Сообщающиеся сосуды курс физики
Сообщающиеся сосуды – это сосуды, соединенные между собой ниже уровня жидкости в каждом из сосудов. Таким образом жидкость может перемещаться из одного сосуда в другой.
Перед тем как понять принцип действия сообщающихся сосудов и варианты их использования необходимо определиться в понятиях, а точнее разобраться с основным уравнением гидростатики.
Итак, сообщающиеся сосуды имеют одно общее дно и закон о сообщающихся сосудах гласит:
Какую бы форму не имели такие сосуды, на поверхности однородных жидкостей в состоянии покоя на одном уровне действует одинаковое давление.
Для иллюстрации этого закона и возможностей его применения начнем с рассмотрения основного уравнения гидростатики.
Основное уравнение гидростатики
P = P1 + ρgh
где P1 – это среднее давление на верхний торец призмы,
P – давление на нижний торец,
g – ускорение свободного падения,
h – глубина погружения призмы под свободной поверхностью жидкости.
ρgh – сила тяжести (вес призмы).
Звучит уравнение так:
Давление на поверхность жидкости, произведенное внешними силами, передается в жидкости одинаково во всех направлениях.
Из написанного выше уравнения следует, что если давление, например в верхней точке изменится на какую-то величину ΔР, то на такую же величину изменится давление в любой другой точке жидкости
Доказательство закона сообщающихся сосудов
Возвращаемся к разговору про сообщающиеся сосуды.
Предположим, что имеются два сообщающихся сосуда А и В, заполненные различными жидкостями с плотностями ρ1 и ρ2. Будем считать, что в общем случае сосуды закрыты и давления на свободных поверхностях жидкости в них соответственно равны P1 и P2.
Пусть поверхностью раздела жидкостей будет поверхность ab в сосуде А и слой жидкости в этом сосуде равен h1. Определим в заданных условиях уровень воды в сообщающихся сосудах – начнем с сосуда В.
Гидростатическое давление в плоскости ab, в соответствии с уравнение гидростатики
P = P1 + ρgh1
если определять его, исходя из известного давления P1 на поверхность жидкости в сосуде А.
Это давление можно определить следующим образом
P = P2 + ρgh2
где h2 – искомая глубина нагружения поверхности ab под уровнем жидкости в сосуде В. Отсюда выводим условие для определения величины h2
P1 + ρ1gh1 = P2 + ρ2gh2
В частном случае, когда сосуды открыты (двление на свободной поверхности равно атмосферному), а следовательно P1 = P2 = Pатм , имеем
ρ1h1 = ρ2h2
или
ρ1 / ρ2 = h2 / h1
т.е. закон сообщающихся сосудов состоит в следующем.
В сообщающихся сосудах при одинаковом давлении на свободных поверхностях высоты жидкостей, отсчитываемые от поверхности раздела, обратно пропорциональны плотностям жидкостей.
Свойства сообщающихся сосудов
Если уровень в сосудах одинаковый, то жидкость одинаково давит на стенки обоих сосудов. А можно ли изменить уровень жидкости в одном из сосудов.
Можно. С помощью перегородки. Перегородка, установленная между сосудами перекроет сообщение. Далее доливая жидкость в один из сосудов мы создаем так называемый подпор – давление столба жидкости.
Если затем убрать перегородку, то жидкость начнет перетекать в тот сосуд где её уровень ниже до тех пор пока высота жидкости в обоих сосудах не станет одинаковой.
В быту этот принцип используется например в водонапорной башне. Наполняя водой высокую башню в ней создают подпор. Затем открывают вентили, расположенные на нижнем этаже и вода устремляется по трубопроводам в каждый подключенный к водоснабжению дом.
Приборы основанные на законе сообщающихся сосудов
На принципе сообщающихся сосудов основано устройство очень простого прибора для определения плотности жидкости. Этот прибор представляет собой два сообщающихся сосуда – две вертикальные стеклянные трубки А и В, соединенные между собой изогнутым коленом С. Одна из вертикальных трубок заполняется исследуемой жидкостью, а другая жидкостью известной плотности ρ1 (например водой), причем в таких количествах, чтобы уровни жидкости в среднем колене находились на одной и той же отметке прибора 0.
