Номер 1, страница 108, часть 2 - гдз по физике 7 класс учебник Генденштейн, Булатова

Часть 2. Задания для проектно-исследовательской деятельности - номер 1, страница 108.

Условие.

1. Прибор для обнаружения атмосферного давления

Цель: изготовить прибор для демонстрации существования атмосферного давления.

Используя полиэтиленовую бутылку с пробкой, стержень от гелевой ручки и трубку от системы для переливания крови¹, изготовьте прибор, изображённый на рисунке 1.

На рисунке 2 показано устройство верхней части прибора.

На дно бутылки налейте немного мыльного раствора. Наклонив бутылку, добейтесь, чтобы мыльный раствор попал на нижний конец трубки. Верните бутылку в вертикальное положение.

Выдуйте мыльный пузырь (при этом пробка не должна быть плотно закрыта!). Сразу после выдувания пузыря закрутите пробку до упора.

Мыльный пузырь будет сохраняться внутри бутылки 2—3 ч, не уменьшаясь в размерах, хотя верхний конец трубки открыт. Объясните это, учитывая, что при уменьшении размеров мыльного пузыря уменьшалось бы давление воздуха в бутылке.

Рис. 1

Рис. 2

Решение.

Объясните это, учитывая, что при уменьшении размеров мыльного пузыря уменьшалось бы давление воздуха в бутылке.

На мыльный пузырь, находящийся внутри герметично закрытой бутылки, действует несколько давлений, которые приводят систему в состояние устойчивого равновесия, не позволяя пузырю сжаться.

1. Воздух внутри пузыря сообщается с внешней средой через трубку, верхний конец которой открыт. Следовательно, давление воздуха внутри пузыря, $p_{пузыря}$, равно атмосферному давлению, $p_{атм}$. То есть, $p_{пузыря} = p_{атм}$.

2. Пленка мыльного пузыря из-за сил поверхностного натяжения стремится сократить свою площадь, то есть сжаться. Это создает дополнительное, так называемое лапласовское, давление $\Delta p$, направленное внутрь пузыря. Поэтому давление внутри любого мыльного пузыря всегда больше, чем давление снаружи. В нашем случае пузырь окружен воздухом, запертым внутри бутылки. Обозначим давление этого воздуха как $p_{бутылки}$. Таким образом, для равновесия пузыря должно выполняться условие: $p_{пузыря} = p_{бутылки} + \Delta p$.

3. Объединив два вышеуказанных равенства, получаем: $p_{атм} = p_{бутылки} + \Delta p$. Это означает, что давление воздуха внутри бутылки $p_{бутылки}$ меньше атмосферного давления на величину лапласовского давления: $p_{бутылки} = p_{атм} - \Delta p$.

4. Теперь рассмотрим, что произошло бы, если бы пузырь все же начал сжиматься. Уменьшение объема пузыря привело бы к увеличению объема, занимаемого воздухом внутри бутылки. Поскольку бутылка герметично закрыта, количество воздуха в ней постоянно. Согласно закону Бойля — Мариотта, при увеличении объема газа его давление уменьшается. Следовательно, давление $p_{бутылки}$ стало бы еще ниже.

5. Уменьшение давления $p_{бутылки}$ увеличило бы разность давлений между воздухом внутри пузыря и воздухом снаружи него (в бутылке). Эта разность давлений ($p_{пузыря} - p_{бутылки}$) создает выталкивающую силу, действующую на стенки пузыря изнутри. Увеличение этой разности создало бы силу, которая противодействовала бы сжатию и стремилась бы вернуть пузырь к его первоначальному равновесному размеру.

Таким образом, система находится в состоянии устойчивого равновесия. Атмосферное давление, действуя через трубку, распирает пузырь изнутри и уравновешивает как пониженное давление воздуха в бутылке, так и силы поверхностного натяжения пленки. Любая попытка пузыря сжаться немедленно компенсируется возрастающей разностью давлений, которая не дает ему этого сделать.

Ответ: Мыльный пузырь не сжимается, так как находится в состоянии устойчивого равновесия. Давление внутри него поддерживается равным атмосферному через трубку. Давление воздуха снаружи пузыря (внутри закрытой бутылки) ниже атмосферного. Эта разность давлений уравновешивает силы поверхностного натяжения, стремящиеся сжать пузырь. Если бы пузырь начал сжиматься, давление в бутылке упало бы еще сильнее, что увеличило бы выталкивающую силу изнутри пузыря, препятствуя его дальнейшему сжатию.