Физическая викторина. Механика. Движение жидкостей
* Задачи, не требующие для решения эксперимента, отмечены звездочкой. Решая такие задачи, можно использовать рисунки (если они есть в задании), выводя их на экран
1. Взять два стеклянных сосуда, соединенных между собой изогнутой стеклянной трубкой (рис.). В верхний сосуд налить воды выше отверстия, через которое проходит трубка. При этом вода быстро перельется из верхнего сосуда в нижний. Объяснить явление.
2. Сифон переменного действия. Горлышко большой воронки из жести закрыть пробкой, сквозь которую проходит изогнутая стеклянная трубка (рис.). Закрепив воронку на штативе, направить в нее тонкую струйку воды из водопроводного крана. Вода из воронки будет периодически сбрасываться в нижележащий сосуд. Разгадать внутреннее устройство воронки.
3. Сифон, не требующий засасывания. Сифонной трубке придать форму, изображенную на рисунке. Закрыть пальцем свободный тонкий конец трубки, опустить другое, короткое толстое колено в сосуд с водой и убрать палец. Вода в коротком колене поднимется выше уровня воды в сосуде, и сифон начнет действовать. Объяснить принцип действия прибора.
4. Автоматы древних. Разобраться по рисунку, как действовали автоматы, построенные древнегреческим ученым Героном (II в. до н. э.):
а) двойной сифон;
б) сифон с постоянной скоростью вытекания жидкости;
в) автомат «поющая птичка».
Скачать картинку большого размера
5. Как вылить воду из бутылки, не наклоняя ее (рис.)?
6. Продемонстрировать видоизмененный фонтан Герона (рис.). Объяснить, как он действует.
7. Водяной таран. Горлышко большой стеклянной воронки с надетой на нее резиновой трубкой соединить стеклянным тройником с резиновой трубкой, в которую вставлен отрезок стеклянной оттянутой трубки (рис.). Налить в воронку воды, которая будет выливаться из открытого колена тройника. Если это колено быстро закрыть пальцем, то из оттянутого конца брызнет фонтаном вода выше уровня воды в воронке. Объяснить явление. Не противоречит ли оно закону сообщающихся сосудов?
8. Объяснить действие «сосуда Мариотта», из которого жидкость вытекает все время с одинаковой скоростью (рис.).
9. Пропуская воду из водопровода через резиновую трубку с тонким стеклянным наконечником, получить тонкую струю воды (рис.). У конца отверстия стеклянной трубки расположить стеклянный цилиндр, одно из отверстий которого упруго затянуто тонкой резиновой пленкой. Струя воды, ударяясь о резину, производит звук, напоминающий шум падения капель дождя на железную крышу.
Регулируя ток воды краном и изменяя расстояние между наконечником и цилиндром, добиться, чтобы струя бесшумно ударялась о резиновую пленку. Далее положить часы на наконечник. Тиканье часов будет слышно всей аудитории. Объяснить действие прибора.
10. Гидродинамический парадокс. Прибор для этого опыта состоит из большой воронки, трубка которой туго вставлена в отверстие, сделанное в центре круга (диаметром 12 см) из толстой фанеры (рис.). Шляпки трех гвоздей, вбитых по краю круга, поддерживают другой круг из жести, имеющий такой же диаметр. Между гвоздями п отверстиями в жестяном круге, через который они проходят, имеется зазор. Поставить прибор в воду, налитую в ванну, и влить в воронку порцию воды. Нижняя пластина подскочит вверх. Объяснить явление.
11. Приклейте к шарику от настольного тенниса нитку и, держа его за нитку рукой, коснитесь им водяной струи. Отведите руку с натянутой ниткой в сторону. Шарик не отойдет от струи. Объяснить явление.
12. Стеклянную трубку (диаметром 10—12 мм и длиной 20—30 см) с оттянутым концом (диаметр конца 1,5— 2 мм) укрепить вертикально в штативе, поставленном в широкую ванну. Соединить эту трубку резиновой с водопроводным краном и, постепенно открывая его, получить тонкую сильную струю воды до 2 м высотой (рис.). Положить легкий целлулоидный шарик на вершину струи. Он будет, слегка вибрируя, достаточно устойчиво держаться на ней. В чем причина этой устойчивости?
13*. В сочинении «История греко-персидских войн» древнегреческий историк Геродот, рассказывая о своем путешествии по Египту, писал: «Перед плывущим по течению кораблем опускают в воду вертикально и перпендикулярно течению доску, которая играет роль двигателя и тянет корабль» (рис.).
Ученые поняли, как простая доска может служить двигателем, лишь недавно, когда выяснили, что ее применяли только при сильном встречном ветре. Объяснить действие доски, употреблявшейся древнеегипетскими кормчими.
