Видеоурок «Сообщающиеся сосуды, их применение. Устройство шлюзов, водомерного стекла»

§ 1 Сообщающиеся сосуды

Нам знакомы бытовые приборы, которые являются сообщающимися сосудами. Это, например, чайник, лейка, кофейник, состоящие из резервуара, куда наливается вода, и носика.

Сообщающиеся сосуды – это сосуды, соединенные друг с другом так, что жидкость может переходить из одного сосуда в другой.

Из пластиковых стаканчиков и прозрачной пластиковой трубки, используемой в капельницах, изготовим сообщающиеся сосуды. Для этого в стаканчиках вблизи дна сделаем небольшое отверстие и вставим трубку. Мы можем соединить два, три стаканчика или даже больше. Причем стаканчики можем взять разного объема: побольше и поменьше. Нальем в правый стаканчик воду доверху. Вода начинает перетекать во второй стаканчик и перетекает до тех пор, пока уровни воды в двух стаканах не окажутся одинаковыми. Поднимем правый стаканчик повыше, попробуем наклонить. Каждый раз, как только вода успокаивается, уровни воды в стаканчиках оказываются равными, причем независимо от того, каков их объем.

Есть специальный демонстрационный прибор, который так и называется: «Сообщающиеся сосуды». Это четыре небольших стеклянных сосуда разного диаметра и разной формы, соединенные друг с другом. Если налить воду в любую из этих сосудов, вода переливается в другие сосуды и их уровни окажутся на одинаковой высоте.

§ 2 Закон сообщающихся сосудов

Из вышеприведенных опытов можно сделать вывод: в сообщающихся сосудах любой формы и сечения поверхности однородной жидкости устанавливаются на одном уровне (при условии, что давление воздуха над жидкостью одинаково).

Это утверждение (назовем его законом сообщающихся сосудов) можно объяснить так. Известно, что давление в жидкостях и газах зависит только от плотности и высоты столба жидкости или газа. Если сосуды неподвижны, то вода в нашем опыте не перетекает из одного стаканчика в другой, значит, давления одинаковы. А так как в обоих стаканчиках находится вода, то и плотность одинакова, следовательно, высота столба жидкости в них должна быть равна.

Сформулируем вывод из закона сообщающихся сосудов: при равенстве давлений высота столба жидкости с большей плотностью будет ниже высоты столба жидкости с меньшей плотностью.

Можно сказать по-другому. При равенстве давлений высота столба жидкости в сообщающихся сосудах обратно пропорциональна плотности .

§ 3 Применение принципа сообщающихся сосудов на практике

Сообщающиеся сосуды находят широкое применение на практике. Это шлюзы, фонтаны, артезианский колодец, гидравлический пресс, водопровод и многое другое.

На принципе сообщающихся сосудов устроено водомерное стекло – прибор, показывающий уровень воды в паровом котле. Водомерное стекло представляет собой открытую стеклянную трубку, присоединенную к котлу в верхней и нижней части. Давления пара над свободной поверхностью воды в котле и в трубке одинаковы. По закону сообщающихся сосудов уровень воды в котле и стеклянной трубке будет одинаковым, и таким образом можно без открытия парового котла следить за уровнем воды в нем.

Шлюзы рек и каналов также работают по принципу сообщающихся сосудов. Шлюзы могут иметь две или несколько камер, отделенных друг от друга шлюзовыми воротами. Под воротами проходит подводный канал, его можно открывать и закрывать. При открывании подводного канала две соседние камеры превращаются в сообщающиеся сосуды, и вода начинает перетекать из камеры с более высоким уровнем в камеру, где уровень воды ниже, до тех пор, пока уровни не окажутся равными. Тогда открываются шлюзовые ворота, и корабль переходит из одной камеры в другую. Если шлюзовых камер несколько, то весь процесс повторяется для следующих соседних камер.

§ 4 Краткие итоги по теме урока

Сообщающиеся сосуды – это сосуды, соединенные друг с другом.

В сообщающихся сосудах любой формы и сечения поверхности однородной жидкости устанавливаются на одном уровне.

Жидкости с разной плотностью в сообщающихся сосудах имеют разную высоту.

