Автор – составитель: Лукина Галина Степановна

Автор – составитель: Лукина Галина Степановна
ФИЗИКА
Законы гидростатики: учащимся 7-9 класса
Очередная сессия посвящена завершению повторения темы «Законы гидростатики». И
вновь помогут нам в этом страницы журналов «Квант», «Наука и жизнь», «Физика в
школе».
В качестве контрольного задания учащимся предлагается выполнить все те
эксперименты, о которых идет речь в приведенной ниже статье. А затем, описав свои
наблюдения, прислать их в адрес ХКЗФМШ.
Приближается первое апреля — день веселых розыгрышей, мистификаций и
маленьких обманов. В основе множества фокусов и мистификаций всегда лежат законы
физики. Практически любой эксперимент можно показывать как фокус, предложив
товарищам разгадать его суть. Предлагаем вам опыты и фокусы на тему нашей сессии
«Законы гидростатики», описанные в журнале «Квант». Их можно демонстрировать и на
уроках в классе и на внеклассных мероприятиях.
1. Опыты с сифоном
Мы уже упоминали на первой учебной сессии этого учебного года о таком
гидротехническом устройстве, как
сообщающиеся сосуды. Рассмотрели законы
сообщающихся сосудов, обратив внимание на уровень установившейся в сосудах жидкости.
А теперь представьте, что вам надо перелить
жидкость из одного сосуда в другой, расположенный
ниже первого (рис.1). По каким-то причинам наклонять
сосуд и лить жидкость через край неудобно.
Один из вариантов выполнения задания -гибкая
трубка, предварительно заполненная жидкостью
и
опущенная одним концом в верхний сосуд, другим — в
нижний. Это и есть сифон (не случайно слово «сифон» в
переводе с греческого означает «трубка», «насос»).
Это
незатейливое
приспособление
для
Рис. 1
перекачивания жидкости из одного сосуда в другой
известно с незапамятных времен. Различные конструкции сифонов изобретал еще Герон
Александрийский, живший две тысячи лет тому назад.
Обращаем внимание на то, что на первый взгляд кажется необходимым условием
перекачки: если трубка (сифон) не заполнена жидкостью, то
перекачка жидкости из верхнего сосуда в нижний не произойдет.
Чтобы сифон начал действовать, его необходимо предварительно
заполнить жидкостью. Чаще всего для заполнения трубки
жидкостью используют простой (но не всегда приятный) способ:
опустив в жидкость один конец трубки, ртом отсасывают из нее
воздух, зажимают другой конец и быстро погружают его во
второй сосуд. И еще одно, также на первый взгляд, необходимое
условие работы сифона - атмосферное давление.
Однако, выполнение этих перечисленных и на первый
Рис. 2
взгляд необходимых условий на самом деле вовсе не обязательно.
1) Задайте своим одноклассникам вопрос: будет ли
действовать сифон, если его поместить под колокол вакуумного насоса и откачать воздух
(рис. 2)?
И скорее всего услышите самый распространенный ответ: «Совершенно необходимо,— ведь оно подпирает жидкость, не дает ей разорваться внутри трубки на перегибе».
Подобное утверждение — ошибка. Если поместить сифон под колокол воздушного
насоса, он будет работать и без атмосферного давления, лишь бы только жидкость не
вскипела и пузырьки не перекрыли сечение трубки. Столб жидкости не разрывается из-за сил
молекулярного сцепления.
2) Теперь о предварительном наполнении трубки
жидкостью. Некоторые трубки заполнять не приходится —
они это делают сами.
Если изготовить трубку, изображенную на рисунке 3
(лучше всего из стекла (правда, это трудно), но можно и из
жести), закрыть узкий конец пальцем, а широкий опустить в
верхний сосуд и резко отпустить палец, то сифон начнет
переливать воду. Попробуйте ответить, почему так
получилось, и пришлите нам свои размышления по этому
поводу.
Кстати, существует и другой тип «самоРис. 3
наполняющихся» трубок — фитили. Если сосуды соединить
вместо трубки фитилем, жидкость, хотя и медленно, будет
перетекать по нему. Здесь вступают «в игру» капиллярные явления.
В добавление к уже сказанному остается заметить, что и сама трубка требуется не
всегда. Так, в книге Дж. Уокера «Физический фейерверк» можно прочитать про
«самоперетекающие» жидкости: «Некоторые жидкости, например, жидкий полиэтилен,
могут сами вытекать из сосуда, если только дать толчок действию такого «сифона», вылив
часть жидкости...». Поскольку нет никакой уверенности в том, что у кого-то из вас дома
хранится жидкий полиэтилен, советуем испытать другие жидкости. Возможно, вам удастся
добиться нужного эффекта.
