Закон превращения и сохранения энергии в механических и тепловых процессах

394. Если ударить молотком по большому куску стали, молоток отскочит, а если по куску свинца, то нет. Какому металлу при однократном ударе передастся больше энергии? Кинетическую энергию молотка в момент удара считать в обоих случаях одинаковой.

395. Стальной шарик равномерно падает в касторовом масле. Совершается ли при этом работа? Какие превращения энергии при этом происходят?

ОТВЕТЫ, РЕШЕНИЯ И УКАЗАНИЯ

255. Работа насосов одинакова, так как в обоих случаях перекачивается одинаковое количество воды на одинаковые высоты.

256. При наличии трения лошадь совершает работу и по преодолению сил трения, и по изменению скорости движения телеги с лошадью.

257. При посадке на Землю, так как корабль при этом проходит больший путь, в плотных слоях атмосферы.

258. При наличии пассажиров сила тяжести (вес. — Ред.) вагона больше, увеличивается сила трения, равная в данном случае силе тяги, возрастает мощность, увеличивается расход электроэнергии.

259. С увеличением нагрузки корабль глубже погружается в воду. Это увеличивает силу сопротивления воды движению корабля, что приводит к потере скорости.

260. На наименьшей, так как N = Fv,

261. Чем ближе груз расположен к плечу, тем меньше сила, с которой рука должна удерживать палку. Поэтому сила давления палки на плечо, равная сумме веса груза и силы воздействия руки, будет меньше.

262. Чтобы увеличить плечо силы и этим облегчить открывание двери.

263. Из рис. 53,о видно, что при двух опорах в точках О, и Од (пальцы рук) плечи сил F невелики. Поэтому надо прилагать большие силы. В случае опоры на подставку О (рис. 53,6) плечи сил F увеличиваются, поэтому надо прилагать меньшие силы, чтобы сломать палку.

264. 50 Н.

265. Силу требуется приложить одинаковую, равную половине силы тяжести плиты.

266. Это дает возможность уменьшить силу, прилагаемую к рукояткам ножниц.

267. Проигрыш в силе здесь не существен, а выигрыш в скорости имеет большое значение.

268. Выигрыш в силе на рычаге равен отношению плеч рычага. Выигрыш в силе у кусачек равен произведению отношений плеч составляющих их рычагов.

269. Чтобы напильник при движении всегда был горизонтален при изменении точки опоры, прилагаемые силы должны все время изменяться ло величине.

270. Чтобы сила была наименьшей, надо максимально увеличить ее плечо. Поэтому силу надо направить под прямым углом к линии ВС.

271. См. рис. 54.

272. См. рис. 55. 0,0, - ось вращения, -40,, ЯОд и СО^ — плечи сил.

273. Вес мальчика и вес части доски, на которой он сидит, уравновешиваются весом части доски, расположенной с другой стороны бревна.

274. Так как на рычаге уравновешиваются две силы, равные силе тяжести. Изменение одной из них происходит одновременно с изменением другой.

275. Необходимо переходить так, как показано на рис. 56.

276. Сдвинется ящик В, по отношению к которому рычаг имеет более выгодное соотношение плеч.

277. Линейка имеет массу, и сила тяжести (вес. — Ред.) плеча АО больше, чем плеча 0В.

278. Если шарик переместить к краю чашки, равновесие не нарушится, ибо на основании закона Паскаля давление на левую и правую стенки чашки будет одинаковым.

279. Не изменится.

280. Равновесие нарушится, причем более тяжелая гиря перетянет.

281. а) При малом плече будет мала чувствительность весов; б) большая твердость призмы и подставки, разнородность вещества, из которого они изготовлены, способствуют уменьшению силы трения между ними и повышают чувствительность весов.

282. Изменится: гиря, находящаяся в масле, опустится, а в воде — поднимется.

283. Да, перетянет шарик, который находился в воде.

284. Перетянет латунная гиря.

285. Одинаковы.

286. Действующую на монтажника силу тяжести уравновешивает сумма сил упругости свисающих с блока концов веревки. Поэтому сила натяжения каждого из них равна половине веса человека. Значит, рабочий тянет конец веревки с силой 350 Н.

287. Действием силы трения.

288. Такое крепление дает возможность уменьшить натяжение троса вдвое (если не учитывать трение в блоках).

289. Необходимо, чтобы в системе блоков было два подвижных блока. См. рис. 57.

290. Будет.

291. При отсутствии трения — в 4 раза.

