Давление.Экспериментальные задания.

                              Задание 1.

      Определите давление, производимое стулом. Подложите под ножку стула

листок бумаги в клеточку, обведите ножку остро отточенным карандашом и,

вынув листок, подсчитайте число квадратных сантиметров. Подсчитайте площадь

опоры четырех ножек стула. Подумайте, как еще можно посчитать площадь опоры

ножек?

      Узнайте вашу массу вместе со стулом. Это можно сделать при помощи

весов,  предназначенных для взвешивания людей. Для этого надо взять в руки

стул и встать на весы, т.е. взвесить себя вместе со стулом.

      Если узнать массу имеющегося у вас стула по каким-либо причинам не

получается, примите массу стула равной 7кг (средняя масса стульев). К массе

собственного тела прибавьте среднюю массу стула.

      Посчитайте ваш вес вместе со стулом. Для этого сумму масс стула и

человека необходимо умножить примерно на десять (точнее на 9,81 м/с^2).

Если масса была в килограммах, то вы получите вес в ньютонах. Пользуясь

формулой p=F/S, подсчитайте давление стула на пол, если вы сидите на стуле,

не касаясь ногами пола. Все измерения и расчеты запишите в тетрадь и

принесите в класс.

                              Задание 2.

      Налейте в стакан воду до самого края. Прикройте стакан листком плотной

бумаги и, придерживая бумагу ладонью, быстро переверните стакан кверху

дном. Теперь уберите ладонь. Вода из стакана не выльется. Давление

атмосферного воздуха на бумажку больше давления воды на нее.

      На всякий случай проделывайте все это над тазом, потому что при

незначительном перекосе бумажки и при еще недостаточной опытности на первых

порах воду можно и разлить.

                              Задание 3.

      “Водолазный колокол” - это большой металлический колпак, который

открытой стороной опускают на дно водоема для производства каких-либо

работ. После опускания его в воду содержащийся в колпаке воздух сжимается и

не пускает воду внутрь этого устройства. Только в самом низу остается

немного воды. В таком колоколе люди могут двигаться и выполнять порученную

им работу. Сделаем модель этого устройства.

      Возьмите стакан и тарелку. В тарелку налейте воду и поставьте в нее

перевернутый вверх дном стакан. Воздух в стакане сожмется, и дно тарелки

под стаканом будет очень немного залито водой. Перед тем как поставить в

тарелку стакан, положите на воду пробку. Она покажет, как мало воды

осталось на дне.

                              Задание 4.

      Этому занимательному опыту около трехсот лет. Его приписывают

французскому ученому Рене Декарту (по-латыни его фамилия - Картезий). Опыт

был так популярен, что на его основе создали игрушку “Картезианский

водолаз”. Мы с вами можем проделать этот опыт. Для этого понадобится

пластиковая бутылка с пробкой, пипетка и вода. Наполните бутылку водой,

оставив два-три миллиметра до края горлышка. Возьмите пипетку, наберите в

нее немного воды и опустите в горлышко бутылки. Она должна своим верхним

резиновым концом быть на уровне или чуть выше уровня воды в бутылке. При

этом нужно добиться, чтобы от легкого толчка пальцем пипетка погружалась, а

потом сама медленно всплывала. Теперь закройте пробку и сдавите бока

бутылки. Пипетка пойдет на дно бутылки. Ослабьте давление на бутылку, и она

снова всплывет. Дело в том, что мы немного сжали воздух в горлышке бутылки

и это давление передалось воде. Вода проникла в пипетку - она стала тяжелее

и утонула. При прекращении давления сжатый воздух внутри пипетки удалил

лишнюю воду, наш “водолаз” стал легче и всплыл. Если в начале опыта

“водолаз” вас не слушается, значит, надо отрегулировать количество воды в

пипетке.

      Когда пипетка находится на дне бутылки, легко проследить, как от

усиления нажима на стенки бутылки вода входит в пипетку, а при ослаблении

нажима выходит из нее.

                              Задание 5.

      Сделайте фонтан, известный в истории физики как фонтан Герона. Через

пробку, вставленную в толстостенную бутылку, пропустите кусок стеклянной

трубки с оттянутым концом. Налейте в бутылку столько воды, сколько

потребуется для того, чтобы конец трубки был погружен в воду. Теперь в два-

три приема вдуйте ртом в бутылку воздух, зажимая после каждого вдувания

конец трубки. Отпустите палец и наблюдайте фонтан.

