Экспериментальное задание, страница 98 - гдз по физике 10 класс учебник Закирова, Аширов

Экспериментальное задание

Проведите наблюдения: используя узкую трубку, выдувайте у дна сосуда с водой пузыри. Почему при всплытии пузыри воздуха увеличиваются в размерах?

Решение

Это явление объясняется законами физики, в частности, зависимостью давления в жидкости от глубины и законом Бойля-Мариотта для газов.

1. Давление в жидкости. На пузырек воздуха, находящийся в воде, действует давление. Это давление складывается из двух составляющих: атмосферного давления ($P_{атм}$), которое действует на поверхность воды, и гидростатического давления ($p_{гидрост}$), создаваемого столбом воды над пузырьком.

Гидростатическое давление прямо пропорционально глубине погружения $h$ и рассчитывается по формуле: $p_{гидрост} = \rho \cdot g \cdot h$ где $\rho$ — плотность жидкости (воды), $g$ — ускорение свободного падения, $h$ — глубина (высота столба жидкости).

Таким образом, полное давление $P$, действующее на пузырек, равно: $P = P_{атм} + \rho \cdot g \cdot h$

Когда пузырек находится у дна сосуда, глубина $h$ максимальна, следовательно, и полное давление $P$ на него также максимально.

2. Закон Бойля-Мариотта. Этот закон гласит, что для данной массы газа при постоянной температуре произведение давления газа на его объем является постоянной величиной: $P \cdot V = \text{const}$

Когда пузырек начинает всплывать, глубина $h$ уменьшается. Это приводит к уменьшению гидростатического давления, а значит, и к уменьшению полного давления $P$, которое сжимает пузырек. Поскольку температура воды (и, следовательно, воздуха в пузырьке) в пределах одного сосуда практически не меняется, можно применить закон Бойля-Мариотта.

Так как давление $P$ на пузырек уменьшается, для того чтобы произведение $P \cdot V$ оставалось постоянным, объем пузырька $V$ должен увеличиваться. Именно поэтому мы наблюдаем, как пузырьки воздуха расширяются по мере их подъема к поверхности воды.

Ответ: Пузыри воздуха увеличиваются в размерах при всплытии, потому что с уменьшением глубины падает гидростатическое давление воды. Согласно закону Бойля-Мариотта, при уменьшении внешнего давления на газ (при постоянной температуре) его объем увеличивается.