Урок № 46 Сполучені посудини. Манометри

Тема уроку: Сполучені посудини. Манометри

Мета уроку: сформувати знання про сполучені посудини, про рівень вільної поверхні рідини в спо­лучених посудинах для однорідної та неоднорідної рідин; розглянути практичне застосування спо­лучених посудин; сформувати знання про принцип дії, будову та роботу рідинних насосів, манометрів, гідравлічних машин різних типів; формувати навички користування даними приладами;

розвивати вміння спостерігати та аналізувати фізичні явища; активізувати розумову і пізнавальну діяльність учнів;

виховувати  допитливість, культуру спілкування, сприяти формуванню особистості.

Базові фізичні поняття: сполучені посудини, мано­метри, тиск.

Демонстрації: Модель сполучених посудин. Рівновага рідини у сполучених посудинах. Водяной U-подібний манометр. Модель металевого манометра.

Обладнання: сполучені посудини різної форми, манометри (рідинний та металеві), вода, олія

Тип уроку: засвоєння нових знань

Не той дурний, хто не знає...,

але той, хто знати не хоче.

Г. Сковорода

Хід уроку :

      I.      Організаційний момент

   II.      Актуалізація опорних знань

Інтерактивна вправа «Чарівна паличка без повторення»

По естафеті в класі передається «чарівна палич­ка». Передаючи паличку, учень повинен до одного і того самого слова дібрати такі слова, щоб вийшло правильне словосполучення, але повторюватися не можна.

Наприклад, дано слово «Торрічеллі». Перший учень додає слово «вчений». Він отримує паличку і підходить до іншого учня. Простягає йому па­личку, вимовляючи початкове слово «Торрічеллі». Другий учень промовляє: «Придумав дослід». Якщо це правильно, то паличка переходить далі.

У вправі використовують кілька початкових слів:

1. Тиск.

2. Атмосферний тиск.

3. Барометр.

Можна вправу проводити між учнями одного ряду для першого слова, учнями другого – для другого й учнями третього – для третього.

III.      Мотивація навчальної діяльності

Підніміть руки

•    хто хоч раз відвідав зоопарк;

•    хто бачив слона;

•    хто бачив мурахоїда.

Як слон п'є воду? Як мурахоїд засмоктує мура­шок?

Мешканці сучасного Риму досі користуються залишками водогону, що побудований ще давніми римлянами. (Проілюструвати картину «Водогінні споруди давнього Риму в їх початковому вигляді».) Погляньте на картину і скажіть, чим відрізняється цей водогін від сучасного?

Звичайно, набагато простіше було прокладати труби в землі, але римські інженери в ті часи не зна­ли про закон сполучених посудин. Вони боялися, що у водоймищах, з'єднаних дуже довгою трубою, вода не встановиться на одному рівні. Довжина однієї з римських труб, Аква Марції, 100 км, хоча пряма відстань між її кінцями вдвічі менша. Римляни надавали водогінним трубам рівномір­ного ухилу вниз на всьому шляху, тому часто їм доводилося прокладати труби в обхід. Півсотні кілометрів камінної кладки довелося прокласти через незнання елементарного закону фізики.

То якого ж закону не знали римляни? Ми сьогодні дізнаємося. (Оголошення теми уроку.)

IV.      Вивчення нового матеріалу

·        Посудини, що мають загальну частину, що з’єднує їх, називають сполученими.

Наллємо в шкільний прилад «сполучені посудини» підфарбовану воду. Ми помічаємо, що у сполучених посудинах будь-якої форми поверхня рідини встановлюється на одному рівні.

Це легко пояснити, користуючись формулою

 Справді, якщо подумки проведемо через середину трубки, що з’єднує дві посудини, вертикальну площину, то тиски ліворуч і праворуч від площини будуть рівні відповідно p₁ й p₂. Оскільки рідина не перетікає з посудини в посудину, то , 

·        Нерухома однорідна рідина у сполучених посудинах будь-якої форми встановлюється на одному рівні.

Якщо в сполучені посудини налиті різні рідини, що не змішуються, то рівень рідин у посудинах може бути не однаковим.

·        У сполучених посудинах висоти шарів рідин обернено пропорційні густинам цих рідин.

Сполучені посудини широко застосовуються в побуті й техніці. Відомий усім чайник являє собою дві сполучені посудини. За принципом сполучених посудин діють системи водопроводів. Обов’язковим елементом такої системи є водонапірна вежа — резервуар, піднятий на таку висоту, щоб рівень води в ньому був вищеспоруд, до яких подається вода.

За принципом сполучених посудин працюють і шлюзи, за допомогою яких судна долають перешкоди на ріках: пороги, греблі й ін.

Неподалік від С.-Петербурга знаходиться Петергоф — ансамбль парків, палаців і фонтанів. Це єдиний ансамбль у світі, фонтани якого (їх понад 100) працюють без насосів і складних водонапірних споруджень. Тут використовується принцип сполучених посудин — різниця в рівнях, на яких розташовані фонтани й ставки-водосховища.

Рівень рідини в сполучених посудинах залежить від зовнішнього тиску. Це явище використане для побудови рідинних манометрів — приладів для вимірювання тиску.

Рідинний манометр складається з металевого або дерев’яного вертикального корпуса, на якому закріплена U-подібна скляна трубка й шкала для вимірювання висоти рівня рідини в кожному коліні трубки.

