В каких реакциях обмена вода является исходным веществом для синтеза углеводов?

Ответ

В реакциях фотосинтеза и хемосинтеза.

В каких реакциях обмена веществ вода является конечным продуктом?

Ответ

В реакциях окисления органических веществ в процессе энергетического обмена.

Почему при анабиозе организма в условиях низких температур клетки тела обезвоживаются?

Ответ

При отрицательной температуре вода превращается в лед, кристаллы льда повреждают клетки. Чтобы этого не происходило, клетки обезвоживаются.

Почему эритроциты разрушаются, если их поместить в дистиллированную воду? Ответ обоснуйте.

Ответ

Это движение воды через мембрану в сторону более высокой концентрации веществ. Концентрация веществ в цитоплазме эритроцита выше, чем в дистиллированной воде, поэтому вода будет заходить внутрь эритроцита, из-за этого эритроцит набухнет, а затем лопнет.

Почему эритроцит в пресной воде лопается, а инфузория-туфелька и хламидомонада - нет?

Ответ

Это движение воды через мембрану в сторону более высокой концентрации веществ. Концентрация веществ в цитоплазме живой клетки выше, чем в пресной воде, поэтому вода будет заходить внутрь клетки. Эритроцит набухнет, а затем лопнет. Хламидомонада надуется водой, но лопнуть ей не даст клеточная стенка. Инфузория-туфелька будет выкачивать воду с помощью сократительных вакуолей.

Для сохранения клеток эпителиальной ткани их поместили в стерильную дистиллированную воду. Однако через некоторое время все клетки разрушились. Объясните, почему.
= Что произойдет с клетками эпителиальной ткани, если их поместить в воду? Ответ обоснуйте.

Ответ

Концентрация веществ в цитоплазме клеток эпителиальной ткани выше, чем в дистиллированной воде, поэтому вода за счет осмоса заходила внутрь клеток, из-за этого клетки набухали, а затем лопались.

Тонкий срез клубня картофеля поместили в дистиллированную воду. Какие изменения произойдут в его клетках через некоторое время? Ответ поясните.

Ответ

Вода за счет осмоса будет заходить внутрь клеток, клетки набухнут, будут находиться в состоянии тургора. Растительные клетки не лопаются в пресной воде, поскольку у них есть твердая клеточная стенка.

К каким последствиям может привести внесение в почву избытка минеральных удобрений?

Ответ

1) Увеличится концентрация почвенного раствора, корням растений будет тяжелее поглощать воду.
2) Произойдет угнетение жизнедеятельность почвенных микроорганизмов (в пересоленом растворе они не смогут быстро размножаться).
3) Дождями избыток удобрений смоется в водоемы, водоемы "зацветут".

Зимой на дорогах используют соль, чтобы не было гололеда. К каким изменениям в водоемах и почве это приводит?

Ответ

Засоленность почвы приведет к тому, что растениям становится тяжелее забирать из почвы воду. Засоление водоемов приводит к тому, что водные организмы обезвоживаются, их обмен веществ нарушается.

Введение в вену больших доз лекарственных препаратов сопровождается их разбавлением физиологическим раствором (0,9% раствором поваренной соли). Поясните, почему.

Ответ

Если не разбавить лекарства, то в вену будут введены концентрированные вещества. Это приведет к локальному повышению концентрации крови, эритроциты сморщатся, вода перейдет из клеток в кровь, произойдет отек. Концентрация 0,9% соответствует концентрации плазмы крови, отрицательных последствий не происходит.

Жидкостью называют вещество, которое находится в агрегатном состоянии, являющимся промежуточным между твердым и газообразным. При этом ее состояние, как и в случае с твердыми телами, является конденсируемым, то есть предполагает связь между частицами (атомами, молекулами, ионами). Жидкость обладает свойствами, кардинально отличающими ее от веществ, которые находятся в других агрегатных состояниях. Главное из них - способность к многократному изменению формы под воздействием механических напряжений без потери объема. Сегодня мы с вами выясним, какими свойствами обладают жидкости, и что они вообще собой представляют.

Общая характеристика

Газ не сохраняет объем и форму, твердое тело сохраняет и то, и другое, а жидкость - только объем. Именно поэтому жидкое агрегатное состояние считается промежуточным. Поверхность жидкости представляет подобие упругой мембраны и определяет ее форму. Молекулы таких тел, с одной стороны, не имеют определенного положения, а с другой - не могут получить полную свободу перемещения. Они могут собираться в капли и течь под собственной поверхностью. Между молекулами жидкости существует притяжение, которого достаточно, чтобы удерживать их на близком расстоянии.

Вещество пребывает в жидком состоянии в определенном температурном интервале. Если температура опускается ниже него, происходит переход в твердую форму (кристаллизация), а если поднимается выше - в газообразную (испарение). Границы данного интервала для одной и той же жидкости могут колебаться в зависимости от давления. К примеру, в горах, где давление существенно ниже, чем на равнинах, вода закипает при более низкой температуре.

Обычно жидкость имеет только одну модификацию, поэтому является одновременно и агрегатным состоянием, и термодинамической фазой. Все жидкости делятся на чистые вещества и смеси. Некоторые из таких смесей имеют определяющее значение в жизни человека: кровь, морская вода и прочие.

