Загальна інформація
Застосування
Рис. 1: схема досліду
Швидкістю витікання називають швидкість, з якою рідина або газ дуже малої в'язкості (наприклад, вода) витікає з отвору посудини, у якій вона міститься.
Спрощено швидкість витікання () означено так
Вона залежить лише від висоти напору, а не від густини рідини. Коли спорожнюють наповнену водою ванну, швидкість витікання спочатку завжди більша, а з пониженням рівня води стає меншою.
Інша інформація (1/2)
Попередні знання
Учні мають попередньо знати про швидкість витікання і гідростатичний тиск.
Принцип
Треба дослідити, як поводяться швидкості, з якими вода витікає з посудини, що має у стінці отвори на різних висотах.
Інша інформація (2/2)
Навчальна мета
Цим дослідом учням пояснюють основи швидкості витікання. Учні мають при цьому дізнатися, яку роль тут відіграє висота.
Завдання
Завдання цього досліду полягає в тому, щоб спостерігати, як поводяться швидкості, з якими вода витікає з посудини, що має у стінці отвори на різних висотах.
Правила безпеки
Для цього досліду діють загальні правила безпечного експериментування на уроках природничих наук.
Теорія
Через швидкість витікання можна доволі просто визначити швидкість, з якою рідина в посудині витікає крізь отвір під дією гідростатичного тиску.
Спершу: вода може витікати щонайбільше так сильно, щоб струмінь не піднімався вище за початкову поверхню води.
Гідростатичний тиск такий:
Отже, гідростатичний тиск залежить від h (висоти). Тож що більше h, то більший гідростатичний тиск.
Через це виникають різні швидкості, з якими вода витікає з посудини.
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 | Маркувальні точки для демонстраційної дошки, 24 шт. | 02154-02 | 1 |
| 4 | Затискний тримач, d = 0..13 мм, на магнітному тримачі | 02151-07 | 1 |
| 5 | Лоток для зберігання, 413 x 120 x 100 мм | 47325-01 | 1 |
| 6 | Зливна посудина для демонстраційної дошки | 02158-00 | 1 |
| 7 | Мірний кухоль із ручкою, пластик (PP), 1000 мл | 36640-00 | 1 |
| 8 | Струбцина | 02014-01 | 2 |
Складання та виконання
Складання та виконання (1/2)
Рис. 2
- Постав зливну посудину вгорі ліворуч на білому боці демонстраційної дошки, розлінованому в клітинку.
- Надінь і затягни затискач для шланга безпосередньо перед скляною насадкою.
- Налий у посудину 1000 мл води і видали защемлені бульбашки повітря, здавлюючи шланг.
- Накресли на дошці обриси уявної більшої посудини, моделлю якої має бути зливна посудина. (рис. 2)
Складання та виконання (2/2)
- Познач стрілками рівень води, а також відповідні місця, де мають бути вихідні отвори.
- Постав лоток на стіл під дошкою як збірник для води.
- Установи насадку зливної посудини затискним тримачем на дошці так, щоб вона закінчувалася перед позначеним вихідним отвором і лежала горизонтально.
- Відпусти затискач для шланга і познач шлях води маркувальними точками одного кольору.
- Затягни затискач для шланга і вилий воду, що витекла, назад у зливну посудину.
- Установи затискний тримач із насадкою перед другим, а потім і перед третім вихідним отвором і щоразу дій так само, як раніше.
- Використовуй при цьому щоразу точки одного кольору.
Опрацювання результатів
Опрацювання результатів (1/2)
Що нижче лежить вихідний отвір, то далі від посудини йде струмінь води, тобто то більша швидкість витікання води.
Позначені точками шляхи, якими щоразу йшла вода, обводять на дошці лабораторним маркером (показано на рис. 1). Виходять параболи, і вони то стисненіші, що нижче лежить вихідний отвір.
Те, що швидкість витікання то більша, що нижче лежить вихідний отвір, пояснюється гідростатичним тиском, який пропорційний висоті h стовпа води над вихідним отвором:
через
Опрацювання результатів (2/2)
На струмінь води, що витікає, діє пропорційна глибині h сила тиску F, яка розганяє частинки води, що витікають, і тим самим визначає їхню швидкість.
Ця сила тиску пропорційна також до площі A, але на швидкість, з якою вода витікає, це не впливає. Адже зі зростанням площі перерізу A зростає й маса води, що витікає за одиницю часу, яку розганяє ця сила тиску.
Зауваження
Оскільки отвір насадки малий, за одиницю часу з ємності витікає мало води; а якщо тримати час спостереження щоразу відносно коротким, то рівень води у зливній посудині за один такий етап знижується загалом лише трохи. Тому досить щоразу зливати воду, що витекла, назад.
Використовувати білий бік дошки в цьому досліді не обов'язково. Проте він дає певні переваги, зокрема для креслення великої посудини та для розміщення вихідних отворів і насадки.
Варто додатково підкласти під лоток більший вбирний рушник, щоб зібрати бризки.