      Если хотите получить очень сильный фонтан, то для накачивания воздуха

воспользуйтесь велосипедным насосом. Однако помните, что более чем от

одного-двух взмахов насоса пробка может вылететь из бутылки и ее нужно

будет придерживать пальцем, а при очень большом количестве взмахов сжатый

воздух может разорвать бутылку, поэтому пользоваться насосом нужно очень

осторожно.

Теоретический  материал для проведения  уроков по теме:

Давление: единицы давления

Чтобы понять, что такое давление в физике, рассмотрим простой и знакомый каждому пример. Какой?

В ситуации, когда надо порезать колбасу, мы воспользуемся наиболее острым предметом – ножом, а не ложкой, расческой или пальцем. Ответ очевиден – нож острее, и вся прикладываемая нами сила распределяется по очень тонкой кромке ножа, принося максимальный эффект в виде отделения части предмета, т.е. колбасы. Другой пример – мы стоим на рыхлом снегу. Ноги проваливаются, идти крайне неудобно. Почему же тогда мимо нас с легкостью и на большой скорости проносятся лыжники, не утопая и не путаясь все в таком же рыхлом снегу? Очевидно, что снег одинаков для всех, как для лыжников, так и для пешеходов, а вот оказываемое на него воздействие – различно.

При примерно схожем давлении, то есть весе, площадь поверхности, давящей на снег, сильно различается. Площадь лыж намного больше площади подошвы обуви, и, соответственно, вес распределяется по большей поверхности. Что же помогает или, наоборот, мешает нам эффективно воздействовать на поверхность? Почему острый нож качественнее разрезает хлеб, а плоские широкие лыжи лучше удерживают на поверхности, уменьшая проникновение в снег? В курсе физики седьмого класса для этого изучают понятие давления.

Давление в физике

Силу, которую прикладывают к какой-либо поверхности, называют силой давления. А давление – это физическая величина, которая равна отношению силы давления, приложенной к конкретной поверхности, к площади этой поверхности. Формула расчета давления в физике имеет следующий вид:

p=F/s,

где p – давление,
F – сила давления,
s – площадь поверхности.

Мы видим, как обозначается давление в физике, а также видим, что при одной и той же силе давление больше в случае, когда площадь опоры или, другими словами, площадь соприкосновения взаимодействующих тел, меньше. И, наоборот, с увеличением площади опоры, давление уменьшается. Именно поэтому, более острый нож лучше разрезает любое тело, а гвозди, забиваемые в стену, делают с острыми кончиками. И именно поэтому, лыжи удерживают на снегу гораздо лучше, чем их отсутствие.

Единицы измерения давления

Единицей измерения давления является 1 ньютон на метр квадратный – это величины, уже известные нам из курса седьмого класса. Также мы можем перевести единицы давления Н/м2 в паскали, - единицы измерения, названные в честь французского ученого Блеза Паскаля, который вывел, так называемый, Закон Паскаля. 1 Н/м = 1 Па. На практике применяются также и другие единицы измерения давления – миллиметры ртутного столба, бары и так далее.

Способы уменьшения и увеличения давления

Мальчик 10 лет, идущий по земле, производит давление на нее в размере примерно 15 кПа. А огромный и мощный гусеничный трактор, весом в сотни раз больше мальчика, производит давление на землю около 50 Кпа, то есть, всего лишь в три раза больше. Это достигается за счет применения гусениц и увеличения площади соприкосновения трактора с Землей. Это пример уменьшения давления.

Твердую металлическую проволоку часто очень трудно согнуть, не то что сломать, и она может выдержать приличные нагрузки, но при этом, применив специальные ножницы по металлу, почти всякому по силам разрезать проволоку на части. В данной ситуации при небольшой, казалось бы,  силе давления достигается ощутимый эффект благодаря уменьшению площади соприкасающихся поверхностей. Острые грани ножниц во много раз усиливают наши пальцы и помогают разрезать крепкую проволоку почти так же легко, как хлеб или колбасу. Это пример увеличения давления.

Человек изобрел множество способов увеличения или уменьшения давления, в зависимости от потребности. Значительно уменьшая площадь, и незначительно увеличивая силу производимого давления, можно в десятки и сотни раз повысить производимое давление. И наоборот, увеличив площадь опоры, мы в разы уменьшим давление на поверхность или тело. Приведем примеры увеличения и уменьшения давления.

