Номер 1, страница 48 - гдз по физике 7 класс самостоятельные и контрольные работы Марон, Марон

Глава 3. Давление твёрдых тел, жидкостей и газов. Самостоятельные работы. СР-41. Вес воздуха. Атмосферное давление. Вариант 1 - номер 1, страница 48.

Условие.

1. Почему не выливается вода из опрокинутой вверх дном бутылки, если её горлышко погружено в воду (рис. 70)?

Рис. 70

Решение.

Решение

Вода не выливается из опрокинутой вверх дном бутылки, горлышко которой погружено в воду, из-за действия атмосферного давления.

На воду в бутылке действуют две основные силы, направленные вниз: сила тяжести столба воды и сила давления воздуха, запертого в верхней части бутылки. Давление, создаваемое этими силами на уровне поверхности воды в стакане, можно выразить как сумму гидростатического давления столба воды и давления воздуха внутри: $P_{вниз} = P_{воздуха} + \rho g h$, где $P_{воздуха}$ – давление воздуха в бутылке, $\rho$ – плотность воды, $\text{g}$ – ускорение свободного падения, а $\text{h}$ – высота столба воды в бутылке над уровнем воды в стакане.

С другой стороны, на открытую поверхность воды в стакане действует атмосферное давление $P_{атм}$. Согласно закону Паскаля, это давление передается жидкостью во всех направлениях одинаково, в том числе и вверх, в горлышко бутылки. Таким образом, снизу на воду в горлышке действует давление, равное атмосферному: $P_{вверх} = P_{атм}$.

Вода останется в бутылке, если давление, действующее на нее снизу вверх, будет больше или равно давлению, направленному сверху вниз:

$P_{вверх} \ge P_{вниз}$

$P_{атм} \ge P_{воздуха} + \rho g h$

Нормальное атмосферное давление очень велико (около $101325$ Паскалей) и способно уравновесить давление столба воды высотой примерно $10$ метров. В данном опыте суммарное давление воздуха и небольшого столба воды в бутылке значительно меньше атмосферного. Поэтому внешнее атмосферное давление "подпирает" воду и не дает ей вылиться. Воздух извне не может проникнуть в бутылку, чтобы занять место вытекающей воды, так как горлышко находится под водой.

Ответ: Вода не выливается из бутылки, потому что давление атмосферного воздуха на поверхность воды в стакане больше, чем суммарное давление столба воды и воздуха внутри бутылки. Атмосферное давление, передаваясь через воду в стакане, удерживает воду в бутылке.