Учебник по физике для поступающих в ВУЗ /Экзаменационные вопросы по физике (2006-2007)/

Подвижность частиц газа и жидкости объясняет, что давление, производимое на газ или жидкость, передается не только в направлении действия силы, а в каждую точку жидкости или газа.

Пример: сжимание газа поршнем. Давление меняется во всем объеме газа.

Закон Паскаля:

Давление производимое на жидкость или газ передается во все стороны без изменений.

Все жидкости и газы передают производимое на них давление во все стороны.

На жидкости действует сила тяжести (для газов это менее заметно). Каждый слой жидкости своим весом давит на нижние слои, которые по закону Паскаля передается по всем направлениям. Следовательно, внутри жидкости существует давление.

В этом можно убедиться на опытах.

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, но их плотность и вес малы и «весовое» давление газа во многих случаях можно не учитывать.

Гидростатический парадокс. Опыт Паскаля.

Свойством жидкости передавать во все стороны производимое на нее давление объясняется явление, известное в физике под называнием «гидростатический парадокс»

В сосудах различной формы, но с одинаковой площадью дна и одинаковым уровнем жидкости в них, давление жидкости на дно будет одинаковым. Его можно рассчитать:

P = pS = g ρ h S

S – площадь дна

h – высота столба жидкости

Сила, с которой жидкость давит на дно сосуда не зависит от формы сосуда и равна весу вертикального столба, основанием которого является дно сосуда, а высотой – высота столба жидкости.

В 1618 г. Паскаль поразил своих современников, разорвав бочку всего кружкой воды, влитой в тонкую высокую трубку, вставленную в бочку.

БАРОМЕТРЫ И МАНОМЕТРЫ (уч.7кл.стр.105, 108)

Ртутный (или водяной) барометр

Барометр анероид

Манометр

Греч. барос – тяжесть, манос – редкий, метрео - измерять

Барометр – прибор для измерения атмосферного давления

Манометр – прибор для измерения давления (жидкости или газа)

Если к трубке с ртутью, использовавшейся в опыте Торричелли, прикрепить вертикальную шкалу, то получится простейший ртутный барометр.

На практике для измерения атмосферного давления применяют барометр-анероид (греч. безжидкостный) Такой барометр не содержит ртути или другой жидкости.

Главная часть (чувствительный элемент) анероида – металлическая коробочка с волнистой гофрированной поверхностью. Из нее выкачан воздух, а чтобы атмосферное давление не раздавило коробочку, ее крышку оттягивают вверх пружиной.

При увеличении атмосферного давления крышка прогибается вниз и натягивает пружину.

При уменьшении давления пружина выпрямляет крышку.

К пружине с помощью передаточного механизма прикреплена стрелка-указатель, которая передвигается вправо и влево при изменении давления вдоль шкалы градуированной в единицах давления.

Изменение атмосферного давления связано с переменой погоды.

Для измерения давлений жидкостей и газов используют манометры.

Манометры бывают жидкостные и металлические.

Открытый жидкостной манометр.

Состоит из двухколенной стеклянной трубки, заполненной жидкостью. Жидкость устанавливается в обоих коленах на одном уровне, так как на в обоих коленах сосуда на нее действует одинаковое атмосферное давление.

Если менять давление на жидкость в одном из колен, то по изменению высоты столба жидкости в другом колене можно судить о величине этого давления.

Таким манометром можно измерять давление внутри жидкости. Чем глубже погружают коробочку в жидкость, тем больше становится разность высот столбов жидкости в коленах манометра, следовательно тем большее давление производит жидкость.

В промышленности обычно используются металлические манометры.

Чувствительным элементом металлического манометра является согнутая в дугу металлическая трубка, один конец которой запаян. Другой конец с помощью крана сообщается с сосудом, в котором измеряют давление.

При увеличении давления трубка разгибается. Движение закрытого конца трубки с помощью рычага и зубчатого колеса передается стрелке.

При уменьшении давления трубка благодаря своей упругости возвращается в прежнее положение.

Для уменьшения вибраций стрелки и передаточного механизма внутренность манометра заполняют вязкой прозрачной жидкостью (глицерином)

СООБЩАЮЩИЕСЯ СОСУДЫ(уч.7кл.стр.90)

В цилиндрическом сосуде сила давления на дно сосуда равна весу столба жидкости. Давление на дно сосуда:

 pжид = = = ρgh,

откуда давление на глубине h:

p = pжид + pатм = ρgh + p0.

На стенки сосуда согласно закону Паскаля действует такое же давление.

Давление зависит только от плотности жидкости и высоты столба (p = ρgh + p0), но не зависит от объема жидкости.

