- Содержимое по тегу: опыты с водой

kalser.ru Опыты по физике Содержимое по тегу: опыты с водой

Представляем вниманию читателя любопытный физический опыт с тепловым расширением воздуха и атмосферным давлением, который продлился без малого 38 суток. Мы наблюдали потерю объема жидкости, заключенной в сосуд. Почему жидкость остаётся в сосуде?

Её "запирает" атмосферное давление Р = 101 000 Па. Это немалая величина. Если обод границы, куда устремляется жидкость высотой h = 0.1 мм, а диаметр сосуда D = 40 мм, то площадь действия силы S атмосферного давления есть

S = \pi \cdot D \cdot h = 0.000013 м2

Сила давления  F = P \cdot S = 1,267 Н

Эта сила соспоставима c весом тела с массой 127 г. Под действием силы тяжести воде не выбраться еще и в связи с капиллярным эффектом. Есть два пути: испарение и выдавливание. На первых порах убыль воды невелика из-за малого количества воздуха:

all19feb_29march.png

Увеличенное изображение. Затем воздуха стало больше и, в результате температурных изменений, давление внутри сосуда превышало атмосферное, вытесняя порции воды. С каждым днем порции становились все больше, вода убывала неравномерно.

Гиф-анимация процесса выдавливания жидкости из-за изменений давления воздуха внутри сосуда за все 38 суток:

all.gif

garden_phys_01Повторим любопытный расчет схемы дачного душа, предлагаемый авторами книги "1600 полезных советов хозяевам дома", составитель Ф. П. Ефимов, 1990 г.

Действие душа основано на давлении массы человеческого тела на поршень. Сила давления по закону Паскаля распространяется по столбу жидкости в том числе и вверх. При условии достаточного давления (достаточной массы) из душевой колонки сверху польется вода.

Общий вид схемы эксперимента показан на иллюстрации, расположенной на страницах этой книги:

garden_phys_02

Проверим расчет авторов статьи, касаемо диаметра поршня 21 см и массы человека в 70 кг. Схематично изображаем ситуацию задачи на рисунке:

garden_phys_03

Давление, образуемое телом массы m есть \vec{P} = \frac{\vec{F}}{S}.

Если поршень имеет форму цилиндра с основанием радиуса R, тогда, с учетом площади круга: \vec{P} = \frac{m \vec{g}}{\pi R^2}.

Чтобы вода полилась из душа наверху, давление, оказываемое на поршень, должно быть больше или равно давлению высоты столба жидкости H, то есть:

P_H = \rho g H => P \geq P_H

Или, беря модули векторов:

\frac{m g}{\pi R^2} \geq \rho g H

Получаем рабочее выражение для оценки массы:

 m \geq  \rho H \pi R^2

Числовые данные R = 0.105, за высоту столба жидкости примем рост человека H = 1.8

Числовой расчет:

 m \geq  1000 \cdot 1.8 \cdot 3.14 \cdot 0.105^2 \approx 62.3 кг

Очевидно, что для купания человека массы m_0 = 70 кг нужно ввести поправочный коэффициент k = \frac{m_0}{m} = 1.12 .

Очевидно также, что для расчетов авторы брали высоту, с которой польется вода H_0 = k \cdot H = 2 метра.

Вычислим высоту душа для ребенка массы 30 кг. Поправочный коэффициент в этом случае:


k = \frac{30}{62.3} = 0.48

поэтому детская высота душа:


h = kH = 0.48 \cdot 1.8 = 0.86 или 86 см.

Облака начинают формироваться, когда теплый и влажный воздух охлаждается и вода конденсируется в капли. Смоделируем локальный процесс производства облаков, рассмотрим следующий опыт в домашних условиях:

clouds, облака, опыт по физике, конденсация,опыты с водой

Отметим, что для опыта подойдет любой аэрозоль (не токсичный), который найдется у читателя под рукой. Капли аэрозоля выполняют роль центров конденсации водяного пара. В реальных облаках конденсация происходит на пылевых частицах.

Демонстрация подготовлена по материалам англоязычного источника Cloud in a glass

Рассмотрим несложную постановку с демонстрацией физического явления конвекции [1]. В нашем случае конвектировать будет нагретая и подкрашенная вода из нижнего сосуда в верхний. В верхнем сосуде мы расположим менее нагретую и неподкрашенную воду.

Инвентарь для опыта подобрать довольно легко. В нашем случае нижний сосуд представляла собой стеклянная банка. Температура нагретой воды в нашем опыте составила почти 90 градусов и стеклянный сосуд пришелся как нельзя кстати.

