Номер 10, страница 5 - гдз по физике 8 класс сборник задач Исаченкова, Слесарь

Дано:

Три пустых стакана.

Сосуд с горячей водой.

Сосуд с холодной водой.

Перманганат калия (марганцовка).

Найти:

Доказать экспериментально, что скорость поступательного движения молекул жидкости зависит от ее температуры.

Решение:

Для доказательства зависимости скорости движения молекул от температуры проведем эксперимент, основанный на явлении диффузии. Диффузия — это процесс взаимного проникновения молекул одного вещества между молекулами другого, который происходит вследствие теплового хаотического движения частиц вещества. Скорость диффузии напрямую зависит от скорости движения молекул.

Ход эксперимента:

1. Возьмем два стакана. В один из них нальем холодной воды, а во второй — такой же объем горячей воды.

2. Дождемся, пока вода в обоих стаканах успокоится, чтобы прекратилось любое видимое движение жидкости.

3. Одновременно и очень аккуратно, стараясь не вызвать перемешивания, опустим в центр каждого стакана по одному небольшому кристаллику перманганата калия.

Наблюдение:

Мы будем наблюдать, как от кристалликов марганцовки в воде начинают распространяться окрашенные струйки. В стакане с горячей водой фиолетовая окраска будет распространяться по всему объему значительно быстрее. Вскоре вся вода в этом стакане станет равномерно окрашенной.

В то же время, в стакане с холодной водой процесс окрашивания будет протекать намного медленнее. Потребуется значительно больше времени, чтобы вся вода в этом стакане приобрела равномерную окраску.

Объяснение и вывод:

Наблюдаемое явление распространения цвета является диффузией, которая вызвана непрерывным и хаотическим движением молекул воды. Молекулы воды сталкиваются с частицами перманганата калия и переносят их по всему объему стакана.

Температура вещества является мерой средней кинетической энергии его молекул. Связь между средней кинетической энергией поступательного движения молекул $E_k$ и абсолютной температурой $\text{T}$ выражается формулой $E_k = \frac{3}{2}kT$, где $\text{k}$ — постоянная Больцмана. Так как кинетическая энергия, в свою очередь, связана со скоростью движения ($E_k = \frac{m_0 v^2}{2}$), то из этого следует, что чем выше температура, тем больше средняя скорость движения молекул.

В горячей воде молекулы движутся быстрее, чем в холодной. Поэтому они чаще и с большей энергией сталкиваются с частицами марганцовки, что приводит к более быстрому их распространению по всему объему. В холодной воде медленно движущиеся молекулы переносят частицы красителя гораздо медленнее.

Следовательно, разная скорость окрашивания воды в стаканах с горячей и холодной водой напрямую доказывает, что скорость поступательного движения молекул жидкости зависит от ее температуры.

Ответ: Эксперимент с растворением перманганата калия в горячей и холодной воде доказывает, что скорость поступательного движения молекул жидкости зависит от ее температуры. В горячей воде, где молекулы движутся с большей средней скоростью, диффузия (окрашивание) происходит значительно быстрее, чем в холодной воде, где молекулы движутся медленнее.