Исследовательская работа «Самодельные приборы, используемые на уроках физики при изучении давления жидкостей и газов»

1.      Титульный лист

·         Название образовательного учреждения: МКОУ «Камышенская СОШ Завьяловского района» Алтайского края,

·         Тема работы «Самодельные приборы, используемые на уроках физики
при изучении давления жидкостей и газов»

·         Фамилия, имя, отчество автора: Данько Степан Витальевич

·         Возраст (класс): 14 лет, 7 класс

·         Фамилия, имя, отчество руководителя работы: Кривошеева Наталья Юрьевна, учитель физики

·         Год выполнения работы: 2016

2.      ОГЛАВЛЕНИЕ

1.      Титульный лист……………………………………………………………………………  1

2.      Оглавление …………………………………………………………………………………  2

3.      Введение ……………………………………………………………………………………. 3

4.      Основная часть работы ……………………………………………………………………. 5

4.1. Теоретическая часть …………………………………………………………………….. ..5

4.1.1.      Давление в жидкости и газе …………………………………………………………..5

4.1.2.       Передача давления жидкостями и газами. Закон Паскаля……………..…………..  5

4.1.3.      Давление в жидкости и газе..…………………………………………………………... 7

4.1.4.      Давление столба жидкости и газа…………………………………..………………. 8

4.1.5. Сообщающиеся сосуды………………………………………………………………….10

4.2  Практическая часть ………………………………………………………………………..11

4.2.1 Анкетирование ……………………………………………………………..…………….11

4.2.2 Проведение экспериментов ……………………………………………………………..12

5.      Заключение ………………………………………………………………………………...14

6.      Использованная литература……………………………………………………………….15

7.      Приложения………………………………………………………………………………...16

3.      Введение

Свойства жидкостей и газов во многом сильно отличаются, но в нескольких механических явлениях их свойства определяются одинаковыми параметрами и идентичными уравнениями. По этой причине гидроаэромеханика - раздел механики, который изучает равновесие и движение газов и жидкостей, взаимодействие между ними и между обтекаемыми ими твердыми телами, - т.е. применяется единый подход к изучению жидкостей и газов [1].

обоснование актуальности темы: На уроках физики мы изучали тему «Давление жидкостей и газов. Закон Паскаля». Мне захотелось узнать больше. В кабинете физики мало приборов, с помощью которых можно рассмотреть  зависимость давления жидкостей и газов от различных величин, а так же доказать закон Паскаля. Поэтому я решил сделать приборы и с помощью опытов доказать и рассмотреть данные зависимости.

·                    постановка проблемы: В нашей школе недостаточно приборов для опытов по давлению газов и жидкостей

·                    объект исследования: Давление газов и жидкостей..

·                    предмет исследования: Законы физики по теме «Давление газов и жидкостей».

·                    цели исследования: сформировать интерес к изучению физики, вызвать желание самостоятельно выполнять физические опыты, используя при этом самодельные приборы.

·          гипотеза: самостоятельно выполненные физические опыты, используя при этом самодельные приборы, поднимают интерес к изучению физики.

·          задачи исследования:

 - Изучить теоретический материал по теме: «Давление в жидкостях и газах»

 - Изготовить самодельные приборы. Обеспечить наглядность демонстрации.

 - Подвести теоретическую базу к наблюдаемому явлению.

  - Сделать выводы.

·            методологические основы исследования:

1.     Анкетирование.

2.     Эксперимент.

·       новизна: Впервые  проведена оценка мнения учащихся Камышенской школы о  физических приборах, изготовленных своими руками, проведены опыты, не входящие в школьную программу.

·              теоретическая и практическая значимости работы: На основе теоретических данных проведены опыты и проверены основные законы по давлению жидкостей и газов, снятые опыты помогут другим учащимся в изучении данной темы.