Рассмотрим основные свойства жидкостей.

Текучесть

От других веществ жидкость отличается, в первую очередь, текучестью. Если к ней приложить внешнюю силу, в направлении ее приложения возникает поток частиц. Таким образом, при воздействии внешних неуравновешенных сил, жидкость не способна к сохранению формы и относительного расположения частиц. По этой же причине, она принимает форму сосуда, в который попадает. В отличие от твердых пластичных тел, жидкости не имеют предела текучести, то есть текут при малейшем выходе из равновесного состояния.

Сохранение объема

Одним из характерных физических свойств жидкостей является способность к сохранению объема при механическом воздействии. Их чрезвычайно трудно сжать из-за высокой плотности молекул. Согласно закону Паскаля, давление, которое производится на жидкость, заключенную в сосуд, без изменения передается в каждую точку ее объема. Наряду с минимальной сжимаемостью, эта особенность широко используется в гидравлике. Большинство жидкостей при нагревании увеличивается в объеме, а при охлаждении - уменьшается.

Вязкость

Среди главных свойств жидкостей, как и в случае с газами, стоит отметить вязкость. Вязкостью называют способность частиц сопротивляться движению друг относительно друга, то есть внутреннее трение. При движении соседних слоев жидкости относительно друг друга, происходит неизбежное столкновение молекул, и возникают силы, которые затормаживают упорядоченное перемещение. Кинетическая энергия упорядоченного движения преобразуется в тепловую энергию хаотического движения. Если жидкость, помещенную в сосуд, переместить, а затем оставить в покое, то она постепенно остановится, но ее температура возрастет.

Свободная поверхность и поверхностное натяжение

Если взглянуть на каплю воды, которая лежит на ровной поверхности, то можно увидеть, что она закруглена. Обусловлено это такими свойствами жидкостей, как образование свободной поверхности и поверхностное натяжение. Способность жидкостей к сохранению объема обуславливает образование свободной поверхности, которая является не иначе как поверхностью раздела фаз: жидкой и газообразной. При соприкосновении этих фаз одного и того же вещества возникают силы, направленные на уменьшение площади плоскости раздела. Их называют поверхностным натяжением. Граница раздела фаз представляет собой упругую мембрану, стремящуюся к стягиванию.

Поверхностное натяжение объясняется также притяжением молекул жидкости друг к другу. Каждая молекула стремится «окружить» себя другими молекулами и уйти с границы раздела. Из-за этого поверхность стремительно уменьшается. Этим объясняется тот факт, что мыльные пузыри и пузыри, образующиеся при кипении, стремятся принять сферическую форму. Если на жидкость будет действовать только сила поверхностного натяжения, она непременно примет такую форму.

Небольшие объекты, плотность которых превышает плотность жидкости, способны оставаться на ее поверхности за счет того, что сила, препятствующая увеличению площади поверхности, больше силы тяготения.

Испарение и конденсация

Испарением называют постепенный переход вещества из жидкого состояния в газообразное. В процессе теплового движения часть молекул покидают жидкость, проходя через ее поверхность, и преобразуются в пар. Параллельно с этим другая часть молекул, наоборот, переходит из пара в жидкость. Когда количество соединений, покинувшее жидкость, превышает количество соединений, пришедших в нее, имеет место процесс испарения.

Конденсацией называют процесс, обратный испарению. Во время конденсации жидкость получает из пара больше молекул, чем отдает.

Оба описанных процесса являются неравновесными и могут продолжаться до тех пор, пока не установится локальное равновесие. При этом жидкость может полностью испариться или же вступить со своим паром в равновесие.

Кипение

Кипением называют процесс внутренних преобразований жидкости. При повышении температуры до определенного показателя, давление пара превышает давление внутри вещества, и в нем начинают образовываться пузырьки. В условиях земного притяжения они всплывают вверх.

Смачивание

Смачиванием называют явление, которое возникает при контакте жидкости с твердым веществом в присутствии пара. Таким образом, оно происходит на границе раздела трех фаз. Это явление характеризует «прилипание» жидкого вещества к твердому, и его растекание по поверхности твердого вещества. Бывает три вида смачивания: ограниченное, полное и несмачивание.

Смешиваемость

Характеризует способность жидкостей растворяться друг в друге. Примером смешиваемых жидкостей могут выступить вода и спирт, а несмешиваемых - вода и масло.

Диффузия

Когда две смешиваемых жидкости пребывают в одном сосуде, благодаря тепловому движению молекулы начинают преодолевать границу раздела, и жидкости постепенно смешиваются. Данный процесс называется диффузией. Он может происходить и в веществах, которые находятся в иных агрегатных состояниях.

Перегрев и переохлаждение

Среди увлекательных свойств жидкостей стоит отметить перегрев и переохлаждение. Эти процессы нередко ложатся в основу химических фокусов. При равномерном нагреве, без сильных перепадов температур и механических воздействий, жидкость может нагреться выше точки кипения, не вскипев при этом. Этот процесс получил название перегрев. Если в перегретую жидкость бросить какой-либо предмет, она мгновенно вскипит.

Аналогичным образом происходит и переохлаждение жидкости, то есть ее охлаждение до температуры ниже точки замерзания, минуя само замерзание. При легком ударе переохлажденная жидкость мгновенно кристаллизуется и превращается в лед.

