Закон сообщающихся сосудов

Когда жидкость находится в равновесии, ее поверхность горизонтальна — например, в стакане с чаем (рис. 1, а). Поверхность жидкости остается горизонтальной и при наклоне сосуда (рис. 1, б).

Рис. 1. Поверхность покоящейся жидкости в сосуде всегда горизонтальна

Все точки горизонтальной поверхности находятся на одном и том же уровне. А будет ли поверхность жидкости на одном уровне в различных сосудах, если жидкость может перетекать из одного сосуда в другой? Такие сосуды называют сообщающимися.

Поставим опыт

Укрепим в штативе U-образную стеклянную трубку. Ее колена представляют собой сообщающиеся сосуды. Нальем подкрашенную воду в любое колено трубки — мы увидим, что вода установится в обоих коленах на одном уровне (рис. 2, а).

Если наклонить трубку, то часть воды перельется из одного колена в другое так, что поверхность воды в коленах будет снова на одном уровне (рис. 2, б).

Рис. 2. Поверхность жидкости в сообщающихся сосудах находится всегда на одном уровне

Итак, в сообщающихся сосудах поверхность жидкости находится на одном уровне.

Это утверждение называют законом сообщающихся сосудов . Закон сообщающихся сосудов обусловлен текучестью жидкости и тем, что давление жидкости растет с увеличением глубины.

Рис. 3. Пока уровни жидкости в сообщающихся сосудах не станут одинаковыми, жидкость будет перетекать из сосуда, где уровень жидкости выше, в сосуд, где уровень жидкости ниже

Действительно, если в одном из сообщающихся сосудов уровень жидкости был бы выше, то давление жидкости у дна этого сосуда было бы больше, вследствие чего жидкость начала бы перетекать в тот сосуд, где уровень жидкости ниже (рис. 3).

Закон сообщающихся сосудов справедлив только для сосудов, содержащих одну и ту же жидкость (или разные жидкости, но с одинаковой плотностью). В разделе «Сообщающиеся сосуды с различными жидкостями» мы рассмотрим пример для жидкостей с различной плотностью.

Как работает водопровод? На рис. 4 изображена схема действия водопровода в небольшом населенном пункте. Воду из реки или озера накачивают насосами в высоко расположенный бак — его устанавливают на водонапорной башне. А из этого бака вода течет в дома, подчиняясь закону сообщающихся сосудов.

Рис. 4. Схема действия водопровода в поселке. Вода постулает в дома из высоко расположенного бака.

Сообщающиеся сосуды с различными жидкостями Рассмотрим на примере случай, когда в сообщающиеся сосуды налиты несмешивающиеся жидкости с различной плотностью. Решим задачу В U-образной трубке находятся вода и масло (рис. 5). Высота слоя масла равна 10 см. Насколько уровень поверхности масла выше уровня поверхности воды? Будем считать, что плотность масла равна 900 кг/м3. Решение. На уровне поверхности раздела масла и воды (отмеченном пунктирной линией на рис.5) давление одинаково (иначе вода в нижней части трубки перетекала бы в сторону меньшего давления). Следовательно, давление, создаваемое слоем масла, равно давлению, создаваемому слоем воды над отмеченным уровнем. Если обозначить высоту слоя масла hм, а указанного слоя воды hв, то получим ρмghм = ρвghв, где ρм и ρв — плотность масла и воды соответственно. Отсюда hв/hм=ρм/ρв, то есть уровень жидкости выше в сосуде, содержащем, жидкость с меньшей плотностью. Найдем разность уровней жидкостей. Из выведенной формулы получаем Поскольку высота слоя масла по условию 10 см. получаем, что уровень масла на 1 см. выше уровня воды. Ответ: на 1 см. Рис. 5. Если в сообщающиеся сосуды налиты жидкости с различной плотностью, уровни жидкости в сосудах будут разными Домашняя работа Задание 1. Ответь на вопросы. Задание 2. Реши ребус. К занятию прикреплен файл «Это интересно!». Вы можете скачать файл в любое удобное для вас время. Использованные источники: http://www.tepka.ru/fizika_7

Что такое сообщающиеся сосуды?
- это сосуды, имеющие между собой сообщение, заполняемое жидкостью.