При равенстве давлений высота столба жидкости с большей плотностью будет ниже высоты столба жидкости с меньшей плотностью.

Сообщающиеся сосуды находят широкое применение на практике. Это шлюзы, фонтаны, артезианский колодец, гидравлический пресс, водопровод, водомерные стекла и другие.

Сообщающиеся сосуды

О чем эта статья:

Жидкое агрегатное состояние

Давайте для начало разберемся, как ведет себя жидкость в различных сосудах.

В мире есть три агрегатных состояния: твердое, жидкое и газообразное.

Их характеристики — в таблице:

Расстояние между молекулами

сохраняет форму и объем

в кристаллической решетке

соотносится с размером молекул

колеблется около своего положения в кристаллической решетке

близко друг к другу

малоподвижны, при нагревании скорость движения молекул увеличивается

занимают предоставленный объем

больше размеров молекул

хаотичное и непрерывное

В этом состоянии сохраняется объем, но не сохраняется форма. Например, если перелить молоко из кувшина в стакан — молоко, имевшее форму кувшина, примет форму стакана. Кстати, в корове у молока тоже была другая форма.

Расстояние между молекулами в жидком состоянии чуть больше, чем в твердом, но все равно невелико. При этом частицы не собраны в кристаллическую решетку, а расположены хаотично. Молекулы почти не двигаются, но при нагревании жидкости делают это более охотно.

Вспомните, что происходит, если залить чайный пакетик холодной водой — он почти не заваривается. А вот если налить кипяточку — чай точно будет готов.

Агрегатных состояния точно три?

На самом деле, есть еще четвертое — плазма. Звучит, как что-то из научной фантастики, но это просто ионизированный газ — газ, в котором помимо нейтральных частиц, есть еще и заряженные. Ионизаторы воздуха как раз строятся на принципе перехода из газообразного вещества в плазму.

Сообщающиеся сосуды

Поскольку жидкость принимает форму сосуда, в который ее поместили, имеет место быть такое явление, как сообщающиеся сосуды.

• Сообщающиеся сосуды — это сосуды, соединенные между собой ниже уровня жидкости (в каждом сосуде). Так жидкость может перемещаться из одного сосуда в другой.

Какую бы форму не имели такие сосуды, на поверхности однородных жидкостей в состоянии покоя на одном уровне действует одинаковое давление.

Если в колена сообщающихся сосудов налить жидкости, плотности которых будут различны, то меньший объём более плотной жидкости в одном колене уравновесит больший объём менее плотной жидкости в другом колене сосуда.

Другими словами, высота столба жидкости с меньшей плотностью больше, чем высота столба жидкости с большей плотностью. Давайте рассчитаем, во сколько высота столба жидкости с меньшей плотностью больше высоты столба жидкости с большей плотностью, если эти две несмешивающиеся жидкости находятся в сообщающихся сосудах.

p = ρgh, p1 = p2, ρ1 gh1= ρ2 gh2,

Применение сообщающихся сосудов

На принципе сообщающихся сосудов основано устройство очень простого прибора для определения плотности жидкости. Этот прибор состоит из двух сообщающихся сосудов: двух вертикальных стеклянных трубок, соединенных между собой третьей изогнутой трубкой.

Одна из вертикальных трубок заполняется жидкостью, плотность которой нужно определить, а другая — жидкостью известной плотности (например, водой, плотность которой равна 1000 кг/м^3). Жидкости должны заполнить трубки настолько, чтобы их уровень в изогнутой трубке посередине был на отметке прибора 0. Высоты жидкостей в трубках над этой отметкой измеряют и находят плотность исследуемой жидкости, зная, что высоты обратно пропорциональны плотностям (об этом мы говорили выше).

Также на законе сообщающихся сосудах основаны устройства, которые определяют уровень жидкости в закрытых сосудах: резервуарах, паровых котлах.

