Номер 4, страница 28 - гдз по физике 7 класс дидактические материалы Марон, Марон

Тренировочные задания. Давление твёрдых тел, жидкостей и газов. ТЗ-15. Атмосферное давление - номер 4, страница 28.

Условие.

4. a) Как при помощи шланга налить бензин из бочки в ведро? Какова при этом роль атмосферного давления (рис. 36)?

б) Почему при движении поршня вверх за ним движется вода (рис. 37)? Зависит ли высота подъёма воды от площади поршня?

Рис. 36

Рис. 37

Решение.

а) Для того чтобы налить бензин из бочки в ведро с помощью шланга (создать сифон), необходимо выполнить следующие действия:
1. Поместить ведро ниже уровня бензина в бочке.
2. Опустить один конец шланга в бочку так, чтобы он оказался погруженным в бензин.
3. Создать в шланге разрежение. Это можно сделать, например, втянув воздух с другого конца шланга, пока он не заполнится бензином. После этого свободный конец шланга нужно быстро опустить в ведро.
Бензин начнет перетекать из бочки в ведро самотеком.

Роль атмосферного давления в этом процессе является ключевой. Атмосферное давление действует на открытую поверхность бензина в бочке. Когда мы создаем разрежение в шланге, внешнее атмосферное давление становится больше, чем давление внутри шланга, и оно "заталкивает" бензин вверх по шлангу. После того как шланг заполнится, непрерывность потока жидкости поддерживается за счет разности гидростатических давлений столбов жидкости в двух "коленах" шланга. Поскольку выходное отверстие шланга в ведре находится ниже уровня бензина в бочке, столб жидкости, "стекающий" вниз, тяжелее столба, который "поднимается" вверх. Эта разница в весе (и, соответственно, давлении) и обеспечивает непрерывное течение жидкости. Атмосферное давление не дает столбу жидкости разорваться в верхней точке изгиба шланга.

Ответ: Нужно опустить один конец шланга в бочку, а другой — в ведро, расположив его ниже уровня бензина. Затем создать в шланге разрежение, чтобы он заполнился бензином. Атмосферное давление, действуя на поверхность бензина в бочке, "заталкивает" его в шланг, где давление ниже, а дальнейшее перетекание происходит за счет разности высот.

б) При движении поршня вверх объем пространства под ним увеличивается. Воздух, находящийся в этом пространстве, разрежается, и его давление падает, становясь значительно ниже атмосферного давления. Снаружи на поверхность воды в сосуде действует нормальное атмосферное давление. Из-за возникшей разности давлений (снаружи — высокое, под поршнем — низкое) атмосферное давление выталкивает воду вверх по трубке вслед за поршнем.

Высота подъема воды от площади поршня не зависит. Максимальная высота, на которую атмосферное давление может поднять столб жидкости, определяется по формуле равновесия давлений: гидростатическое давление столба жидкости должно уравновесить атмосферное давление. В предельном случае (когда под поршнем создан вакуум) $P_{атм} = \rho g h_{max}$, где $P_{атм}$ — атмосферное давление, $\rho$ — плотность жидкости, $\text{g}$ — ускорение свободного падения, а $h_{max}$ — максимальная высота подъема. Отсюда $h_{max} = \frac{P_{атм}}{\rho g}$. Как видно из формулы, высота подъема зависит только от атмосферного давления и плотности жидкости, но не от площади поршня или сечения трубы. Площадь поршня влияет на силу, которую нужно приложить, чтобы его поднять, но не на высоту подъема воды.

Ответ: При движении поршня вверх под ним создается область пониженного давления. Атмосферное давление, действующее на поверхность воды в сосуде, "выталкивает" воду вверх в трубку. Высота подъема воды от площади поршня не зависит.