Пример сообщающихся сосудов - обыкновенный чайник!
А как же выглядят уровни жидкости внутри чайника?

Уровень воды в носике чайника и уровень воды в основном объеме чайника всегда одинаковы.
Теперь вы легко сможете отличить "правильный" чайник от "неправильного" чайника.

Есть ли смысл делать чайник с носиком, который заканчивается значительно ниже корпуса чайника? Лучше уж наоборот, тогда при любом заполнении чайника из носика ничего не выльется!

В сосуде с жидкостью верхние слои жидкости давят на нижние, и по закону Паскаля это давление передается жидкостью по всем направлениям одинаково.
Поэтому при равновесии жидкости (в состоянии покоя) давление на любом горизонтальном уровне одинаково по всем направлениям.

Давление жидкости пропорционально высоте столба жидкости и плотности жидкости.

Основное свойство сообщающихся сосудов:
В сообщающихся сосудах любой формы поверхности однородной жидкости устанавливаются на одном уровне, если давление воздуха над ними одинаково.

Усложним задачу для сообщающихся сосудов!
Если в один из сообщающихся сосудов налить жидкость одной плотности, а в другой - жидкость другой плотности, то уровни этих жидкостей в сосудах не будут одинаковыми.
При равенстве давлений над жидкостями высота столба жидкости с большей плотностью будет меньше высоты столба жидкости с меньшей плотностьью.

В сообщающихся сосудах высоты столбов над уровнем раздела двух разнородных жидкостей обратно пропорциональны плотностям жидкостей.

Еще в Древней Греции жрецы сумели использовать свойства сообщающихся сосудов для устройства "неиссякаемой" священной чаши.

Позднее основное свойство сообщающихся сосудов, открытое заново в 16 веке, стали использовать в различных технических устройствах.
Так по принципу действия сообщающихся сосудов работает водомерное стекло парового котла.

Сообщающиеся сосуды используют и при устройстве фонтанов.

Например, в пригороде Санкт-Петербурга, в Петергофском парке еще со времен Петра Первого есть интересный фонтан-шутиха.

В основу шлюзовой системы для прохода судов также заложены знания о работе сообщающихся сосудов.
В России первые шлюзы на реках были обустроены с 18 века.

И современные водопроводные системы представляют собой разветвленную сеть сообщающихся сосудов.

А вот в Древнем Риме, к сожалению, почему-то о свойствах сообщающихся сосудов не знали и построили водопровод на высоких акведуках, трубам на которых на всем пути, а он составлял более 400 километров, придавался уклон.

Утонет ли лодка?

Один рыбак для хранения живой рыбы сделал в своей лодке ящик с отверстием в дне. Не потонет ли лодка, если спустить ее на воду?

Нет! Ящик и вода в реке представляют собой сообщающиеся сосуды. Вода, вливающаяся в ящик, не дойдет до края лодки и будет на таком же уровне, как и вода в реке.

А как ведет себя жидкость в невесомости?

1. Интересно, что под воздействием силы поверхностного натяжения, которая стремится уменьшить площадь поверхности жидкости, вода в невесомости собирается в шар .

2. Так как закон Паскаля в невесомости выполняется , то и поршневой насос, и гидравлическая машина в невесомости будут работать, как на Земле.

3. А вот закон сообщающихся сосудов в невесомости не работает , т.е. столб жидкости в условиях невесомости давления не оказывает, поэтому уровни жидкости в сообщающихся сосудах могут быть разными и зависят от действия случайных сил.

Алимханова Сэуле Ибраевна

Учитель физики КГУ "Герасимовская средняя школа" села Герасимовка, Уланского района Восточно-Казахстанской области, образование высшее.

Краткосрочное планирование интегрированного урока

Физика и география

Тема «Сообщающиеся сосуды. Сообщающиеся сосуды в природе»

Класс: ____ 7 Б /русский язык обучения/ _________

Учитель физики:__ Алимханова Сэуле Ибраевна _________

Учитель географии:__ Чотиева Айнур Мухаметшарифовна ________

Таблица по планированию

Занятие 3

Название занятия:

Сообщающиеся сосуды

Учебник «Физика» для 7 класса,

конспект урока, презентация в Power Pount , демонстрационный материал для опыта, образцы сосудов

Общие цели

Обеспечить эффективное усвоение данного материала, умение различать виды сообщающихся сосудов. Углубить знания темы в интеграции с географией, формируя единые взгляды о мироздании. Продолжить формирование естественно-математической грамотности, развивая функциональную грамотность.

