Презентация по физике по теме "Физик на все руки"

III региональный командный турнир школьников

«Физик на все руки»

Трактат о емкости, бутылке и «буль-булях».

                                                                         Выполнили:

                                         Гриднев Владислав

                                         Климович Ольга

                                         Новиков Павел                                                                                     

                                         Захаров Александр     

                                         Тарасов Алексей

 Школа физиков «Спектр»

МБОУ Богашевская СОШ им. Федорова.

2015г

Содержание  

Введение ……………………………………………………………………..	3
Практическая значимость проекта. Приборы для проведения эксперимента…………	5
Теоретическая часть ……………………………………………………….........................	6
Эксперимент№1. Зависимость времени  вытекания жидкости от давления…………... Эксперимент№2. Зависимость времени вытекания жидкости от сечения отверстия. Эксперимент№3. Зависимость времени вытекания жидкости от ее температуры.	8
Эксперимент№4. Зависимость времени вытекания жидкости от рода жидкости. Эксперимент№5. . Зависимость времени вытекания жидкости от ее вращения вокруг собственной оси.
Заключение ………………………………………………………………….
Литература …………………………………………………………………..

ВВЕДЕНИЕ

«О сколько нам открытий чудных

Готовит просвещенья дух

И опыт, сын ошибок трудных,

И гений, парадоксов друг….»

                                       А.С. Пушкин   

Почему трактат? Трактат (лат.tractatus)-труд, в котором подробно рассматривается отдельная проблема

В повседневной жизни мы часто наблюдаем, когда  вода выливается  из закрытого сосуда с узким отверстием (это может быть труба, емкость или, например, обыкновенная стеклянная бутылка), сопровождающееся образованием воздушных пузырей, которые в свою очередь издают звуки («буль-були»). Если  вода вытекает из бутылки, то воздух в ней (между дном и поверхностью воды) расширяется, давление его падает и становится меньше атмосферного. Вследствие этого наружный воздух пузырями прорывается сквозь жидкость в бутылку. Возникает бульканье. «Бульк» — звук, производимый жидкостью, отрывисто вытекающей из сосуда с узким горлышком.

Скорость вытекания жидкости зависит от разности давлений внутри сосуда и снаружи. При простом опрокидывании давление воздуха внутри бутылки понижается до определённого момента, когда бутылка "заглатывает" воздух снаружи - и так до следующего раза. В этом случае вода вытекает прерывисто и с меньшей скоростью. А если воду раскрутить, то воздух подсасывается через центр воронки постоянно, таким образом, скорость вытекания увеличивается.  

На этот вопрос, казалось бы, ответить совсем несложно. Чего же проще? Переверни бутылку вверх дном, вот и вся премудрость. Это, конечно, верно, но как поступить, чтобы вода или любая другая жидкость, находящаяся в бутылке, выливалась оттуда как можно быстрее?

Попробуем предварительно найти ответы на поставленные вопросы путем проведения опытов. Для этого  понадобятся две бутылки, лучше всего литровые, с не очень широким горлышком. Опыт можно проводить в ванне или раковине, стараясь при этом не набрызгать вокруг. Наполним обе бутылки водой и одновременно перевернем их вверх дном. Одну из них держим неподвижно (она послужит для сравнения), а со второй будем проводить разные эксперименты, стараясь как можно быстрее вылить из нее воду.
 Опытным путем можно найти ответы на отдельные вопросы, которые возникают в процессе экспериментирования. Например, если придать воде, находящейся в одной из бутылок, вращательное движение, то можно убедиться, что «крутящаяся» вода выльется быстрее. Почему? Нам предстоит найти ответы на эти вопросы. Понять ситуацию можно, проанализировав следующую простую аналогию. Взглянем внимательно на улицу и представим себе на момент, что машины едут в двух направлениях не каждый по своей правой стороне, а по всей ширине дороги. Разве можно было бы тогда двигаться быстро? Теперь снова взглянем на то, что происходит в бутылках, и попробуем найти ответ на наш вопрос.

При вытекании воды из бутылки ее место занимает входящий снаружи воздух (он вталкивается туда силой атмосферного давления). Итак, вниз течет вода, а вверх движутся пузырьки воздуха. Это движение определенного объема воды вниз и такого же объема воздуха вверх можно сравнить с движением транспорта на суженном участке дороги. Сначала проезжает автомобиль в одном направлении, а тому, кто едет навстречу, приходится подождать, пока встречная машина проедет и освободит путь.
Когда вода вращается, центробежная сила прижимает ее к стенкам бутылки. В середине, вдоль оси вращения, образуется воздушный канал. По этому каналу воздух поступает в бутылку, занимая место вытекающей из нее воды. При этом он не препятствует вытеканию воды.

Цель работы: исследовать зависимость скорости истечения  жидкости из закрытой  емкости.

Задачи:

1.Изучить научную и популярную литературу по теме.

2.Найти математическую модель истечения жидкости из закрытой  емкости, исследовать факторы, влияющие на скорость истечения жидкости.

3. Провести эксперименты доказывающие справедливость предложенной модели.

4.Сделать обобщающие выводы и предложения по практическому применению полученных результатов.

Практическая значимость проекта.

Поставленные задачи на первый взгляд не имеют прямого практического применения кроме тренировки ума при решении «простой – непростой» задачи. Но это на первый взгляд. На самом деле это не простая инженерная задача, которую нужно решать, например, при повреждении промышленных емкостей с более серьезными жидкостями, чем вода. Это могут быть железнодорожные цистерны, топливные баки кораблей, водонапорные башни.

Приборы для проведения эксперимента:

·        Бутылка объемом 0,75л.

·        Модульная система PROLOG (Цифровой измерительный модуль для измерения температуры и давления).