Затем измеряют высоты стояния жидкостей в трубках над этой отметкой h1 и h2. И имея ввиду, что эти высоты обратно пропорциональны плотностям легко находят плотность исследуемой жидкости.
В случае, когда оба сосуде заполнены одной и той же жидкостью – высоты, на которые поднимется жидкость в сообщающихся сосудах, будут одинаковы. На этом принципе основано устройство так называемого водометного стекла А. Его применяют для определения уровня жидкости в закрытых сосудах, например резервуарах, паровых котлах и т.д.
Принцип сообщающихся сосудов заложен в основе ряда других приборов, предназначенных для измерения давления.
Применение сообщающихся сосудов
Простейшим прибором жидкостного типа является пьезометр, измеряющий давление в жидкости высотой столба той же жидкости.
Пьезометр представляет собой стеклянную трубку небольшого диаметра (обычно не более 5 мм), открытую с одного конца и вторым концом присоединяемую к сосуду, в котором измеряется давление.
Высота поднятия жидкости в пьезометрической трубке – так называемая пьезометрическая высота – характеризует избыточное давление в сосуде и может служить мерой для определения его величины.
Пьезометр – очень чувствительный и точный прибор, но он удобен только для измерения небольших давлений. При больших давлениях трубка пьезометра получается очень длинной, что усложняет измерения.
В этом случае используют жидкостные манометры, в которых давление уравновешивается не жидкостью, которой может быть вода в сообщающихся сосудах, а жидкостью большей плотности. Обычно такой жидкостью выступает ртуть.
Так как плотность ртути в 13,6 раз больше плотности воды и при измерении одних и тех же давлений трубка ртутного манометра оказывается значительно короче пьезометрической трубки и сам прибор получается компактнее.
В случае если необходимо измерить не давление в сосуде, а разность давлений в двух сосудах или, например, в двух точках жидкости в одном и том же сосуде применяют дифференциальные манометры.
Сообщающиеся сосуды находят применение в водяных и ртутных приборах жидкостного типа, но ограничиваются областью сравнительно небольших давлений – в основном они применяются в лабораториях, где ценятся благодаря своей простоте и высокой точности.
Когда необходимо измерить большое давление применяются приборы основанные на механических принципах. Наиболее распространенный из них – пружинный манометр. Под действием давления пружина манометра частично распрямляется и посредством зубчатого механизма приводит в движение стрелку, по отклонению которой на циферблате показана величина давления.
Видео по теме
Ещё одним устройством использующим принцип сообщающихся сосудов хорошо знакомым автолюбителем является гидравлический пресс(домкрат). Конструктивно он состоит из двух цилиндров: одного большого, другого маленького. При воздействии на поршень малого цилиндра на большой передается усилие во столько раз большего давления во сколько площадь большого поршня больше площади малого.
Вместе со статьей “Закон сообщающихся сосудов и его применение.” читают:
Источник
Тема урока: Сообщающиеся сосуды.Тип урока: изучение нового материала. Цель урока: Сформировать понятие сообщающиеся сосуды. Выяснить, как будут располагаться поверхности однородной и неоднородной жидкости в сообщающихся сосудах, закон сообщающихся сосудов. Показать широкое применение сообщающихся сосудов в жизни человека, в быту и технике. Задачи: урока: а)формирование понятия сообщающихся сосудах и изучение закона сообщающихся сосудов на примере однородных и разнородных жидкостей в сообщающихся сосудах, организация усвоения основных понятий по данной теме, формирование научного мировоззрения учащихся(предметный результат).
б)развитие интеллектуальных умений анализировать, сравнивать, находить примеры сообщающихся сосудов в быту, технике, природе, развивать навыки самостоятельной работы с дополнительной литературой; умения генерировать идеи, выявлять причинно-следственные связи, работать в группе, пользоваться альтернативными источниками информации, формировать умение анализировать факты при наблюдении и объяснении явлений, при работе с текстом учебника(метапредметный результат).