Равенство давлений жидкости на одной и той же высоте приводит к тому, что

в сообщающихся сосудах любой формы свободные поверхности покоящейся однородной жидкости находятся на одном уровне (в случае пренебрежимо малости капиллярных сил).

В случае неоднородной жидкости высота столба более плотной жидкости будет меньше высоты менее плотной.

При равенстве давлений высота столба жидкости с большей плотностью будет меньше высоты столба жидкости с меньшей плотностью.

ПРИНЦИП УСТРОЙСТВА ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ПРЕССА (уч.7кл.стр.111-113)

Гидравлическая машина. Устройство. Выигрыш в силе.

Гидравлический пресс. Устройство. Принцип действия

На основе закона Паскаля работают гидравлические машины (греч. гидравликос – водяной). Это машины, действие которых основано на законах движения и равновесия жидкостей.

Основной частью гидравлической машины служат два сообщающихся сосуда (цилиндра), закрытых поршнями разных площадей.

Пространство под поршнями и цилиндры заполняют жидкостью (обычно минеральным маслом) Высота столбов жидкости в обоих цилиндрах одинаковы, пока на поршни не действуют силы.

Давление, производимое внешней силой на один поршень, передается по закону Паскаля на второй поршень:

p = =  Þ F2 = F1

Отношение F2/F1 показывает выигрыш в силе.

Гидравлическая машина дает выигрыш в силе во столько раз, во сколько площадь ее большого поршня больше площади малого.

Гидравлическую машину, служащую для прессования или сдавливания, называют гидравлическим прессом.

Прессуемое тело кладут на платформу, соединенную с большим поршнем.

При помощи малого поршня создается давление в жидкости. Это давление без изменения (по закону Паскаля) передается в каждую точку жидкости, заполняющей цилиндры.

Так как площадь большого поршня больше площади малого, то сила, действующая на него будет больше силы, действующей на малый поршень. Под действием этой силы большой поршень будет подниматься, прессуя тело о верхнюю неподвижную платформу.

Для измерения давления жидкости в прессе служит манометр.

Предохранительный клапан автоматически открывается, когда давление превышает допустимое значение, и предохраняет пресс от повреждений.

Из малого цилиндра в большой жидкость перекачивается повторными движениями малого поршня.

При подъеме малого поршня открывается невозвратный клапан и масло из резервуара засасывается в пространство под поршнем.

При опускании малого поршня невозвратный клапана в резервуар закрывается давлением масла, а невозвратный клапан в большой цилиндр открывается. Масло поступает в большой цилиндр, повышая давление в нем.

АРХИМЕДОВА СИЛА ДЛЯ ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ (уч.7кл.стр.114-125)

Действие жидкости и газа на погруженное в них тело

Архимедова сила

Плавание тел (см.ниже)

Плавание судов тяжелее воды (см.ниже)

Воздушный шар

Жидкость давит на сосуд, если внутрь ее поместить тело, то оно так же будет подвергаться давлению. Рассмотрим силы, действующие на тело, погруженное в жидкость. Для удобства рассмотрим параллелепипед.

Силы, действующие на боковые грани тела, попарно уравновешивают друг друга, они только сжимают тело.

Силы, действующие на верхнюю и нижнюю грани тела, не одинаковы.

На верхнюю грань давит столб жидкости h1, а на нижнюю h2. Давление столба жидкости h2 передается внутрь жидкости во все стороны. Следовательно на нижнюю грань тела давит сила, определяемая h2.

Тело выталкивается из жидкости с силой:

(учитывая, что для параллелепипеда S1 = S2 = S, hS = V, ρжVж = mж)

Fвыт = F2 – F1 = p2S2 – p1S1 = ρжgh2S2 – ρжgh1S1 = ρжg( h2- h1)S = ρжgVж = gmж = Pж

Выталкивающая сила равна весу жидкости в объеме погруженного в нее тела.

Существование выталкивающей силы легко обнаружить на опыте, взвешивая тело в воздухе и в воде.

К газам, как и к жидкостям применим закон Паскаля.

На тело, находящееся в газе, действует сила, равная весу газа в объеме тела, выталкивающая его из газа

Такой силой объясняется полет воздушных шаров.

Сила, выталкивающая тело из жидкости или газа, направлена противоположно силе тяжести, приложенной к этому телу.

Зависимость давления в жидкости и газе от глубины приводит к возникновению выталкивающей силы, действующей на любое тело, погруженное в жидкость или газ.

Эту силу называют Архимедовой силой, в честь древнегреческого ученого Архимеда, который впервые указал на ее существование и рассчитал ее значение.