4.      Основная часть работы

4.1. Теоретическая часть

4.1.5.      Давление в жидкости и газе 

Внутри жидкости в любой ее точке существует давление, обусловленное весом верхних слоев жидкости на нижние. Если рассматривать жидкость в состоянии покоя, т.е. не двигающуюся, то это давление можно назвать "весовым или гидростатическим давлением.
На одном и том же уровне оно одинаково по всем направлениям / и вверх в том числе /.  С глубиной давление увеличивается.
          Когда мы в резиновых сапогах заходим в воду, то чувствуем, как резина плотно прилегает к ногам. А ведь глубина совсем небольшая! (Приложение1)
Расчетная формула 
для определения давления жидкости в любой ее точке, а также на дно и стенки сосуда:

Где Р – давление жидкости, Па,

³,

 - ускорение свободного падения, м/с² ,

Все вышесказанное справедливо и для газов, в которых тоже существует гидростатическое давление.

4.1.6.      Передача давления жидкостями и газами. Закон Паскаля.

Если мы положим на стол тяжелую стопку книг, то мы увеличим давление не только на стол, но и соответственно, на пол под столом. Стены, потолок, окна и двери этого давления на себе не почувствуют.

Даже если мы сложим на стол всю одежду из шкафов, еду из холодильника, телевизор, гантели и вдобавок взгромоздимся с ногами сами, стены и потолок не ощутят никаких изменений. Разве что их может задеть щепкой от разлетевшегося под весом всего этого добра стола, но изменения в давлении на них будут равны нулю. С газами и жидкостями дело обстоит иначе. Если в закрытом сосуде мы изменим давление на наполняющую сосуд жидкость или газ, то изменение в давлении ощутят на себе абсолютно все стенки этого сосуда.

В чем состоит закон Паскаля?

Можно самостоятельно проделать опыт, наглядно подтверждающий это явление. Для этого необходимо взять плотный резиновый шарик и наполнить его водой, а потом завязать или закупорить как-то иначе. Аккуратно, чтобы не порвать, проделываем иголкой несколько дырок в разных местах наполненного водой шарика. Сквозь дырки начинает сочиться вода. А теперь, если мы сожмем шар в руках, мы увидим, что вода начинает выливаться гораздо активнее абсолютно через все отверстия. То есть, увеличив давление в местах сжатия, мы видим, что давление увеличилось также одинаково во всех направлениях, на все стенки сосуда, то есть, в данном случае, шарика.

          То же самое будет, если наполнить шарик дымом. Это происходит вследствие того, что активно перемещающиеся частицы жидкости и газа перемешиваются по всему объему, и давление, уменьшившее объем для их свободного перемещения в одном месте, вызовет такое же уменьшение объема по всем направлениям. В этом и состоит закон Паскаля: жидкости и газы передают оказываемое на них давление по всем направлениям одинаково. Закон этот был открыт в 17 веке французским ученым Паскалем и потому носит его имя [3].

Формула закона Паскаля и его применение

           Закон Паскаля описывается формулой давления:

p=F/S,

где  p – это давление,
F – приложенная сила,
S – площадь сосуда.

            Из формулы мы видим, что при увеличении силы воздействия при той же площади сосуда давление на его стенки будет увеличиваться. Измеряется давление в ньютонах на метр квадратный или в паскалях (Па), в честь ученого, открывшего закон Паскаля. Его применение лежит в основе многих устройств и довольно распространено в производстве. Это, в частности, гидравлические прессы, пневматические тормоза и инструменты и многое другое (Приложение 2).

       Давление передается в каждую точку жидкости или газа (Приложение 3). Давление поршня передается в каждую точку жидкости, заполняющей шар.

          Теперь газ (Приложение 4).          В отличие от твердых тел отдельные слои и мелкие частицы жидкости и газа могут свободно перемещаться относительно друг друга по всем направлениям. Достаточно, например, слегка подуть на поверхность воды в стакане, чтобы вызвать движение воды. На реке или озере, при малейшем ветерке появляется рябь.

         Подвижностью частиц газа и жидкости объясняется, что давление, производимое на них, передается не только в направлении действия силы, а в каждую точку. Рассмотрим это явление подробнее.

        Представим сосуд, в котором содержится газ (или жидкость). Частицы равномерно распределены по всему сосуду. Сосуд закрыт поршнем, который может перемещаться вверх и вниз.

