Физическая викторина. Механика. Равновесие газов
* Задачи, не требующие для решения эксперимента, отмечены звездочкой. Решая такие задачи, можно использовать рисунки (если они есть в задании), выводя их на экран
1. Резиновый баллон поместить внутрь склянки и закрыть ее пробкой со вставленной стеклянной трубкой, на которую насажен наконечник баллона (рис.). Склянка должна иметь боковой тубус, закрывающийся второй пробкой со вставленной в нее стеклянной трубкой. На эту стеклянную трубку надеть кусок резиновой трубки с зажимом.
При открытом зажиме в баллон через верхнюю трубку вдуть воздух, затем закрыть зажимом резиновую трубку бокового тубуса. Баллон сохранит свою раздутую форму, несмотря на то что он открыт. Объяснить явление.
2. Стакан с мыльной пеной поставить в чашку и поместить под колокол воздушного насоса. При откачивании воздуха пена резко увеличит свой объем. Объяснить явление.
3. Стакан налить до половины водой, положить в него какой-нибудь груз (например, маленькую гайку), закрыть листом бумаги и, придерживая рукой, перевернуть (рис.). Несмотря на то что изнутри на бумагу давят воздух, вода и груз, она не отрывается. Объяснить явление.
4. Опустить воронку в сосуд с водой, затем вынуть и, продев тонкую палочку через горлышко, показать, что она пуста. Поместить воронку над другим сосудом. После этого из нее польется вода. Объяснить явление.
5. Два одинаковых стакана, наполненные водой, подвешены на нити (рис., правый дном вверх). Какой стакан перетянет, если вес воды в левом стакане равен весу воды внутри правого стакана от его дна до уровня воды в сосуде?
6. Барометрическая трубка со ртутью подвешена к динамометру так, что она не достает до дна барометрической чашки, стоящей на столе (рис.). Что покажет стрелка динамометра: вес пустой трубки или вес трубки со ртутью?
7. «Универсальный барометр» М. В. Ломоносова (рис.). Прибор состоит из наполненной ртутью барометрической трубки, имеющей наверху шар А. Трубка соединена капилляром В с другим шаром, содержащим сухой воздух. Прибор служит для измерения ничтожных изменений силы атмосферного давления. Разобраться, как действует этот прибор.
8. На резиновую подушку (или резиновый спасательный круг) положить квадратную фанеру и предложить одному из участников викторины сесть на нее (рис.). Можно ли, вдувая ртом воздух в подводящую трубку, поднять человека, сидящего на фанере? Ответ проверить опытом.
9. Резиновую подушку надуть воздухом через подводящую трубку (см. предыдущую задачу), зажать ее зажимом и присоединить к тонкой стеклянной трубке длиной около 80 см. Наполнить последнюю водой. Предложить одному из участников викторины положить на подушку квадратную доску и встать на нее. Может ли столбик воды в трубке уравновесить вес человека, если открыть зажим?
10. На одну из чашек чувствительных весов положить стеклянный шар с отростком и краном (шар для доказательства весомости воздуха), а на другую — слабо надутую футбольную камеру (ее можно подвесить под чашкой весов). Весы уравновесить. Откачать воздух из стеклянного шара — футбольная камера перевесит. Снова впустить в шар воздух — равновесие восстановится. Открыть клапан камеры и вытолкнуть из нее воздух. Равновесие весов не нарушится. Объяснить явление.
11. Полый запаянный стеклянный шар уравновесить на весах гирей и поместить под колокол воздушного насоса (рис.). Сохранится ли равновесие, если выкачать из-под колокола воздух? Если не сохранится, то что перетянет? Ответ проверить опытом.
12. В бутылку с широким горлышком опустить зажженную бумажку и быстро закрыть горлышко круто сваренным и очищенным яйцом (рис.). Яйцо постепенно втягивается и проваливается внутрь бутылки. Объяснить явление.
