Номер 432, страница 60 - гдз по физике 7 класс сборник вопросов и задач Марон, Марон

Давление твёрдых тел, жидкостей и газов. Вес воздуха. Атмосферное давление - номер 432, страница 60.

Условие.

432. Если тянуть вверх поршень (рис. 63) при закрытой трубке А, вода не поднимается за поршнем. При открытой трубке А вода поднимается. Объясните явление.

Рис. 63

Решение.

Данное явление объясняется разницей в давлении, действующем на поверхность воды в широком сосуде. Поднятие воды в цилиндр под поршень возможно только в том случае, если давление на поверхность воды в сосуде больше, чем давление под поршнем. Рассмотрим оба случая подробно.

При закрытой трубке А

В этом случае воздух над поверхностью воды в сосуде оказывается запертым. Когда поршень тянут вверх, он освобождает пространство в цилиндре, и вода из сосуда стремится его заполнить. Однако для этого уровень воды в самом сосуде должен понизиться, что приведет к увеличению объема, занимаемого запертым воздухом. Согласно закону Бойля-Мариотта для газов ($P \cdot V = const$), при увеличении объема давление запертого воздуха уменьшается. Таким образом, давление на поверхность воды, которое и должно выталкивать ее вверх под поршень, само по себе падает. В результате этого быстрого падения давления силы, действующей на воду, оказывается недостаточно, чтобы поднять ее на сколько-нибудь значительную высоту.

При открытой трубке А

Когда трубка А открыта, пространство над водой в сосуде сообщается с окружающей атмосферой. Следовательно, на поверхность воды постоянно действует атмосферное давление ($P_{атм}$), которое является величиной практически постоянной. При движении поршня вверх, под ним создается область низкого давления (разрежение). Возникает значительная разность давлений между поверхностью воды в сосуде ($P_{атм}$) и пространством под поршнем ($P_{поршень} < P_{атм}$). Под действием этой разности давлений внешнее атмосферное давление выталкивает (выдавливает) воду из сосуда вверх в цилиндр, заставляя ее следовать за поршнем.

Ответ: В основе явления лежит действие атмосферного давления. Когда трубка А открыта, на поверхность воды действует постоянное атмосферное давление, которое и выталкивает воду в область пониженного давления под поршнем. Когда трубка А закрыта, над водой находится ограниченный объем воздуха; при попытке поднять воду его давление падает, и силы этого давления становится недостаточно для выталкивания воды вверх.