        Прилагая некоторую силу, заставим поршень немного переместиться внутрь и сжать газ(жидкость), находящийся непосредственно под ним. Тогда частицы (молекулы) расположатся в этом месте более плотно, чем прежде (Приложение 2). Благодаря подвижности, частицы газа будут перемещаться по всем направлениям. Вследствие этого их расположение опять станет равномерным, но более плотным, чем раньше. Поэтому давление газа всюду возрастет. Значит, добавочное давление передается всем частицам газа или жидкости. Так, если давление на газ (жидкость) около самого поршня увеличится на 1 Па, то во всех точках внутри газа или жидкости давление станет больше прежнего на столько же. На 1 Па увеличится давление и на стенки сосуда и на дно, и на поршень.[2]

4.1.7.      Давление в жидкости и газе.

         Под действием веса жидкости резиновое дно в трубке прогнется.

         На жидкости, как и на все тела на Земле, действует сила тяжести. Поэтому, каждый слой жидкости, налитой в сосуд, своим весом создает давление, которое по закону Паскаля передается по всем направлениям. Следовательно, внутри жидкости существует давление. В этом можно убедиться на опыте.

           В стеклянную трубку, нижнее отверстие которой закрыто тонкой резиновой пленкой, нальем воду. Под действием веса жидкости дно трубки прогнется.

Опыт показывает, что, чем выше столб воды над резиновой пленкой, тем больше она прогибается. Но всякий раз после того, как резиновое дно прогнулось, вода в трубке приходит в равновесие (останавливается), так, как, кроме силы тяжести, на воду действует сила упругости растянутой резиновой пленки (Приложение 5). По мере опускания трубки резиновая пленка постепенно выпрямляется. Силы, действующие на резиновую пленку, одинаковы с обеих сторон (Приложение 6).

           Дно отходит от цилиндра вследствие давления на него силы тяжести.

           Опустим трубку с резиновым дном, в которую налита вода, в другой, более широкий сосуд с водой. Мы увидим, что по мере опускания трубки резиновая пленка постепенно выпрямляется. Полное выпрямление пленки показывает, что силы, действующие на нее сверху и снизу, равны. Наступает полное выпрямление пленки тогда, когда уровни воды в трубке и сосуде, совпадают (Приложение 7).

          Такой же опыт можно провести с трубкой, в которой резиновая пленка закрывает боковое отверстие. Погрузим эту трубку с водой в другой сосуд с водой. Мы заметим, что пленка снова выпрямится, как только уровни воды в трубки и сосуде сравняются. Это означает, что силы, действующие на резиновую пленку, одинаковы со всех сторон.

           Возьмем сосуд, дно которого может отпадать. Опустим его в банку с водой. Дно при этом окажется плотно прижатым краю сосуда и не отпадет. Его прижимает сила давления воды, направленная снизу вверх (Приложение 8).

           Будем осторожно наливать воду в сосуд и следить за его дном. Как только уровень воды в сосуде совпадет с уровнем воды в банке, оно отпадет от сосуда.

          В момент отрыва дно давит сверху вниз столб жидкости в сосуде, а снизу вверх на дно передается давление такого же по высоте столба жидкости, но находящейся в банке. Оба эти давления одинаковы, дно же отходит от цилиндра, вследствие давления на него силы тяжести.

           Выше были описаны опыты с водой, но если взять вместо воды любую другую жидкость, результаты опыта будут те же.

          Итак, опыты показывают, что внутри жидкости существует давление и на одном и том же уровне оно одинаково по всем направлениям. С глубиной давление увеличивается.

            Газы в этом отношении не отличаются от жидкостей, ведь они тоже имеют вес. Но надо помнить, что плотность газа в сотни раз меньше плотности жидкости. Вес газа, находящегося в сосуде, мал, и его "весовое" давление во многих случаях можно не учитывать [2].

4.1.8.      Давление столба жидкости и газа

            Гидростатическое давление, то есть, давление, оказываемое покоящейся жидкостью, на любой глубине не зависит от формы сосуда, в котором находится жидкость. Одно и то же количество воды, находясь в разных сосудах, будет оказывать разное давление на дно. Благодаря этому можно создать огромное давление даже небольшим количеством воды. Это явление иначе называется «гидростатический парадокс».