292. В прыжке «перекатом» спортсмен не так высоко поднимает свое тело над планкой, как в прыжке «прямо», поэтому совершает меньшую работу.

293. Нет, у свинца энергия больше.

294. За счет разности потенциальной энергии автомобиля на вершине и у подножия горы.

295. Подъем корабля совершается за счет потенциальной энергии сжатого воздуха.

296. За счет потенциальной энергии, которую приобрел аэростат при наполнении газом.

297. Разогнавшись, автомобиль преодолевает лужу за счет накопленной кинетической энергии.

298. За счет кинетической энергии инструмента и движущихся деталей станка, в которых он закреплен.

299. Используется кинетическая энергия полена.

300. При одинаковых скоростях тело, имеющее большую массу, обладает и большей кинетической энергией.

301. Да, для изменения кинетической энергии тела.

302. К Энергии, которую сообщает телу гимнаста работа мышц, прибавляется энергия, которую сообщает ему деформированная доска.

304. На первой части перегона потенциальная энергия превращается в кинетическую, на второй части имеет место обратный переход. Так как на разгон поезда расходуется меньше электроэнергии, то происходит ее экономия.

305. Потенциальные энергии одинаковы. Кинетические энергии различны (у первой пробирки она меньше).

306. Пробивая доску, пуля совершает работу против сил трения за счет изменения своей кинетической энергии. Скорость пули уменьшается. Противоречия с законом сохранения энергии нет, так как пуля и доска при этом нагреваются.

308. Если машина делает разгон, то к механической энергии, вырабатываемой двигателем в данное время, прибавляется ранее приобретенная кинетическая энергия самого автомобиля.

309. Вода в реке течет от мест высоких к местам более низким. Следовательно, потенциальная энергия каждой единицы объема воды уменьшается.

310. За счет потенциальной энергии жидкости, находящейся в верхнем сосуде.

311. На равные части цилиндра, погруженные в различные жидкости, действуют неравные архимедовы силы. Так как силы давления жидкостей перпендикулярны к любому элементу поверхности цилиндра, то каждая из выталкивающих сил проходит через его ось симметрии (плечо силы при этом равно нулю). Поэтому цилиндр вращаться не будет, и из этой конструкции вечного двигателя не получится.

312. Так как зимой воздух плотнее, чем летом, а кинетическая энергия тела зависит от массы, то зимой при той же скорости (и других равных условиях) ветер обладает большей мощностью.

313. (Проходя за секунду путь около полукилометра, молекула находящегося при нормальных условиях газа двигается не по прямой: она испытывает за это время порядка 10¹⁰ столкновений с другими молекулами газа, так что ее траектория представляет собой сложную ломаную линию. — Ред.)

314. При недостаточной смазке подшипников в результате трения механическая энергия превращается во внутреннюю (в тепловую. — Ред.). Температура баббита поднимается до точки плавления, и он плавится.

315. Механическая энергия переходит во внутреннюю. (В соответствии с законом сохранения энергии работа, совершаемая при деформации проволоки, переходит в энергию теплового движения атомов алюминия. — Ред.)

316. Покрышки нагреваются и за счет работы трения, имеющей место при частичном проскальзывании их по полотну дороги, и за счет работы деформации покрышки при качении.

317. При трении солома может разогреться и воспламениться.

318. При остановке кинетическая энергия автомобиля расходуется на работу против сил трения в тормозных колодках, шин о дорогу и т. д. Чтобы каждый раз после остановки приобрести необходимую скорость (а значит, и кинетическую энергию), в двигателе должно быть израсходовано дополнительно некоторое количество горючего.

319. При трении стали о камень металл разогревается. Искры — это раскаленные частицы стали, отрываемые от куска металла быстро движущимися бугорками точильного камня.

322. Первый. (При неупругом ударе шарика о мягкую глину приобретенная им кинетическая энергия полностью переходит в тепловую (шарика и глины). У шарика, отскочившего на высоту, меньшую исходной, это превращение энергии было неполным. — Ред.)

323. Иначе они потеряли бы свою прочность вследствие нагревания при трении о воздух.

324. Стекло имеет меньшую теплопроводность, чем железо.

325. В медной, так как теплопроводность меди больше, чем чугуна. (Кроме того, дно чугунной посуды толще, что способствует выравниванию температуры. — Ред.)

326. Разность давлений возникает из-за различного нагревания воздуха стержнями, из-за их разной теплопроводности.