В сочинении Архимеда «О плавающих телах» седьмое предложение (теорема) сформулировано так:

«Тела, которые тяжелее жидкости, будучи опущены в нее, погружаются все глубже, пока не достигают дна, и, пребывая в жидкости, теряют в своем весе столько, сколько весит жидкость, взятая в объеме тел.»

Закон Архимеда:

На тело погруженное в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, равная весу жидкости или газа вытесненного телом.

Архимедова сила равна весу жидкости в объеме тела (Vж = Vт – объем жидкости, вытесненной телом):

FA = Pж = g mж = g ρжVж = g ρжVт

Архимедова сила зависит от плотности жидкости, в которую погружено тело, и от объема тела. Но не зависит от плотности вещества тела.

Определим вес тела, погруженного в жидкость или газ.

P1 = P – FA = gm – gmж = g (m – mж)

Если тело погружено в жидкость или газ, то оно теряет в своем весе столько, сколько весит вытесненная им жидкость или газ.

Архимедова сила направлена противоположно силе тяжести, поэтому при взвешивании в жидкости вес тела меньше, чем в воздухе.

На тело, находящееся в жидкости, действует сила тяжести и архимедова сила. Если сила тяжести по модулю больше – тело тонет, меньше – всплывает, равны – может находиться в равновесии на любой глубине.

Эти отношения сил равны отношениям плотностей тела и жидкости (газа).

На воде держатся громадные речные и морские суда, изготовленные из стали, плотность которой почти в 8 раз больше плотности воды. Объясняется это тем, что из стали делают лишь сравнительно тонкий корпус судна, а большая часть его объёма занята воздухом. Среднее значение плотности судна при этом оказывается значительно меньше плотности воды, поэтому оно не только не тонет, но и может перевозить большое количество грузов.

Воздушный шар

Для того чтобы шар поднялся в воздух, необходимо, чтобы архимедова сила, действующая на шар, была больше силы тяжести FA > Fтяж.

По мере поднятия шара архимедова сила уменьшается, так как с высотой уменьшается плотность воздуха. Чтобы подняться выше с шара сбрасывают специально взятый балласт и этим облегчают шар.

Для спуска шара из его оболочки с помощью специального клапана выпускают часть газа и тем самым уменьшают его объем, а значит, и действующую на шар, архимедову силу.

Гораздо проще управлять подъемом и спуском шара, наполненного горячим воздухом. Для этого в нижней части шара располагают газовую горелку, с помощью которой можно регулировать температуру воздуха внутри шара, а значит, его плотность и выталкивающую силу.

Можно подобрать такую температуру воздуха в шаре, при которой его вес будет равен выталкивающей силе. Тогда шар может «повиснуть» в воздухе.

В горизонтальном направлении шар перемещается только под действием ветра. Поэтому он называется аэростатом (греч. аэр – воздух, стато – стоящий)

Для исследования верхних слоев атмосферы применяют огромные воздушные шара – стратостаты.

Чтобы узнать, какой груз может поднять воздушный шар, необходимо определить его подъемную силу.

Для увеличения подъемной силы шар наполняют водородом или гелием. Гелий более безопасен и не взрывоопасен.

УСЛОВИЯ ПЛАВАНИЯ ТЕЛ НА ПОВЕРХНОСТИ ЖИДКОСТИ (уч.7кл.стр.120-125)

См.выше «Архимедова сила для жидкостей и газов»

Плавание тел

Плавание судов тяжелее воды

На тело, находящееся внутри жидкости, действуют две силы: сила тяжести и архимедова сила. Под действием этих сил:

1. Fтяж > FA – тело тонет

2. Fтяж = FA – тело плавает (может находится в равновесии в любом месте жидкости)

3. Fтяж < FA – тело всплывает

Рассмотрим последний случай подробнее.

По мере всплывания тела из жидкости архимедова сила будет уменьшатся потому, что будет уменьшатся объем погруженной части тела.

Когда архимедова сила станет равной силе тяжести, тело остановится и будет плавать на поверхности жидкости, частично погрузившись в нее.

Если тело плавает в жидкости, то вес вытесненной им жидкости равен весу этого тела в воздухе.

Если плотность сплошного твердого тела больше плотности жидкости, то тело в такой жидкости тонет. Тело с меньшей плотностью всплывает в этой жидкости.

Например, кусок железа тонет в воде, но плавает в ртути.

Тело, плотность которого равна плотности жидкости, остается в равновесии внутри жидкости.

Лед плавает на поверхности воды, так как его плотность меньше плотности воды.

Чем меньше плотность тела по сравнению с плотностью жидкости, тем меньшая часть тела погружена в жидкость (при плавании)

При равных плотностях тела и жидкости тело плавает внутри жидкости на любой глубине.

