Страница 143 - гдз по физике 7 класс учебник Пёрышкин, Иванов

1. Если стакан с водой накрыть листом бумаги и, придерживая бумагу рукой, перевернуть, то бумага не отпадает после того, как рука убрана, и вода не вытекает (рис. 134). Почему?

Это явление объясняется действием атмосферного давления. На все тела, находящиеся на поверхности Земли, в том числе на лист бумаги и воду в стакане, действует давление окружающего воздуха.

Когда мы переворачиваем стакан с водой, накрытый листом бумаги, на этот лист начинают действовать силы в вертикальном направлении. Снизу на лист давит воздух из атмосферы, создавая силу, направленную вверх. Сверху на лист давит столб воды, находящийся в стакане. Сила этого давления направлена вниз. Также вниз действует сила тяжести самой бумаги, но она, как правило, пренебрежимо мала.

Давление, которое оказывает столб воды (гидростатическое давление), рассчитывается по формуле $p_{воды} = \rho g h$, где $\rho$ – плотность воды (около $1000 \text{ кг/м}^3$), $g$ – ускорение свободного падения (около $9,8 \text{ м/с}^2$), а $h$ – высота столба воды. Для обычного стакана высотой, например, 15 см ($0,15 \text{ м}$), это давление составит:
$p_{воды} = 1000 \frac{\text{кг}}{\text{м}^3} \cdot 9,8 \frac{\text{м}}{\text{с}^2} \cdot 0,15 \text{ м} \approx 1470 \text{ Па}$

В то же время, нормальное атмосферное давление ($p_{атм}$) у поверхности Земли составляет примерно $101325 \text{ Па}$.

Сравнивая эти два значения, мы видим, что давление атмосферы ($p_{атм}$) значительно превышает давление, создаваемое столбом воды в стакане ($p_{воды}$):
$p_{атм} \gg p_{воды}$
$101325 \text{ Па} \gg 1470 \text{ Па}$
Поскольку сила давления равна произведению давления на площадь ($F = p \cdot S$), то и сила, с которой атмосфера давит на бумагу снизу, оказывается значительно больше, чем сила, с которой на нее давит вода сверху. Эта разница сил и удерживает лист бумаги, не позволяя воде вылиться. Дополнительную помощь оказывают силы поверхностного натяжения воды, которые способствуют герметичному прилипанию краев бумаги к ободку стакана.

Ответ: Лист бумаги удерживается давлением наружного воздуха (атмосферным давлением). Сила атмосферного давления, действующая на лист бумаги снизу, больше, чем сила давления столба воды в стакане, действующая на лист сверху.

2*. В мелкую тарелку положили монету и налили воду, чтобы она лишь прикрывала монету. Используя рисунок 135, придумайте, как достать монету, не замочив рук.

В мелкую тарелку положили монету и налили воду, чтобы она лишь прикрывала монету. Используя рисунок 135, придумайте, как достать монету, не замочив рук.

Решение

Чтобы достать монету из тарелки с водой, не намочив рук, можно использовать физический опыт, демонстрирующий действие атмосферного давления и зависимость давления газа от температуры. Для этого нам понадобится стакан и что-то, что может быстро нагреть в нем воздух, например, небольшой кусочек бумаги и спички.

Порядок действий следующий:

1. Возьмите небольшой кусочек бумаги, подожгите его и быстро бросьте в сухой стакан.
2. Не мешкая, пока бумага горит, переверните стакан и поставьте его в тарелку с водой рядом с монетой. Край стакана должен погрузиться в воду.
3. Пламя в стакане быстро погаснет, так как для горения необходим кислород, который закончится в замкнутом объеме.
4. После того как пламя погаснет, вы увидите, как вода из тарелки начнет заходить под стакан, и ее уровень внутри стакана будет подниматься.
5. Через некоторое время большая часть воды из тарелки соберется внутри стакана, осушив дно тарелки. Монета окажется на сухой поверхности.
6. Теперь можно спокойно взять монету, не замочив рук.

Физическое объяснение:

Это явление объясняется изменением давления воздуха внутри стакана.

1. Горящая бумага нагревает воздух в стакане. Согласно газовым законам, при нагревании газ расширяется. Часть этого расширившегося воздуха выходит из-под края стакана, пока мы его ставим.
2. Когда пламя гаснет, воздух внутри стакана начинает быстро остывать.
3. При остывании давление воздуха внутри стакана резко падает и становится значительно ниже, чем атмосферное давление снаружи.
4. Возникает разность давлений: внешнее атмосферное давление ($P_{атм}$) оказывается больше давления разреженного воздуха внутри стакана ($P_{вн}$).
5. Под действием этой разности давлений, атмосферное давление, действующее на поверхность воды в тарелке, «заталкивает» воду внутрь стакана до тех пор, пока давление столба воды и оставшегося воздуха внутри не уравновесит внешнее атмосферное давление.

Таким образом, вода перемещается из тарелки в стакан, освобождая монету.

Ответ: Необходимо нагреть воздух внутри стакана (например, бросив в него горящую бумажку), быстро перевернуть его и поставить в тарелку с водой. Когда воздух остынет, давление внутри стакана уменьшится, и внешнее атмосферное давление заставит воду из тарелки войти в стакан, осушив место, где лежит монета.