Надеть воздушный шарик на сосуд и поставить его в горячую воду

#хакнем_физика ???? рубрика, содержащая интересный, познавательный контент по физике как для школьников, так и для взрослых ????

Если решая математические задачи, следует руководствоваться только условиями, в том числе и неявно заданными (например: находя градусную меру одного из смежных углов в случаях, когда известна градусная мера другого, непременной частью условия является значение суммы градусных мер смежных углов, равной 180 град.), то при решении физических задач следует учитывать ВСЕ физические явления и процессы, влияющие на результат рассматриваемой в задаче ситуации.

Вот для примера известная и часто встречающаяся во многих учебниках и сборниках задач, в том числе и олимпиадных (и не только для семиклассников) по физике.

ЗАДАЧА

В стакане с водой плавает кусок льда. Изменится ли уровень воды, когда лёд растает?

Прежде чем продолжить чтение, предлагаю читателю дать (хотя бы для себя) обоснованный ответ на вопрос задачи…

В «Сборнике вопросов и задач по физике» [Н.И. Гольдфарб, изд. 2, «Высшая школа», М.: 1969] эта задача, помещённая как часть № 10.7 на стр. 48, на стр.193 приводится ответ:

«Лёд вытесняет воду, вес которой равен весу льда. Когда лёд растает, образуется такое же количество воды, поэтому уровень не изменится».

Такой же ответ приводится и во многих других сборниках…

А вот в популярнейшем и по сей день, выдержавшим множество изданий трёхтомнике «Элементарный учебник физики» под редакцией академика Г.С. Ландсберга [т. I, изд. 7, стереотипное, «Наука», М.: 1971] ответа на эту задачу (№ 162.2, стр. 351) не приводится. И это не случайно!

Что же не учтено в вышеприведённом ответе? Правильно! Не учтено, что при таянии льда вода в стакане охлаждается — именно поэтому мы и бросаем туда кусочек льда!

Вот как должен выглядеть правильный ответ:

«При таянии льда вода в стакане охлаждается. При охлаждении все вещества уменьшаются в объёме. Однако вода, единственная из всех известных веществ, имеет наибольшую плотность при температуре +4 град. С, а это значит, что при дальнейшем охлаждении данная масса воды увеличивается в объёме, что, как мне это было известно из курса природоведения в 5 классе (1961/1962 учебный год), является условием сохранения жизни на Земле, поскольку позволяет достаточно глубоким водоёмам не промерзать до самого дна!).

При этом возможно три варианта развития ситуации:

I. Если температура воды до начала таяния льда была выше 4 град. С и, хотя и понизилась после таяния льда, но осталась выше этой температуры, то уровень воды в стакане уменьшится.

II. Если температура воды до начала таяния льда была ниже 4 град. С, а после таяния льда ещё и уменьшилась, то уровень воды в стакане увеличится.

III. В случае, когда начальная температура воды была выше 4 град. С, а после того как лёд растаял, оказалась ниже этой температуры, то об уровне ничего определённого сказать нельзя — нужны конкретные данные о температуре и массе воды и льда, чтобы дать точный ответ на вопрос задачи!».

С этой задачей связана для меня одна интересная история.

Лет 15 назад во дворе дома, в котором я живу, ко мне с грустным выражением лица подошёл паренёк по имени Серёжа и попросил помочь подготовиться к предстоящей ему завтра апелляции по физике в нашем Политехническом институте (ныне Технический университет).

Поскольку времени было слишком мало, то я ограничился советом: если, по его мнению, апелляция пройдёт не очень удачно, и надежды исправить тройку на вступительном экзамене не будет, то попросить экзаменатора ответить на вопрос этой задачи и заставил его дословно вызубрить приведённый выше ответ и даже отработал с ним интонацию изложения этого ответа. На следующий вечер он подошёл ко мне с достаточно счастливым видом.

Вот его рассказ, каким я его запомнил:

«Всё получилось так, как Вы и хотели. Апелляцию проводили два человека: профессор и ассистент кафедры общей физики института. Мне выпало общаться с ассистентом, а профессор в это время общался с другим абитуриентом.

В ответ на мою просьбу ответить на мой вопрос ассистент слегка улыбнувшись сказал: «Пожалуйста…».

«После того, как я проговорил условие задачи, ассистент, широко улыбнувшись, произнёс: «Ну, это известная задача. Уровень воды не изменится — это следует из закона Архимеда: плавающий лёд вытесняет массу воды, равную массе льда. Образовавшаяся при таянии льда вода заполнит тот объём, который занимал в воде плавающий лёд…».

«Позвольте с Вами не согласиться», — начал я и затем совершенно спокойно слово в слово пересказал заготовленный нами ответ…

В это время профессор жестом остановил своего абитуриента и стал внимательно меня слушать…

Когда я закончил, возникла небольшая пауза…Профессор, обращаясь к ассистенту спросил: «Что скажешь?».

«Кажется, всё верно», — неуверенно ответил тот, на что профессор сказал, что никогда ещё не слышал столь аргументированного ответа, после чего, уже обращаясь ко мне, добавил: «Молодой человек, мы, к сожалению, не можем поднять Вам оценку сразу на два балла, но четвёрку Вы очевидно заслужили!»».

Мне остаётся лишь добавить, что Серёжа был зачислен студентом!…

Наши читатели могут поделиться своим мнением по поводу решения задачи. Если вам было интересно, не забудьте подписаться на наш канал и хэштег #хакнем_физика

Автор: #себихов_александр 71 год, много лет проработал конструктором-технологом микроэлектронных приборов и узлов в одном из НИИ г. Саратова, затем преподавателем математики и физики.