              Это очень убедительно продемонстрировал Паскаль в семнадцатом веке. В закрытую бочку, полную воды, он вставил очень длинную узкую трубку. Поднявшись на второй этаж, он вылил в эту трубку всего лишь одну кружку воды. Бочка лопнула. Вода в трубке из-за малой толщины поднялась до очень большой высоты, и давление выросло до таких значений, что бочка не выдержала. То же самое справедливо и для газов. Однако, масса газов обычно намного меньше массы жидкостей, поэтому давление в газах, обусловленное собственным весом можно часто не учитывать на практике. Но в ряде случаев приходится считаться с этим. Например, атмосферное давление, которое давит на все находящиеся на Земле предметы, имеет большое значение в некоторых производственных процессах [7].

Благодаря гидростатическому давлению воды могут плавать и не тонуть корабли, которые весят зачастую не сотни, а тысячи килограмм, так как вода давит на них, как бы выталкивая наружу. Но именно по причине того же гидростатического давления на большой глубине у нас закладывает уши, а на очень большую глубину нельзя спуститься без специальных приспособлений – водолазного костюма или батискафа. Лишь немногие морские и океанические обитатели приспособились жить в условиях сильного давления на большой глубине, но по той же причине они не могут существовать в верхних слоях воды и могут погибнуть, если попадут на небольшую глубину [3].

Давление газа в физике

           Абсолютно все вещества состоят из мельчайших, не видимых глазу частиц – молекул. Эти молекулы находятся в беспрерывном хаотичном движении. И если в твердых телах это лишь небольшое колебание на одном месте, то в жидкостях и газах это движение происходит в любых направлениях, молекулы сталкиваются друг с другом, летят в новом направлении, вновь сталкиваются и так далее, рисуя немыслимые траектории и пересекая неисчислимое расстояние. Удар при столкновении одной молекулы очень и очень мал, но, как известно, молекул невероятное множество, двигаются они очень быстро, а потому действие всех молекул – это довольно значительная величина. То есть, многочисленные удары беспорядочно движущихся молекул и создают давление газа на стенки сосуда или на помещенное в газ тело.

          Именно потому, когда мы надували воздушный шарик, мы наполняли его все новыми и новыми порциями воздуха, то есть газа, и, будучи накачиваемым все в большем количестве, он создавал все большее давление на стенки шарика, растягивая его. А так как из-за хаотического движения молекулы равномерно распределяются по всему объему, создавая равномерное давление газа на стенки сосуда, то и шарик равномерно раздувался во все стороны [6].

Зависимость давления газа от температуры

        Если же мы уменьшаем объем сосуда при постоянной массе и температуре газа, то его давление на стенки уменьшается. Это и понятно, так как при увеличении объема расстояние между молекулами становится больше и количество соударений уменьшается. Существует также зависимость давления газа от температуры. Чем выше температура, тем выше скорость молекул газа и, соответственно, количество соударений и их сила увеличивается. Поэтому категорически нельзя нагревать баллоны со сжиженным газом, так как от увеличения давления внутри они могут не выдержать и взорваться. Для измерения давления газа существуют специальные приборы, самый известный из которых – это барометр, который позволяет нам узнать величину атмосферного давления и, исходя их этих данных, одеваться на улицу соответственно [4].

4.1.9.       Сообщающиеся сосуды.

Сообщающиеся сосуды.

          Два сосуда, соединённые между собой резиновой трубкой. Такие сосуды называются сообщающимися. Лейка, чайник, кофейник - примеры сообщающихся сосудов. Из опыта мы знаем, что вода, налитая, например, в лейку, стоит всегда на одном уровне в носике и внутри. Сообщающиеся сосуды встречаются нам часто. Например, им может быть чайник, лейка или кофейник (Приложение 10). Поверхности однородной жидкости устанавливаются на одном уровне в сообщающихся сосудах любой формы (Приложение 11). Разные по плотности жидкости (Приложение 12).

С сообщающимися сосудами можно проделать следующий простой опыт. В начале опыта, резиновую трубку зажимаем в середине, и в одну из трубок наливаем воду. Затем зажим открываем, и вода вмиг перетекает в другую трубку, пока поверхности воды в обеих трубках не установятся на одном уровне. Можно закрепить одну из трубок в штативе, а другую поднимать, опускать или наклонять в разные стороны. И в этом случае, как только жидкость успокоится, ее уровни в обеих трубках уровняется [5].