13. Взять две пробирки, входящие друг в друга. В большую пробирку налить воды и вставить меньшую. Прибор перевернуть (рис.). Вода вытекает по каплям, а внутренняя пробирка поднимется вверх. Объяснить явление.
14*. Можно ли измерять давление воздуха в искусственном спутнике, движущемся по орбите вокруг Земли, с помощью ртутного барометра? Каким барометром следует пользоваться внутри спутника?
15. Объяснить действие автоматической поилки для кур (рис.).
16. Два одинаковых сосуда наполнили водой (рис.), В каждый из них опустили стеклянную трубку и откачали из трубок часть воздуха, в результате чего вода поднялась в левей трубке выше, чем в правой. Затем их соединили резиновой трубкой с краном, как показано на рисунке. Будет ли вода переливаться из левого сосуда в правый, если открыть кран?
17. Под колокол воздушного насоса поместить колбу с водой, закрытую пробкой, через которую пропущена изогнутая трубка, другой конец трубки опущен в стакан (рис.). Из-под колокола выкачать воздух — вода из колбы начнет переливаться в стакан. Затем под колокол впустить воздух — вода перельется обратно из стакана в колбу. Объяснить явление.
18. Поставить на стол бутыль емкостью 1—3 л, закрытую резиновой пробкой, через которую проходят две трубки — одна тонкая капиллярная, другая изогнутая под прямым углом (рис.). В изогнутую часть ввести каплю подкрашенного керосина. Поднять бутыль при помощи тигельных щипцов над столом на высоту 1 м. Капля керосина переместится на некоторое расстояние к открытому концу трубки, а затем медленно вернется назад. Объяснить явление.
19. На панели прибора Н. А. Любимова (рис.) укреплены два сообщающихся сосуда со ртутью. В сосуд 1 нагнетать воздух до тех пор, пока уровни ртути в сосудах установятся на разной высоте, после чего кран, имеющийся в верхней части сосуда 1, закрыть. Что произойдет со ртутью во время падения прибора?
20*. Привести примеры, показывающие, как силы давления используются в мире живой природы.
Ответы
1. Резиновый баллон стремится сжаться, поэтому между его стенками и стенками склянки образуется разрежение. Таким образом, атмосферное давление воздуха, действующего на стенки баллона изнутри, будет больше давления воздуха снаружи и баллон сохранит раздутую форму.
2. При откачивании воздуха из-под колокола внутреннее давление воздуха в пузырях становится больше внешнего давления, поэтому пузыри раздуваются.
3. Под тяжестью воды и груза бумажка слегка прогибается, объем воздуха увеличивается и его давление становится меньше атмосферного. Поэтому внешнее атмосферное давление может уравновесить давление содержимого стакана.
4. Воронка имеет двойные стенки (рис.). Когда ее опускают в сосуд, вода входит снизу в пространство между стенками, а воздух оттуда выходит через маленькое отверстие у ручки. Если это отверстие закрыть пальцем и вынуть из сосуда воронку, атмосферное давление будет снизу поддерживать воду. Когда незаметно открывают отверстие, воздух входит в него и вода выливается.
5. Снаружи на дно правого стакана действует сила атмосферного давления, равная |F⃗ |, изнутри же на дно действует такая же сила, уменьшенная на вес воды в стакане, равный |Q⃗ |, т. е. |F⃗ | - |Q⃗ |. Равнодействующая сил, приложенных к дну стакана, равна |F⃗ | - (|F⃗ | - |Q⃗ |) = |Q⃗ |. Поэтому система будет в равновесии. Потерей веса края правого стакана, погруженного в воду, пренебрегаем.
6. Стрелка покажет вес трубки со ртутью от ее уровня в трубке до уровня ртути в чашке. Действительно, на дно трубки сверху действует сила атмосферного давления, равная весу ртути в трубке; давление же на дно изнутри равно нулю, так как над ртутью в трубке воздуха нет.
7. При изменении атмосферного давления высота ртути в трубке Н изменяется. Небольшому изменению в высоте Н соответствует значительное перемещение ртути в капиллярной трубке, так как объем шара А во много раз больше объема капилляра В.