Давление газа

Попробуйте растянуть воздушный шарик руками. В длину, в ширину. Прикиньте на глазок или замерьте расстояние, на которое вам удалось его растянуть. А теперь надуйте шарик.

И сравните длину и ширину надутого шарика с тем расстоянием, на которое вам удавалось его растянуть. Практически в ста процентах случаев оказывается, что воздух, самый обыкновенный воздух, которым вы дышите, справился значительно лучше ваших мышц. Поразительно, не правда ли? Точно так же мы накачиваем камеры машин и велосипедов, мячи для спортивных игр, и после качественной накачки мы абсолютно не в состоянии сжать руками воздух внутри камеры или мяча. Отчего так происходит? Почему воздух оказывается намного сильнее нас, не имея ни мускулов, ни приспособлений для этого? Это явление носит название давление газа и проходится в седьмом классе на уроках физики. 

Давление газа в физике

Абсолютно все вещества состоят из мельчайших, не видимых глазу частиц – молекул. Эти молекулы находятся в беспрерывном хаотичном движении. И если в твердых телах это лишь небольшое колебание на одном месте, то в жидкостях и газах это движение происходит в любых направлениях, молекулы сталкиваются друг с другом, летят в новом направлении, вновь сталкиваются и так далее, рисуя немыслимые траектории и пересекая неисчислимое расстояние. Удар при столкновении одной молекулы очень и очень мал, но, как известно, молекул невероятное множество, двигаются они очень быстро, а потому действие всех молекул – это довольно значительная величина. То есть, многочисленные удары беспорядочно движущихся молекул и создают давление газа на стенки сосуда или на помещенное в газ тело.

Именно потому, когда мы надували воздушный шарик, мы наполняли его все новыми и новыми порциями воздуха, то есть газа, и, будучи накачиваемым все в большем количестве, он создавал все большее давление на стенки шарика, растягивая его. А так как из-за хаотического движения молекулы равномерно распределяются по всему объему, создавая равномерное давление газа на стенки сосуда, то и шарик равномерно раздувался во все стороны.

Зависимость давления газа от температуры

Если же мы уменьшаем объем сосуда при постоянной массе и температуре газа, то его давление на стенки уменьшается. Это и понятно, так как при увеличении объема расстояние между молекулами становится больше и количество соударений уменьшается. Существует также зависимость давления газа от температуры. Чем выше температура, тем выше скорость молекул газа и, соответственно, количество соударений и их сила увеличивается. Поэтому категорически нельзя нагревать баллоны со сжиженным газом, так как от увеличения давления внутри они могут не выдержать и взорваться. Для измерения давления газа существуют специальные приборы, самый известный из которых – это барометр, который позволяет нам узнать величину атмосферного давления и, исходя их этих данных, одеваться на улицу соответственно.

Закон Паскаля: формула и применение

Если мы положим на стол тяжелую стопку книг, то мы увеличим давление не только на стол, но и соответственно, на пол под столом. Стены, потолок, окна и двери этого давления на себе не почувствуют.

Даже если мы сложим на стол всю одежду из шкафов, еду из холодильника, телевизор, гантели и вдобавок взгромоздимся с ногами сами, стены и потолок не ощутят никаких изменений. Разве что их может задеть щепкой от разлетевшегося под весом всего этого добра стола, но изменения в давлении на них будут равны нулю. С газами и жидкостями дело обстоит иначе. Если в закрытом сосуде мы изменим давление на наполняющую сосуд жидкость или газ, то изменение в давлении ощутят на себе абсолютно все стенки этого сосуда.

В чем состоит закон Паскаля?

Можно самостоятельно проделать опыт, наглядно подтверждающий это явление. Для этого необходимо взять плотный резиновый шарик и наполнить его водой, а потом завязать или закупорить как-то иначе. Аккуратно, чтобы не порвать, проделываем иголкой несколько дырок в разных местах наполненного водой шарика. Сквозь дырки начинает сочиться вода. А теперь, если мы сожмем шар в руках, мы увидим, что вода начинает выливаться гораздо активнее абсолютно через все отверстия. То есть, увеличив давление в местах сжатия, мы видим, что давление увеличилось также одинаково во всех направлениях, на все стенки сосуда, то есть, в данном случае, шарика.

