Загальна інформація
Застосування
Рис. 1: схема досліду
Сполученими посудинами називають посудини, відкриті згори і з'єднані знизу між собою. Однорідна рідина стоїть у них на однаковій висоті, бо сила тяжіння й атмосферний тиск сталі.
Принцип сполучених посудин має багато практичних застосувань. Наприклад, у сифоні - різновиді всмоктувального насоса - перетікання рідини припиняється лише тоді, коли обидва рівні рідини зрівняються. Якби в природі артезіанська свердловина мала западину нижче рівня ґрунтових вод, вода була б під надлишковим тиском і сама піднімалася б до поверхні землі.
Інша інформація (1/2)
Попередні знання
Учні мають знати про сполучені посудини і глибше розуміти рівняння .
Принцип
Треба показати, що (однорідна) рідина у сполучених посудинах стоїть на однаковій висоті. Після цього демонструють принцип шлангового рівня.
Інша інформація (2/2)
Навчальна мета
Цим дослідом учням на прикладі показують і пояснюють основи сполучених посудин. Учні мають краще зрозуміти рівняння .
Завдання
Завдання цього досліду полягає в тому, щоб спостерігати за положенням рівнів рідини за різного розміщення скляної трубки.
Правила безпеки
Для цього досліду діють загальні правила безпечного експериментування на уроках природничих наук.
Теорія
Сполученими посудинами називають посудини, відкриті згори, але з'єднані знизу між собою. Однорідна рідина стоїть у них на однаковій висоті.
Чому стовпи рідини в них стоять на однаковій висоті?
Так відбувається тому, що гідростатичний тиск у рідинах пов'язаний із силою тяжіння стовпа рідини, який лежить вище. На певній глибині тиски мусять зрівнятися. Гідростатичний тиск обчислюють за рівнянням: .
Якщо і сталі, то (тиск) залежить лише від (висоти) стовпа рідини, а не від форми посудини. Тому в однієї рідини стовпи в усіх частинах сполученої посудини мають стояти на однаковій висоті.
Обладнання
| Позиція | Обладнання | Артикул | Кількість |
|---|---|---|---|
| 1 | Магнітна демонстраційна дошка PHYWE зі штативом, демо з фізики | 02150-00 | 1 |
| 2 | Стрілка для демонстраційної дошки, 4 шт. | 02154-01 | 1 |
| 3 | Вісь на магнітному тримачі | 02151-02 | 1 |
| 4 | Тримач напрямної на магнітному тримачі | 02151-05 | 2 |
| 5 | Затискний тримач, d = 0..13 мм, на магнітному тримачі | 02151-07 | 2 |
| 6 | Зливна посудина для демонстраційної дошки | 02158-00 | 1 |
| 7 | Занурювальний зонд | 02632-00 | 1 |
| 8 | Вимірювальний та експериментальний візок | 11060-00 | 1 |
| 9 | Напрямна доріжка, l = 900 мм | 11606-00 | 1 |
| 10 | Лабораторний стакан, боросилікатне скло, висока форма, 600 мл | 46029-00 | 1 |
| 11 | Силіконові трубки, внутрішній d=7 мм | 39296-00 | 2 |
| 12 | Лабораторний стакан, пластик (PP), 100 мл | 36011-01 | 1 |
| 13 | Мікрошпатель-ложка, сталь, l = 150 | 33393-00 | 1 |
| 14 | Патентований синій V, 25 мл | 48376-05 | 1 |
| 15 | Лабораторний маркер, змивний, чорний | 46402-01 | 1 |
| 16 | Струбцина | 02014-01 | 2 |
Складання та виконання
Складання (1/3)
Рис. 2
Складання 1
- Приєднай до зливної посудини шматок силіконового шланга завдовжки близько 110 см і постав посудину вгорі ліворуч на демонстраційній дошці.
- Установи вгорі праворуч затискний тримач із занурювальним зондом і приєднай кінець шланга до зонда (рис. 2).
- Налий у лабораторний стакан воду (наприклад, 500 мл), підфарбуй її і потім перелий у зливну посудину.
Складання (2/3)
- Видали защемлене повітря, за потреби кілька разів здавивши шланг.
- За допомогою креслярського трикутника познач лабораторним маркером положення рівнів рідини і чітко виділи його стрілкою.
Складання (3/3)
Складання 2
- Установи напрямну доріжку на демонстраційній дошці за допомогою тримачів напрямної.
- Зроби шланговий рівень: насунь один кінець силіконового шланга завдовжки близько 110 см на трубку занурювального зонда, а другий - на скляну насадку зливної посудини.
- Закріпи шланговий рівень затискними тримачами на кінцях напрямної доріжки (рис. 3).
Рис. 3
Виконання (1/2)
Виконання 1
- Нахиляй занурювальний зонд у різні положення, спостерігай за рівнем води і запиши спостереження (1).
- Зніми й спорожни занурювальний зонд і зливну посудину.
- Приклади напрямну доріжку до позначок висоти рівнів рідини і закріпи її тримачами напрямної.
- Закріпи металевий кутник, який входить у комплект напрямної доріжки, на лівому кінці доріжки, а на другому кінці постав на дошку вісь на магнітному тримачі як стопор для візка.
- Постав вимірювальний та експериментальний візок на напрямну доріжку, потім трохи нахили доріжку праворуч або ліворуч і запиши спостереження (2).
Виконання (2/2)
Виконання 2
- Обережно налий стаканом підфарбовану воду в занурювальний зонд і, за потреби, видали защемлені бульбашки повітря, здавивши шланг.
- Змінюй положення напрямної доріжки, доки її верхній край не опиниться на одній висоті з рівнями рідини.
- Постав вимірювальний та експериментальний візок на напрямну доріжку і так перевір, чи вона горизонтальна.
Спостереження
Спостереження 1
1. Положення рівнів рідини зберігається незалежно від того, чи стоїть скляна трубка вертикально, чи похило.
2. Візок стоїть на напрямній доріжці. Якщо її нахилити, він починає (прискорений) рух.
Спостереження 2
Напрямна доріжка лежить горизонтально, коли її кінці розташовані на тій самій висоті, що й рівні води у шланговому рівні.
Опрацювання результатів
Опрацювання результатів 1
У з'єднаних (сполучених) посудинах рідина скрізь стоїть на однаковій висоті. Усі рівні рідини лежать в одній горизонтальній площині.
Причина цього - гідростатичний тиск. У найнижчій точці системи сполучених посудин він однаковий за всіма напрямками і залежить від висоти стовпа рідини, а не від форми посудини.
Опрацювання результатів 2
Шланговим рівнем можна вивести на однакову висоту дві точки, що лежать на значній відстані одна від одної. Тоді вони опиняються в одній горизонтальній площині.
Зауваження
Перш ніж закріплювати напрямну доріжку на демонстраційній дошці, варто провести лінію через позначки положення рівнів рідини - так буде наочніше. Рівні рідини лежать в одній площині тоді, коли рідина скрізь має однакову густину, тобто коли вона однорідна. Якщо цю обставину треба опрацювати окремо, дослід можна розширити: налити в занурювальний зонд, наприклад, трохи денатурату. Тоді через рівень рідини у трубці занурювального зонда буде вищий, ніж лівий рівень у зливній посудині.
Шланговий рівень, який ще називають канальним рівнем, застосовують на практиці (у будівництві, ландшафтному дизайні тощо), щоб нівелювати на великих відстанях. Для цього віддалені точки візують через обидва рівні рідини, а різницю їхніх висот відносно горизонтальної площини рівнів рідини визначають мірними рейками.