Волны на поверхности

Если нарушить равновесие участка поверхности жидкости, то тогда она, под действием возвращающих сил, будет двигаться обратно к равновесию. Это движение не ограничивается одним циклом, а превращается в колебания и распространяется на другие участки. Так получаются волны, которые можно наблюдать на поверхности любой жидкости.

Когда в качестве возвращающей силы выступает преимущественно сила тяжести, волны называют гравитационными. Их можно видеть на воде повсеместно. Если же возвращающая сила формируется преимущественно из силы поверхностного натяжения, то волны называют капиллярными. Теперь вы знаете, какое свойство жидкостей обуславливает знакомое всем волнение воды.

Волны плотности

Жидкость чрезвычайно тяжело сжимается, тем не менее, с изменением температуры, ее объем и плотность все-таки меняются. Происходит это не мгновенно: при сжатии одного участка, другие сжимаются с запаздыванием. Таким образом, внутри жидкости распространяются упругие волны, которые получили название волны плотности. Если по мере распространения волны плотность меняется слабо, то ее называю звуковой, а если достаточно сильно - ударной.

Мы с вами познакомились с общими свойствами жидкостей. Все основные характеристики зависят уже от типа и состава жидкостей.

Классификация

Рассмотрев основные физические свойства жидкостей, давайте узнаем, как они классифицируются. Структура и свойства жидких веществ зависят от индивидуальности частиц, входящих в их состав, а также характера и глубины взаимодействия между ними. Исходя из этого, выделяют:

1. Атомарные жидкости. Состоят из атомов или сферических молекул, которые связаны между собой центральными ван-дер-ваальсовыми силами. Ярким примером являются жидкий аргон и жидкий метан.
2. Жидкости, состоящие из двухатомных молекул с одинаковыми атомами, ионы которых связаны кулоновскими силами. В качестве примера можно назвать: жидкий водород, жидкий натрий и жидкую ртуть.
3. Жидкости, которые состоят из полярных молекул, связанных путем диполь-дипольного взаимодействия, например, жидкий бромоводород.
4. Ассоциированные жидкости. Имеют водородные связи (вода, глицерин).
5. Жидкости, которые состоят из больших молекул. Для последних, важную роль играют внутренние степени свободы.

Вещества первых двух (реже трех) групп называют простыми. Они изучены лучше, чем все остальные. Среди непростых жидкостей, больше всего изучена вода. В данную классификацию не входят жидкие кристаллы и квантовые жидкости, так как они представляют собой особые случаи и рассматриваются отдельно.

С точки зрения гидродинамических свойств, жидкости подразделяют на ньютоновские и неньютоновские. Течение первых подчиняется закону Ньютона. Это значит, что их касательное напряжение линейно зависит от градиента скорости. Коэффициент пропорциональности между указанными величинами называется вязкостью. У неньютоновских жидкостей, вязкость колеблется в зависимости от градиента скорости.

Изучение

Изучением движения и механического равновесия жидкостей и газов, а также их взаимодействия, в том числе с твердыми телами, занимается такой раздел механики как гидроаэромеханика. Его также называют гидродинамикой.

Несжимаемые жидкости изучают в подразделе гидроаэромеханики, который называется просто гидромеханикой. Так как сжимаемость жидкостей очень мала, во многих случаях ею попросту пренебрегают. Сжимаемые жидкости изучает газовая динамика.

Гидромеханику дополнительно подразделяют на гидростатику и гидродинамику (в узком смысле). В первом случае изучается равновесие несжимаемых жидкостей, а во втором - их движение.

Магнитная гидродинамика занимается изучением магнитных и электропроводных жидкостей, а прикладными задачами занимается гидравлика.

Основным законом гидростатики является закон Паскаля. Движение идеальных несжимаемых жидкостей описывается уравнением Эйлера. Для их стационарного потока выполняется закон Бернулли. А формула Торричелли описывает вытекание жидких веществ из отверстий. Движение вязких жидкостей подчиняется уравнению Навье-Стокса, которое, кроме всего прочего, может учитывать и сжимаемость.

Упругие волны и колебания в жидкости (как, впрочем, и в других средах) изучается такая наука как акустика. Гидроакустика - подраздел, который посвящен изучению звука в водной среде для решения задач подводной связи, локации и прочего.

В заключение

Сегодня мы с вами познакомились с общими физическими свойствами жидкостей. Также мы узнали, что вообще представляют собой такие вещества, и как они классифицируются. Что касается химических свойств жидкости, то они напрямую зависят от ее состава. Поэтому рассматривать их стоит отдельно для каждого вещества. Какое свойство жидкости важно, а какое нет - ответить сложно. Здесь все зависит от задачи, в контексте которой эта жидкость рассматривается.

Вода и газ. Все они различаются по своим свойствам. Особое место в этом списке занимают жидкости. В отличие от твердых тел, в жидкостях молекулы не расположены упорядочено. Жидкость - это особое состояние вещества, являющееся промежуточным между газом и твердым телом. Вещества в этом виде могут существовать только при строгом соблюдении интервалов определенных температур. Ниже этого интервала жидкое тело превратится в твердое, а выше - в газообразное. При этом границы интервала напрямую зависят от давления.

