Физическая викторина. Механика. Равновесие 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. Сферический пустотелый поплавок имеет внизу дырку m. В верхней своей части он соединен с тонкой резиновой трубкой, на которую надета небольшая металлическая трубка; последняя закрыта с торца и имеет сбоку отверстие n (рис.). Если это отверстие закрыть пальцем, то поплавок плавает; если незаметно открыть, то поплавок тонет. Догадайтесь, чем обусловлено такое действие прибора.

2. Прибор Н. А. Любимова. Профессор Московского университета Н. А. Любимов был первым ученым, который экспериментально исследовал явление невесомости. Один из его приборов (рис.) представлял собой панель 1 с петлями, которая могла падать вдоль направляющих вертикальных проволок. На панели 1 укреплен сосуд с водой 2. Внутри сосуда с помощью стержня, проходящего через крышку сосуда, помещена большая пробка 3. Вода стремится вытолкнуть пробку, и последняя, растягивая пружину 4, удерживает указательную стрелку на правой стороне экрана. Сохранит ли стрелка свое положение относительно сосуда, если прибор будет падать?

3. Если тело находится внутри жидкости, плотность которой равна плотности этого тела, то сила тяжести уравновешивается выталкивающей силой. Можно ли считать, что это тело, подобно телам внутри искусственного спутника, обращающегося вокруг Земли, находится в состоянии невесомости?

4. «Картезианский водолаз». В маленькую пробирку вставить пробку с отверстием, в которое ввести стеклянную трубку длиной 80 мм так, чтобы ее конец немного выступал из пробки внутрь пробирки (рис.). Предварительно в пробирку насыпать несколько дробинок так, чтобы при плавании пробирка занимала отвесное положение и своим донышком касалась снизу поверхности воды. Высокий стеклянный сосуд почти до краев наполнить водой и опустить «водолаза» отверстием вниз. Верхнее отверстие сосуда затянуть тонкой резиновой мембраной, которую обвязать бечевой. При надавливании и отпускании мембраны «водолаз» тонет и всплывает. Объяснить явление.

5. Пробирку («водолаз»), описанную в предыдущей задаче, опустить в бутыль, наполненную водой. Бутыль плотно закрыть пробкой, через которую проходит стеклянная трубка. На верхний конец стеклянной трубки насадить резиновую трубку длиной 100—120 см (рис.). Экспериментатор берет конец резиновой трубки в рот и дует в нее: «водолаз» тонет. При втягивании воздуха «водолаз» всплывает. Далее резиновую трубку заполнить водой. При поднятии колена резиновой трубки «водолаз» тонет, при опускании всплывает. Объяснить явление.

6. В цилиндрическую мензурку поместить деревянный цилиндр, диаметр которого немного меньше диаметра мензурки (рис.). Придерживая цилиндр спицей, налить в мензурку воды так, чтобы она немного покрывала цилиндр. Будет ли плавать цилиндр, если отпустить спицу, ведь объем фактически вытесненной им воды в несколько раз меньше объема самого цилиндра?

7. Взять стакан, наполненный на две трети водой. Вылить в него полпробирки подсолнечного масла. Как собрать масло обратно в пробирку, не трогая стакана?

8. Кювету с водой уравновесить на бруске (рис.). На поверхность воды пустить плавать коробку, в которой находится гиря. Нарушится ли равновесие кюветы, если коробку перемещать по поверхности воды или если давить на коробку рукой? Нарушится ли равновесие, если вынуть гирю из коробки и поставить ее на дно кюветы? Ответ проверить опытом.

9. Стальной шарик плавает в ртути. Изменится ли погружение шарика в ртуть, если сверху долить воды?

10. К короткому отрезку стеариновой свечи прикрепить снизу небольшой груз так, чтобы свеча плавала в воде (рис.). Зажечь плавающую свечу и задать вопрос: «Как быстро погаснет свеча?»

11. Два одинаковых сосуда наполнены до краев водой. В одном из них плавает кусок дерева. Какой из сосудов перетянет, если их поставить на весы?

12. На одну чашку весов поставить сосуд с водой, а на другую — штатив, на перекладине которого подвешено тело (рис.). Сохранится ли равновесие, если нитку удлинить так, чтобы тело целиком погрузилось в воду? Если нет, то какая чашка перетянет? Ответ проверить опытом.

13. Симметричный относительно вертикальной плоскости ОK сосуд АВСD (рис.), состоящий из двух сообщающихся сосудов, наполнен водой и опирается о ребро неподвижной призмы. В сосуд поместили две гири одинаковой массы — свинцовую и алюминиевую. Какая часть сосуда перетянет и почему?

14. В сосуде с водой плавает кусок льда, к которому примерзла пробка. Как изменится уровень воды в сосуде, если лед растает, в случаях, когда примерзшая пробка целиком находилась под водой (рис. а) и когда она целиком находилась над водой (рис. б)?

15. В сосуде с водой плавает кусок льда, внутри которого находится железный шарик (рис.). Как изменится уровень воды, когда лед растает?

16. В сосуде с водой плавает стакан, в котором находится гиря. Как изменится уровень воды в сосуде, если гирю вынуть из стакана и поставить на дно сосуда?

17. Два шара (рис.), один цельнолитой I, другой полый II с отверстием внизу, наполненный воздухом, уравновешены на рычаге в воде на глубине 1 м. Сохранится ли равновесие, если погрузить всю систему на глубину 10 м?

18. Плавающее вертикально в воде полено (рис.) при малейшем толчке поворачивается и принимает на поверхности воды более устойчивое положение (плашмя). При этом его центр тяжести С повышается. Не противоречит ли это общей закономерности, согласно которой при переходе тел из неустойчивого в устойчивое равновесие их центр тяжести понижается?

19*. Привести примеры, показывающие, как проявляются архимедовы силы в мире живой природы.

20. Продемонстрировать два одинаковых прибора. Каждый из них представляет собой две стеклянные трубки длиной по 30 см, укрепленные вертикально на штативе и соединенные внизу резиновой трубкой, зажатой посредине зажимом (рис.). Все четыре трубки заполнить одинаковыми по виду жидкостями, причем в первом приборе уровни жидкостей разные, а во втором одинаковые. Открыть зажимы. В первом приборе уровни жидкостей расположатся на одинаковой, а во втором — на разной высоте. Объяснить явление.

21. Рыбак для хранения живой рыбы сделал в своей лодке ящик с отверстием в дне (рис.).
Не зальет ли такую лодку и не потонет ли она, если спустить ее на воду?
Обоснованный ответ проверить с помощью модели такой лодки.

22*. Действует ли закон сообщающихся сосудов, наполненных несмачивающими жидкостями, на искусственном спутнике Земли?

23. Широкая трубка в виде усеченного конуса опущена в сосуд с водой, и ее нижнее отверстие закрыто легкой пластинкой АВ (рис.), которая удерживается давлением воды. Сила этого давления 10 Н. Оторвется ли пластинка, если: а) поставить на нее гирю в 10 Н; б) влить в трубку 10 Н воды?

24. Воронку, раструб которой закрыт листом плотной бумаги, опустить в воду (рис.). Чтобы лист, который поддерживается давлением воды снизу, отпал, можно через горлышко налить внутрь воронки некоторое количество воды или всыпать дроби. Будет ли при этом вес всыпанной дроби равен весу влитой в воронку воды?