В качестве верхнего соcуда выступала обычная пластиковая бутыль. Известно, что пластик выдерживает температуру не более 65 градусов без потери формы, и поэтому мы заполнили его холодной водой, с температурой примерно 10оС.

convection

Чтобы конвекция не стартовала раньше времени, горлышко бутыли плотно накрываем куском полиэтилена, и переворачивая, ставим бутыль в банку с кипятком. Аккуратно стягиваем полиэтиленовую преграду - конвекция началась!

В обоих сосудах должна установиться одинаковая температура (и, вероятно, окраска тоже). Эту температуру, обозначим ее за T_0, несложно вычислить, если принять следующие начальные данные:

\! m_1 = 0.2 kg  \! ; m_2 = 0.5 kg \!; T_1 = 90^o C = 363 K \! ; T_2 = 10^o C = 274 K, далее, количество теплоты, переданное холодному сосуду от горячегоQ= cm_1 (T_0 - T_1) есть то же самое, что и досталось холодному: Q= c m_2 (T_2 - T_0). Приравнивая, получаем следующее соотношение:

 m_1 (T_0 - T_1) = m_2 (T_2 - T_0) или   m_1 T_0 - m_1 T_1 = m_2 T_2 - m_2 T_0 => T_0 = \frac{m_1 T_1 + m_2 T_2 }{m_1+m_2}

А теперь самое интересное, посчитаем согласно полученной рабочей формуле, что же у нас получилось:

T_0 = \frac{0.2 \cdot 363 + 0.5 \cdot 274}{0.7} = 299.5 K \approx 27^o C

Получилась вода почти комнатной температуры, прохладная на ощупь, но все же уже не такая холодная.

frontpage_imageДемонстрация принципа действия паровой турбины. Этот опыт по физике может быть полезен школьникам по темам "Тепловое расширение тел", "Реактивное движение" и прочих. Идея опыта позаимствована из замечательной книги Якова Исидоровича Перельмана "Занимательная физика".

Согласно легенде, создание первой паровой турбины приписывается Герону Александрийскому. Конструкция Герона представляла собой резервуар с водой и рабочее тело - полый шар на подвесе с отведенными в сторону трубами. При закипании воды в резервуаре, потоки пара устремлялись сначала в шар, а затем по отведениям, тем самым придавая вращение рабочему телу.

g5

Идея реактивного движения за счет пара была настолько привлекательна, что даже великому Исааку Ньютону приписывали создание автомобиля на паровом двигателе:

g6

Наш опыт, как и у Герона, также будет основан на движении рабочего тела турбины за счет направленных в разные стороны быстрых потоков водяного пара. Однако резервуар и рабочее тело мы, для простоты, совместим воедино. Для воплощения идеи нам понадобится пустая яичная скорлупа, нить и источник тепла (мы используем парафиновую свечу).

g1

Несмотря на доступность компонентов, опыт довольно тудоемкий - получить пустую скорлупу с нужными отверстиями довольно сложно. Для начала хорошенько встряхнем полное яйцо, чтобы сделать его внутренности максимально однородными. Отмечаем будущие отверстия на скорлупе маркером. При помощи острого конца самореза аккуратно, скребущими движениями, без нажима, производим углубление в скорлупе. Расширяем получившееся отверстие. Вытерев насухо временно заклеиваем его лейкопластырем. Аналогично поступаем для получения второго отверстия, снимаем пластырь с первого. Создавая разность давлений в одном из отверстий, освобождаем яичную скорлупу. Прокаливая пустую скорлупу над свечой, избавляемся от пленки. Будьте внимательны - при нагреве скорлупы очень легко получить ожоги!

g2

g8Рабочее тело турбины (скорлупа) готово и теперь мы приступаем к сборке установки. Продеваем нить сквозь отверстия, например, при помощи иглы подходящей длины. Заполняем рабочее тело водой. Для этого можно использовать корпус шариковой ручки, как у нас. Закрепляем конец нити на подвес. Расстояние от пола до турбины подбираем таким образом, чтобы пламя горелки не оставляло копоти на скорлупе.

Источником тепла в нашей демонстрации служит парафиновая свеча. Надо сказать, что в "Занимательной физике" авторы опыта кораблика на паровой тяге советуют использовать в качестве топлива одеколон. Несмотря на необычность, этот ход оправдан тем, что удельная теплота сгорания спирта почти в 3 раза выше, чем у парафина! Другими словами, ждать закипания воды в случае парафиновой свечи придется намного дольше.

g3

В нашем опыте на закипание воды уходило 3-5 минут:

g7

Если отверстия в скорлупе получились слишком большими, можно лишнюю площадь залепить лейкопластырем. Итак, минуты ожидания позади, наша турбина начинает приходить в движение:

Напоследок отметим, что если читатель захочет поставить опыт по физике с моделью парохода, то парафиновую свечу лучше заменить либо спиртовой горелкой, либо веществом, с большей, нежели у парафина, теплотой внутреннего сгорания. Во-первых, значительно сократится время до закипания, а во-вторых, мощность парового двигателя также возрастет.