Вода

Одним из основных примеров жидкого тела является вода. Несмотря на принадлежность к данной категории, вода может принимать форму твердого тела или газа - в зависимости от температуры окружающей среды. В процессе перехода из состояния жидкости в твердое, молекулы обычного вещества сжимаются. Но вода ведет себя совершенно иначе. При замерзании ее плотность снижается, и вместо того, чтобы тонуть, лед выплывает на поверхность. Вода в своем обычном, текучем, состоянии обладает всеми свойствами жидкости - у нее всегда имеется конкретный объем, однако, нет определенной формы.

Поэтому вода всегда сохраняет тепло под поверхностью льда. Даже если температура окружающей среды составляет -50°С, то подо льдом она все равно будет составлять около нуля. Однако в начальной школе можно не углубляться в подробности свойств воды или других веществ. В 3 классе примеры жидких тел можно приводить самые простые - и в этот список желательно включить воду. Ведь ученик начальной школы должен иметь общие представления о свойствах окружающего мира. На данном этапе достаточно знать, что вода в ее обычном состоянии является жидкостью.

Натяжение поверхности - свойство воды

Вода обладает большим, чем другие жидкости, показателем натяжения поверхности. Благодаря этому свойству образуются капли дождя, а, следовательно, и поддерживается круговорот воды в природе. Иначе пары воды не могли бы так легко превратиться в капли и пролиться на поверхность земли в виде дождя. Вода, действительно, является примером жидкого тела, от которого напрямую зависит возможность существования живых организмов на нашей планете.

Поверхностное натяжение объясняется тем, что молекулы жидкости притягиваются друг к другу. Каждая из частиц стремится окружить себя другими и уйти с поверхности жидкого тела. Именно поэтому мыльные и образующиеся при кипении воды пузыри стремятся принять жидкую форму - при этом объеме минимальной толщиной поверхности может обладать только шар.

Жидкие металлы

Однако не только привычные для человека вещества, с которым он имеет дело в повседневности, принадлежат к классу жидких тел. Среди этой категории немало различных элементов периодической системы Менделеева. Примером жидкого тела также является ртуть. Это вещество широко применяется в изготовлении электротехнических приборов, металлургии, химической промышленности.

Ртуть является жидким, блестящим металлом, испаряющимся уже при комнатной температуре. Она способна растворять серебро, золото и цинк, образуя при этом амальгамы. Ртуть является примером того, какие бывают жидкие тела, относящиеся к категории опасных для жизни человека. Ее пары токсичны, опасны для здоровья. Поражающее действие ртути проявляется, как правило, через некоторое время после контакта отравления.

Металл под названием цезий также относится к жидкостям. Уже при комнатной температуре он находится в полужидкой форме. Цезий на вид представляет собой вещество золотисто-белого оттенка. Данный металл немного похож на золото по цвету, однако, светлее его.

Серная кислота

Примером того, какие бывают жидкие тела, также являются и практически все неорганические кислоты. К примеру, серная кислота, на вид представляющая собой тяжелую маслянистую жидкость. У нее нет ни цвета, ни запаха. При нагревании она становится очень сильным окислителем. На холоде она не вступает во взаимодействие с металлами - например, железом и алюминием. Данное вещество проявляет свои характеристики только в чистом виде. Разбавленная серная кислота не проявляет окислительных свойств.

Свойства

Какие жидкие тела существуют помимо перечисленных? Это кровь, нефть, молоко, минеральное масло, алкоголь. Их свойства позволяют этим веществам легко принимать форму тары. Как и другие жидкости, эти вещества не теряют своего объема, если перелить их из одного сосуда в другой. Какие же еще свойства присущи каждому из веществ в данном состоянии? Жидкие тела и их свойства хорошо изучены физиками. Рассмотрим их основные характеристики.

Текучесть

Одна из главнейших характеристик любого тела данной категории - это текучесть. Под данным термином понимается способность тела принимать различную форму, даже если не него оказывается относительно слабое воздействие извне. Именно благодаря данному свойству каждая жидкость может разливаться струями, разбрызгиваться по окружающей поверхности каплями. Если бы тела данной категории не обладали текучестью, было бы невозможным налить воду из бутылки в стакан.

При этом данное свойство выражается у разных веществ в различной степени. Например, мед меняет форму очень медленно по сравнению с водой. Данную характеристику называют вязкостью. Это свойство зависит от внутреннего строения жидкого тела. Например, молекулы меда больше похожи на ветви дерева, а молекулы воды, скорее, напоминают шарики с небольшими выпуклостями. При движении жидкости частицы меда будто «цепляются друг за друга» - именно этот процесс и придает ему большую вязкость, нежели другим типам жидкостей.

Сохранение формы

Нужно помнить и о том, что о каком бы примере жидких тел ни шла речь, они меняют только форму, но не меняют объем. Если налить воды в мензурку, и перелить ее в другую емкость, данная характеристика не изменится, хотя и само тело примет форму нового сосуда, в который его только что перелили. Свойство сохранения объема объясняется тем, что между молекулами действуют как силы взаимного притяжения, так и отталкивающие. Нужно отметить, что жидкости практически невозможно сжать посредством внешнего воздействия за счет того, что они всегда принимают форму контейнера.

