Экспериментируйте, страница 131 - гдз по физике 7 класс учебник Кронгарт, Даданбеков

Экспериментируйте

Фонтан. Соорудите самый простой фонтан своими руками. Для этого возьмите пластиковую бутылку с отрезанным дном, подберите пробку, закрывающую узкий конец. В пробке сделайте сквозное отверстие. Его можно просверлить или прожечь раскаленным гвоздем. В отверстие должна плотно входить изогнутая в форме буквы П пластиковая трубочка. Зажмите пальцем отверстие трубки, переверните бутылку вверх дном и наполните водой. Когда откроете выход из трубки, вода забьет из нее фонтаном. Он будет работать до тех пор, пока уровень воды в большом сосуде не сравняется с открытым концом трубки. Попробуйте объяснить, почему это так. Можете сами спроектировать и изготовить фонтан более сложной формы, например, для увлажнения воздуха для цветов. Выполняя работу, соблюдайте правила техники безопасности.

Решение

Явление, наблюдаемое в этом эксперименте, объясняется законами гидростатики, в частности, законом сообщающихся сосудов и понятием гидростатического давления. Бутылка с водой и изогнутая трубка представляют собой систему сообщающихся сосудов.

Движение воды из трубки наружу происходит из-за разницы давлений. Давление, создаваемое столбом жидкости (гидростатическое давление), прямо пропорционально высоте этого столба. Оно рассчитывается по формуле $P = \rho \cdot g \cdot h$, где $\rho$ — плотность жидкости, $g$ — ускорение свободного падения, а $h$ — высота столба жидкости.

В начальный момент времени уровень воды в бутылке ($h_{1}$) находится значительно выше, чем выходное отверстие трубки ($h_{2}$). Из-за этой разницы в высотах ($\Delta h = h_{1} - h_{2}$) давление внутри системы на уровне выходного отверстия больше, чем атмосферное давление снаружи. Эта избыточная разность давлений $\Delta P = \rho g \Delta h$ выталкивает воду из трубки, создавая фонтан.

По мере вытекания воды, ее уровень в бутылке ($h_{1}$) понижается. Вследствие этого уменьшается и разница высот $\Delta h$, а значит, и выталкивающее давление. Напор фонтана постепенно ослабевает.

Фонтан прекращает работать, когда уровень воды в бутылке опускается до уровня выходного отверстия трубки. В этот момент $h_{1} = h_{2}$, разница высот $\Delta h$ становится равной нулю. Следовательно, исчезает и разница давлений ($\Delta P = 0$). Давление внутри и снаружи трубки на уровне выходного отверстия уравнивается. Сила, выталкивающая воду, пропадает, и течение прекращается. Система приходит в состояние равновесия, которое описывается законом сообщающихся сосудов: в покое уровни однородной жидкости в открытых сообщающихся сосудах устанавливаются на одной высоте.

Ответ: Фонтан работает за счет гидростатического давления, которое создается разницей высот между уровнем воды в бутылке и выходным отверстием трубки. Он перестает работать, когда уровень воды в бутылке опускается до уровня выходного отверстия. В этот момент разница высот и, следовательно, разница давлений, выталкивающая воду, становится равной нулю, и течение прекращается.