Сообщающиеся сосуды (Н.А. Юдина). Урок «Сообщающиеся сосуды

На рисунке 105 изображено несколько сосудов. Все они имеют разную форму, но одна особенность делает их похожими друг на друга. Какая именно? Приглядевшись, можно заметить, что отдельные части всех этих сосудов имеют соединение, заполненное жидкостью.

Сосуды, имеющие общую (соединяющую их) часть, заполненную покоящейся жидкостью, называются сообщающимися .

Проделаем опыт. Соединим два стеклянных сосуда резиновой трубкой и, зажав трубку в середине, нальем в один из сосудов воду (рис. 106, а ). Теперь откроем зажим и проследим за перетеканием воды из одного сосуда в другой, сообщающийся с первым. Мы увидим, что вода будет перетекать до тех пор, пока поверхности воды в обоих сосудах не установятся на одном уровне (рис. 106, б ). Если один из сосудов оставить закрепленным в штативе, а другой поднимать, опускать или наклонять в сторону, то все равно, как только движение воды прекратится, ее уровни в обоих сосудах окажутся одинаковыми (рис. 106, в ). Закон сообщающихся сосудов гласит:

В сообщающихся сосудах поверхности однородной жидкости устанавливаются на одном уровне.

(Сосуды, о которых говорится в этом законе, не должны иметь слишком малые диаметры, иначе будут наблюдаться капиллярные эффекты (см. § 29).)

Для доказательства этого закона рассмотрим частицы жидкости, находящиеся в том месте, где соединяются сосуды (внизу на рисунке 105, а ). Так как эти частицы (вместе со всей остальной жидкостью) покоятся, то силы давления, действующие на них слева и справа, должны уравновешивать друг друга. Но эти силы пропорциональны давлениям, а давления - высотам столбов жидкости, со стороны которых действуют эти силы. Поэтому из равенства рассматриваемых сил следует и равенство высот столбов жидкости в сообщающихся сосудах.

До сих пор мы рассматривали случай, когда оба сообщающихся сосуда содержали одну и ту же жидкость. Если же в один из этих сосудов налить одну жидкость (например, воду с плотностью ρ 1 ), а в другой - другую жидкость (например, керосин с плотностью ρ 2 ), то уровни этих жидкостей окажутся разными (рис. 107). Однако поскольку жидкости и в данном случае будут покоиться, то по-прежнему можно утверждать, что давления, создаваемые и правым и левым столбами жидкостей (например, на уровне АВ на рисунке), равны:

ρ 1 = ρ 2 .

Каждое из этих давлений может быть выражено с помощью формулы гидростатического давления:

p 1 = ρ 1 gh 1 , p 2 = ρ 2 gh 2 .

Приравнивая эти выражения, получаем

ρ 1 gh 1 = ρ 2 gh 2 ,

ρ 1 h 1 = ρ 2 h 2 . (39.1)

Из этого равенства следует, что если ρ 1 > ρ 2 , то h 1 < h 2 . Это означает, что в сообщающихся сосудах, содержащих разные жидкости, высота столба жидкости с большей плотностью будет меньше высоты столба жидкости с меньшей плотностью . При этом высоты столбов жидкостей отсчитываются от поверхности соприкосновения жидкостей друг с другом.

1. Приведите примеры сообщающихся сосудов. 2. Сформулируйте закон сообщающихся сосудов. 3. Как располагаются поверхности разнородных жидкостей в сообщающихся сосудах? 4. Докажите закон сообщающихся сосудов, используя формулу (39.1). 5. На рисунке 108 изображено водомерное стекло , применяемое в паровых котлах (1 - паровой котел, 2 - краны, 3 - водомерное стекло). Объясните действие этого прибора. 6. На рисунке 109 изображен артезианский колодец . Слой земли 2 состоит из песка или другого материала, легко пропускающего воду. Слои 1 и 3, наоборот, водонепроницаемы. Объясните действие этого колодца. Почему вода бьет из него фонтаном? 7. На рисунке 110 дана схема устройства шлюза , а на рисунке 111 - схема шлюзования судов. Рассмотрите рисунки и объясните принцип действия шлюзов.

Знаете ли вы, что чайник, кофейник, лейка - это не просто кухонные или огородные принадлежности, но еще и наглядный бытовой пример сообщающихся сосудов.

Если вы вспомните тему «сообщающиеся сосуды» из курса физики за седьмой класс, то сообразите, что отдельные части приведенных выше емкостей, имеют соединение, заполненное (или легко заполняемое) водой. А именно такие сосуды, имеющие общие, соединяющие их части, наполненные жидкостью, и называют сообщающимися. И если вы присмотритесь повнимательнее, то увидите, что уровень воды в носике чайника или лейки всегда находится на том же уровне, что и уровень воды в основном отделении. И если наклонять чайник в разные стороны, то видно, как успокоившись, уровни воды становятся одинаковыми как в самом чайнике, так и в носике. Именно в этом и состоит принцип сообщающихся сосудов. И именно он помогает нам выливать нужное количество воды небольшой струйкой через носик чайника или лейки. В случае с ведром, например, выливать тонкой струйкой было бы гораздо сложнее.