По материалам: Я. И. Перельман "Занимательная физика", "Наука", изд. 21-е испр. и дополненное, под ред. А. В. Митрофанова, 1982 г. том 2., стр. 23.

Опыт по физике, рассчитанный на демонстрацию эффекта неполного внутреннего отражения можно сравнительно легко осуществить в домашних условиях.

Для этого нам понадобится простая пластиковая бутыль, фонарь, кожух для бутыли (можно использовать обычную ткань), ну и конечно же темное или достаточно затененное помещение. Итак, наполняем бутыль водой и помещаем ее в кожух:

vols_00

Кожух должен обеспечивать прозрачность дна бутыли. Закрепляем фонарь таким образом, чтобы он светил сквозь прозрачное дно. В нашем случае отличным фиксатором служит жгут налобного фонаря. Перемещаемся с собранной установкой в помещение для эксперимента. Для того, чтобы убедиться в отсутствии просчетов, тестируем физику нашего опыта сначала при внешнем освещении:

vols_01

А теперь обеспечим затененные условия:

vols_04

Обратите внимание, что уже стал хорошо заметен нужный нам эффект неполного внутреннего отражения: дно, куда устремляется струя воды подсвечивается. Это говорит нам о том, что часть светового пучка откланяется от прямолинейной траектории и участвует в неполном внутреннем отражении:

vols_03

На кадрах в два раза замедленного видео заметить эффект "подсвечивания" дна емкости оказывается не так просто:

Результат для полной темноты ничем не отличается от предыдущего опыта. Разве что для фоторегистрации этот случай несколько сложнее:

vols_04

Схематично поясним все сказанное выше касаемо распространения световых пучков:

vols_05

Как вы считаете, почему в данном опыте мы не видим эффект полного внутреннего отражения, который стал так популярен в связи в развитием волоконно-оптических линий передачи информации?

vols_06

По материалам англоязычного источника>>

"Буря в стакане воды" - знакомое выражение, означающее некий пустячный, не стоящий и выеденного яйца, повод, почти про наш сегодняшний опыт. Интересно, что не только смысл этого выражения подпадает под идеологию нашей демонстрации, но и сама суть: мы будем делать бурю, или "торнадо", как вам будет угодно, в небольшой стеклянной колбе.

Рассмотрим самодельную колбу из лампы накаливания, и наполним ее водой. Перевернем колбу над раковиной. Вода потечет вниз, спасибо, капитан, но не торопитесь особенно. Раскрутите колбу по/против часовой стрелки:

Что здесь произошло? Ну, во-первых, вода вылилась гораздо быстрее. Как-будто мы уравновесили давление воздуха в колбе другим отверстием. Но мы колбу не сверлили. Да и надобности особой в этом нет.

burya

Физика процесса проста и по сути подобна по смыслу второму отверстию. В центре столба воды колбы создается разреженно-турбулентная среда, куда устремляется воздух, уравновешивая давления внутри и вне стеклянной преграды.

А только ли колба способна на такие фокусы. Редактору блога что-то неумолимо подсказывет, что любая пластиковая бутыль мечтает изобразить торнадо внутри себя. Следите за обновлениями!

Реактивное движение, опыт, водяная ракета, воднаяЭтот опыт расчитан на демонстрацию реактивного движения, а также на иллюстрацию закона сохранения импульса. Насколько скучной и сухой кажется теория нашего эксперимента, настолько мокрым и интересным будет настоящий запуск ракеты!

Ну а пока наберемся терпения и обратимся к теории, что именно мы должны знать о механизме полета ракеты.

Прежде всего кратко изобразим на рисунке схематичную модель ракеты. Нам неизвестна сила тяги Fтяги и ничего неясно о силе вылета воды из сопла, к тому же как измерить давление внутри ракеты? Что же здесь можно предпринять? Применим закон сохранения!

Уравнение закона сохранения импульса для нашей ракеты есть:

m0·V - mк·U = 0 (1)

здесь mк - масса капли воды, которая отваливается из ракеты, m0 - масса ракеты (оставшаяся вода + оболочка), V - итоговая скорость ракеты, U - скорость вылета капли из сопла.

Реактивное движение, опыт, водяная ракета, водная

Схема водяной ракеты

Fтяги должна существенно превышать силу тяжести, чтобы ракета смогла успешно стартовать.

Из формулы (1) становится понятным, что точно определить, какую скорость приобретет ракета, а затем какое время она пробудет в воздухе и на какую высоту поднимется, непросто из-за постепенной убыли массы (воды) через сопло. Поэтому мы не будем углубляться в теорию, а ограничимся лишь практическим интересом - взлететь выше деревьев, например.