           В сообщающихся сосудах любой формы и сечения поверхности однородной жидкости устанавливаются на одном уровне (при условии, что давление воздуха над жидкостью одинаково).

           Это можно обосновать следующим образом. Жидкость покоится, не перемещаясь из одного сосуда в другой. Значит, давления в обоих сосудах на любом уровне одинаковы. Жидкость в обоих сосудах одна и та же, т. е. имеет одинаковую плотность. Следовательно, должны быть одинаковы и ее высоты. Когда мы поднимаем один сосуд или доливаем в него жидкость, давление в нем увеличивается и жидкость перемежается в другой сосуд до тех пор, пока давления не уравновесятся.

            Если в один из сообщающихся сосудов налить жидкость одной плотности, а во второй - другой плотности, то при равновесии уровни этих жидкостей не будут одинаковыми. И это понятно. Мы ведь знаем, что давление жидкости на дно сосуда прямо пропорционально высоте столба и плотности жидкости. А в этом случае плотности жидкостей будут различны [1].

4. 2. Практическая часть

4.2.1. Анкетирование

В средствах информации закон «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» кратко называют законом «Об энергосбережении».

      Я решил выяснить, что знают об этом законе и проблеме энергосбережения ученики нашей школы. В виде вопросов пыталась обратить внимание на эту проблему. В анкетировании приняли участие 30 человек

Среди своих одноклассников и знакомых мы провели следующий опрос.

1.                      Делаете ли вы физические приборы самостоятельно?

А. Да                 Б. Нет

2.            Нужно ли делать физические приборы самостоятельно?

А. Да.                Б. Нет.                   В. Не знаю.

3.           Любите вы проводить опыты дома?

А. Да;                Б. Только, когда задают по физике;

В. Только занимательные опыты.            Г. Нет.                                   

4.         Все ли опыты можно делать дома?

А. Все простые.                      Б. Только неопасные.

В. Если есть оборудование.              Г. Нет.            

5.    Повышают интерес к физике самодельные приборы и опыты с ними?

А. Да, повышают;                   Б. Да, лучше начинаешь учиться;

В. Нет;               (Приложение 7).

      Вывод.  В опросе приняло 36 учащихся. Из опроса видно, что учащиеся тоже делают физические приборы самостоятельно:16 из 36 опрошенных респондентов (44%), не делают – 20 учеников (56%),  считают, что нужно делать приборы самостоятельно  25 учеников, 69 %, не нужно 11 учеников , 31%. На вопрос «Любите ли вы проводить опыты дома?» – да ответили  18 учеников , 50% , только когда задают по физике  - 8 учеников , 22% , только занимательные опыты - 8 учеников , 22%, нет – 2 ученика, 6%. На вопрос «Все ли опыты можно делать дома?» из 36 опрошенных ответили простые опыты - 16 учеников (33%), только неопасные - 7 учеников (19%), если есть оборудование – 10 учеников (29%), нет-  3 ученика (8%). На вопрос: «Повышают ли интерес к физике самодельные приборы и опыты с ними?» получили такие ответы- да, повышают  - 27 учеников (75%), да, лучше начинаешь учиться - 6 учеников (17%), нет – 3 ученика, 8%.

4.2.2. Проведение экспериментов.

Цель экспериментов: убедиться, действительно ли давление жидкости и газа зависит от высоты столба жидкости, выполняется ли закон Паскаля, работает правило сообщающихся сосудов. Ввести понятие «гидростатический парадокс». Показать опыт с вазой Тантала, с воздушным шариком.

       Описание эксперимента: в качестве оборудования я использую самодельные приборы из подручного материала.

       Опыт 1. Опыт с сообщающимися сосудами. Показывает, что высота однородной  жидкости в сообщающихся сосудах всегда устанавливается на одном уровне, не зависит от формы сосудов, их расположения.

       Опыт 2. Опыт на демонстрацию закона Паскаля с помощью бутылки с водой и трех трубок, две из которых находятся в воде, а одна помещена над водой.