Результат обучения

Прийти к выводу, что сообщающиеся сосуды не только бывают в физике, но и в природе. Различают виды сообщающихся сосудов, умеют находить схождение в быту, на практике и в природе. Знают понятия.

Ключевые идеи

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? Эти сосуды мы используем для заварки чая, кипячения воды и полива цветов на грядке. Ребята вы догадались, о каких сосудах идет речь ( Лейка, чайник, кофейник….). 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. Ребята, как вы думаете, какие сосуды мы назовем сообщающимися. Сообщающимися сосудами называют сосуды, соединенные между собой в нижней части.

Все моря и океаны мира являются тоже сообщающимися сосудами. Ведь все они соединены между собой проливами. Поэтому уровень моря во всем мире одинаков.

Акведук – это водяной желоб, поддерживаемый мостами. Акведуки использовались в древние времена в качестве наземных прообразов современных систем водоснабжения.

Древнеримские инженеры хорошо решали сложные технические задачи, а вот с основами физики они были знакомы не достаточно хорошо. Римский водопровод прокладывался над землей, а не проще ли это было сделать так, как сейчас, проложив трубы под землей.

Фонтан.

Действие фонтана также основано на принципе сообщающихся сосудов. Вода из резервуара течет по трубке и стремится подняться до того же уровня, что и в большом сосуде. Но трубка заканчивается, и вода бьет фонтаном вверх. Даже если расположить шланг так, чтобы его уклон поднимался вверх, вода не перестает быть из фонтана.

Современный водопровод.

Практически такой же фонтан вы наблюдаете каждый день, открывая кран, потому что действие водопровода основано на том же принципе.

Примером сообщающихся сосудов является артезианский колодец.

Шлюз.

Шлюз используется для перевода судов с одного уровня реки на другой. Устройство шлюза также основано на принципе сообщающихся сосудов.

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 быту (чайник, кофейник, лейка).

В водомерном стекле парового котла, паровой котел (1) и водомерное стекло (3) являются сообщающимися сосудами.

Задания

1.Актуализация знаний – демонстрация сосудов и найти отличия, сделать выводы

2. Деление на группы

3. Практическая работа в малых группах – Определение Закона сообщающихся сосудов:

I группа: Опыт № 1

В одну из трубок (СС) налить воды.

Ответить на вопросы: (зажим не убираем)

а) Что произойдёт, если убрать зажим?

б) Как после этого распределится вода по стеклянным трубкам?

Проверить свои предположения, гипотезы, ответы) экспериментально.

Как поведёт себя жидкость, если одну из трубок:

Поднять

Опустить

Наклонить в разные стороны?

Запись в тетради

Законы (СС)

I часть закона (СС): Однородная жидкость в СС оставить 7 см ус танавливается на одном уровне.

II группа: Опыт № 2

Охарактеризуйте прибор стоящий на вашем столе:

Форма трубок какая?

( разная, одинаковая, уже, шире )

Основание (о бщее или разное)

Как можно назвать данный прибор?

Сколько СС на приборе?

5.Налейте воды в СС

Что будет происходить с уровнем жидкости трубках?

Однородная жидкость в СС любой формы

устанавливается на одном уровне.

III группа: Опыт № 3

В (СС) нальём разные жидкости: воду и подсолнечное масло, равного объёма.

Что вы видите?

а) Уровни будут различными.

б) Жидкости не смешиваются

в) Откуда вы это видите? Покажите место, где они не смешиваются

Это место назовём границей раздела двух жидкостей. Через эту границу проведём горизонтальную линию.

Работа с рисунком

Что вы видите на рисунке слайда и на рисунке, который перед вами? т.е. выше этой прямой.

а) Два столба: столб воды и столб масла.

б) Чем отличаются столб воды и столб масла: высотой

в) Высота столба масла больше высоты столба воды.

Вот вы и вывели II часть закона (СС).

Здесь ещё одной физической величины не хватает.

Какую величину забыли?

