Экспериментальное исследование, страница 142 - гдз по физике 7 класс учебник Башарулы, Тезекеев

Наблюдение уровней жидкости в сообщающихся сосудах

Оборудование:две стеклянные трубки, соединенные резиновой трубкой и заполненные водой; штатив.

Одну трубку с водой укрепите в лапке штатива, а другую перемещайте в разных направлениях так, чтобы вода не выливалась. Обратите внимание на то, как располагаются уровни воды в стеклянных трубках. Сделайте рисунки опытов в тетради.

Решение

В ходе выполнения данного опыта наблюдается, что свободные поверхности однородной жидкости (воды) в соединенных трубках всегда находятся на одном и том же горизонтальном уровне, независимо от того, как трубки расположены относительно друг друга (одна выше, другая ниже, наклонена или обе стоят вертикально). При поднятии или опускании одной из трубок, вода перетекает между ними до тех пор, пока уровни снова не выровняются. Это фундаментальное свойство сообщающихся сосудов.

Объяснение этого явления заключается в законах гидростатики. В любой покоящейся жидкости давление на одном и том же горизонтальном уровне одинаково. Рассмотрим две точки в жидкости, расположенные на произвольном горизонтальном уровне ниже поверхностей воды в обеих трубках, например, в соединительной резиновой трубке. Давление в этих точках должно быть одинаковым, так как жидкость находится в равновесии (не перетекает).

Давление в каждой трубке на этом уровне складывается из давления воздуха на поверхность жидкости (атмосферного давления $P_{атм}$) и гидростатического давления столба жидкости над этим уровнем. Пусть высота столба воды в первой трубке равна $h_1$, а во второй — $h_2$. Давление в первой трубке будет $P_1 = P_{атм} + \rho g h_1$, а во второй $P_2 = P_{атм} + \rho g h_2$, где $\rho$ — плотность жидкости, а $g$ — ускорение свободного падения.

Поскольку жидкость в равновесии, то $P_1 = P_2$.

$P_{атм} + \rho g h_1 = P_{атм} + \rho g h_2$

Вычитая из обеих частей равенства $P_{атм}$ и сокращая на $\rho g$ (так как эти величины не равны нулю), получаем:

$h_1 = h_2$

Это доказывает, что высоты столбов жидкости в сообщающихся сосудах одинаковы, а значит, их свободные поверхности лежат в одной горизонтальной плоскости.

Рисунки, которые необходимо сделать, должны иллюстрировать три ситуации:

1. Две трубки находятся на одном уровне, и вода в них стоит на одинаковой высоте.

2. Правая трубка поднята относительно левой. Уровень воды в обеих трубках все равно находится на одной горизонтальной линии.

3. Правая трубка опущена относительно левой. Уровни воды в трубках снова совпадают и находятся на одной горизонтальной линии.

Ответ: В сообщающихся сосудах, независимо от их формы и положения, свободные поверхности однородной жидкости в состоянии покоя устанавливаются на одном и том же горизонтальном уровне. Это происходит потому, что в равновесии давление столбов жидкости над любой общей горизонтальной плоскостью должно быть одинаковым.