Жидкие и твердые тела отличаются тем, что последние не подчиняются Напомним, что данное правило описывает поведение всех жидкостей и газов, и заключается в их свойстве передавать оказываемое на них давление во все стороны. Однако нужно отметить, что те жидкости, которые обладают меньшей вязкостью, делают это быстрее, чем более вязкие жидкие тела. Например, если оказать давление на воду или спирт, то оно распространится достаточно быстро.

В отличие от этих веществ, давление на мед или жидкое масло будет распространяться медленнее, однако, так же равномерно. В 3 классе примеры жидких тел можно приводить без указания их свойств. Более детальные знания школьникам понадобятся в старших классах. Однако если ученик подготовит дополнительный материал, это может поспособствовать получению более высокой оценки на уроке.

Самая распространенная на Земле жидкость - вода: моря и океаны покрывают примерно 7/10 поверхности земного шара.

Главные свойства жидкости. Мы установим их на опыте, который хорошо знаком вам из житейской практики.

Поставим опыт

Переливая воду из одного сосуда в другой, мы увидим, что жидкость всегда принимает форму сосуда (рис. 7.4). Используя измерительные сосуды, можно заметить также, что жидкость сохраняет свой объем.

Рис. 7.4. Жидкость принимает форму сосуда, сохраняя свой объем

Где используют свойство жидкости принимать форму сосуда?

Мы уже отмечали, что жидкости практически несжимаемы. О том, насколько трудно сжать жидкость, говорит такой опыт. Толстостенную свинцовую сферу заполнили доверху водой через небольшое отверстие, запаяли это отверстие и ударили по сфере молотом. И вода просочилась сквозь металл: на поверхности свинца выступили капли воды.

Как объясняются свойства жидкостей? На рис. 7.5 схематически показано расположение молекул в жидкости. Мы видим, что (молекулы в жидкости расположены вплотную друг к другу, но в этом расположении нет определенного порядка.

Рис. 7.5. Схематическое изображение молекулярного строения жидкости

«Тесное» расположение молекул в жидкости объясняет ее малую сжимаемость.

А почему жидкость принимает форму сосуда? Дело в том, что из-за отсутствия порядка в расположении молекул они при хаотическом движении часто меняются местами друг с другом. Эти частые «перескоки» молекул приводят к тому, что форма жидкости может меняться очень быстро - настолько быстро, что мы говорим: жидкость течет. Текучестью жидкости и объясняется то, что она принимает форму сосуда, в который она налита. Впрочем, жидкость имеет и свою форму (см. далее раздел «Почему капли круглые?»).

Продемонстрируйте твердые тела различной формы. Обратите внимание на то, что все твердые тела имеют определенную форму, изменить которую трудно.

Вывод : сохранение объема и формы – свойство твердых тел.

В цилиндрическом стакане с делениями находится жидкость. Отметьте уровень жидкости в стакане. Затем эту жидкость последовательно перелейте в колбу, в конический стакан, в узкую высокую мензурку, а затем вновь в цилиндрический стакан с делениями.

Вывод: жидкость сохраняет объем, но легко меняет свою форму.

Повторите опыты - сжатие газа и жидкости. Газы в тысячу раз более сжимаемы, чем жидкости.

Перевяжите нитью воздушный шарик. Надуйте его и перевяжите отверстие шара нитью. Отвяжите первую нить. Воздух займет весь предоставленный ему объем.

Вывод: газы не имеют постоянного объема и собственной формы – заполняют весь предоставленный им объем.

Опыт 3. Модель пространственной решетки кристалла .

Познакомьте учащихся с особенностью строения кристаллических тел на модели пространственной решетки кристалла поваренной соли (NаCl). Для этого соберите модель и установите ее на подставке.

Обратите внимание, что шары одного цвета имитируют собой ионы натрия, а другого - ионы хлора. Каждый ион в кристалле совершает колебательное движение около некоторого среднего положения – узла. Если соединить узлы прямыми линиями, то образуется пространственная решетка аналогичная представленной модели.

Ионы чередуются между собой; они расположены на равных расстояниях друг от друга по трем взаимно перпендикулярным направлениям и образуют в пространстве правильную кубическую форму. Каждый из ионов натрия окружен шестью ионами хлора, и наоборот, каждый ион хлора – шестью ионами натрия.

Если на той или иной грани решетки выбрать одно из вертикальных или горизонтальных направлений, можно заметить, что по этим направлениям всегда будут встречаться чередующиеся ионы натрия и хлора.

Если же провести прямую линию по диагонали, на ней окажутся только шарики одного цвета, то есть ионы одного элемента.

Это наблюдение может служить основанием для объяснения анизотропии кристаллов.

Заполните таблицу.

Лабораторная работа 2

Давление твердых тел, жидкостей и газов.

Тема 1. Давление газа. Закон Паскаля.

Опыт 1.Раздувание резиновой камеры под колоколом воздушного насоса.

В резиновой камере (шарик, перчатка) оставьте небольшое количество воздуха, отверстие пережмите зажимом. Положите камеру на тарелку воздушного насоса так, чтобы она не закрывала отверстие отводной трубки тарелки, и накройте стеклянным колоколом. Соедините тарелку с насосом и выкачивайте воздух. По мере разряжения воздуха объем камеры будет увеличиваться и примет форму шара. Затем под колокол вакуумной тарелки медленно впустите воздух. Пронаблюдайте обратное явление.