в)формирование умений управлять своей учебной деятельностью, формирование интереса к физике при анализе физических явлений,формирование мотивации постановкой познавательных задач, раскрытием связи теории и опыта, развитие внимания, памяти, логического и творческого мышления(личностный результат).
Методы обучения: репродуктивный, проблемный, эвристический.
Формы организации познавательной деятельности обучающихся: коллективная, индивидуальная, групповая.
Средства обучения: учебник, лабораторное оборудование, карточки рефлексии, рейтинговая таблица, разноуровневый дидактический материал, компьютер, проектор.
Ход урока
1. Организационный момент.
«Здравствуйте! Долгожданный дан звонок — начинается урок. Пожелаю всем удачи – за работу, в добрый час!
Я улыбнулась вам, и вы улыбнитесь друг другу, и подумайте, как хорошо, что мы сегодня вместе. Мы спокойны, добры и приветливы. Глубоко вдохните. Выдохните вчерашнюю обиду, злость, беспокойство. Забудьте о них. Вдохните в себя свежесть утра, тепло солнечных лучей. Я желаю вам хорошего настроения. С каким настроением мы начинаем урок, поделитесь со мной…(карточки)
Я надеюсь, хорошее настроение сохранится у вас до конца урока.
2. Постановка цели и задач урока
«Сегодня в течении урока вы в рейтинговые таблицы будете заносить полученные баллы, а в конце урока перевести баллы в оценку.» Проблемный вопрос: Как вы думаете, что общего между предметами, которые находятся на демонстрационном столе: чайник, лейка, модель гидравлического пресса, модель домкрата, сообщающиеся сосуды. Сегодня речь пойдет сосудах, с которыми встречаемся каждый день дома и в школе, когда наливаем чай или поливаем цветы из лейки. Демонстрация: Лека, чайник. Такие сосуды получили название сообщающиеся сосуды
3.Актуализация знаний
«Прежде чем мы познакомимся с темой урока, необходимо вспомнить предыдущий материал. Выполните следующее задание: Ответьте на вопросы.
1 вариант:
1) Изменится ли давление жидкости на дно сосуда, если в сосуд погрузили деревянный брусок.
А) увеличится, Б) не изменится, В) уменьшится
2) В каком сосуде давление воды на дно больше?
А) в первом, Б) во втором В) одинаково
3) Запишите формулу для расчёта давления твёрдых тел.
2 вариант:
1) Пластинки расположены в сосуде с водой. На какую пластинку давление жидкости больше.
А) на 1 Б) на 2 В) на 3
2) В сосудах изображённых на рис. находятся жидкости. В 1 сосудевода, во 2 керосин. Одинаково ли давление на дно?
А) В 1 больше Б) во 2 больше В) одинаково
3) Запишите формулу для расчёта давления жидкости.
Ответы проверьте по ключу.
4. Изучение новых знаний и способов деятельности
Научное открытие свойства сообщающихся сосудов датируется 1586 г. (голландский ученый Стевин). Но оно было известно еще жрецам древней Греции. Археологи обнаружили в Грузии водопровод (XIII в), работающий по принципу сообщающихся сосудов.
Вам сегодня предстоит на основе самостоятельного экспериментирования изучить новый материал. Сложность задания выберите самостоятельно.
Экспериментальное задание №1 на «3».
1) Заполните сосуды подкрашенной водой. Одинаково ли располагаются уровни однородной жидкости во всех сосудах? Зависит ли положение уровня жидкости в сосудах от формы сосуда? Сделайте вывод, выбрав из скобок ответ:
В сообщающихся сосудах любой формы однородная жидкость устанавливается …( на одном уровне, в узком сосуде выше) ( 1 балл)
2) Долейте в широкий сосуд растительное масло. Плотность масла меньше плотности воды. Одинаковый ли уровень жидкости в сосудах? Зависит ли положение уровня жидкости от рода (от плотности) жидкости? Сделайте вывод, выбрав из скобок ответ.
Задание: выполните эксперимент согласно инструкции. Сложность задания выберите сами. Сделайте вывод по эксперименту.
В сообщающихся сосудах высота столба жидкости имеющей меньшую плотность будет…( выше, ниже) (1 балл)
Экспериментальное задание № 2 на «4».