       Опыт 3. Демонстрация закона Паскаля с помощью воздушного шара. Вместо шара Паскаля я использую шприц с плотно надетым на него шариком. Налив воды в шарик и,  перемещая поршень шприца, мы можем наблюдать, что шарик одновременно во всех направлениях начинает раздуваться, т.е. давление, производимое на жидкость, передается в каждую точку жидкости одинаково по всем направлениям.

      Опыт 4. Демонстрация зависимости давления жидкости от высоты столба. В зависимости от высоты столба жидкости резиновая пленка прогибается сильнее, чем больше столб воды. Пока столб жидкости мал, пленка почти не прогибается, с увеличением столба жидкости пленка прогибается все сильнее.

       Опыт 5. Зависимость давления о направления. Если взять сосуд с боковым ответвлением, закрытым пленкой, то давление воды будет растягивать пленку не только вниз, но и в сторону. Если этот сосуд поместить в другой, то пленка выравнивается, если уровни воды в первом и втором сосудах равны.

       Опыт 6. Опыт с сосудом с откидывающейся крышкой. Если сосуд с откидывающейся крышкой поместить в другой сосуд с водой, то крышка будет закрывать дно сосуда. Если в этот сосуд долить воды до уровня воды в сосуде, то крышка откидывается.

       Опыт 7. Опыт с воздушным шариком. Если воздушным шариком подействовать с силой на кнопку, то он лопнет, но если кнопок будет много, то давление по закону Паскаля распределится на все кнопки и шарик не лопнет.

       Опыт 8. Опыт со стаканом, показывающий зависимость давления жидкости от высоты столба жидкости.   

      Опыт 9. Ваза Тантала. Вода из большего сосуда поступает через шланг в нижний сосуд, но достигнув определенного уровня, никак не поднимается вверх.

      Опыт 10. Демонстрация фонтана с помощью сообщающихся сосудов.

        Вывод. В ходе экспериментов я убедился, что  давление жидкости и газа зависит от высоты столба жидкости, закон Паскаля работает, в сообщающихся сосудах однородная жидкость устанавливается на одном уровне, не зависимо от формы сосудов, на одном и том же уровне давление одинаково.

5.            Заключение

Изучив литературу, рассмотрев теорию по теме «Давление жидкостей и газов. Закон Паскаля», в ходе проведенных опытов мы подтвердили все основные выводы и закономерности по данной теме.   

       Проведя исследования, мы пришли к таким выводам:

1.Самодельные приборы действительно помогают повышать интерес к физике.

2.Ученики, увлекающиеся физикой, могут проводить опыты в домашних условиях.

3. Опыты и приборы способствуют повышению качества подготовки домашнего задания, лучшему пониманию законов физики.

6.            Использованная литература и Интернет-ресурсы

1.     

2.    http://class-fizika.narod.ru/7_davlsh.htm

3.    https://ru.wikiversity.org/wiki/Физика_(7_класс)/Давление

4.    http://www.nado5.ru/e-book/davlenie-v-zhidkosti-i-gaze

4. https://ru.wikipedia.org/wiki/

5. Пёрышкин А.В. Физика. 7 класс: Учебник для общеобразовательных учреждений.  -   М: Дрофа, 2010.

6.    Иванов Б.Н. Законы физики, 1986 г., 335 стр.

7.    Справочник по Физике для школьников.

Приложения.

Приложение 1

Рис. 1. Зависимость давления жидкости от высоты столба.

Приложение 2

Рис. 2. Передача давления жидкостями и газами.

Приложение 3

                            Рис.3 Опыт с шаром Паскаля (вода).

Приложение 4

Рис. 4 Опыт с шаром Паскаля (дым.

    Приложение 5

Рис. 5 Зависимость давления от высоты столба жидкости.

Приложение 6

Рис. 6. Изгибание пленки под действием давления.

Приложение 7

Рис. 7. Равенство давления на одном уровне.

Приложение 8

Рис. 8. Откидывание крышки под действием давления.

Приложение 9

Рис. 9. Сообщающиеся сосуды.

Приложение 10

Рис. 10.  Разные виды сообщающихся сосудов.

Приложение 11.

Рис. 11.  Сообщающиеся сосуды разной формы.

Приложение 12.

Рис. 12.  Сообщающиеся сосуды разной формы.

Приложение 13

Таблица 1:

Скачано с www.znanio.ru