Молекулы воздуха в результате своего движения непрерывно бомбардируют стенки камеры изнутри и снаружи. Пока давление воздуха с обеих сторон было одинаково, она не изменяла своей формы. При откачивании воздуха число молекул, приходящееся на единицу объема в колоколе, уменьшается по сравнению с камерой. Поэтому число ударов молекул о стенки камеры изнутри становится больше числа ударов снаружи и камера раздувается. Шарообразная форма камеры показывает, что воздух давит на стенки камеры по всем направлениям одинаково. Последнее является следствием беспорядочного движения молекул.

Опыт 2. Механическая модель газа.

В плоском прозрачном сосуде в потоке воздуха движутся поролоновые шарики, имитирующие молекулы. Обращаем внимание на беспорядочное движение «молекул». Поршень прибора поднимите выше, увеличивая объем потока воздуха, опустите ниже. Увеличивается и уменьшается скорость потока воздуха, вызывая увеличение и уменьшение скорости движения «молекул». Обратите внимание на частоту ударов «молекул» о стенки сосуда в зависимости от объема воздуха и скорости их движения.

Давление газа на стенки сосуда вызывается ударами молекул газа.

Опыт 3. Изменение давления газа при изменении его объема и температуры.

Конец стеклянной трубки с поршнем плотно закройте пробкой, в которую вставьте воронку. Широкий конец воронки предварительно затяните тонкой резиновой пленкой, которую закрепите на воронке с помощью нескольких витков прочной нити. Все соединения должны обеспечивать герметичность. Разъясните учащимся, что резиновая пленка будет служить индикатором давления воздуха.

В начале опыта давление воздуха с обеих сторон пленки одинаково, поэтому она имеет плоскую поверхность. Перемещая поршень вниз, уменьшим объем воздуха в трубке. Резиновая пленка прогибается наружу, что доказывает повышение давления в трубке.

При выдвижении поршня пленка снова становится плоской, а потом прогибается внутрь воронки, указывая на уменьшение внутреннего давления воздуха. Можно сделать вывод, что при уменьшении объема газа давление уменьшается. Изменение давления объясняется изменением числа ударов молекул о стенки сосуда.

Для демонстрации зависимости давления газа от температуры, воронку с натянутой на ней резиновой пленкой вынимают из трубки и плотно вставляют в горлышко стеклянной колбы. Воздух в колбе осторожно нагревают над пламенем спиртовки. Наблюдают, как по мере повышения температуры резиновая пленка выгибается, указывая на увеличение давления воздуха внутри колбы.

Расположите колбу над кюветой и облейте ее холодной водой. Пленка прогибается внутрь воронки. Рассматриваемое явление объясняется изменением скорости движения молекул, в результате чего изменяется сила и частота их ударов о стенки сосуда.

Опыт 4. Передача давления газами и жидкостями.

Возьмите прибор «шар Паскаля». Отвинтите шар от цилиндра прибора и выдвиньте поршень со штоком до отказа. В цилиндр налейте воду и снова приверните к нему шар. Расположив прибор над противнем, медленно вдвигайте поршень. Струи из всех отверстий шара разбрызгиваются примерно на одинаковые расстояния, что говорит об одинаковой скорости истечения воды из всех отверстий. Струи желательно осветить боковым светом. В этом случае они рельефно выделяются на темном фоне доски.

Для демонстрации передачи давления в газах можно в качестве индикатора взять зубной порошок. Отвинтив шар, насыпьте в него немного зубного порошка. Затем встряхните шар несколько раз и привинтите его к цилиндру прибора. При уменьшении объема воздуха в цилиндре при перемещении поршня струи порошка (дыма) выбиваются из отверстий шара по всем направлениям на одинаковое расстояние.

Давление, производимое на жидкость или газ, передается без изменения в каждую точку жидкости или газа.

Опыт 4. Устройство и принцип действия гидравлического пресса.

Сделайте в тетради схематический чертеж гидропресса с манометром и предохранительным клапаном. Сопоставьте основные части пресса с их схематическими изображениями на доске. Называя отдельные части прибора и их назначение, расскажите, как устроен гидравлический пресс и как взаимодействуют его отдельные части между собой. Подумайте, какие устройства в прессе предохраняют его от разрушения.

Объясните, каким образом на прессах получают большой выигрыш в силе.

Продемонстрируйте действие прибора. Установите на приборе приспособление для сгибания и разрушьте деревянный брусок шириной 30 – 40мм, длиной 25 -30 мм. Брусок укладывают в прибор так, чтобы сгибание и разрушение его происходило поперек волокон.

Тема 2. Давление в жидкости.

Опыт 1. Свободная поверхность жидкости.

В стеклянный сосуд налейте воду. Покажите, что при любых наклонах сосуда жидкость в сосуде сохраняет горизонтальное направление.

Свободной поверхностью жидкости называют ту ее поверхность, которая не соприкасается со стенками сосуда.

Опыт 2. Устройство и принцип действия уровня.

Свойство свободной поверхности жидкости располагаться на горизонтальном уровне используется в приборах для проверки горизонтальности поверхности, которые кратко называются уровнями.

Конструкции уровней могут быть различны. Продемонстрируйте различные модели уровней.

