На весах уравновешена бутылка, внутри которой находится сжатый воздух. Через пробку бутылки пропущена стеклянная трубка с краном, к наружному концу которой привязана оболочка резинового шара (рис. 162,а). Если часть воздуха из бутылки перейдёт в оболочку и раздует её (рис. 162,б), то равновесие весов нарушится. Объясните наблюдаемое явление.
рис. 162
Поскольку общий вес бутылки, шара и заключённого в них воздуха не изменится, а занимаемой ими объём увеличится, то выталкивающая сила, действующая на прибор, также увеличится. Соответственно, равновесие весов нарушится.
Для объяснения наблюдаемого явления необходимо рассмотреть основные физические понятия, связанные с давлением газа, массой, а также с изменением объёма системы.
Давление газа определяется как сила, которую молекулы газа оказывают на единицу площади стенок сосуда, в котором газ находится. Согласно кинетической теории газов, молекулы газа беспорядочно движутся и сталкиваются со стенками сосуда. Давление зависит от:
− концентрации молекул (количества молекул в единице объёма),
− температуры (скорости движения молекул).
Если газ сжат, его давление становится больше. При выпуске газа в оболочку шара часть молекул перемещается из бутылки в шар, что изменяет распределение давления.
Масса газа определяется количеством вещества (числом молекул или атомов), находящегося в данном сосуде. Масса газа остаётся неизменной независимо от того, куда он переходит, так как количество молекул не меняется. В нашем случае часть молекул перемещается из бутылки в оболочку шара, но масса газа остаётся одинаковой.
Весы измеряют силу тяжести, действующую на предмет. Эта сила пропорциональна массе предмета. Когда система находится в равновесии, силы тяжести на чаши весов уравновешены.
Когда часть газа перемещается из бутылки в шар, объём газа увеличивается: оболочка шара растягивается, чтобы вместить газ. Расширение оболочки шара приводит к увеличению площади поверхности шара. Это создаёт дополнительное взаимодействие шара с окружающим воздухом.
На тело, погружённое в газ (или жидкость), действует выталкивающая сила, которая равна весу вытесненного газа (или жидкости). Шар, наполненный газом, имеет больший объём, чем бутылка, поэтому он вытесняет больше воздуха, чем вытесняла система в первоначальном состоянии. Следовательно, выталкивающая сила на шар увеличивается.
Когда часть газа переходит в оболочку шара, происходит следующее:
1. Оболочка шара увеличивает свой объём.
2. Увеличение объёма шара приводит к увеличению выталкивающей силы, действующей на шар со стороны воздуха.
3. Выталкивающая сила компенсирует часть силы тяжести, действующей на систему, что приводит к уменьшению веса на чаше весов, где находится бутылка с шаром.
Таким образом, равновесие весов нарушается.
Пожауйста, оцените решение