Другие статьи автора:

Вы читаете контент канала “Хакнем Школа”. Подпишитесь на наш канал, чтобы не терять его из виду.

Дети всех возрастов обожают опыты и эксперименты. К тому же это может стать весёлой и интересной традицией, объединяющей всю семью. Основатель проекта «Простая наука», телеведущий канала «Карусель» Денис Мохов предлагает увлекательные идеи для опытов с воздушным шариком, которые идеально подойдут детям младшего и среднего школьного возраста.

1. Шарик на вертеле

Что будет, если шарик проткнуть иголкой? Ответ очевиден: он лопнет! Но всегда ли будет именно так? Что если найти у шарика его «сильные» стороны?

Понадобится

• воздушный шарик
• шпажка (или вязальная спица)
• иголка

Описание опыта

• Надуваем шарик несильно и завязываем его.
• Аккуратно и медленно протыкаем иглой самое дно шарика — обычно оно более тёмное, чем бока. Шарик не лопается и не сдувается! Точно так же аккуратно можно проткнуть шарик возле завязанного горлышка.
• Получается «шарик на вертеле».

Объяснение опыта

Шарик не лопается, потому что мы протыкаем его именно в тех местах, где находится наименьшее натяжение. Когда шпажка проходит сквозь стенки шарика, резина плотно её облегает и не даёт воздуху вырваться наружу, поэтому шарик не сдувается.

2. Надуватель для шарика

Многим школьникам нравится играть в химиков, смешивать разные химические реактивы и получать новые вещества. Этим можно заняться прямо сейчас, ведь на кухне полным-полно разных компонентов. Давайте посмотрим, что будет, если в обыкновенный столовый уксус насыпать пищевую соду. Внимание: этот опыт нужно проводить только вместе со взрослыми!

Понадобится

• воздушный шарик
• пластиковая бутылка
• сода
• уксус

Описание опыта

• Насыпаем в шарик две чайные ложки соды.
• В пластиковую бутылку аккуратно наливаем уксус (примерно три-четыре столовые ложки; удобнее всего это делать с помощью воронки).
• Надеваем шарик с содой на горлышко бутылки и высыпаем соду из шарика в уксус.
• Шарик начинает постепенно надуваться.

Объяснение опыта

При смешивании соды и уксуса возникает химическая реакция, в результате которой выделяется углекислый газ. Этого газа становится всё больше и больше, он не может уместиться в бутылке и выходит из неё, попадая в шарик. Именно поэтому шарик и надувается.

3. Шарик-йог

Этот опыт объясняет, как индийским йогам удаётся спать на гвоздях и ходить по стёклам. В этом опыте настоящим йогом может стать хрупкий воздушный шарик.

Понадобится

• воздушный шарик
• ножницы

• картон
• гвозди

Описание опыта

• Надуваем несильно шарик и завязываем его.
• Боковой стороной опускаем шарик на острие гвоздей и слегка надавливаем на него.
• Шарик не лопается.

Объяснение опыта

Если мы прикоснёмся гвоздём к шарику и не будем давить, то шарик не лопнет. Но стоит нам приложить небольшое усилие — шарик лопнет. А если мы приложим шарик к множеству гвоздей, то, чтобы шарик лопнул, нам потребуется приложить гораздо большее усилие, так как оно распределится уже не на один гвоздь, а на множество. Именно поэтому индийские йоги могут спать на гвоздях и ходить по стёклам.

4. В потоке воздуха

Если дунуть на шарик, то он улетит. А что будет, если дуть на него постоянно и с одной и той же скоростью? Давайте попробуем сделать это при помощи обычного фена.

Понадобится

• воздушный шарик
• фен для сушки волос

Описание опыта

• Надуваем шарик и завязываем его.
• «Усаживаем» шарик в поток воздуха и отпускаем.
• Включаем фен и направляем струю воздуха вверх.
• Струя воздуха поднимает шарик вверх, но он не улетает, а удерживается на высоте в воздушном потоке и легко управляется феном.

Объяснение опыта

Струя быстро двигающегося воздуха имеет меньшее давление, чем воздух вокруг неё. Это значит, что она буквально засасывает шарик. Кроме того, по схожим причинам давление воздуха над шариком меньше, чем под ним, и это позволяет шарику не падать.

5. Весёлая регата

С помощью статического электричества можно устроить необычные гонки на воде. Но сначала нужно собрать судно по простой схеме. Получится оригами-лодочка.

Понадобится

• таз с водой или наполненная ею ванна
• шерстяная варежка или шарф
• воздушный шарик
• бумага

Описание опыта

• Сначала надо наполнить таз водой из-под крана (или набрать воды в ванну).
• Опустить кораблик на воду.
• Надуем воздушный шарик.
• Быстрыми движениями потрём шарик об одежду. Если вы не нашли дома шерстяную вещь, можно потереть шарик о волосы.
• Подносим «заряженный» шарик к самодельному судну.
• Оно начинает двигаться.

Объяснение опыта

Потерев шарик о шерстяной шарф, мы зарядили его отрицательно (минус), а шарф — положительно (плюс). В природе «плюс» всегда притягивается к «минусу». Когда к кораблику подносят заряженный шарик, он начинает к нему тянуться. Сила трения на воде незначительна, а само судно лёгкое, поэтому кораблик приходит в движение.