Закон сообщающихся сосудов в физике

Итак, закон сообщающихся сосудов гласит:

"В сообщающихся сосудах поверхности однородной жидкости устанавливаются на одном уровне"

Причем, не имеет значения форма и размер сечения сосудов. Это четко видно на примере того же чайника с носиком. Объясняется этот закон довольно просто. Жидкость покоится, значит, давление в обоих сосудах на одинаковом уровне будет одинаково. Плотность у жидкости также одинакова, так как жидкость одна и та же, значит и высоты уровней жидкости будут одинаковыми. Если мы добавим жидкость в один из сосудов или просто изменим его уровень, то давление в нем изменится, и жидкость будет перетекать в другой сосуд вплоть до момента, пока сила давления не сравняется. Если же мы нальем в сосуды разные жидкости с различной плотностью, например, воду и масло, то уровни будут отличаться. Причем, высота жидкости с большей плотностью будет меньше высоты столба с меньшей плотностью.

Примеры и применение сообщающихся сосудов

Закон сообщающихся сосудов нашел широкое применение в человеческой жизнедеятельности. Кроме уже упомянутых леек и чайников, вода в наши дома поступает именно благодаря этому закону. Как мы добываем чистую воду из-под земли? Выкачиваем насосом. Но нельзя же подключить по насосу к каждому крану и к каждой квартире. Поэтому придумали следующую схему - воду накачивают в водонапорную башню, представляющую из себя, по сути, огромный бак на большой высоте. А оттуда по закону сообщающихся сосудов вода под давлением течет в наши дома и льется их кранов, стоит только их открыть. Свое применение закон сообщающихся сосудов нашел и в устройстве шлюзов на реках и каналах, при сооружении некоторых фонтанов и так далее.

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.

Сообщающиеся сосуды мы встречаем ежедневно. Приведите их примеры?

Сосуды, имеющие сообщение, заполненное жидкостью, называются сообщающимися .

Если в сообщающиеся сосуды налить однородную жидкость, то она в них установиться на одном уровне.

Демонстрируются сосуды. Опыт.

Доказательство:

P 1 = P 2

так как жидкость покоиться

gρ в h 1 = gρ в h 2

так как ρ в =ρ в

h 1 = h 2

Закон сообщающихся сосудов .

В сообщающихся сосудах поверхности однородной жидкости устанавливаются на одном уровне.

Известно, что в правом колене изогнутой трубки жидкость находится возле точки С. Сделайте в тетради такой же рисунок и покажите на нем расположение свободных поверхностей жидкости в обоих коленах трубки.

Если в сообщающиеся сосуды налиты разнородные жидкости, то столб жидкости меньшей плотности будет выше.

Демонстрация опыта.

Доказательство:

P 1 = P 2

так как жидкость покоиться

gρ в h 1 = gρ к h 2

так как ρ в >ρ к

h 1 < h 2

Закон сообщающихся сосудов.

При равенстве давлений высота столба жидкости с большей плотностью будет меньше высоты столба жидкости с меньшей плотностью.

Задачи:

В сообщающиеся сосуды налили ртуть и воду. Как располо-
жатся жидкости? (Вода будет выше ртути (по давление на дно
в обоих случаях будет одинаковое.))

Рассмотрите рис. а—в и ответьте на вопрос: что произойдет
с жидкостью, если открыть кран? (На рис. а - из правого колена
жидкость будет перетекать в левое, пока уровень жидкости в
сосудах не уравняется; на рис. б - из левого колена жидкость
будет перетекать в правое, пока уровень жидкости в обоих ко-
ленах не станет равным; на рис. в — жидкость перетекать не
будет.)

Кофейники равны по объему. В какой кофейник можно налить больше жидкости?

Загадки:

1. Из горячего колодца

Что общего у этих предметов? Учащиеся. Вода, налитая, например, в чайник, стоит всегда в резервуаре чайника и в боковой трубке на одном уровне. Боковая трубка и резервуар соединены между собой в нижней части.

Правильно. Сообщающимися сосудами называют сосуды, соединенные между собой в нижней части. (Учащиеся записывают определение в тетради).
С сообщающимися сосудами можно проделать простой опыт. Возьмем две стеклянные трубки, соединенные резиновой трубкой. Сначала резиновую трубку в середине зажимают и в одну из трубок нальем воды. Что произойдет, если открыть зажим?

Как поведет себя жидкость, если одну из трубок поднять?

Жидкость установиться в обоих сосудах на одном уровне.

