Условие
В шприц с закрытым отверстием набрали воздух и легко сжали поршень. Затем тот же шприц до отказа набрали водой — и сжать воду почти не удалось. Объясни разницу через расположение и взаимодействие частиц и скажи, какое из этих свойств используется в работе насоса и в работе домкрата.
Что известно и что ищем
- Известно, что оба вещества в одном и том же сосуде, значит, различие не в сосуде, а в строении веществ.
- Ищем объяснение на уровне частиц и пример практического применения.
- Дополнительное условие: температура и объём приборов не менялись.
Ход решения
- Шаг 1. Сравниваем расстояния между частицами. В газе частицы находятся далеко друг от друга, между ними большой свободный объём; в жидкости частицы стоят почти вплотную друг к другу.
- Шаг 2. Отсюда первое следствие. Сжимая газ, мы уменьшаем именно промежутки между частицами — это легко, потому что уменьшать есть что. У жидкости промежутки почти исчерпаны, поэтому сжать её можно лишь слегка.
- Шаг 3. Вспоминаем про взаимодействие частиц. Частицы одновременно притягиваются и отталкиваются, и в жидкости отталкивание начинает мешать уже при небольшом сжатии. Именно поэтому вода «не хочет» уменьшать объём.
- Шаг 4. Дополняем картину подвижностью. Частицы жидкости перескакивают с места на место, поэтому жидкость легко меняет форму, но легко сохраняет объём. Частицы газа почти не связаны, поэтому газ заполняет весь предоставленный ему объём.
- Шаг 5. Ищем применение. Именно несжимаемость жидкости используют в гидравлических устройствах: в домкрате, тормозах автомобиля, прессах. Нажимаем на поршень в одном месте — давление передаётся по жидкости и поднимает груз в другом.
Проверь себя
- Ответ: газ сжимается легко, потому что между его частицами есть большие промежутки; жидкость почти не сжимается, потому что частицы стоят вплотную и отталкивание мешает сблизить их дальше. Несжимаемость жидкости работает в гидравлике — домкрате, тормозах, прессах.
- Проверка вывода: то же рассуждение объясняет и третье состояние. В твёрдом теле частицы колеблются у постоянных мест, поэтому твёрдое тело сохраняет не только объём, но и форму.
- Ловушка: объяснять несжимаемость тем, что «в воде нет воздуха». В воде воздух может быть, но несжимаемость обеспечивает не это, а плотная упаковка частиц и их отталкивание.
Как объяснить ребёнку
«В газе частицы стоят как люди в пустом зале: подошёл ближе — и место освободилось. В жидкости они стоят как в полном автобусе: протиснуться почти невозможно. Поэтому воздух сжать легко, а воду — нет. И именно из-за этого домкрат может поднять машину: жидкость не сжимается, а передаёт усилие дальше».
Тема для отчёта родителю
«Свойства газов, жидкостей и твёрдых тел на основе молекулярно-кинетической теории».
Формулировка задания — наш аналог по теме, а не текст из учебника.