327. Алюминий обладает большей теплопроводностью, чем фарфор (и его температура практически совпадает с температурой кипятка. — Ред.)

328. При температуре, равной температуре человеческого тела, когда не происходит теплопередача. (Теплопроводность дерева значительно меньше, чем у металла. Поэтому нагретое (или охлажденное на морозе) дерево не кажется таким горячим (или холодным), как железо. — Ред.)

329. В новом, так как слой накипи ухудшает теплопроводность стенок чайника.

330. (Вследствие большей теплопроводности меди (по сравнению со стеклом и льдом) поток тепла от пальца во втором случае будет больше. — Ред.)

331. (Первые порции кипятка, стекая по металлической ложке, охлаждаются, что уменьшает величину первоначального перепада температур, который мог бы привести к разрушению стакана, и способствует более плавному прогреванию стекла. — Ред.)

332. Увеличение поверхности нагреваемого тела способствует быстрейшему его охлаждению. Ребристая поверхность имеет большую площадь. Поэтому она будет способствовать лучшему охлаждению.

333. В процессе обработки прибор нагревается выше 20 °С, и вследствие теплового расширения его размеры изменяются. Чтобы исключить тепловое расширение, слесарь кладет деталь на плиту, обладающую хорошей теплопроводностью, и деталь охлаждается до температуры 20 °С.

334. Влажная, как имеющая большую теплопроводность.

335. Днем стволы деревьев нагреваются, и некоторое количество теплоты передается вниз, так как влажное дерево обладает хорошей теплопроводностью. Вследствие этого почва согревается, и снег вокруг ствола оттаивает.

336. Жир обладает плохой теплопроводностью и защищает организм животного от чрезмерного охлаждения в холодной воде полярного моря.

337. (Нарушается заключенный в вате равномерный теплоизоляционный слой воздуха. — Ред.)

338. Плотная синтетическая ткань обладает лучшей теплопроводностью, чем шерсть, содержащая внутри себя воздух.

339. Трикотажное, шерстяное.

340. (Точно такое же, как зимняя одежда для человека. - Ред.)

341. Вода обладает большей теплопроводностью, чем воздух, поэтому в воде тело человека охлаждается быстрее.

342. Так как торф, навоз, опилки имеют малую теплопроводность, то покрытие ими приствольного круга плодового дерева предохраняет от сильного снижения температуры участок земли, где располагается его основная корневая система.

343. Пористый кирпич, различные пеноматериалы, стеклянная вата, войлок содержат воздух, обладающий малой теплопроводностью.

344. Чехол является теплоизолято-ром. Он предохраняет двигатель от переохлаждения.

345. Теплый воздух имеет меньшую плотность, чем холодный. Поэтому архимедова сила вытесняет нагретый воздух в верхние его слои.

347. Когда лед положен на крышку чайника.

348. Чтобы создать условия для возникновения конвекции воздуха в аппарате.

349. Вынужденная конвекция поднимает более нагретые слои жидкости вверх и приводит их в соприкосновение с менее нагретым воздухом.

350. Это улучшает циркуляцию воздуха. Теплый воздух вместе с различными примесями поднимается вверх и вентилятором удаляется из помещения.

351. Пленка удерживает воздух определенной температуры вблизи растения.

352. Чтобы теплоизолировать ствол дерева от окружающего воздуха и этим уменьшить не только теплопроводность коры дерева, но и исключить обдува-ние ствола конвекционными токами холодного воздуха и предупредить замерзание питательных соков внутри ствола, а значит, и гибель дерева.

353. Парусным судам удобнее входить в гавань днем, когда бриз дует с моря на сушу.

354. Даже в самую тихую погоду над землей движутся вертикальные токи воздуха. Листья осины, имеющие тонкие длинные черенки, чувствительны к самым ничтожным перемещениям воздуха.

355. Чем больше разность давлений наружного воздуха и воздуха в трубе, тем лучше тяга. Чем выше температура воздуха, тем меньше его плотность и давление в трубе. Теплопроводность кирпича меньше, чем железа. Поэтому в кирпичных трубах (при прочих равных условиях) воздух меньше остывает, чем в железных, и в них лучше тяга.

356. Холодный воздух в дымоходе создает такое же давление, как и наружный. После прогревания воздуха в дымоходе возникает тяга.

357. Чтобы обеспечить естественную циркуляцию воды в системе водяного отопления.