Опыт 3. Сила давления жидкости на дно сосуда.

Натяните нить и прижмите пластинку к нижней пришлифованной кромке цилиндра. Затем опустите цилиндр с прижатым к нему донышком в сосуд с водой и отпустите нить. Обратите внимание на то, что на донышко со стороны жидкости действует сила давления, направленная снизу вверх, поэтому оно не отпадает от цилиндра.

Для определения величины этой силы медленно начните наливать подкрашенную воду цилиндр. По мере наполнения цилиндра водой увеличивается сила давления жидкости на дно цилиндра направленная сверху вниз. Как только уровни воды в сосуде и цилиндре станут одинаковыми, донышко отпадет. Сила давления воды на дно снизу равна весу столба жидкости в цилиндре, дно отпадает вследствие действия на него силы тяжести.

Опыт 4. Давление жидкости на стенки сосуда.

Возьмите цилиндр с боковыми отверстиями. Отверстия можно закрыть, например, спичками. Заполните цилиндр водой. Быстро выньте спички из отверстий в цилиндре. Обратите внимание на то, что, чем ниже отверстие, тем с большей скоростью и дальше вытекает из него струя, то есть тем больше давление воды у отверстия. Во время опыта желательно все время подливать воду в цилиндр.

Жидкость оказывает давление не только на дно, но и на стенки сосуда. Это давление зависит от высоты столба жидкости.

Опыт 5. Сила давления жидкости на дно не зависит от формы сосуда.

Рассмотрите устройство прибора Паскаля. Он состоит из основания, на котором укреплена кольцеобразная оправа с резьбой. Оправа затянута снизу тонкой резиновой пленкой, опирающейся на круглую пластинку, соединенную рычагом с легкоподвижной стрелкой.

К прибору прилагаются три сосуда разной формы и объема, но с одинаковой площадью основания.

На каждом сосуде имеется резьба, с помощью которой он устанавливается на приборе.

Закрепите в оправе цилиндрический сосуд и налейте в него воду на высоту 2 см ниже верхней кромки. Уровень воды в сосуде отметьте перемещающимся по стержню указателем, а место стрелки на шкале специальным указателем. Через сливной кран вылейте воду.

Установите в оправу по очереди сосуды другой формы. Убедитесь, что воды приходится брать значительно больше или меньше, чем для цилиндрического сосуда, а стрелка каждый раз устанавливается в одном и том же положении на шкале, когда уровень воды в сосудах поднимался до отмеченного в первом случае. В этом и заключается «парадокс» Паскаля или гидростатический парадокс.

Тема 3. Сообщающиеся сосуды.

Опыт 1. Две прозрачные трубки соедините шлангом с зажимом. В одну из трубок налейте подкрашенную воду. Снимите зажим. Вода из одной трубки пепетекает в другую до тех пор, пока поверхности воды в обеих трубках не сравняются.

Сосуды, в которых жидкость может свободно перетекать из одного сосуда в другой, называются сообщающимися.Измените положение одной трубки относительно другой. Убедитесь, что свободные поверхности покоящейся жидкости в сообщающихся сосудах любой формы находятся на одном уровне.

Опыт 2. Повторите опыт 1, но в одну из трубок в начале опыта налейте воду, а в другую насыщенный подкрашенный раствор поваренной соли или керосин. После снятия зажима убедитесь в том, что уровни жидкости в трубках окажутся разными.

Свободные поверхности покоящихся неоднородных жидкостей находятся на разных уровнях.

Опыт 3. Устройство и принцип действия водопровода.

При изучении устройства и действия водопровода обратите внимание на то, что техническое сооружение обычно состоит из двух основных частей, имеющих различное назначение.

Одна часть водопровода – это насос или насосная станция, задача которой заключается в перекачивании воды из источника (реки или специальных скважин) в водонапорный резервуар, располагающийся в самой высокой части района, куда подается вода. Вторая часть водопровода состоит из этого водонапорного резервуара и сети больших и малых труб, по которым вода поступает к потребителю. Последняя часть действует по принципу сообщающихся сосудов и легко демонстрируется на простой самодельной модели.

Соберите установку модели водопровода, изображенную на рисунке. Налейте слегка подкрашенную воду из стакана в воронку, изображающую водонапорный бак. Откройте верхний кран, чтобы дать возможность выйти воздуху, и пронаблюдайте, как вода из воронки поступает в нижнюю магистральную трубу. Из этой трубы вода входит во вторую, вертикальную трубу, изображающую стояк в здании, из которого идут по этажам два ответвления, снабженных кранами.

Опыт 4. Устройство и принцип действия фонтана.

Соберите установку изображенную на рисунке. Наливая воду в воронку, медленно опустите резиновую трубку со стеклянным наконечником вниз. Убедитесь в том, что, когда его верхний край окажется немного ниже уровня воды в воронке, вода начинает выливаться из наконечника.

Опустите наконечник вниз до противня и зажмите в лапке штатива. Пронаблюдайте, как вытекающая струя начинает бить из отверстия наконечника. Не забудьте при этом все время подливать воду в воронку.

Опыт 5. На принципе сообщающихся сосудов устроены водомерные трубки для баков с водой.