То же самое будет, если наполнить шарик дымом. Это происходит вследствие того, что активно перемещающиеся частицы жидкости и газа перемешиваются по всему объему, и давление, уменьшившее объем для их свободного перемещения в одном месте, вызовет такое же уменьшение объема по всем направлениям. В этом и состоит закон Паскаля: жидкости и газы передают оказываемое на них давление по всем направлениям одинаково. Закон этот был открыт в 17 веке французским ученым Паскалем и потому носит его имя.

Формула закона Паскаля и его применение

Закон Паскаля описывается формулой давления:

p=F/S,

где  p – это давление,
F – приложенная сила,
S – площадь сосуда.

Давление в жидкости и газе

Жидкости и газы передают по всем направлениям приложенное к ним давление. Об этом гласит закон Паскаля и практический опыт.

Но существует еще и собственный вес, который тоже должен влиять на давление, существующее в жидкостях и газах. Вес собственных частей или слоев. Верхние слои жидкости давят на средние, средние на нижние, а последние – на дно. То есть мы можем говорить о существовании давления столба покоящейся жидкости на дно.

Формула давления столба жидкости

Формула для расчета давления столба жидкости высотой h имеет следующий вид:

p=ρgh,

где ρ – плотность жидкости,
g – ускорение свободного падения,
h - высота столба жидкости.

Это формула так называемого гидростатического давления жидкости.

Давление столба жидкости и газа

Гидростатическое давление, то есть, давление, оказываемое покоящейся жидкостью, на любой глубине не зависит от формы сосуда, в котором находится жидкость. Одно и то же количество воды, находясь в разных сосудах, будет оказывать разное давление на дно. Благодаря этому можно создать огромное давление даже небольшим количеством воды.

Это очень убедительно продемонстрировал Паскаль в семнадцатом веке. В закрытую бочку, полную воды, он вставил очень длинную узкую трубку. Поднявшись на второй этаж, он вылил в эту трубку всего лишь одну кружку воды. Бочка лопнула. Вода в трубке из-за малой толщины поднялась до очень большой высоты, и давление выросло до таких значений, что бочка не выдержала. То же самое справедливо и для газов. Однако, масса газов обычно намного меньше массы жидкостей, поэтому давление в газах, обусловленное собственным весом можно часто не учитывать на практике. Но в ряде случаев приходится считаться с этим. Например, атмосферное давление, которое давит на все находящиеся на Земле предметы, имеет большое значение в некоторых производственных процессах.

Благодаря гидростатическому давлению воды могут плавать и не тонуть корабли, которые весят зачастую не сотни, а тысячи килограмм, так как вода давит на них, как бы выталкивая наружу. Но именно по причине того же гидростатического давления на большой глубине у нас закладывает уши, а на очень большую глубину нельзя спуститься без специальных приспособлений – водолазного костюма или батискафа. Лишь немногие морские и океанические обитатели приспособились жить в условиях сильного давления на большой глубине, но по той же причине они не могут существовать в верхних слоях воды и могут погибнуть, если попадут на небольшую глубину.

Расчет давления на дно и стенки сосуда

Для того чтобы рассчитать силу давления жидкости на дно и стенки сосуда, определим формулу, по которой мы сможем найти эту величину. Возьмем для примера прямоугольный сосуд, например аквариум.

Формула давления на дно и стенки сосуда

Давление жидкости обусловлено ее весом и, соответственно сила этого давления F равна весу жидкости P. Вес жидкости можно определить, зная ее массу m. А массу можно вычислить по формуле: m=ρV. Объем жидкости в прямоугольном сосуде легко рассчитать. Обозначим высоту сосуда h, а площадь дна буквой S. Тогда объем будет равен: V=Sh. Формула массы в таком случае принимает вид: m=ρV=ρSh . Вес жидкости будет равен: P=gm=gρSh. чтобы рассчитать давление, нам нужна сила этого давления. А мы уже говорили, что сила давления в данном случае равна весу жидкости, поэтому формула давления принимает следующий вид:

p=P/S=gρSh/S или p=gρh

То есть в итоге мы пришли к очень интересному моменту – давление не зависит от объема и формы сосуда. Оно зависит только от плотности и высоты столба конкретной жидкости в данном случае. Из чего следует, что, увеличив высоту сосуда, мы можем при небольшом объеме создать довольно высокое давление. Для давления газа на дно и стенки сосуда формула будет иметь точно такой же вид.

