Упражнение 1, страница 60, часть 2 - гдз по физике 7 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 2. Глава 6. Атмосфера и атмосферное давление. Параграф 60. Исследовательская работа. Практические работы-исследование - страница 60.

Условие.

ПАРАДОКСЫ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ

Учитель на уроке физики, рассказывая о природе давления газов, отметил, что газ, находящийся в сосуде, всегда сжат. Это можно обнаружить на основе простого опыта по надуванию воздушного шарика. Если освободить трубку, через которую был надут шарик, то под воздействием сил упругости со стороны растянутой резиновой оболочки весь избыточный объём воздуха выйдет наружу. Вместе с тем процесс истекания воздуха из шарика зависит от условий проведения опыта. Чтобы более подробно разобраться с указанным явлением, учитель поручил ученикам изготовить устройство, при помощи которого шарик будет оставаться в надутом состоянии даже в случае, когда он сообщается с атмосферой. Попробуйте и вы сконструировать подобное устройство, используя самое простое оборудование.

Упражнение 1. Опыты с воздушным шариком

В качестве оборудования вам потребуются воздушный шарик; 2- или 3-литровая стеклянная банка, плотно закрывающаяся полиэтиленовой крышкой; 2 мягкие пластиковые трубки длиной 10—15 см и диаметром 5—7 мм; 2 канцелярских зажима; пластилин; нить.

Этапы выполнения задания

• В крышке аккуратно проделайте два отверстия, в которые вставьте обе трубки. Для герметизации используйте пластилин.

• С помощью нити надёжно прикрепите к нижнему концу одной из трубок горлышко воздушного шарика.

• Поместив ненадутый шарик в банку, закройте её крышкой.

• Через трубку надуйте шарик так, чтобы его диаметр был несколько меньше диаметра банки.

• С помощью зажима закройте верхний конец трубки, соединённой с шариком.

• С помощью второго зажима закройте верхний конец второй трубки.

• Снимите зажим с трубки, соединённой с воздушным шариком.

• Объясните наблюдаемое явление и сделайте выводы.

Примечание: если в опыте используются трубки с жёсткими стенками, то вместо зажимов можно использовать пластилиновые пробочки.

Решение.

Объясните наблюдаемое явление и сделайте выводы.

После выполнения всех этапов эксперимента и снятия зажима с трубки, соединённой с воздушным шариком, наблюдается следующее явление: шарик не сдувается или сдувается лишь незначительно, оставаясь в надутом состоянии. Это происходит несмотря на то, что его внутреннее пространство через трубку сообщается с атмосферой.

Это явление объясняется балансом давлений, действующих на оболочку шарика.

1. Когда мы надуваем шарик в банке, воздух из банки выходит через вторую открытую трубку. Таким образом, давление в банке вокруг шарика ($P_{банки}$) примерно равно атмосферному давлению ($P_{атм}$). Давление внутри надутого шарика ($P_{шарика}$) выше атмосферного за счет дополнительного давления, создаваемого силами упругости растянутой резины ($P_{упр}$): $P_{шарика} = P_{атм} + P_{упр}$. Обе трубки зажимаются.

2. Когда мы снимаем зажим с трубки, соединённой с шариком, его внутренняя полость сообщается с атмосферой. Давление внутри шарика стремится стать равным атмосферному, $P_{атм}$. Силы упругости оболочки начинают сжимать шарик, выталкивая из него воздух.

3. Однако, поскольку вторая трубка зажата, банка является герметичным сосудом. Уменьшение объёма шарика приводит к увеличению объёма, занимаемого воздухом в банке. Согласно закону Бойля-Мариотта, при увеличении объёма газа в замкнутом пространстве его давление уменьшается. Таким образом, давление воздуха в банке $P_{банки}$ становится ниже атмосферного.

4. Процесс сдувания шарика прекращается очень быстро, как только устанавливается новое равновесие. На внешнюю стенку шарика теперь действуют две силы: сила давления разреженного воздуха в банке и сила упругости оболочки. На внутреннюю стенку шарика действует сила атмосферного давления. Равновесие наступает, когда давление изнутри уравновешивается давлениями снаружи:

$P_{атм} = P_{банки} + P_{упр}$

Поскольку давление в банке ($P_{банки}$) стало ниже атмосферного, это равенство выполняется, и шарик перестаёт сдуваться. Пониженное давление в банке "помогает" атмосферному давлению внутри шарика противостоять силам упругости резины.

Выводы:

Опыт демонстрирует, что воздушный шарик может оставаться надутым, даже будучи открытым в атмосферу, если он находится в замкнутом объёме, где давление ниже атмосферного. Разница между атмосферным давлением и давлением в сосуде компенсирует избыточное давление, создаваемое упругой оболочкой шарика. Это яркий пример проявления атмосферного давления и его способности совершать работу или уравновешивать другие силы.

Ответ: Шарик не сдувается, потому что атмосферное давление, действующее на его внутреннюю поверхность, уравновешивается суммой двух давлений, действующих на внешнюю поверхность: пониженного давления воздуха в герметично закрытой банке и дополнительного давления, создаваемого силами упругости резиновой оболочки.