Экспериментальное задание, страница 97 - гдз по физике 8 класс учебник Закирова, Аширов

Изготовьте модель парового двигателя. Испытайте его в действии.

Для изготовления и испытания простой модели парового двигателя (паровой турбины) можно использовать доступные материалы. Ниже приведена пошаговая инструкция по созданию модели из алюминиевой банки.

Меры предосторожности

Внимание! Этот эксперимент связан с использованием огня, горячей воды и пара, а также острых предметов. Проводите его только под наблюдением взрослых! Используйте защитные очки и перчатки. Убедитесь, что рабочее место хорошо проветривается и находится вдали от легковоспламеняющихся материалов.

Необходимые материалы

1. Пустая алюминиевая банка из-под напитка (объемом 0,33 или 0,5 л).

2. Гвоздь или шило.

3. Плоскогубцы или молоток для удобства проделывания отверстий.

4. Прочная нить или леска.

5. Вода.

6. Источник огня: 3-4 свечи-таблетки или спиртовка.

7. Конструкция для подвешивания банки (например, штатив, два стула с перекладиной между ними).

8. Негорючая подставка для свечей (керамическая плитка, металлическая тарелка).

9. Защитные очки и термостойкие перчатки.

Инструкция по изготовлению

1. Тщательно вымойте и высушите алюминиевую банку. Слейте всю оставшуюся жидкость.

2. С помощью гвоздя и плоскогубцев (или легкого удара молотком) аккуратно проделайте 4-5 небольших отверстий по периметру боковой стенки банки, на расстоянии около 1-2 см от дна.

3. Ключевой момент: отверстия должны быть наклонены в одну сторону по касательной к окружности банки. Для этого вводите гвоздь не перпендикулярно стенке, а под углом. Затем, не вынимая гвоздь, слегка согните его вбок, чтобы сформировать "сопло". Все сопла должны быть направлены в одну сторону (например, против часовой стрелки, если смотреть на банку сверху). Это создаст реактивную тягу для вращения.

4. Налейте в банку воду, заполнив ее примерно на четверть объема. Большое количество воды будет дольше закипать, а слишком малое — быстро выкипит.

5. Привяжите прочную нить к кольцу для открывания на крышке банки. Подвесьте банку на подготовленную конструкцию так, чтобы она висела вертикально и могла свободно вращаться. Убедитесь, что под банкой достаточно места для размещения источника огня.

Испытание модели

1. Установите под подвешенной банкой на негорючую подставку свечи-таблетки.

2. Наденьте защитные очки и перчатки.

3. Аккуратно зажгите свечи. Пламя должно нагревать дно банки.

4. Наблюдайте за процессом. Через несколько минут вода в банке нагреется до кипения. Внутри банки начнет интенсивно образовываться водяной пар, и давление в ней будет расти.

5. Когда давление пара станет достаточным, он начнет с шипением вырываться через проделанные отверстия-сопла.

6. Так как струи пара направлены по касательной, в соответствии с третьим законом Ньютона, возникающие реактивные силы создадут вращающий момент. Банка начнет раскручиваться вокруг своей оси. Модель парового двигателя работает!

Принцип работы

Созданная модель является простейшей реактивной паровой турбиной. Ее работа демонстрирует несколько фундаментальных физических принципов:

1. Преобразование энергии: Тепловая энергия, выделяемая при сгорании топлива (воска свечи), передается воде. Вода закипает, и тепловая энергия преобразуется во внутреннюю энергию пара.

2. Термодинамика: В замкнутом объеме банки пар создает высокое давление. Эта потенциальная энергия давления преобразуется в кинетическую энергию, когда пар устремляется наружу через сопла.

3. Третий закон Ньютона: Сила, с которой пар выталкивается из сопла в одном направлении (действие), создает равную по величине и противоположную по направлению силу, действующую на саму банку (противодействие или реакция). Именно эта реактивная сила и заставляет банку вращаться.

4. Преобразование в механическую работу: Совокупность реактивных сил создает вращающий момент, который приводит банку в движение. Таким образом, внутренняя энергия пара преобразуется в кинетическую энергию вращательного движения ($E_k = \frac{1}{2}I\omega^2$, где $I$ — момент инерции банки, а $\omega$ — ее угловая скорость).

Ответ: Для создания и испытания модели парового двигателя была изготовлена простейшая паровая турбина из алюминиевой банки. В ходе испытания вода в банке была нагрета до кипения с помощью свечей. Образовавшийся пар под давлением выходил через тангенциально направленные отверстия. В соответствии с третьим законом Ньютона, возникающая реактивная сила создала вращающий момент, который привел банку в движение. Эксперимент успешно продемонстрировал принцип преобразования тепловой энергии в механическую работу.