·        Жидкости (вода, мыльный раствор, соленая вода, керосин)

·        Электронный секундомер.

·        Набор насадок для горлышка бутылки.

                                 Теоретическая часть

Проведем эксперименты по выявлению факторов влияющих на вытекание жидкости из бутылки. Для начала смоделируем перевернутую бутылку с водой (рис 1.) и попробуем разобраться в причинах ускоряющих или замедляющих выливания воды из бутылки.

               

Если наполненная водой бутылка будет перевернута, то возникнет ситуация, которая изображена на рисунке 1. Давление у дна будет: P₁=P₀ – ρgh(1), где P₀- атмосферное давление, ρ-плотность жидкости, h- высота столба жидкости . У дна образуется пониженное давление, что приводит к выделению пузырьков растворенных в воде. Они естественно поднимаются вверх и освобождают малый объем V₁. Такой же объем воды выльется из бутылки, а в горлышко бутылки войдет пузырек воздуха объемом  V₁. На пузырек, образующийся в бутылке, будет действовать две силы( F_A, F_C),где F_A- сила Архимеда, F_C – сила сопротивления. Применим к пузырьку 2-ой закон Ньютона:

Из кинематики известно , где a ускорение пузырька. Отсюда
  

 Это время подъема пузырька воздуха, после чего объем воздушной полости у дна становится равным 2 V₁. Далее процесс будет повторяться. При этом объем пузырька каждый раз будет увеличиваться. Всякий пузырек сопровождается звуком, который мы назовем «буль-булем». Так как высота столба жидкости с каждым «булем» уменьшается, то среднее время подъема пузырька определяется из соотношения:

                            
                                   

Объем выходящей из бутылки порции воды равен V_1ср = S h_ср, где S – сечение бутылки.  Тогда число «буль-булей» будет равно      (2) .

Определим  время вытекания воды из бутылки :

                           (3)  .

Так как t пропорционально N, то время  будет пропорционально числу «буль-булей».

Увеличим мысленно атмосферное давление от P₀₁ до P₀₂. Тогда из (1) следует:

P₂ = P₀₂ – ρgh, где P₂ давление у дна сосуда во втором случае.

 Температура и масса газа в полости у дна бутылки остаются неизменными при смене  атмосферного давления   от P₀₁ до P₀₂. Применим закон Бойля – Мариотта к этой ситуации.

         (4)

Из уравнения (Б-М) следует, во сколько раз P₂ P₁ во столько раз V₁V₂.

Значит, V₂ будет меньше V₁. Отсюда объем выходящих  порций воды при увеличении давления должен уменьшиться, что приводит к пропорциональному уменьшению h_ср(2)_, увеличению числа «буль-булей» и времени вытекания воды из бутылки(3).

Отсюда первый вывод: время вытекания воды из бутылки или число «буль-булей» зависят от атмосферного давления.

Указанный вывод можно доказать экспериментальным путем. Для этого берем бутылку, секундомер и цифровой измерительный модуль. Давление откладываем на оси ординат, а время по оси абсцисс. Разное атмосферное  давление «ловим» по разным дням, т.к. камеры для изменения давления у нас не было. Результаты эксперимента приведены на рисунке 2.

                 

Эксперимент

№1

Заливаем воду в бутылку, переворачиваем ее до вертикального положения, фиксируем электронным секундомером время вытекания жидкости. Давление определяем  через датчик давления. Разное давление «ловим» в различные дни. Приведенный ниже график зависимости времени вытекания жидкости пропорционален давлению атмосферы, что полностью согласуется с формулой (3)

№2

Теперь выясним, как зависит время вытекания жидкости  из бутылки от площади сечения горлышка бутылки. Проведем эксперимент, используя то же оборудование что и в предыдущем случае. Сечение горлышка будем менять с помощью самодельных насадок.

Вывод: С уменьшением сечения бутылки продолжительность вытекания жидкости увеличивается.

№3

Следующий эксперимент посвятим изучению зависимости времени вытекания жидкости от температуры.

Вывод: Из графика четко прослеживается зависимость: чем ниже температура, тем больше времени вытекания жидкости.

№4

Для исследования зависимости времени выливания жидкости от рода жидкости мы берем то же оборудование и жидкости:

·        Чистая вода.

·        Мыльный раствор.

·        Соленая вода.

·        Керосин.

Вывод: диаграмма четко показывает зависимость времени вытекания жидкости от рода жидкости. Так вода и керосин имеют разницу в пределах секунды.

№ 5

Впечатляют результаты эксперимента с вращающейся жидкостью. Из диаграммы эксперимента следует разница выливания жидкости для вращающейся и невращающейся составляют 3 сек.

                                                           

Заключение

Предложенный проект является непростой математической задачей, решение которой уже этим полезно. Кроме того, как уже было сказано, освобождение емкостей является непростой инженерной задачей, включая аварийные ситуации. В предложенном проекте рассмотрены, пожалуй, все стороны проблемы кроме вязкости. И, наконец, причем здесь «буль–були» ? Они реально существуют, но к практике  никакого отношения не имеют. А вот, скажем, в поездке ради шутки разлить по  «булям» бутылочку минералки на равные доли пригодится вполне.

Литература

1.     Б.М. Яворский,  А. А. Пинский.  Основы физики М, Наука, 1969.

2.     М.М. Архангельский. Курс Физики, М, Просвещение,1965.

3.     Эрик Роджерс. Физика для любознательных,М,Мир,1969.

4.     Г.А Зисман, О.м.Тодес. Курс общей физики, М, Наука, 1969.

5.     Р.Т. Геворкян, В.В. Шепель. Курс общей физики, М, Высшая школа,1966.

6.     Г.С. Ландсберг, Элементарный учебник физики, М, Наука,1964.