1) Заполните сосуды подкрашенной водой. Одинаково ли располагаются уровни однородной жидкости во всех сосудах? Зависит ли положение уровня жидкости в сосудах от формы сосуда? Сделайте вывод (1 балл)
2) Долейте в широкий сосуд растительное масло. Одинаковый ли уровень жидкости в сосудах? Зависит ли положение уровня жидкости от рода (от плотности) жидкости? Сделайте вывод (2 балла)
Экспериментальное задание № 3 на «5».
Укрепите трубку с воронкой в лапке штатива. Удерживая другой конец трубки на одном уровне, аккуратно налейте воды. Как только жидкость успокоится, обратите внимание на расположение поверхности однородной жидкости в сосудах. Сделайте вывод (2 балла)
Трубку аккуратно поднимите чуть- чуть вверх, опустите, наклоните. Обратите внимание на уровень жидкости в сосуде. Сделайте вывод (2 балла)
Применение сообщающихся сосудов в быту, природе, технике.
Закон сообщающихся сосудов люди используют в разных технических устройствах: водопроводах с водонапорной башней; водомерных стеклах; гидравлическом прессе; фонтанах; шлюзах; сифонах под раковиной, «водяных затворах» в системе канализации.
Закон сообщающихся сосудов люди используют в водопроводах с водонапорной башней. Водонапорная башня и стояки водопровода являются сообщающимися сосудами, поэтому жидкость в них устанавливается на одном уровне.
В водомерном стекле парового котла, паровой котел (1) и водомерное стекло (3) являются сообщающимися сосудами. Когда краны (2) открыты, жидкость в паровом котле и водомерном стекле устанавливается на одном уровне, так как давления в них равны.
В устройстве гидравлических машин используется свойство сообщающихся сосудов. (Демонстрируется гидравлический пресс). Так, большой и малый цилиндры гидравлического пресса являются сообщающимися сосудами. Высоты столбов жидкости одинаковы, пока на поршни не действуют силы.
Действие артезианских колодцев и гейзеров основано на законе сообщающихся сосудов. Горячий фонтан в местечке Гейзер в Исландии. От названия этого местечка возник термин «гейзер». Римлянам был неизвестен закон сообщающихся сосудов. Для снабжения населения водой они возводили многокилометровые акведуки, водопроводы, доставлявшие воду из горных источников. Инженеры древнего Рима опасались, что в водоемах, соединенных очень длинной трубой, вода не установится на одинаковом уровне. Они полагали, что если трубы проложены в земле, следуя уклонам почвы, то в некоторых участках вода ведь должна течь вверх, – и вот римляне боялись, что вода вверх не потечет. Поэтому они обычно придавали водопроводным трубам равномерный уклон вниз на всем их пути. Одна из римских труб, Аква Марциа, имеет в длину 100 км, между тем как прямое расстояние между ее концами вдвое меньше. Полсотни километров каменной кладки пришлось проложить из-за незнания элементарного закона физики!
5. Первичная проверка понимания изученного
Какие сосуды называют сообщающимися (сосуды, соединенные в нижней части) (1 балл)
Привести примеры (чайник, кофейник, лейка) (1 балл)
Одинаковое ли давление оказывают жидкости на дно и стенки сосуда? (1 балл)
Закончите предложение «В сообщающихся сосудах однородная жидкость устанавливается …» (1 балл)
«Высота столба неоднородных жидкостей ….»
В сосуды налито две жидкости. В одном – вода, а в другом – нефть. В каком сосуде уровень жидкости будет выше? (в том, где налита нефть, т.к. плотность нефти меньше плотности воды, а давление они должны оказывать одинаковое). (1 балл)
6. Закрепление
1. Приведите примеры использования закона сообщающихся сосудов в природе, быту и технике.
Используя схему устройства шлюза и схему шлюзования судов, объясните принцип действия шлюзов.
7. Применение изученного материала
Решение задачи.