Такие трубки имеются, например, на умывальных баках в железнодорожных вагонах. В открытой стеклянной трубке, присоединенной к баку, вода стоит всегда на том же уровне, что и в самом баке.

Если водомерная трубка устанавливается на паровом котле, то верхний конец трубки соединяется с верхней частью котла, наполненной паром. Это делается для того, чтобы давление на свободной поверхности воды в котле и в водомерной трубке было одинаковым. Тогда уровень воды в трубке находится на той же высоте, что и уровень воды в котле.

Тема 4. Вес воздуха. Атмосферное давление.

Опыт 1. Возьмите стеклянный цилиндр с поршнем от шара Паскаля. Открытый конец трубки, к которому подведен поршень, погрузите в подкрашенную воду на 3 – 4 см, а затем медленно поднимите поршень. Вода под действием внешнего атмосферного давления поднимается вверх за поршнем.

Опыт 2. Вес воздуха.

Шар для взвешивания воздуха уравновесьте на весах. Затем откачайте воздух из шара. Равновесие весов нарушилось. Сделайте вывод.

Опыт 3. Фонтан в разряженном пространстве.

Возьмите стеклянный сосуд, отверстие которого закрыто резиновой пробкой, сквозь отверстие которой пропустите стеклянную трубку с оттянутым концом. Другой конец трубки соедините с винтовым или пружинным зажимом.

После откачивания воздуха насосом, прибор закрепите в штативе, отпустите резиновый патрубок в сосуд с подкрашенной водой и отпустите зажим.

Благодаря атмосферному давлению вода будет с силой входить через узкое отверстие внутрь прибора, образуя фонтан.

Опыт 4. Действие ливера или пипетки.

Опустите ливер в стеклянный сосуд с подкрашенной водой. Вода в ливере и сосуде находится на одном уровне. Закройте пальцем верхнее отверстие ливера и выньте его из сосуда. Вода удерживается в ливере вследствие атмосферного давления.

Затем приоткройте верхнее отверстие трубки. Воздух получает доступ в ливер, и вода из него выливается.

В процессе объяснения действия ливера надо показать, что ливером можно брать пробу жидкости с различной глубины.

Продемонстрируйте действие пипетки. Объясните наблюдаемые явления.

Опыт 5. Вода не выливается из сосуда с отверстиями в дне.

С помощью тонкой проволоки или шила покажите учащимся, что в сосуде есть отверстия. Затем сосуд погрузите в воду. Как только он наполнится водой, отверстие в крышке закройте пальцем, поднимите прибор и расположите его над противнем. Вода не выливается через отверстия: она поддерживается внешним атмосферным давлением. После этого откройте отверстие в крышке и пронаблюдайте обильный «душ», образованный многочисленными струйками воды.

Опыт 6. Опыт Торричелли.

Познакомьтесь с описанием опыта в учебнике физики для 7 класса. Сделайте записи в тетради по плану: историческая справка; цель проведения опыта; схема экспериментальной установки; основные этапы проведения опыта; результаты опыта; выводы.

Тема 5. Действие жидкости и газа на погруженное в них тело. Закон Архимеда.

Опыт 1. Действие жидкости и газа на погруженное тело.

Убедитесь в том, что на тело, находящееся в жидкости или газе действует выталкивающая сила, направленная противоположно силе тяжести, приложенной к этому телу.

Подвесьте тело на резиновом жгуте. Жгут растянулся под действием веса тела.

Опустите тело в сосуд с водой. Длина шнура значительно сократилась. Опыт можно провести с пружиной от ведерка Архимеда. В качестве тела целесообразно взять крупный картофель.

Стеклянный шар, уравновешенный на весах, поместите внутрь открытого сосуда. Сосуд наполните углекислым газом, который можно получить с помощью аппарата Кипа. Равновесие весов нарушается. Сделайте вывод.

Опыт 2. Предложите варианты опытов, которые необходимо продемонстрировать для выяснения зависимости выталкивающей силы от массы тела; плотности жидкости; плотности вещества, из которого сделано тело; глубины погружения тела в жидкость; формы тела; объема тела. Выполните опыты. Сделайте вывод.

Опыт 3. Закон Архимеда.

Покажите, что емкость ведерка равна объему груза в виде цилиндра. Для этого вложите цилиндр в ведерко. Обратите внимание, что между стенками ведерка и цилиндром нет зазора.

К пружине динамометра, зажатого в лапке штатива, подвесьте ведерко, а за ним на тонкой проволочке - груз. Под действием веса груза пружина деформируется.

Отметьте положение диска на пружине передвижной стрелкой.

Опустите цилиндр полностью в сосуд с водой. Указатель растяжения пружины переместится вверх и расположится выше стрелки.

Объясните учащимся, что сила, выталкивающая тело из жидкости, будет равна весу такого добавочного груза, который возвратил бы диск – указатель на прежнее место, то есть к стрелке.

Возьмите стакан с водой и медленно налейте ее в ведерко. Благодаря весу воды пружина вновь растягивается и диск, опускаясь вниз, приходит к указателю. Как только диск достигнет стрелки, вода начинает выливаться из ведерка.

Можно сделать вывод: сила, выталкивающая погруженное в жидкость тело, равна весу жидкости в объеме этого тела.

Тема 6. Плавание тел. Плавание судов. Воздухоплавание.