Физика. Дом имени чулпана
 Скачать 2.19 Mb.
|
|
ТЕМА ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА. ИЗМЕРЕНИЕ СИЛЫ ПРИ ПОМОЩИ ДИНАМОМЕТРА Необходимые принадлежности.Динамометр, тела различной массы, резина, гладкая доска с крючком на конце, стол. Выполнение работы. Измерение силы тяжести. Изучите шкалу динамометра. Запишите пределы измерения и степень точности динамометра. Укрепите динамометр на штативе, подвесьте к крючку грузы различной массы. Каждый раз записывайте показания динамометра. Измерение силы трения. Опыт 1. Поставьте на стол гладкую дощечку с крючком на конце. Пропустите крючок динамометра через крючок на дощечке (рис. Рис. Взяв за конец динамометра, медленно потяните его. С момента, как тело начало движение, постарайтесь, чтобы это движение было равномерным. В этом состоянии запишите показание динамометра. П р им е чан и е : При равномерном движении тела сила тяги F будет равна силе трения F тр . F = F тр. Опыт 2. Поставьте на дощечку груз массой 1 кг (или 0,5 кг. Повторите опыт. Используя показания динамометра, найдите силу трения. Изменяя величину груза на дощечке, определите силу трения. Лабораторная работа Глава II. Механические явления 54 3 * . Измерение силы упру гос т и. Опыт 1. Так как основным узлом динамометра является пружина, то вес груза, подвешенного на динамометре, будет равен силе упругости пружины. Опыт 2. Для измерения силы упругости резины последнюю крепят концами к динамометру и дощечке (резина длиной l 0 = 15– 20 см. Взяв за конец динамометра, медленно его потяните и добейтесь, чтобы движение груза было равномерным (рис. 26). Резина растянется, и силу упругости ее можно определить по показанию динамо метра. Опыт 3. Динамометр укрепляют на штативе в вертикальном положении. К крючку динамометра привязывают резину длиной 10–15 см. На конце резины при помощи нитки образовывается петля. На петлю вешают грузы с известной массой. По показанию динамометра определяют силу упругости резины. Таблица измерения силы трения Показания динамометра без груза, Н Масса груза, кг Показания динамометра с грузом, Н Таблица измерения силы упругости Показания динамометра с подвешенным грузом, Н Показания динамометра при движении груза, Н Показания динамометра с резиной, Н. Почему сила трения возрастает, когда на дощечку кладут груз. Как изменится показание динамометра, если резину сложить вдвое. Можно ли измерить силу тяжести при помощи весов? Рис. 26 ТЕМА ДАВЛЕНИЕ. ЕДИНИЦЫ ДАВЛЕНИЯ Если острый конец гвоздя направить на доску и по шляпке ударить молотком, гвоздь легко войдет в доску. Если направить надо- ску шляпку и ударить молотком по острию, то гвоздь не войдет в доску. Сила удара молотка в обоих случаях одинакова. Тогда почему результат оказался различным Причина в том, что хотя сила удара одинакова, но приложена она к разным площадям. Физическая величина, равная отношению силы, действующей перпендикулярно поверхности, к площади этой поверхности, называется давлением. Давление = сила давления площадь поверхности – давление, F – сила давления, S – площадь поверхности = 1 Нм Паскаль Сокращенно 1 Па. Эта единица названа в честь знаменитого французского ученого Б. Паскаля Давление имеет большое значение в природе и технике. Для увеличения силы давления ножи и ножницы затачиваются. Для увеличения давления площадь острия иглы или кнопки уменьшается (рис. Для уменьшения давления, наоборот, площадь нужно увеличивать. Шины для большегрузных автомобилей делаются шире, чем для легкового автомобиля. Фундаменты высотных зданий делают широкими. Почему, стоя на снегу на лыжах, не проваливаешься в снег? Рис. Давление. Единицы давления Глава II. Механические явления Примеры решения задач. Задача 1. Вес мальчика равен 500 Н. Площадь подошв его обуви равна 300 см. Какое давление на пол оказывает мальчик? Д ан о Формула Решение Н = 300 см 2 Требуется найти = ? S = 300 см переведем в м = 300 см = 300 · мм м = 500 Нм Нм) Пa. Ответ: p = 1666,(6) Па. Задача 2. Вес кирпича равен 10 Н, размеры соответственно 20, 10 и 5 см. Определите давление, оказываемое кирпичем на опору враз- личных положениях. Д ан о Формула Н = 20 см = 10 см = 5 см Требуется найти = В первом положении площадь опоры кирпича равна S 1 = l 1 · l 2 , S 1 = 20 см · 10 см = 20 · · мм м 10 Нм Нм Па. Ответ: p 1 = 500 Па. Во втором положении площадь опоры кирпича равна S 2 = l 1 · l 3 S 2 = 20 см · 5 см = = 20 · мм м p 2 = p 2 = 10 Нм Нм Па. Ответ: p 2 = 1000 Па. В третьем положении площадь опоры кирпича равна S 3 = l 2 · l 3 , S 3 = 10 см · 5 см = = 10 · мм м = 10 Нм Нм Па. Ответ: p 3 = 2000 Па Зная свою массу и площадь ботинка, вычислите, какое давление вы производите, стоя на месте. Массу можно определить в медицинском кабинете или в спортзале. Площадь опоры ботинка определите следующим образом. Поставьте ногу на лист клетчатой бумаги и обведите контур подошвы. Сосчитайте число полных квадратиков. Прибавьте к нему половину числа неполных квадратиков. Полученное число умножьте на 0,25 см. Расскажите о явлениях в повседневной жизни, связанных с давлением. Почему легковой автомобиль вязнет на пашне, а тяжелый трактор нет. Знаете ли вы предназначение наперстка при шитье. Когда человек оказывает на землю большее давление когда стоит на месте или когда бежит? Упражнение 4. 1. Как можно рассчитать площадь, если известны вес тела и давление, оказываемое на опору. Скольким паскалям равны 0,02 Н см ? 3 * . Веранда дома имеет 8 опор. Поперечное сечение каждой опоры равно 400 см. Если масса перекрытия веранды составляет 1500 кг, какое давление оказывает на землю каждая опора (Ответ 45937,5 Па. Чему равно давление, если на гвоздь с площадью 0,1 см оказывается воздействие с силой 20 Н. Сколько Н см равен 5 Па. Вес Эйфелевой башни в Париже равен 5000 кН, площадь основания равна 450 м. Вычислите давление, которое она оказывает на землю? Давление. Единицы давления Глава II. Механические явления ТЕМА ЗАКОН ПАСКАЛЯ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ Проведите следующий опыт. Возьмите шприц и надувной шарик. Надуйте шар. Проткните шприцем шар. Закройте отверстие пальцем, снова надуйте шар и снова проткните шприцем. Это повторите несколько раз. Наполните шарик водой и наденьте на шприц, предварительно удалив иглу. Медленно начинайте давить на поршень шприца. В этом случае давление внутри шара будет расти, и вода польется из всех отверстий шара. Если повторить опыт, наполнив шар дымом, можно наблюдать похожее явление (рис. 28). Таким образом, давление поршня в жидкости или в газе передается не только по направлению поршня, а вовсе стороны. Это явление изучил французский ученый Блез Паскаль в 1653 году. Он обнаружил, что: давление, производимое на жидкость или газ, передается без изменения в каждую точку объема жидкости или газа. Жидкость или газ передают оказываемое на них давление через частицы, из которых они состоят. Для того чтобы передавать давление, частицы должны быть в движении. Действительно, многие явления (распространение запахав воздухе, растворение чернил вводе) доказывают, что частицы воды и газа находятся в движении. Из-за движения частицы сталкиваются со стенками сосуда и создают внутреннее давление. Для внутреннего давления закон Паскаля формулируется следующим образом. Без учета силы тяжести давление, оказываемое частицами жидкости или газа на стенки сосуда, во всех направлениях оди- наково. Закон Паскаля широко используется в технике. Так называемый принцип гидравлического пресса используется в тормозных системах автомобилей, поездов, на экскаваторах и подъемных кранах. Гидравлический пресс Гидравлический пресс состоит из двух цилиндров разного диаметра, снабженных поршнями и соединенных Рис. 28 трубкой. Цилиндры заполняются жидкостью рис. 29). Площади поршней различные (S 1 и S 2 ). Если на поршень с маленькой поверхностью подействовать силой F 1 , тов жидкость передается давление . По закону Паскаля это давление передается вовсе стороны без изменения. В частности, и на второй поршень площадью На поршне создается давление . Из равенства р = р вытекает , отсюда: Следовательно, сила F 2 во столько раз больше силы F 1 , во сколько раз площадь большего поршня больше площади малого. Пример решения задач. Задача 1. В гидравлическом прессе площадь малого поршня 5 см, площадь большого – 50 см, какой выигрыш в силе дает такой пресс? Д ан о Формула Решение см = 50 см, отсюда см 5 см = 10 раз. Требуется найти = Ответ 10 раз. Проверьте закон Паскаля, налив воду в целлофановый пакет. Какие еще устройства вызнаете, где используется закон Паскаля. На каком опыте можно увидеть существование внутреннего давления. За счет чего гидравлический пресс дает выигрыш в силе. Если гидравлический пресс дает выигрыш в силе, тов чем проигрывает