Градуируем жидкостный манометр

Градуируем жидкостный манометр §33
§33. Градуируем жидкостный манометр
Посмотрите на рисунок и опишите принцип работы данного
прибора. Какую роль выполняет резиновая перепонка? Что мы
должны наблюдать при изменении глубины погружения коробоч
ки с перепонкой? Нарисуйте, как должна располагаться подкра
шенная жидкость в Uобразной трубке, если коробочку с пере
понкой вынуть из воды. Покажите на рисунке, где должна распо
лагаться шкала у этого прибора, где нулевая отметка.
Резиновая перепонка
Для того, чтобы жидкостный манометр «научить» измерять
давление газа, необходимо понять, от чего зависит давление
столба жидкости. Сначала познакомимся с некоторыми экспе
риментами, которые подскажут нам, от чего давление столба
жидкости НЕ зависит.
На рисунке видно, как располагается жидкость в сообщаю
щихся сосудах разной формы. Основываясь на результатах это
го опыта, предположите, в каком из сосудов с водой (см. рис.) си
ла давления на дно будет наибольшая, наименьшая. Площадь дна
у всех сосудов одинаковая.
Казалось бы, что F3 > F1 > F2. На самом деле во всех трех сосудах
сила давления на дно одинаковая – в противном случае при их сое
динении начнется ее перетекание (а это противоречит предыдуще
му опыту). В этом заключается так называемый гидростатический
парадокс – в какой бы сосуд ни налили жидкость, она давит на дно
с силой, равной весу вертикального столба воды (см. рис.).
Воспользуйтесь рисунком и объясните гидростатический
парадокс: что помогает малому количеству воды в сосуде 2 соз
давать такое же давление, как и в сосуде 1; что мешает боль
шому количеству воды в сосуде 3 создавать большее давление,
чем в сосуде 1.
Как рисунком с разрывающейся бочкой можно проиллюстри
ровать гидростатический парадокс?
Разберите по схеме на стр. 62, как мы получили формулу для
давления столба жидкости: p = ρgh,
где ρ – плотность жидкости, выраженная в кг/м3;
h – высота столба жидкости, выраженная в м;
g – постоянная величина, примерно равная 10 Н/кг (позволя
ет перейти к СИ: вес выразить в Н, а давление в Па).
Воспользуемся этой формулой и выразим нормальное
атмосферное давление (760 мм рт. ст.) в Па.
кг
Н
Н
p ≈ 13600 3 ·10 · 0,76 ≈ 103360 2 ≈ 105 Па
кг
м
м
Найдите самоcтоятельно высоту столба воды, который создает такое же давление.
61
§33 Градуируем жидкостный манометр
Проверить на опыте этот вывод можно с по
мощью «прибора Паскаля». На рис. вы видите
первоначальную конструкцию этого прибора.
Груз Р, подвешенный на одном плече рычага, на
другом плече прижимает пластинку к нижней
части кольца, на которое навинчиваются трубки
различного вида. В эти трубки наливают воду до
тех пор, пока сила давления воды на пластинку М не сравняется с весом Р.
В трубки различной формы приходится наливать воду до одной и той же высоты. Вес
гирь во всех случаях равен весу вертикального столба воды, т. е. гири всегда весят столь
ко же, сколько вода в 1й трубке.
Если в вашем кабинете физики есть современный аналог при
бора Паскаля, изучите принцип его действия. В чем сходство и
отличие от прибора, изображенного на рисунке. Предложите
другой способ опытной проверки формулы p = ρgh.
Голландский механик Симон Стевин в 1585
году опубликовал «Начала статики», в кото
рых он заново сформулировал важнейшие за
коны равновесия жидкости, открытые ранее
Архимедом. На рисунке, взятом из этой кни
ги, человек стоит на доске, давя всей своей тя
жестью на мешок с водой. Стевина поразило,
как мала высота столба воды, уравновешиваю
щего вес человека. Оцените приблизительно
С. Стевин
вес человека и величину площади, на которую
(1548–1620)
давит этот вес. Вычислите высоту столба во
ды, который окажет такое же давление.
А вот прибор, придуманный Стевином, который неправильно
называют клапаном Бойля. Стеклянная трубка закрывается ме
таллической пластинкой, прилегающей к гладко отшлифованно
му нижнему концу трубки, и опускается в чашу с водой. Этот при
62
Градуируем жидкостный манометр §33
бор демонстрирует, что жидкость за счет своей подвижности давит во всех направлени
ях. Так, пластинка будет поддерживаться силой давления столба воды, которая действу
ет снизу вверх. Что будет происходить, если в стеклянную трубку наливать воду?
На пластинку осторожно насыпают дробь. Найдите вес дроби, при котором плас
тинка оторвется от трубки, если площадь сечения трубки 10 см2, глубина погруже
ния 15 см, вес самой пластинки 10 г.
Запомните формулировку закона Паскаля:
Внешнее давление передается
без изменения в каждую точку
жидкости или газа.
Б. Паскаль
(1623–1622)
Подумайте, как с помощью этого рисунка
проиллюстрировать закон Паскаля.
Нальем в Uобразную трубку ртуть, а поверх ртути в одно ко
лено вольем воду; при этом уровень в другом колене поднимется,
но будет ниже уровня воды (см. рис.).
На уровне А–В давления столбов должны быть равны, в про
тивном случае начнется перемещение жидкости. Плотность рту
ти в 13,6 раз больше плотности воды.
Как отличаются высота столбика воды и высота столбика
ртути (над уровнем А–В)?
Подумайте, как можно узнать плотность неизвестной жид
кости.
Воспользуйтесь формулой p=ρgh и получите закон сообщаю
щихся сосудов:
h1 ρ2
= .
h2
ρ1
Барометр Торричелли проградуирован в миллиметрах
ртутного столба. Чему равна цена деления в паскалях?
404
В трубке Торричелли ртуть заменили на воду. Какой длины
должна быть трубка, чтобы с ее помощью можно было измерять
атмосферное давление?
Э. Торричелли
(1608–1647)
Объясните способ прове
дения горизонтальной линии,
изображенный на рисунке.
63