Как поведет себя жидкость, если одну из трубок опустить?

Жидкость установиться в обоих сосудах на одном уровне.

Как поведет себя жидкость, если одну из трубок наклонить?

Жидкость установиться в обоих сосудах на одном уровне.

Однородная жидкость в сообщающихся сосудах устанавливается на одном уровне. (Учащиеся записывают закон в тетради).
Изменится ли уровень жидкости, если правый сосуд будет шире левого? уже левого? если сосуды будут иметь разную форму?

Нет, жидкость установиться в обоих сосудах на одном уровне.

При изменении формы сосудов может изменяться лишь высота уровня воды в сосудах, отмеренная от уровня стола (из-за того, что изменяется объем сосудов). Однако уровни воды в сообщающихся сосудах не зависят от формы сосудов и останутся равны. (Демонстрация опыта с сообщающимися сосудами различной формы).

Что произойдет, если в сообщающиеся сосуды налить две несмешивающиеся жидкости разной плотности?

Высота столбов жидкостей в сосудах будет разной.

При равенстве давлений высота столба жидкости большей плотности меньше, чем высота столба жидкости меньшей плотности.

Попробуйте доказать это, используя закон Паскаля и определение гидростатического давления.… Проверим ваш результат.

По закону Паскаля p 1 = p 2 , по определению гидростатического давления p 1 = g 1 h 1 , p 2 = g 2 h 2 , отсюда g 1 h 1 = g 2 h 2 , т.е h 1 : h 2 = 2 : 1 .
Высоты столбов разнородных жидкостей сообщающихся сосуда обратно пропорциональны их плотностям. (Учащиеся записывают в тетради).

3. 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.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.

Каскады падающей воды украшают многие города, а действуют фонтаны благодаря закону сообщающихся сосудов. Виды знаменитых фонтанов Петродворца. Фонтаны в парке «Победы», Тбилиси. Фонтаны на площади «Дружбы», Ташкент. Фонтаны Еревана.

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!

Творческое задание:

1 группе - изготовить водомерное стекло из предложенных материалов.

2 группе - изготовить действующую модель фонтана.

Задачи:

1 группе - В Гавриловской водопроводной башне бак находится на высоте 15 метров. Высота колонки из которой берут воду 1 м. Под каким давлением вода выходит из колонки? Где здесь сообщающие сосуды?

2 группе - В одной из подстанций московского водопровода водонапорный резервуар расположен на высоте 75 м над уровнем Москвы - реки. Определите давление в водонапорном кране дома, если он находится на высоте 12 м над уровнем реки. Где здесь сообщающиеся сосуды?

Всем известно, что нужно сделать с чайником, чтобы из его носика полилась вода, – просто наклонить. А вот вопрос, можно ли перевести корабль через гору в море или другой водоем, вызовет у нас сомнение. Чтобы ответить на него, сначала следует узнать, что из себя представляют сообщающиеся сосуды.

Закон сообщающихся сосудов

Сообщающиеся сосуды – это взаимодействующие друг с другом сосуды, которые имеют общее дно.

Рис. 1. Сообщающиеся сосуды

Закон сообщающихся сосудов гласит, что в таких сосудах, какую бы форму они не имели, поверхности однородных жидкостей в состоянии покоя находятся на одном уровне, то есть давление, оказываемое на стенки на любом горизонтальном уровне является одинаковым.

Если же в сосуде жидкости разные, то уровень выше в сосуде, в котором жидкость обладает меньшей плотностью. То есть, если в один сосуд налить жидкость, обладающую одной плотностью, а во второй – другой, то при равновесии их уровни не будут одинаковыми. Следовательно отсюда можно вывести формулу:

ρ 1 /ρ 2 =h 2 /h 1

• ρ – плотность жидкости;
• h – высота столба.

Также для сообщающихся сосудов важной является формула:

p=gρ h

• g – ускорение свободного падения;
• ρ – плотность жидкости (кг/куб.м);
• h – глубина (высота столба жидкости).

Этой формулой определяется давление жидкости на дно сосуда.

Древним римлянам было неизвестно определение сообщающихся сосудов, поэтому их акведуки – водопроводы занимали огромную протяженность над поверхностью земли и строились с равномерным уклоном вниз.

Свойства сообщающихся сосудов

В сообщающихся сосудах уровень жидкости одинаковый. Это происходит потому, что жидкость производит одинаковое давление на стенки сосуда. Достичь разного уровня однородной жидкости в сообщающихся сосудах можно с помощью перегородки между ними.

Перегородка перекроет сообщение между сосудами, и тогда можно в один из них долить жидкость, чтобы уровень изменился. В данной ситуации возникает напор – давление, производимое весом столба жидкости высотой, равной разности уровней. И если убрать перегородку, то именно это давление станет причиной тому, что жидкость будет перетекать в тот сосуд, где ее уровень ниже, до тех пор, пока уровни не станут одинаковыми.