8. Да. Человек с помощью легких может создать избыточное давление 2 ÷ 2,5 Н/см². Используя это давление, можно получить силу давления, равную силе тяжести человека.
9. Да. Давление столбика воды длиной около метра достаточно, чтобы создать силу давления воздуха в подушке, равную силе тяжести человека.
10. На камеру действуют две силы: вниз — сила тяжести камеры с находящимся в ней воздухом, вверх — выталкивающая сила.
Уменьшение каждой из этих сил в результате удаления из камеры воздуха равно силе тяжести этого воздуха. Поэтому нагрузка на чашку, к которой подвешена камера, равная разности этих сил, не изменится и весы останутся в равновесии. При откачивании же воздуха из стеклянного шара объем шара остается прежним, поэтому и выталкивающая сила не изменяется.
11. При откачивании воздуха выталкивающие архимедовы силы, действующие на шар и гирю, исчезнут. Но выталкивающая сила, действующая в воздухе на шар, больше выталкивающей силы, приложенной к гире, так как объем шара больше объема гири. Поэтому в вакууме шар перетянет.
12. Пламя нагревает воздух в бутылке и часть его выходит наружу. Когда бутылку закрывают яйцом, воздух в ней охлаждается, давление его падает и внешнее атмосферное давление загоняет яйцо в бутылку.
13. Когда вода вытекает, давление между стенками пробирок становится меньше атмосферного и атмосферный воздух, действуя изнутри на малую пробирку, поднимает ее вверх.
14. Нет. Как и все предметы внутри спутника, ртуть в барометре невесома и не уравновешивает давление воздуха. Поэтому она заполнит всю барометрическую трубку. В спутнике нужно пользоваться анероидом.
15. Вода выливается из сосуда А в сосуд В через трубку D до тех пор, пока не закроет нижний конец трубки С. После этого воздух в сосуд А через трубку С уже не поступает, в нем образуется разрежение и вода перестает выливаться.
16. Давление p1 с левой стороны крана равно: p1 = p0 - ρgh1, где p0 — давление атмосферного воздуха; ρ — плотность воды; g — ускорение силы тяжести; h1 — высота крана над уровнем АА.
Аналогично давление p2 с правой стороны крана равно: p2 = p0 - ρgh2, где h2 — высота крана над уровнем ВВ.
Так как h1 = h2, то p1 = p2. Поэтому, если открыть кран, вода переливаться не будет.
17. При откачивании воздуха из-под колокола его давление будет меньше давления воздуха в колбе. Поэтому, расширяясь, воздух вытеснит воду из колбы в стакан. Давление воздуха в колбе становится меньше атмосферного, поэтому, если под колокол впустить атмосферный воздух, он перегонит воду обратно из стакана в колбу.
18. С увеличением высоты давление атмосферного воздуха уменьшается. Возникающую разность давлений атмосферного воздуха и воздуха в бутыли фиксирует прибор. Постепенно воздух из бутыли просачивается через капилляр наружу и давление выравнивается. Прибор реагирует и на изменение давления воздуха, возникающее при открывании двери в соседней комнате.
19. Во время падения прибора слои ртути перестают давить друг на друга и сжатый воздух выталкивает ее в сосуд 2.
20. 1. Давлением объясняется действие разного рода присосок. Например, рыбы-прилипалы имеют присасывающую поверхность, состоящую из ряда складок, образующих глубокие карманы. При попытке оторвать присоску от поверхности, к которой она прилипла, глубина карманов увеличивается, давление в них уменьшается и тогда внешнее давление сильнее прижимает присоску.
2. Засасывающее действие болота объясняется тем, что при поднятии ноги под ней в почве образуется разреженное пространство. Перевес силы давления на ногу взрослого человека может достигать 1000 Н. Копыта жвачных животных при вытаскивании из трясины сжимаются под влиянием давления и, таким образом, пропускают воздух в образовавшееся углубление; нога вынимается без труда.