На рисунку ви бачите U-подібний манометр із підфарбованою водою. Правий його кінець сполучається з атмосферою. За допомогою шланга до манометра приєднана посудина, що на початку досліду теж сполучається з атмосферою. При цьому рівні води в манометрі перебувають біля відмітки 0 см. Потім, відкачуючи насосом повітря, зменшують його тиск у посудині. При цьому вода в манометрі зміщується вліво. З’ясуємо, чому це відбувається.

У манометрі на праву поверхню води діє атмосферний тиск, а на ліву — менший тиск. Через нерівність тисків вода й зміщується вліво. Змістившись, вода зупиняється, отже, тиск ліворуч від точки «В» дорівнює тиску праворуч від неї. Прирівняємо ці тиски:

У лівій частині цієї рівності записана сума тиску в посудині й тиску стовпа води ліворуч. У правій частині рівності — сума атмосферного тиску й тиску стовпа води праворуч. Підставляючи чисельні значення, одержуємо:

Звідси:

.

Рівність показує, що щодо атмосферного тиску тиск у посудині на 4 кПа менше. Це значення ми дізналися саме завдяки манометру. Легко підрахувати й абсолютний тиск у посудині: .

Отже, U-подібна трубка, заповнена рідиною, є приладом для вимірювання тиску — відкритим рідинним манометром.

2. Металевий манометр

Рідинний U-подібний манометр незручний для вимірів, тому що дозволяє одержувати значення тиску не відразу, а лише після деяких обчислень, крім того, рідину необхідно наливати до певного рівня. Із цієї причини в техніці набули поширення так звані металеві деформаційні манометри, що відразу показують вимірюваний тиск.

В основі роботи деформаційного манометра лежить деформація (вигин) пружної дугоподібної трубки 1. За допомогою двох тяг 2 рух кінців трубки передається стрілці 3, що закріплена на осі 4. Кінець стрілки пересувається по шкалі 5. Трубка, стрілка й шкала поміщені усередину корпуса 6.

При збільшенні тиску газу усередині трубки її кінці розпрямляються й викликають зміщення стрілки вправо по шкалі. При зменшенні тиску під дією сил пружності, що діють у стінках трубки, стрілка зміститься у зворотному напрямку.

Шкала манометра проградуйована в паскалях, кілопаскалях або атмосферах (атм).

3. Гідравлічні машини

·        Механізми, що працюють за допомогою якої-небудь рідини, називаються гідравлічними.

Найпростіший гідравлічний механізм складається із двох циліндрів різного діаметра, обладнаних поршнями. Циліндри з’єднані між собою й заповнені рідиною, найчастіше маслом.

Якщо помістити вантаж на поршень, що закриває вузьку посудину, то поршень опуститься. Але щоб відновити рівність рівнів рідини в посудинах, на «широкий» поршень доведеться поставити більший вантаж, ніж той, що стоїть на «вузькому» поршні. Це легко пояснити, скориставшись законом Паскаля. Відповідно до цього закону, тиск рідини в обох колінах на одному рівні однаковий. Однак при цьому сили тиску рідини на поршні різні: при рівності тисків рідина тисне із більшою силою на поршень, що має більшу площу.

Якщо позначити площі поршнів S₁ й S₂, а сили тиску рідини на ці поршні F₁ й F₂, то можна записати:

.

Відношення характеризує виграш у силі, отриманий у даному механізмі. З отриманої формули випливає, що виграш у силі визначається відношенням площі

Чим більше відношення площ поршнів, тим більше виграш у силі.

Практичним застосуванням цього правила є гідравлічний прес, підйомник і безліч інших пристроїв.

4. Насоси

Першими гідравлічними машинами, що застосовувалися ще в давнину, були насоси для подачі води у водопроводи й фонтани. Підняття рідини за поршнем лежить в основі роботи всмоктувальних насосів, що піднімають воду з колодязів.

Насос, схематично зображений на рисунку, складається із циліндра, усередині якого ходить угору й униз припасований до стінок поршень 1.

У нижній частині циліндра й у самому поршні встановлені клапани 2, що відкриваються тільки нагору. Під час руху поршня нагору вода під дією атмосферного тиску входить у трубу, піднімає нижній клапан і рухається за поршнем.

Існують насоси, за допомогою яких зменшують тиск газу,— такі насоси називають розріджувальними. Згадайте, наприклад, насос, за допомогою якого відкачували повітря з-під скляного ковпака, щоб переконатися в тому, що для поширення звуку необхідне середовище. Схема дії такого насоса показана на рисунку.

   V.      Узагальнення знань

Розв'язування задач

1. На дошці намалювати два чайники однакової ширини: один високий, другий – низький, але верхня частина носиків на одному рівні. В який із чайників можна налити більший об'єм води?

2.  Нижню частину сполучених посудин запо­внили ртуттю. У ліве коліно налили гас, а в праве – воду, висота стовпчика якої 48 см. Якої висоти має бути стовпчик гасу, щоб ртуть залишилася на тому самому рівні?

1.     Чому у відкритому манометрі рівні однорідної рідини в обох колінах однакові?

2.     За яким принципом влаштований і діє металевий манометр?

3.     Які фізичні закони лежать в основі дії гідравлічної машини?

4.     За якої умови гідравлічна машина дає виграш у силі?

5.     Яке явище використовують у пристрої поршневого водяного насоса?

6.     Чим обмежується висота підняття рідини у всмоктувального насоса?

VI.      Підсумки уроку

VII.      Домашнє завдання

  Завантажити конспект Урок № 46 Сполучені посудини. Манометри 

Буду радий бачити Ваші побажання та запитання в коментарях.