть атмосферное давление и вес пробки, пробка подлетает. При этом часть воздуха выходит, давление падает, и пробка опускается обратно. Этот цикл повторяется, пока температура внутри и снаружи бутылки не выровняется.