Средняя плотность морских организмов мало отличается от плотности воды, поэтому их вес практически полностью уравновешивается архимедовой силой. Благодаря этому они не нуждаются в прочных и массивных скелетах. По этой причине эластичны стволы морских водорослей.

Рыбы легко меняют свой объем с помощью плавательного пузыря. Киты регулируют

глубину своего погружения за счет изменения объема легких.

Тело вытесняет своей подводной частью столько воды, что вес этой воды равен весу тела в воздухе. Это справедливо для любого плавающего тела.

Вес воды, вытесненной подводной частью судна, равен весу судна с грузом в воздухе или силе тяжести, действующей на судно с грузом.

Глубину, на которую судно погружается в воду, называют осадкой.

Наибольшая безопасная допускаемая осадка для разного времени года, морской или пресной воды (для разной плотности воды) отмечена на корпусе судна специальной отметкой – грузовой маркой

Вес воды, вытесненной судном при погружении до грузовой марки, равный силе тяжести, действующей на судно с грузом, называется водоизмещением судна.

Если из водоизмещения вычесть вес самого судна, то получим грузоподъемность судна, показывающую вес перевозимого судном груза.

ДВИЖЕНИЕ ЖИДКОСТИ ПО ТРУБАМ

ЗАВИСИМОСТЬ ДАВЛЕНИЯ ЖИДКОСТИ ОТ СКОРОСТИ ЕЕ ТЕЧЕНИЯ.
УРАВНЕНИЕ БЕРНУЛЛИ

ДОПОЛНИТЬ ИЗ ДРУГОГО ИСТОЧНИКА

При стационарном движении несжимаемой жидкости справедливо уравнение неразрывности:

v1S1 = v2S2

Для идеальной жидкости, в которой можно пренебречь вязкостью (т.е. трением между ее частицами) математическим выражением закон сохранения энергии является уравнение Бернулли:

 p + ρgh + = const  .

ИЗМЕРЕНИЕ РАССТОЯНИЙ, ПРОМЕЖУТКОВ ВРЕМЕНИ, СИЛЫ, ОБЪЕМА, МАССЫ, АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ

Измерить какую либо величину – значит сравнить ее с величиной принятой за единицу измерения.

Измерение атмосферного давления см. «Атмосферное давление»

ДОПОЛНИТЬ

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ(уч.10кл.стр.258-259)

Моль – количество вещества, масса которого выраженная в граммах, численно равна относительной массе атома.

Молярная масса – масса одного моля

Единица измерения – кг/моль

M = NAma

Постоянная Авогадро – число атомов (или молекул) в одном моле любого вещества

NA = 6,022*1023 моль-1

Существует четыре агрегатных состояние вещества (или фазы):

- твердое

- жидкое

- газообразное

- плазма

Фазовый переход – переход системы из одного агрегатного состояния в другое. При фазовом переходе скачкообразно изменяется какая-либо физическая величина (например, плотность, внутренняя энергия) или симметрия системы.

Вещество находится в твердом состоянии, если средняя потенциальная энергия притяжения молекул много больше их средней кинетической энергии.

Молекулы в твердом теле располагаются упорядочено.

Жидкое состояние образуется, если средняя потенциальная энергия притяжения молекул соизмерима с их средней кинетической энергией.

Упорядоченное расположение молекул наблюдается в жидкостях лишь в пределах нескольких соседних молекулярных слоев.

Вещество находится в газообразном состоянии, если средняя кинетическая энергия молекул превышает среднюю потенциальную энергию их взаимодействия.

Молекулы газа движутся хаотически.

Условия идеального газа:

- диаметр молекул много меньше среднего расстояния между ними

- средняя кинетическая энергия молекул много больше средней потенциальной энергии их взаимодействия

- молекулы взаимодействую между собой и со стенками абсолютно упруго.

Плазма – электронейтральная совокупность нейтральных и заряженных частиц.

Ионизация – процесс образования ионов из атомов.

Молекулы в идеальном газе движутся хаотически.

Движение одной молекулы характеризуется микроскопическими параметрами – масса молекулы, скорость, импульс, кинетическая энергия.

Свойства газа, как целого, описываются с помощью макроскопических параметров – масса газа, давление, объем, температура.

Молекулярно-кинетическая теория устанавливает связь между микро и макроскопическими параметрами.

Число молекул в идеальном газе столь велико, что закономерности их поведения модно выяснить только статистическим методом.

Равномерное распределение в пространстве молекул идеального газа по скоростям при определенной температуре является статистической закономерностью.

Наиболее вероятная скорость молекул – скорость, которой обладает максимальное количество молекул.

Стационарное равновесное состояние газа – состояние, в котором число молекул в заданном интервале скоростей остается постоянным.

Температура тела – мера средней кинетической энергии поступательного движения его молекул.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49