Точное математическое описание скорости ракеты дает формула Циолковского:

rocket_formula

Вывод формулы циолковского из закона сохранения импульса вы можете посмотреть в учебнике физкии.

физический блог, спектр, калсер

Мы будем наблюдать явление дисперсии видимой части электромагниного излучения (солнечного света), которое на практике обычно демонстрируют при помощи стеклянной призмы (Опыт Ньютона). Именно таким способом, в 1672 году, Исаак Ньютон осуществил опыт по разложению солнечного света в спектр, который описал в своем научном труде "Оптика".

Это опыт очень прост в исполнении, можно даже сказать - элементарен. Однако мы сделаем все немного иначе, чем у Ньютона. Наш способ будет походить на эксперимент Роджера Бэкона. Этот средневековый ученый наблюдал солнечный спектр в стакане с водой. Как же это можно осуществить в домашних условиях? Ответ представляется весьма интересным, однако для начала кратко ознакомимся с теорией явления. Послушаем перед тем, как сделать наш опыт учителя физики.

 

Часть первая: теоретическая


Prism_rainbow_schema Появление спектра после прохождения белого света через призму является самой простой демонстрацией явления дисперсии.

Дисперсия света возникает: из-за различной скорости распространения компонент солнечного спектра c разными длинами волн в оптически прозрачной среде.

Красный цвет: наибольшая скорость в среде и наименьшая степень преломления.

Фиолетовый цвет: наименьшая скорость в среде и наибольшая степень преломления.

Исаак Ньютон ввел в обиход само понятие спектр ( от латинского spectrum —  появление).

Он же условно разделил видимый свет на семь составляющих (цвета):

красный

оранжевый

жёлтый

зеленый

голубой

индиго (синий)

фиолетовый

 

 

Часть вторая: практическая

Можно сказать, что это будет опыт с водой. Для этой демонстрации нам понадобится всего несколько предметов.

Зеркало произвольной формы:

опыт ньютона, дисперсия, свет, оптика, самостоятельно, с водой опыт, домашний опыт по физике

 

Емкость с водой. Опять же, произвольной формы и необязательно прозрачная как у нас:

опыт ньютона, дисперсия, свет, оптика, самостоятельно, с водой опыт, домашний опыт по физике

 

Экран для спектра (здесь использован лист бумаги формата А4), ровная горизонтальная поверхность для емкости с водой, ну и конечно же, нам понадобится  прекрасный летний солнечный день:)

Устанавливаем наше зеркало в емкость с водой под углом, навстречу падающим солнечным лучам:

опыт ньютона, дисперсия, свет, оптика, самостоятельно, с водой опыт, домашний опыт по физике


Таким образом мы получаем подобие стеклянной призмы. Лучи солнца дважды проходят  через оптически прозрачную среду, преломляясь в воде и отражаясь от поверхности зеркала:

опыт ньютона, дисперсия, свет, оптика, самостоятельно, с водой опыт, домашний опыт по физике

Подбирая вручную угол наклона зеркала, на экране мы получаем изображение солнечного спектра:

опыт ньютона, дисперсия, свет, оптика, самостоятельно, с водой опыт, домашний опыт по физике

Правда вода все время колеблется и полоска спектра крайне неустойчива.

опыт ньютона, дисперсия, свет, оптика, самостоятельно, с водой опыт, домашний опыт по физике

Впрочем, красоты своей спектр от этого нисколько не теряет:

опыт ньютона, дисперсия, свет, оптика, самостоятельно, с водой опыт, домашний опыт по физике, спектр, картина, экран

Картины спектра причудливы и красочны...

опыт ньютона, дисперсия, свет, оптика, самостоятельно, с водой опыт, домашний опыт по физике, спектр, картина, экран

... похожи на пламя огня...

spectr9

или на северное сияние:

опыт ньютона, дисперсия, свет, оптика, самостоятельно, с водой опыт, домашний опыт по физике, спектр, картина, экран

опыт ньютона, дисперсия, свет, оптика, самостоятельно, с водой опыт, домашний опыт по физике, спектр, картина, экран

spectr12

А на что похоже это, по вашему?:)

опыт ньютона, дисперсия, свет, оптика, самостоятельно, с водой опыт, домашний опыт по физике, спектр, картина, экран

(новое окно)

Как ввести формулу
Работает только для формы "Добавить комментарий" к материалу:
будет [img]http://latex.codecogs.com/gif.latex?t^2[/img]

YouTube-канал НИЯУ МИФИ >> YouTube-канал kalser.ru >>

Marvin and Milo Marvin and Milo
physics.org/marvinandmilo >>