Изучение законов гидростатического давления

Работа 19. Изучение законов гидростатического давления (7–10 класс)
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Исследование зависимости гидростатического давления:
 от высоты столба жидкости,
 от плотности жидкости,
 от формы столба жидкости.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ
Внутри неподвижной жидкости существует гидростатическое давление
гравитационного происхождения. В каждой точке оно одинаково по всем направлениям и
зависит от плотности жидкости ρ и высоты столба h над исследуемой точкой:
p = ρgh
(1)
С учетом давления атмосферы p0 полное давление в жидкости определяется
формулой:
p =p0 + ρgh
(2)
Графически зависимость давления от высоты столба выражается прямой линией,
наклон которой тем больше, чем больше плотность жидкости.
ОБОРУДОВАНИЕ
 Высокие сосуды – 2шт.
 Гибкая трубка
 Линейка
 Транспортир
 Исследуемые жидкости: вода, масло, концентрированный раствор соли
 Карманный компьютер (КПК) и/или ПК
 Регистратор данных
 Датчик давления
МОНТАЖ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
1. Прикрепите второй конец трубки к длинному стержню или линейке с
миллиметровыми делениями так, чтобы второй конец трубки можно было опускать
в высокий сосуд до дна (рис. 1).
Рис. 1
2. Если высокий сосуд не имеет разметки по высоте, то нанесите через деления 5 см
по всей высоте сосуда. Налейте воду в сосуд (рис. 2).
Рис. 2
3. Конец гибкой трубки соедините с датчиком давления. Подключите датчик к
Регистратору данных. Проведите идентификацию Регистратора данных на данном
КПК, используя беспроводное соединение их между собой (рис. 3), или на ПК,
присоединив Регистратор данных к компьютеру через USB–вход.
Рис. 3
4. Для второго эксперимента во второй сосуд до половины налейте
концентрированный раствор соли, а сверху слой масла, как показано на рис. 4.
Рис. 4


Установка параметров измерения
частота – 10 замеров в секунду.
длительность – 10 секунд или вручную.
ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА
1. Подготовьте КПК (или ПК) для проведения опыта, а также установите значение
максимальной высоты столба воды h1.
2. Запишите значение атмосферного давления по показаниям датчика.
3. Проведите пробный эксперимент и предварительную регистрацию данных при
погружении свободного конца трубки в воду. Убедитесь в удачном выборе
параметров измерений или выберите другие.
Опыт 1. Зависимость гидростатического давления от высоты столба жидкости.
4. Начните регистрацию данных.
Плавно опускайте свободный конец
трубки в воду, задерживая его на
глубине 5, 10, 15 см и т.д. Следите за
ростом показаний датчика. В этом
случае лучше выполнять опыт в
режиме
«при
нажатии»
при
фиксированных
положениях
нижнего конца гибкой трубки.
Обратите внимание, что жидкость
частично заходит в трубку (рис.
8.19.2) и отсчет высоты следует
вести на уровне жидкости в гибкой
трубке.
5. Плавно и равномерно поднимайте
линейку с трубкой. В этом случае
зависимость давления от времени
можно будет легко перевести в
Рис. 5
зависимость давления от глубины h,
замерив скорость подъема трубки.
6. Сохраните результат эксперимента.
Опыт 2. Зависимость гидростатического давления от угла наклона столба жидкости.
7. Погрузите входной конец трубки на дно сосуда.
8. Плавно и равномерно наклоняйте сосуд (рис. 5). Следите за изменением показаний
датчика. Верните сосуд в исходное состояние.
9. Можно выполнять опыт в режиме «при нажатии» при фиксированных углах
наклона, измеряемых по транспортиру.
10. Сохраните результат эксперимента.
Опыт 3. Зависимость гидростатического давления от плотности жидкости.
11. Плавно и равномерно опускайте свободный конец трубки в сосуд с маслом и
раствором соли.
12. Также плавно и равномерно поднимайте линейку с трубкой.
13. Сохраните результат эксперимента.
14. Запишите в протокол максимальные значения высоты столбов масла hм и раствора
соли hc.
ОБРАБОТКА И АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ
1. Откройте поочередно файлы опытов на КПК или ПК.
2. Если перемещение трубки происходило равномерно, зависимость давления от
времени будет подобна зависимости от высоты столба. Если на кривой имеются
неровности, связанные со случайными отклонениями от равномерного опускания,
то можно провести операцию «сглаживания» зависимости.
3. Произведите линейную аппроксимацию участков графика, соответствующих одной
и той же жидкости. Числовой коэффициент аргумента в уравнении прямой
пропорционален плотности жидкости.
4. Если давление фиксировалось по точкам h1, h2, … hN, следует выбрать в таблице,
формируемой одновременно с графическим представлением показаний датчика
данные, соответствующие значениям давлений в выбранных точках, и перенести
их в таблицу редактора таблиц Excel, затем уже в этом редакторе построить график
p(h). Полученный график сохраните для отчета.
5. По величине изменения давления и записанной величине столба рассчитайте
плотность жидкости.
6. Сделайте выводы о характере зависимости давления от высоты столба и плотности
жидкости.
7. Проведите аналогичную обработку для Опыта 2 и постройте график p(h) для
опыта с двумя жидкостями и сравните плотности жидкостей с плотностью воды.
8. Проведите аналогичную обработку для Опыта 3 и постройте график зависимости
давления от угла наклона сосуда р(). Преобразовав в редакторе Excel столбец с
углом наклона сосуда  в столбец sin, а затем в столбец hsin постройте график
зависимости давления от вертикальной составляющей столба жидкости:
9. p(hверт )  p(h sin  ) .
10. Сделайте вывод о зависимости гидростатического давления от формы столба
жидкости.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ ДЛЯ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО ОПРОСА И ЗАЩИТЫ ЛР
1. Что такое давление? В каких единицах оно измеряется?
2. Что такое гидростатическое давление? От чего оно зависит?
3. Сформулируйте закон Паскаля.
4. Почему в водоемах лед образуется на поверхности?
5. Отчего возникает атмосферное давление?
6. Оцените плотность воздуха при нормальных условиях.
7. Оцените высоту атмосферного слоя, считая плотность воздуха постоянной.
8. Какие величины измеряются при выполнении лабораторной работы?
9. Какие величины нужно рассчитать при обработке результатов экспериментов?
ОТЧЕТ ПО РАБОТЕ
Отчет выполните в виде электронного документа в текстовом редакторе. Он должен
содержать:
 формулировку цели,
 основные формульные формулировки физических законов, описывающих
изучаемое явление,
 фотографию вашей установки для проведения опыта,
 значения измеряемых величин в виде таблицы,
 графики зависимости измеряемых величин от времени,
 результаты расчетов,
 выводы.