14*. Где и сколько клапанов надо установить в насосе (рис. а), чтобы поршень непрерывно гнал жидкость при своем движении как в левую, так и в правую сторону? Как должны быть соединены трубопроводы с всасывающей трубой и с трубой, подающей жидкость в систему?
15. Объясните по схеме действие пожарного насоса (рис.). Какое назначение имеет камера А?
Ответы
1. Изогнутая стеклянная трубка, соединяющая оба сосуда, представляет собой сифон. Когда вода достигнет высшей точки этого сифона, в его правом колене образуется более длинный столб воды, чем в левом колене. Более длинный столб воды обладает большей силой тяжести и потому перетягивает короткий столб. Атмосферное давление препятствует разрыву столба воды в трубке сифона.
2. См. ответ к предыдущей задаче.
3. Если убрать палец, то вода по закону сообщающихся сосудов устремится с некоторой скоростью в широкое колено сифона. В суженной части левого колена скорость воды возрастет до величины, достаточной для того, чтобы достичь высшей точки сифона. И сифон начнет действовать.
4. а) Сифон представляет собой систему двух трубок, из которых внешняя закрыта сверху, а внутренняя открыта с двух концов, причем верхний конец не доходит до дна внешней трубки. В сосуд, в котором укреплен этот сифон, можно наливать воду до тех пор, пока наружная трубка сифона не наполнится до дна. Тогда жидкость будет вытекать из сосуда до тех пор, пока не выльется вся.
б) В этом сифоне внутреннее колено закреплено в чаше, плавающей на поверхности жидкости в сосуде. При вытекании жидкости сифон опускается, причем выходное отверстие остается ниже уровня жидкости всегда на одну и ту же величину. Поэтому и скорость вытекания жидкости постоянна.
в) Вода, втекающая в сосуд А, вытесняет из него воздух, который, проходя по трубке, вызывает свист. Заполнив сифон, вода начинает переливаться через него в сосуд В, который в конце концов перетянет груз С, и сова повернется к птичке. В этот момент через сифон из сосуда А вытекает больше воды, чем втекает. Поэтому птичка не свистит. Затем вступает в действие нижний сифон. Вода из сосуда В выливается, груз С перетягивает, сова отворачивается, и птичка начинает свистеть. Далее процесс повторяется.
5. Через трубку, пропущенную внутрь бутылки, вдуть воздух. При этом давление воздуха в бутылке увеличится и он выдавит часть воды наружу через ту же трубку.
6. Вода, переливаясь из сосуда С в сосуд В, сжимает в нем воздух, который по трубке частично переходит в сосуд А. Давление воздуха на поверхность воды в сосуде А увеличивается, и она начинает фонтанировать.
7. Когда закрывают пальцем открытое колено тройника, движущаяся вода по инерции устремляется вверх и, проходя через оттянутый кончик трубки, увеличивает свою скорость. Кинетическая энергия этой воды оказывается достаточной, чтобы выбросить небольшой фонтанчик выше уровня воды в воронке. Закон сообщающихся сосудов распространяется только на жидкость, находящуюся в равновесии, и к водяному тарану неприменим.
8. По мере вытекания жидкости в сосуд через трубку С входит пузырьками воздух. Таким образом, поверхность АВ находится все время под тем же давлением, какое имеется снаружи у отверстия D, так что скорость вытекания обусловливается только давлением столба жидкости h.
9. Сотрясения корпуса часов передаются водяной струе, которая разбивается на ряд водяных столбиков, падающих на резиновую перепонку. Поэтому перепонка издает звук, частота которого равна частоте колебания часового маятника.
10. Когда вода из воронки начинает течь в промежутке между кругами, скорость воды возрастает, а давление уменьшается. Благодаря этому гидростатическое давление, действуя снизу на жестяной круг, поднимает его вверх.
11. В месте касания шарика струя сужается, ее скорость возрастает, а давление уменьшается. Поэтому сила атмосферного давления прижимает шарик к струе.
Примечание. Вместо шарика можно использовать алюминиевую ложку.
12. Там, где шарик касается струи, ее скорость увеличивается, а давление уменьшается, поэтому сила атмосферного давления прижимает шарик к струе.
13. Доска увеличивала поверхность, на которую действовало речное течение, и, таким образом, помогала преодолевать силу ветра. На доску же ветер не действовал, так как она была погружена в воду и являлась как бы «водяным парусом».
14. См. рисунок б.
15. Пожарный насос состоит из двух нагнетательных насосов, накачивающих воздух в камеру А. Поэтому воздух в камере А сжимается и своим давлением создает равномерную подачу воды через трубку В к месту ее потребления.