Экспериментальное задание, страница 158 - гдз по физике 7 класс учебник Закирова, Аширов

Экспериментальное задание

Из подручного материала изготовьте жидкостный манометр. Продумайте способ определения давления воздуха внутри надутого воздушного шарика. Объясните полученный результат.

Изготовление жидкостного манометра

Для изготовления простейшего жидкостного манометра из подручных материалов понадобятся: гибкая прозрачная трубка (например, от медицинской капельницы или силиконовый шланг) длиной около 50-70 см, твердая основа (дощечка, кусок картона), линейка, подкрашенная жидкость (вода с пищевым красителем или чернилами) и крепеж (скотч или хомуты).

Порядок сборки:
1. Закрепите гибкую трубку на основе в виде латинской буквы U.
2. Рядом с одной из вертикальных частей трубки прикрепите линейку так, чтобы можно было измерять высоту столба жидкости.
3. Заполните трубку подкрашенной жидкостью примерно до половины ее высоты. Когда оба конца трубки открыты, уровни жидкости в обоих коленах должны быть одинаковыми. Манометр готов.

Ответ: Жидкостный манометр изготавливается из U-образной прозрачной трубки, закрепленной на основании со шкалой и частично заполненной подкрашенной жидкостью.

Способ определения давления воздуха внутри надутого воздушного шарика

1. Надуйте воздушный шарик, но не завязывайте его. Крепко зажмите горлышко, чтобы воздух не выходил.
2. Один конец трубки манометра аккуратно и герметично наденьте на горлышко шарика. Второй конец трубки оставьте открытым (сообщающимся с атмосферой).
3. Плавно ослабьте зажим на горлышке шарика, позволяя воздуху из него поступить в трубку манометра.
4. Давление воздуха из шарика начнет вытеснять жидкость. Уровень жидкости в колене, соединенном с шариком, опустится, а в открытом колене — поднимется.
5. Дождитесь, когда уровни жидкости установятся, и измерьте с помощью линейки разность высот $\text{h}$ между уровнем жидкости в левом и правом коленах манометра. Эта разность высот является основной измеряемой величиной.

Ответ: Давление определяется путем соединения шарика с одним из колен манометра и измерения разности высот столбов жидкости $\text{h}$, которая устанавливается под действием избыточного давления воздуха в шарике.

Объяснение полученного результата

Воздух внутри надутого шарика находится под давлением $P_{шарика}$, которое превышает внешнее атмосферное давление $P_{атм}$. Это избыточное давление $\Delta P$ создается силами упругости растянутой оболочки шарика. Жидкостный манометр позволяет измерить именно это избыточное (манометрическое) давление.

Давление со стороны шарика $P_{шарика}$ уравновешивается давлением со стороны открытого конца, которое складывается из атмосферного давления $P_{атм}$ и гидростатического давления столба жидкости высотой $\text{h}$: $P_{жидк} = \rho \cdot g \cdot h$. Здесь $\rho$ – плотность жидкости в манометре, $\text{g}$ – ускорение свободного падения. Таким образом, в равновесии: $P_{шарика} = P_{атм} + \rho \cdot g \cdot h$.

Избыточное давление по определению равно разности давлений внутри шарика и снаружи: $\Delta P = P_{шарика} - P_{атм}$. Из предыдущей формулы следует, что избыточное давление в шарике рассчитывается как: $\Delta P = \rho \cdot g \cdot h$.

Проведем примерный расчет.

Дано:

Жидкость – вода, плотность $\rho \approx 1000 \frac{кг}{м^3}$.
Ускорение свободного падения $g \approx 9,8 \frac{м}{с^2}$.
В ходе эксперимента была измерена разность уровней $h = 5 \text{ см}$.

Перевод в СИ:
$h = 5 \text{ см} = 0,05 \text{ м}$.

Найти:

Избыточное давление в шарике $\Delta P$.

Решение:

Воспользуемся формулой для избыточного давления:
$\Delta P = \rho \cdot g \cdot h$.
Подставим числовые значения:
$\Delta P = 1000 \frac{кг}{м^3} \cdot 9,8 \frac{м}{с^2} \cdot 0,05 \text{ м} = 490 \text{ Па}$.

Полученный результат означает, что давление воздуха внутри шарика на 490 Паскалей выше атмосферного. Для сравнения, нормальное атмосферное давление составляет около 101325 Па.

Ответ: Избыточное давление воздуха внутри шарика создается силами упругости его стенок и уравновешивается давлением столба жидкости в манометре. Оно рассчитывается по формуле $\Delta P = \rho g h$, где $\rho$ – плотность жидкости, $\text{g}$ – ускорение свободного падения, а $\text{h}$ – измеренная разность уровней жидкости.