Чтобы судно могло переплыть из одной водного бассейна в другой, если уровни воды в них разные, необходимо использовать шлюз. Устройство шлюза также основано на принципе сообщающихся сосудов. В первых воротах шлюза открывается клапан, камера соединяется с водоёмом, они становятся сообщающимися сосудами, уровни воды в них выравниваются. После этого ворота открываются, и судно проходит в первую камеру. Открывается следующий клапан, после выравнивания уровней воды открываются ворота, и так повторяется столько раз, сколько камер имеет шлюз.

Давление столба жидкости

Выведем формулу давления столба жидкости через основную формулу давления.

Давление

p = F/S

В случае давления жидкости на дно сосуда мы можем заменить силу в формуле на силу тяжести.

Также мы можем представить массу жидкости, как произведение плотности на объем:

Из геометрии мы знаем, что объем тела вращения (например, цилиндра) — это произведение площади основания на высоту: V = Sh.

Следовательно, высота будет равна h = V/S. Подставляем в формулу высоту вместо отношения объема к площади.

В сообщающихся сосудах давление жидкости на одном уровне (на одной и той же высоте) будет одинаковым.

А можно сделать так, чтобы давление было разным?

С помощью перегородки можно сделать так, чтобы уровень жидкости, а следовательно, и давления в сообщающихся сосудах отличались.

Перегородка, установленная между сосудами перекроет сообщение. Далее доливая жидкость в один из сосудов мы создаем дополнительное давление. Если затем убрать перегородку, то жидкость начнет перетекать в тот сосуд, где её уровень ниже — до тех пор, пока высота жидкости в обоих сосудах не станет одинаковой.

Этот принцип используют в водонапорной башне. Чтобы создать высокое давление, башню наполняют водой. Затем открывают трубы на нижнем этаже, и вода устремляется в дома в наши краны и батареи.

Задачка

Какой площади необходимо сделать малый поршень в гидравлическом прессе, для того, чтобы выигрыш в силе получился равным 2? Площадь большого поршня равна 10 см^2.

Решение:

Гидравлический пресс — это два цилиндрических сообщающихся сосуда. Площадь большого поршня, с приложенной силой F1, равна 10 см^2.

Площадь малого поршня обозначим Sмал, к нему приложена сила F2.

Давления в сообщающихся сосудах на одинаковой высоте равны: p1 = p2

Подставим формулу давления:
F1/Sбол=F2/Sмал.

Выразим Sмал, получим:

Sмал = (F2/F1) * Sбол

Так как по условию выигрыш в силе F2/F1 равен 2, то:

Sмал=2*Sбол= 2*10 = 20 см^2

Ответ: малый поршень необходимо сделать с площадью равной 20 см^2

Понимать и любить этот мир гораздо проще, когда разбираешься в физике. В этом помогут небезразличные и компетентные преподаватели онлайн-школы Skysmart.

Чтобы формулы и задачки ожили и стали более дружелюбными, на уроках мы разбираем примеры из обычной жизни современных подростков. Приходите на бесплатный вводный урок по физике и начните учиться в удовольствие уже завтра!

Сообщающиеся сосуды

Цель урока: создать условия для усвоения учащимися понятия о сообщающихся сосудах и их свойстве; повторить закон Паскаля и зависимость давления жидкости от высоты ее столба и плотности. С целью развития кругозора учащихся познакомить их с практическим применением свойства сообщающихся сосудов.

Ход урока

1. Оргмомент

2. Проверка домашнего задания

3. Проверка усвоения ранее изученного материала

Какой закон проявляется на этом опыте?

Почему вода вытекает из отверстий? Из чего следует, что давление воды увеличивается с глубиной?

В трех сосудах с одинаковой площадью дна налита вода до одного уровня.

• В какой сосуд налито больше воды?
• Одинаково ли давление воды на дно в этих сосудах?

С одинаковой ли силой давит вода на дно этих сосудов?

4. Изучение нового материала

В начале изучения нового материала я хочу продемонстрировать вам небольшой видеофрагмент.

На фоне видеофильма

«Я видел гнев стихии водной.
Себя почуявши свободной,
И широка, и глубока,
Неслася бешено река.
Всё беспощадно сокрушая
И всё ломая на пути –
Живое, мёртвое смывая,
Она неслась, не уставая –
Кто от неё нас мог спасти?»