В жизни очень часто можно встретить естественный напор. И таких примеров довольно много. Например, им обладает вода в горных реках, когда падает с высоты. Плотина также является примером естественного напора. Чем она выше, тем больше будет напор воды, поднятой плотиной.

Применение закона о сообщающихся сосудах

Принцип действия сообщающихся сосудов используется при сооружении фонтанов, водопроводов, шлюзов. Чайник и его носик тоже являются сообщающимися сосудами, так как вода, налитая в чайник, заполняет носик и всю остальную часть до одинаковой высоты. Применение свойств таких сосудов, могут даже помочь провести корабль через гору. И для этого как раз понадобиться шлюз. Шлюз – это лифт для судов. Если водное пространство перегорожено плотиной, то уровень воды в водохранилище выше, чем в реке ниже по течению. И чтобы добраться до этого уровня, судно должно зайти в шлюз, который отгорожен двумя водными непроницаемыми воротами. Когда шлюз полностью заполняется водой, судно выходит из шлюза и продолжает свой путь (уровень воды в шлюзе и водохранилище выравнивается по закону сообщающихся сосудов).

Рис. 2. Шлюз

Что мы узнали?

Из этой темы по физики за 7 класс можно ясно понять, какие сосуды называются сообщающимися. Ими могут называться лишь те сосуды, обладающие общим дном, где жидкость может свободно перетекать из одного сосуда в другой. Также сообщающиеся сосуды играют огромную роль в нашей повседневной жизни, облегчая ее и помогая выходить из трудных ситуаций. Принципы сообщающихся сосудов лежат в основе различных чайников, кофейников, водомерных стекол на паровых котлах.

Тест по теме

Оценка доклада

Средняя оценка: 4.2 . Всего получено оценок: 387.

Муниципальное бюджетное общеобразовательное

Учреждение муниципального образования Плавский район

Применение

Сообщающихся сосудов

Подготовила: Лаврова Татьяна

Ученица 7 класса, 15.07.2004г.р

Проверила: учитель физики

Шевцова Л.Н.

2018 г.

Цели и задачи:

Изучить свойства сообщающихся сосудов.

Показать широкое применение сообщающихся сосудов в быте, технике и природе.

Краткая теория

Сообщающиеся сосуды - это сосуды, соединенные ниже поверхности жидкости, так что жидкость может перетекать из одного сосуда в другой. В таких сосудах однородная жидкость устанавливается на одном уровне, а разные по плотности жидкости имеют разную высоту столба. Кроме того, не важно, какую форму будут иметь такие сосуды - уровень однородной жидкости остаётся одинаковым!!

Сообщающиеся сосуды нужны для того, чтобы перекачивать воду в любом направлении без насоса. Если бы не сообщающиеся сосуды, то для каждого фонтана требовались бы насосы. В Петергофе, к примеру, все фонтаны естественные и без насосов, это заслуга сообщающихся сосудов.

Применение сообщающихся сосудов .

В ПРИРОДЕ

1. Все моря и океаны мира являются сообщающимися сосудами. Ведь они соединены между собой проливами.

1. Акведук – это водяной желоб, поддерживаемый мостами. Вода бежит по акведуку над впадинами, холмами под действием собственного веса – от горных потоков к городам, расположенных в долине.

1. Артезианская скважина.

Такая скважина работает по принципу сообщающихся сосудов.Под слоем почвы в низких местах скапливается вода.
После бурения скважины вода поднимается вверх до уровня верхних горизонтов грунтовых вод

1. Кровеносно-сосудистая система человека или животного состоит из сообщающихся сосудов.

1. Водонасыщенные пласты горных пород с системой колодцев (гейзеры)

К примеру, горячий фонтан в местечке Гейзер в Исландии. От названия этого местечка возник термин “гейзер”.

В МЕДИЦИНЕ

1. Капельница, разновидность клизмы.

В БЫТУ

1. Использование всех видо сифонов в бытовых устройствах, где используется вода.

2. Современный водопровод

1. Шлюзовые камеры, разного рода доки на судоремонтных предприятиях, гидравлические домкраты, чернильцы – непроливашки, некоторые картриджи струйных принтеров,

6.Водонапорная башня

Кроме уже упомянутых леек и чайников, вода в наши дома поступает именно благодаря этому закону. Как мы добываем чистую воду из-под земли? Выкачиваем насосом. Но нельзя же подключить по насосу к каждому крану и к каждой квартире. Поэтому придумали следующую схему – воду накачивают в водонапорную башню, представляющую из себя, по сути, огромный бак на большой высоте. А оттуда по закону сообщающихся сосудов вода под давлением течет в наши дома и льется их кранов, стоит только их открыть.

6. Использование водяного уровня при строительстве