Подумайте об этом. Можно ли в гидравлическом прессе вместо жидкости использовать воздух? Закон Паскаля и его применение Рис. 29 Глава II. Механические явления ТЕМА ДАВЛЕНИЕ В ЖИДКОСТИ И ГАЗЕ В СОСТОЯНИИ ПОКОЯ Ранее мы говорили о существовании внутреннего давления в жидкостях и газах. Это давление также называется давлением в состоянии покоя. Частицы, образующие жидкости и газы, обладают собственным весом, поэтому каждый слой своим весом создает давление на другие слои. Складываясь, это давление передается на дно сосуда. Это давление также называется гидростатическим Давайте подсчитаем это дав- ление. Выделим в жидкости слой толщиной Δh (рис. 30). Этот слой своей тяжестью оказывает давление на нижние слои. Поверхность сосуда S по всей высоте сосуда остается постоянной. Тогда давление, оказываемое слоем, будет равно вес слоя Δh. ΔF = Δmg = ρ · ΔV · g = ρ · S · · Δh · g, отсюда =ρ g · Δh. Давление жидкости на дно сосуда равно сумме давления слоев = Из этой формулы видно, что давление жидкости на дно сосуда не зависит от площади, а зависит только от плотности и высоты столба жидкости. Доказательство этому можно увидеть наследующем опыте. На рис. 31 показаны стеклянные сосуды, имеющие различные площади основания. Если в первый сосуд налить воду до определенного уровня, то наблюдается, что уровень воды в других сосудах такой же, как ив первом. Система сосудов, соединенных между собой у основания, называется сообщающимися сосудами. Примером сообщающихся сосудов может быть чайник (рис. 32), водопроводная система. Проведем следующий опыт. Рис. 30 Рис. 31 Рис. 32 Рис. Возьмем два стеклянных сосуда и соединим их между собой резиновой трубкой (рис. 33). В одну из трубок нальем воду. Затем откроем зажим и увидим, что вода начинает перетекать в другую трубку до тех пор, пока поверхность воды в обеих трубках не установится на одном уровне. Закрепим одну из трубок, а другую будем поднимать и опускать, уровень воды в обеих трубках останется одинаковым. Отсюда вытекает закон сообщающихся сосудов. В сообщающихся сосудах любой формы и сечения поверхности однородной жидкости устанавливаются на одном уровне. Значит, высота столба жидкости с большей плотностью будет меньше высоты столба жидкости с меньшей плотностью. Отсюда следует, что высота столба растительного масла выше, чем высота столба воды. Возьмите сосуд из-под прохладительных напитков ив боковой поверхности его на разной высоте от дна сделайте отверстия. Закройте отверстия спичками и наполните сосуд водой. Откройте отверстия и определите дальность струйки. Объясните причину. Отчего зависит гидростатическое давление. Приведите примеры сообщающихся сосудов. Почему высота различных жидкостей в сообщающихся сосудах бывает разной? Давление в жидкости и газе в состоянии покоя Глава II. Механические явления Упражнение 5. 1. Если на малый поршень гидравлического пресса действует сила 10 Н, тона большом поршне получаем 180 Н. Чему равна площадь малого поршня, если площадь большого поршня 90 см (Ответ 5 см. Водно колено сообщающихся сосудов (рис. 33) наливают растительное масло, в другое – воду. Чему равна высота столба масла, если высота столба воды равна 30 см (Ответ ≈33,3 см Рассчитайте давление воды на дно аквариума с размерами длина 50 см, ширина 40 см и высота 50 см. (Ответ 4900 Пa). ТЕМА АТМОСФЕРНОЕ ДАВЛЕНИЕ. ОПЫТ ТОРРИЧЕЛЛИ Вы узнали, что жидкость оказывает давление на дно сосуда. А оказывают ли точно такое же давление газы Чтобы оказать давление, они должны иметь массу, те. вес. Чтобы проверить это, проведем следующий опыт. Возьмем хорошо накачанный мяч, положим на электронные весы, они покажут определенные цифры. Затем из мяча полностью выпустим воздух. Положим мяч опять навесы. Здесь мы увидим, что весы показывают нам другие цифры (рис. 34). Значит и воздух имеет вес. Вам известно, что Землю окружает воздушная оболочка. Ее называют атмосферой Воздух своей тяжестью оказывает давление на поверхность Земли. Это давление называется атмосферным давлением. Для определения атмосферного давления нельзя воспользоваться формулой р = ρgh, так как в состав атмосферы входят различные газы, и высота ее точно не определена. В состав атмосферы входит 78% азота, 21% кислорода и другие газы. При температуре Сна поверхности Земли плотность воздуха равна 1,29 кг м . Плотность воздуха с Рис. 34 высотой уменьшается. Например, на