В два сосуда налита вода. В каком сосуде давление на дно больше и на сколько, если h1= 40 см, а h2 =10 см? В каком направлении до каких пор будет переливаться вода, если открыть кран? (рисунок в учебнике стр.123)
Дано: СИ Решение:
h 1= 40 см 0,4 м p = ρgh
h 2= 10 см 0,1 м p 1 = 1000· 9,8 · 0,4 = 3920 (Па)
g = 9,8 Н/кг р2= 1000 · 9,8 · 0,1 = 980 (Па)
ρ = 1000 кг/м3 р 1 –р 2 = 3920 – 980 = 2940 (Па) 2940 Па = 2,94 кПа
Найти: р 1 –р 2. Ответ: в левом сосуде давление больше на 2,94 кПа;
вода будет переливаться из левого сосуда в правый,
пока уровень жидкости не станет равным.
8. Контроль и самоконтроль
Задания для коррекции знаний, умений и навыков обучающихся.
Какие сосуда являются сообщающимися?
Какой кофейник вместит больше кофе?
Будет ли перетекать жидкость из одного сосуда в другой, если открыть кран?
В каком колене находится пресная, а в каком соленая вода?
Л
– слева соленая, справа пресная;
К – слева пресная, справа соленая
В каком из сообщающихся сосудов уровень жидкости изображен неверно?
Какой отметке соответствует уровень жидкости в левом сосуде?
На каком рисунке изображены сообщающиеся сосуды?
9. Домашнее задание
Обязательный уровень: § 41, упр.18(№1,2); повышенный уровень: упр.13(№3), задание 3, стр.123; творческое задание: стр.123 №1.Изготовить модель фонтана.
10. Итог урока
Ребята, вспомните цель нашего урока.
На доске рис. сообщающихся сосудов. Показать на рис. положение свободной поверхности однородной жидкости, разных жидкостей.
Выставляются оценки учащимся.
11.Рефлексия
Как вы оцениваете свою работу на уроке (на доске рис. лестницы успеха)
Разместите цветные кружочки на «Лестнице знаний».
Лестница успеха – это ваши достижения на данном уроке.
Могу объяснить товарищу (5 ступенька)
Желаю узнать большего (4 ступенька)
Расту и немного могу объяснить товарищу (3 ступенька)
Творю, но объяснить товарищу не могу (2 ступенька)
Учусь, много вопросов из темы не понятно (1 ступенька)
Источник
Статьи
Основное общее образование
Линия УМК А. В. Перышкина. Физика (7-9)
Физика
Все мы ежедневно пользуемся сообщающимися сосудами – это чайник, лейка, в общем, это любая система ёмкостей, в которых жидкость, к примеру, вода, может свободно перетекать из одной ёмкости в другую. В чайнике, например, такими ёмкостями являются корпус и носик или корпус чайника и специальная ёмкость для определения уровня воды в нём. Что особенного в сообщающихся сосудах? Каким свойством или свойствами они обладают? Чем заслуживают наше внимание?
26 апреля 2019
Закон сообщающихся сосудов
Сосуды соединенные между собой, жидкость в которых может свободно перетекать, имеющие общее дно, называются сообщающимися. В соответствии с законом Паскаля, жидкость передаёт оказываемое на неё давление во всех направлениях одинаково. В открытых сосудах, атмосферное давление над каждым из них одинаково, значит, и давление жидкости на стенки сосудов будет одинаковым на любом уровне. Так как давление жидкости прямо пропорционально её плотности и глубине, в случае одинаковой жидкости в сообщающихся сосудах на одинаковой глубине будет одинаковое давление, что и объясняет выравнивание уровней жидкости в них. В случае разных жидкостей, чтобы на одинаковой глубине было одинаковое давление, жидкость с меньшей плотностью должна иметь больший уровень в сравнении с жидкостью большей плотности. Т.е.
ρ1 / ρ2 = h2 / h1
Физика. 7 класс. Учебник
Учебник соответствует Федеральному государственному образовательному стандарту основного общего образования. Большое количество красочных иллюстраций, разнообразные вопросы и задания, а также дополнительные сведения и любопытные факты способствуют эффективному усвоению учебного материала.