Два века назад в 1783 году сильное половодье на Москве-реке повредило опоры Большого каменного моста.

По поводу этого происшествия Московский главнокомандующий граф Чернышёв сообщал Екатерине II:

«Обвалились три арки моста и бывшие на них 11 лавок каменных с разными мебелями купца Епанишникова, суммой на 1100 руб. Упал один стоявший в это время на мосту и убит, а развалинами задавлены бывший под мостом рыбак и две женщины, у берега для мытья платья находившиеся».

Итак, москвичи столкнулись с проблемой – наводнения.

Вы сегодня работаете в рабочих листах.

Прочитайте текст, сформулируйте определение понятия «наводнение» и укажите способы, позволяющие предотвратить наводнение.

Физический смысл: поднимается уровень воды.

• Сооружение водохранилищ, которые регулируют сток воды
• Расширение русла реки
• Укрепление набережных гранитными стенками

Но существует еще один способ решения этой проблемы.

Это техническое решение так и осталось с тех пор на карте Москвы. Что это?

Водоотво́дный кана́л (Обводно́й канал, Водоотводно́й канал, Обво́дный канал, Канава)

Действие водоотводного канала основано на принципе действия сообщающихся сосудов. Именно о них и пойдет речь сегодня на уроке.

Запишите в рабочих листах тему урока «Сообщающиеся сосуды».

1. Понятие о сообщающихся сосудах.

Свойства сообщающихся сосудов издревле используются человеком.

Давайте посмотрим фрагмент из известного вам мультфильма.

Видео «Алиса. Чаепитие».

Герои мультфильма пьют чай. И мы каждый день мы пользуемся тем, что вода в чайнике и его носике находится на одном горизонтальном уровне. При медленном наклоне чайника этот уровень не меняется, в результате вода из носика начинает выливаться.

В современных электрических чайниках нет длинного носика, но часто имеется указатель уровня воды, который также представляет собой колено сообщающегося сосуда, в котором плавает на поверхности яркий индикатор.

Сформулируйте определение понятия «сообщающиеся сосуды».

Сообщающиеся сосуды – это сосуды, соединенные между собой трубкой.

Научное открытие сообщающихся сосудов датируется 1586 годом (голландский ученый Симон Стевин), но, судя по устройству священной неиссякаемой чаши, оно было известно еще жрецам Древней Греции.

2. Свойство сообщающихся сосудов

Демонстрационный опыт «Сообщающийся сосуд» (Проводит ребенок под руководством учителя – комментировано).

Задание. Установите зависимость формы и сечения сообщающегося сосуда и уровня поверхности однородной жидкости. Подчеркните верный ответ.

Для этого заполним сообщающийся сосуд водным раствором перманганата калия (KMnO₄).

Вывод: в сообщающихся сосудах любой формы и сечения поверхности однородной жидкости устанавливаются на (разных уровнях/одном уровне).

3. Зависимость высоты столба жидкостей от их плотностей

Физика – наука экспериментальная. Физический эксперимент может выполнять двойственную функцию: во-первых, служит источником нового знания, во-вторых, подтверждает или опровергает имеющееся суждение.

Работа в группах (по рядам) (Фоновая музыка)

Группа 1

Группа 2

Однородные жидкости

Разнородные жидкости

Задание: используя формулу давления жидкости на дно сосуда, установите, как зависит высота столба однородных жидкостей от их плотности.

Экспериментально подтвердите полученный вывод.

Задание: проделайте интерактивный опыт (стр. 7), который покажет, как установятся уровни жидкости в сообщающихся сосудах, если в них налить разнородные жидкости. Объясните полученные результаты, используя формулу давления жидкости на дно сосуда.

Жидкость покоится, не перемещается из одного сосуда в другой, значит, давления ее в обоих сосудах на любом уровне одинаковы.

h₁ = h₂;

Если же в одни из этих сосудов налить одну жидкость ρ ₁, а в другую — другую жидкость ρ ₂, то уровни этих жидкостей окажутся разными. Однако поскольку жидкости и в данном случае будут покоиться, то давление создаваемое обоими столбами жидкостей равны.

Т.к. r₁ > r₂, то h₁