высоте 5,4 км от поверхности Земли плотность воздуха в 2 раза меньше, чем его плотность у поверхности Земли, на высоте 11 км меньше в 4 раза. С повышением высоты плотность воздуха уменьшается, и постепенно атмосфера переходит в безвоздушное пространство. Определенной границы у атмосферы нет. Если частицы воздуха имеют вес, то почему они все не падают на Землю Причина в том, что они находятся в непрерывном движении. Тогда почему же они, как ракеты, не улетают в космос Дело в том, что скорость частиц воздуха не может преодолеть силу притяжения Земли. Для этого их скорость должна быть не меньше км с В существовании атмосферного давления можно удостовериться, проведя следующие опыты Возьмем разовый шприц, приведем поршень в самое нижнее положение и опустим иглу вводу. Начнем поднимать поршень, тогда и вода тоже будет подниматься за поршнем (рис. 35). Почему вода поднимается Если пипетку опустить вводу и один раз надавить на резинку, тов пипетку наберется вода. И если затем вынуть пипетку из воды, то вода из нее не будет выливаться. Почему вода не выливается, даже если она имеет вес? Причиной этому – действие атмосферного давления. Если бы вода при подъеме поршня шприца не поднималась, то между поршнем и водой образовалась бы пустота. Пустота никакого действия на воду не оказывает. На воду в сосуде оказывает действие атмосферное давление, оно заставляет воду подниматься за поршнем. Вода из пипетки тоже не выливается из-за действия атмосферного давления. Атмосферное давление впервые измерил итальянский ученый Торричелли (1608–1647). Стеклянную трубку длиной 1 м, запаянную с одного конца, он наполнил ртутью. За- Атмосферное давление. Опыт Торричелли Рис. Рис. 36 Глава II. Механические явления тем, плотно закрыв другой конец трубки рукой, перевернул ее и опустил в чашку со ртутью. Под ртутью он открыл конец трубки, часть ртути при этом вылилась в чашку (рис. 36). Над ртутью в трубке создалось безвоздушное пространство, высота столба ртути, оставшейся в трубке, равна примерно 760 мм (измерение проводилось от уровня ртути в чашке. Ртуть в трубке не выливается потому, что давление, оказываемое столбом ртути, уравновешивается атмосферным давлением. Значит, атмосферное давление можно измерить давлением, оказываемым столбом ртути в трубке. В настоящее время за нормальное атмосферное давление берут давление столба ртути высотой 760 мм при температуре С. При объявлении прогноза погоды по радио и телевидению атмосферное давление дается в мм рт. ст. Используя формулу р = ρgh, можно выразить нормальное атмосферное давление в паскалях р = 13595,1 кг м · 9,81 Н кг · 0,76 м ≈ 101360 Пa. Торричелли обратил внимание на то, что высота столба ртути в трубке меняется при изменении погоды. Помимо этого, атмосферное давление уменьшается с увеличением высоты. Было определено, что при небольших подъемах на каждые 12 м подъема давление уменьшается на 1 мм рт. ст. Прибор, измеряющий атмосферное давление, называется барометром Что будет, если вместо ртути в опыте Торричелли взять другую жидкость Так как плотность других жидкостей намного меньше плотности ртути, высота столба жидкости будет большей. В водяном барометре высота столба жидкости будет больше 10 м. Рис. 37 Рис. 38 Для измерения давлений, больших или меньших атмосферного, используют манометры. Манометры бывают жидкостные и металличе- ские. Простой жидкостный манометр состоит из образной трубки, наполовину заполненной жидкостью (рис. 37). Одна сторона трубки открытая, а вторая соединена с емкостью, где измеряется давление, резиновым шлангом. Конец шланга имеет цилиндрическое основание, покрытое пленкой. Если слегка надавить на него, то уровень жидкости в коленах манометра изменится. Основным элементом металлического манометра является согнутая в дугу металлическая трубка 1, один конец которой закрыт (рис. 38). Второй конец трубки посредством крана 4 сообщается с сосудом, в котором измеряется давление. Когда открывают кран, давление в трубке увеличивается, иона разгибается. Движение через рычаги зубчатое колесо 3 передается стрелке Наберите полстакана воды. Закройте стакан бумагой и, поддерживая бумагу рукой, переверните вверх дном. Вода из стакана не будет выливаться. Какие еще опыты доказывают существование атмосферного давления. Почему изменяется атмосферное давление. Как изменяется атмосферное давление с увеличением высоты? |