Купить
Свойство сообщающихся сосудов
Возьмем несколько различных по размеру и форме открытых сосудов, проделаем в каждом из них отверстие и соединим отверстия в сосудах трубками, чтобы жидкость, которую мы будем наливать в один из них, могла свободно перетекать из одного сосуда в другой. Для большего эффекта, пожмем трубки, которые их соединяют и наполним один из сообщающихся сосудов водой. Теперь откроем трубки и увидим, что когда жидкость перестанет перетекать, то, вне зависимости от формы и размера сосудов, уровни жидкости в каждом будут совершенно одинаковыми. Или проведём иной опыт – возьмём пластиковую бутыль и срежем донышко, а крышку плотно прикрутим, проделаем в ней небольшое отверстие и вставим в него небольшой шланг, место соединения шланга и крышки бутыли сделаем герметичным с помощью пластилина. Теперь закрепим бутыль вверх дном, а шланг расположим параллельно бутыли открытым концом чуть выше её срезанного дна. Заполним бутыль жидкостью, например, подкрашенной водой. И вновь мы увидим, что вне зависимости от высоты сообщающихся сосудов, уровень воды в бутыли будет точно таким же, как и уровень воды в шланге. В этом и заключается первое и основное свойство сообщающихся сосудов: в открытых сообщающихся сосудах уровни одинаковой жидкости будут одинаковыми. Это замечательное свойство нашло широкое применение в практике, но об этом поговорим чуть позже. А теперь возьмём U-образную стеклянную трубку. Это тоже сообщающиеся сосуды, их, в данном случае, называют коленами трубки. В правое колено нальём воду и она, конечно же, перетечёт в левое колено так, что уровни воды в обоих коленах будут одинаковыми – мы уже знаем, что так и должно быть, хоть пока что и не знаем, почему. А теперь в левое колено, очень аккуратно, чтобы жидкости не смешивались, нальём керосин или подкрашенный спирт. И мы увидим, что теперь верхние уровни каждой жидкости в коленах будут отличаться. Уровень спирта или керосина будет выше уровня воды. Заглянем заодно в таблицу плотности жидкостей и увидим, что плотность керосина или спирта меньше плотности воды, а уровень, наоборот, выше. Из этого эксперимента можно сделать вывод – если в открытых сообщающихся сосудах налиты две разные жидкости, то уровень будет выше у той, чья плотность меньше. Иными словами, плотности жидкостей и их уровни будут обратно пропорциональными. Настала пора объяснить, почему так получается.
Читайте также:
Проекты на уроках физики: плюсы и минусы
Что такое радуга?
Почему море соленое?
Почему небо голубого цвета?
Применение на практике
Благодаря своим свойствам, сообщающиеся сосуды нашли широкое применение в различных технических и бытовых устройствах. Перечислим некоторые из них:
- измерители плотности,
- жидкостные манометры,
- определители уровня жидкости (водомерное стекло, к примеру),
- домкраты,
- гидравлические прессы,
- шлюзы,
- фонтаны,
- водопроводные башни и т.д.
Свойство сообщающихся сосудов реализуется не только в физике. Такая известная поговорка «Если где-то прибыло, значит где-то убыло» фактически напрямую связана со свойством сообщающихся сосудов и означает, что в окружающем нас мире всё взаимосвязано, а значит – стремится к равновесию. Когда человек смещает это равновесие в одну сторону, это немедленно сказывается в чём-то другом. Над этим стоит задуматься, не так ли?
Материал по физике на тему «Сообщающиеся сосуды» для 7 класса.
Методические советы учителям
- При изучении этой темы обязательно необходима демонстрация. Описанные в статье эксперименты обязательно нужно показать детям в живом исполнении.
- Желательно продемонстрировать принцип действия фонтана (это также довольно не сложно сделать своими руками).
- Обратите внимание учащихся на формулу для двух жидкостей – это обратная пропорция. На нескольких примерах поясните смысл обратной пропорциональности.
- Рассмотрите ситуацию с тремя жидкостями (решите соответствующую задачу).
- А вот действие шлюзов лучше всего продемонстрировать с помощью видео.
#ADVERTISING_INSERT#
Источник