Заметим также еще, что существует одна поистине замечательная жидкость, которая
может вытекать из сосуда, сама поднимаясь по его стенкам. Это жидкий гелий, точнее —
гелий II. Так называют эту жидкость при температуре ниже 2,17 К, когда у нее появляются
совершенно удивительные свойства. И прежде всего — сверхтекучесть, то есть полное
отсутствие вязкости. Вот что пишут об этом явлении Л. Д. Ландау и А. И. Китайгородский в
книге «Физика для всех»:
«... Гелий II способен сам «вылезать» из стакана или пробирки, куда он налит.
На рисунке 4 показана схема проведения этого опыта. Пробирку с гелием II
помещают в дьюаре над гелиевой ванной. «Ни с того ни с сего» гелий
поднимается по стенке пробирки в виде тончайшей совершенно
незаметной пленки и перетекает через край; с донышка пробирки
капают капли.
Надо вспомнить, что благодаря капиллярным силам ...
молекулы всякой жидкости, смачивающей стенку сосуда, взбираются
вверх по этой стенке и образуют на ней тончайшую пленку, ширина
которой по порядку величины равна одной миллионной доле
Рис. 4
сантиметра. Эта пленка незаметна для глаза, да и вообще ничем себя
не проявляет для обычной вязкой жидкости.
Картина совершенно меняется, если мы имеем дело с лишенным вязкости гелием...
Через борт стакана или пробирки поверхностная пленка образует сифон, по которому гелий
переливается через край сосуда». Понять поведение жидкого гелия можно только с точки
зрения квантовой механики.
Вот сколько неожиданностей таит в себе обычный сифон.
2. Фокусы со стеклянной трубкой
Фокус первый. Возьмите стеклянную трубку с оттянутым, как у пипетки, концом и покажите
ее своим зрителям. Другой рукой возьмите за верхний край стакан с водой и тоже покажите
его. Опустите трубку оттянутым концом в стакан и подождите, пока в нее не войдет вода.
Затем, закрыв пальцем верхнее отверстие трубки, выньте ее из стакана. При этом у нижнего
отверстия трубки образуются воздушные пузырьки. Они растут, отрываются от стенок и поднимаются внутри трубки вверх. А вода из трубки не выливается!
Попробуйте объяснить самостоятельно природу образования и поведение воздушных
пузырьков.
Фокус второй. Открыв верхнее отверстие трубки, вылейте воду обратно в стакан, несколько
раз плавно помашите перед собой пустой трубкой и вновь наберите воду из стакана в трубку.
Закрыв верхнее отверстие трубки пальцем, быстро выньте ее из стакана и переверните— из
трубки бьет мощный фонтан на высоту более метра.
Секрет фокусов. Почти наверняка секрет этих фокусов не будет раскрыт. А он очень прост:
в стакане находится вода, нагретая до 80—90°С, тогда как трубка имеет комнатную
температуру около 20°С.
Когда в трубку из стакана попадает горячая вода, воздух в верхней части трубки (в
силу его плохой теплопроводности) имеет практически комнатную температуру. После того,
как вы закроете пальцем верхнее отверстие трубки и трубку перевернете, горячая вода по
стенкам начнет стекать вниз, быстро нагревая воздух. Давление воздуха в трубке возрастает,
и расширяющийся воздух «выбрасывает» через узкое отверстие трубки не успевшую
опуститься вниз воду в виде фонтана.
Рекомендации. В опыте мы рекомендуем использовать стеклянную трубку диаметром 8—12
мм и длиной 30—40 см, маленькое отверстие которой имеет диаметр около 1 мм. В
промежутке между фокусами трубку надо как следует охладить (можно даже подуть в трубку), так как высота фонтана зависит от разности температур воздуха и воды, набранной в
трубку. Оптимальное количество набираемой в трубку воды колеблется в пределах от 1/4 до
1/3 объема трубки и легко подбирается экспериментально.
Итак, задание для учащихся 7-9 класса1:
Задание. Постарайтесь проделать описанные в статье опыты и ответить на
поставленные вопросы:
1. Какова природа образования воздушных пузырьков в первом фокусе? Почему они ведут
себя таким странным образом? И почему вода из трубки в этом случае не выливается?
2. Почему трубка, изображенная на рисунке 3, является самонаполняющейся, и почему при
таком, как указано на рисунке, ее использовании, сифон начнет переливать воду?
Вам необходимо выполнить указанное ниже задание, оформить его в отдельной тетради и отправить в адрес
ХКЗФМШ: 680000, г. Хабаровск, ул. Дзержинского 48, ХКЦТТ, ХКЗФМШ. Не забудьте на обложке указать
данные о себе и своем учителе физики (Ф.И.О., Класс, Школа, населенный пункт.)
1