358. Над неподвижной трубой здания в одном и том же месте устанавливается конвекционный поток теплого воздуха, поднимаемого вверх архимедовой силой. Труба движущегося паровоза выбрасывает небольшие количества теплого воздуха в разных местах дороги, этот теплый воздух очень медленно поднимается вверх. При быстром движении поезда получается, что дым стелется над ним.

359.'(Черная шероховатая поверхность лучше поглощает падающее на нее излучение, чем гладкая и полированная. Показания закопченного термометра будут выше. — Ред.)

360. Черная шероховатая поверхность лучше излучает, чем светлая полированная.

361. Лучше покрывать черной краской.

362. Блестящая.

363. (Светлую. — Ред.)

364. Белая краска уменьшает луче-поглощательную способность холодильника.

365. Свернувшись, животное уменьшает поверхность лучеиспускания и не переохлаждается (...уменьшает площадь поверхности соприкосновения с внешней средой, что уменьшает потери тепла, происходящие как вследствие теплопроводности и конвекции, так и вследствии излучения. — Ред.).

366. При одинаковом объеме и высоте термос с круглым сечением имеет меньшую поверхность, поэтому он меньше поглощает и отдает теплоты.

367. Наряду с поглощением некоторого количества теплоты происходят и потери энергии. В результате этого температура проволоки не может стать выше температуры пламени свечи.

368. Скорость охлаждения пропорциональна разности температур нагретого тела и окружающего воздуха. Поэтому следует сразу несколько охладить кофе, влив в него молоко, чтобы дальнейшее остывание происходило медленнее.

369. Земля нагревается лучами солнца. Воздух нагревается землей. Поэтому имеется некоторое запаздывание в достижении максимума нагревания воздуха и земли.

370. Наряду с процессом излучения энергии в космос происходит и процесс поглощения энергии Солнца и звезд. (Кроме того, имеется целый ряд процессов, происходящих внутри Земли, которые способствуют ее разогреванию. — Ред.).

372. Первый и третий покажут 38 °С, второй - 39 °С.

374. На нагревание воды, имеющей большую удельную теплоемкость.

375. График А — для воды, график В — для чайника.

376. Температура ртути будет повышаться быстрее, так как удельная теплоемкость ртути меньше, чем воды.

377. Железо обладает большей теплопроводностью и меньшей удельной теплоемкостью, чем кирпич. Кроме того, масса кирпичной печи больше, чем железной.

379. Песок обладает малой удельной теплоемкостью, поэтому быстро нагревается и охлаждается.

380. Медь обладает большей теплопроводностью. (Кроме того, она легко залуживается. — Ред.)

381. При одинаковой теплоемкости стенки стаканов обладают различной теплопроводностью.Теплопроводность

алюминия значительно больше, чем теплопроводность стекла.

382. Малая удельная теплоемкость, большая теплопроводность, несмачивание стекла, сравнительная легкость получения в химически чистом виде, высокая температура кипения, более низкая, чем у воды, точка отвердевания.

383. Нельзя, так как быстрота остывания зависит не только от теплопроводности, но и от теплоемкости шариков.

384. Удельная теплоемкость керосина меньше, чем воды. Поэтому температурные изменения, происходящие в калориметре, при прочих равных условиях более заметны, и точность измерений повышается.

386. Некоторое количество теплоты необходимо израсходовать на испарение воды, содержащейся в сырых дровах.

387. Порох в отличие от бензина имеет меньшую теплоту сгорания, но большую скорость сгорания (вся энергия пороха выделяется в тысячные доли секунды).

388. Энергии горящей спички недостаточно, чтобы нагреть конец толстого полена до температуры его возгорания, т. к. поступающее от спички тепло распространяется по всему веществу полена.

389. См. ответ к задаче 388.

390. Сильная струя воздуха срывает пламя со спички (фитиля свечи) и охлаждает горючее вещество ниже той температуры, при которой может происходить горение.

391. Металл, быстро отбирая энергию у раскаленного угля, охлаждает его ниже той температуры, при которой может происходить горение угля. Деревянная доска имеет меньшую теплопроводность, чем металл, и охлаждает уголь медленнее.

393. Пластмасса горит быстрее бумаги. Поэтому, частично сгорев, пластмассовый прутик гаснет из-за недостатка кислорода и воспламеняется вновь, когда до него догорит бумага.

394. Свинцу, так как в этом случае вся кинетическая энергия молотка превращается во внутреннюю энергию свинца и молотка.

395. Работа совершается против силы трения. Потенциальная энергия поднятого шарика превращается во внутреннюю энергию шарика и жидкости.