Применение давления на дно и стенки сосуда

Еще один интересный момент заключается в том, что согласно закону Паскаля давление распределяется равномерно не только на дно и стенки, но и в направлении вверх. То есть, если мы погрузим какое-либо тело на определенную глубину, то на него снизу будет действовать сила, равная силе давления на данной глубине, как бы выталкивая тело на поверхность. Именно благодаря этому явлению возможно плавание кораблей. Несмотря на довольно внушительный вес, вода выталкивает судно вследствие эффекта давления воды на стенки сосуда, которыми в данном случае являются борта корабля. С понижением глубины давление увеличивается. Люди научились использовать это явление, делая борта кораблей в форме сужающихся вниз конусов. Именно поэтому нас доступно покорение морей и океанов.

А что по поводу давления газов?

Что касается газов, то для них расчет будет абсолютно таким же. Соответственно, наибольший вес окружающего нас газа – воздуха, будет у поверхности Земли. А с увеличением высоты будет уменьшаться как среднее давление, так и плотность окружающего газа. Поэтому воздух на высоте очень разреженный. Там очень трудно как дышать, так и летать, потому что крыльям самолетов не на что опираться. Именно поэтому набирать очень большую высоту летательные аппараты могут только на очень высокой скорости, увеличивая таким образом количество воздуха под крылом в единицу времени. 

Вес воздуха и атмосферное давление

Газовая оболочка, которая окружает Землю, называется атмосферой. Смесь газов, составляющих атмосферу Земли, называют воздухом.

Атмосфера – это воздушная оболочка Земли, которая укрывает нас от космической радиации и дождя метеоритов. Молекулы газов, входящих в состав воздуха, беспрерывно и хаотично движутся. Но почему же они не улетают в космос? Дело в том, что, чтобы покинуть матушку-Землю необходимо развить так называемую «вторую космическую скорость», равную 11,2 км/с. Скорость подавляющего большинства молекул воздуха значительно меньше. Конечно, такие «кадры» присутствуют, но количество их ничтожно мало, и поэтому потери воздуха, улетучивающегося в космос, не существенны.

Вес воздуха и атмосферное давление

Исследованиями установлено, что воздушная оболочка Земли простирается на тысячи километров, однако большая ее часть – 80% всей массы сосредоточено в 15ти километровом слое над поверхностью. Верхние слои воздуха очень разреженные, а чем ближе к Земле, тем плотность воздуха возрастает. Как мы знаем, воздух, как и любой другой газ, тоже имеет свой вес, который обусловливает давление на поверхность Земли и все тела на ее поверхности. Верхние слои воздуха давят на средние, те на нижние, и так создается давление атмосферы на поверхность Земли. Рассчитав вес тела, т.е. воздуха, мы можем найти, чему равно атмосферное давление.

В физике атмосферным давлением называют давление, которое оказывает атмосфера Земли на все, находящиеся на ее поверхности, тела и предметы. Что же дает нам существование атмосферного давления на практике?

Атмосферное давление в физике и в жизни

На уроках по теме «атмосферное давление» проводят ряд опытов, некоторые из которых несложно проделать в домашних условиях. Так, вместо цилиндра с поршнем мы можем взять обыкновенный шприц, опустить его в емкость с водой и, потянув поршень шприца вверх, мы увидим, что вода поднимается вверх по шприцу. Этот опыт, который хоть раз в жизни видел или проделывал любой из нас, является следствием существования атмосферного давления. Каким образом? Воздух давит на любой предмет и тело на поверхности, а, следовательно, и на находящуюся в емкости воду. Когда мы тянем поршень шприца вверх, то уменьшаем давление внутри шприца, и вода под действием атмосферного давления устремляется в область пониженного давления, то есть, в шприц. Тот же принцип позволяет нам набирать жидкости пипеткой. Еще пример из жизни – это устройство автоматической поилки для птиц и мелких домашних животных. Флягу с водой опускают в корытце или тазик, в котором тоже находится вода. Под действием атмосферного давления вода из фляги не выливается вся, так как над ней образуется зона безвоздушного пространства, лишенная давления. А вот когда уровень воды в корытце понижается, и пузырек воздуха попадает внутрь фляги, то часть воды спокойно выливается наружу.