а) Чем ещё отличаются вода и масло друг от друга: плотностью.

б) Чему равна их плотность?

Плотность воды 1000 кг/м, плотность масла 930 кг/м

а) Высота столба масла с меньшей плотностью больше , высоты столба воды с большей плотностью.

г) Но вместо масла и воды может быть и другая жидкость: например: ртуть, спирт, глицерин. Поэтому II часть закона (СС) должны дать в общем виде для всех жидкостей.

б) высота столбов жидкости будет зависеть от её плотности

в) чем меньше плотность жидкости, тем выше её столб в сосуде.

II часть закона (СС):

В (СС), содержащих разные жидкости, высота столба жидкости с меньшей плотностью будет больше высоты столба жидкости с большей плотностью

4. Работа с рисунком - сравнить.

5. Релаксация – Упражнение для глаз по карте

6. Деление на малые группы

7. Работа в малых группах – составление постера

1 группа – Артезианские колодцы

2 группа – Гейзеры

3 группа – Водопоровод

От каждой группы выступление спикеров

8. Демонстрационный опыт «Фонтан своими руками»

9. Рефлексия –показ видеофильма о c ообщающихся сос

10. Домашнее задание

11. Оценивание

Дополнительные задания

1. Создание диалога

2. Работа с картой

3. Навыки практической работы

4. Работа с опережающими заданиями

Дополнительное чтение

Учебник «Материки и океаны» для 7 класса, §48, хрестоматия к учебнику

Учебник География» для 6 класса

Номер группы	Сотрудничество в группе (распределение и выполнение обязанностей)	Поведение (не мешать работе других групп, не отвлекаться от выполнения задания, не кричать)	Раскрытие материала, задания, темы	Умение слушать презентации других групп, задавать вопросы, делать дополнения	Общий балл

Сосуды, имеющие между собой сообщение или общее дно, принято называть сообщающимися.

Возьмем ряд сосудов различной формы, соединенных в нижней части трубкой.

Рис.5. Во всех сообщающихся сосудах вода стоит на одном уровне

Если наливать жидкость в один из них, жидкость перетечет по трубкам в остальные сосуды и установится во всех сосудах на одном уровне (рис. 5).

Объяснение заключается в следующем. Давление на свобод­ных поверхностях жидкости в сосудах одно и то же; оно равно атмосферному давлению.

Таким образом, все свобод­ные поверхности принадлежат одной и той же поверхно­сти уровня и, следовательно, долж­ны находиться в одной горизон­тальной плоскости. (См. прил. 8, 9)

Чайник и его носик представля­ют собой сообщающиеся сосуды: вода стоит в них на одном уровне. Значит, носик чайника должен доходить до той же высоты, что и верхняя кромка сосуда, иначе чайник нельзя будет налить доверху. Когда мы на­клоняем чайник, уровень воды остается прежним, а носик опускается; когда он опустится до уровня воды, вода начнет выливаться.

Если же жидкость в сообщающихся сосудах находится на разных уровнях (это можно достичь, если поставить между сообщающимися сосудами перегородку или зажим и долить жидкость в один из сосудов), то создается так называемый напор жидкости.

Напор – это давление, которое производит вес столба жидкости высотой, равной разности уровню. Под действием этого давления жидкость, если убрать зажим или перегородку, будет перетекать в тот сосуд, где ее уровень ниже, до тех пор, пока уровни не сравняются.

Совсем другой результат получается, если в разных коленах сообщающихся сосудов налиты неоднородные жидкости, т. е. их плотности разные, например вода и ртуть. Более низкий столб ртути уравновешивает более высокий столб воды. Учитывая, что условием равновесия является равенство давлений слева и справа, получим, что высота столбов жидкости в сообщающихся сосудах обратно пропорциональна их плотностям.

В жизни они встречаются довольно часто: различные кофейники, лейки, водомерные стекла на паровых котлах, шлюзы, водопровод, коленом согнутая труба – всё это примеры сообщающихся сосудов.

Принцип действия сообщающихся сосудов лежит в основе работы фонтанов.

Действие различных моделей фонтанов.

Фонтан в пустоте.

Я провела исследование на тему «Фонтан в пустоте». Для этого я взяла две колбы. На первую я надела резиновую пробку и с пропущенной сквозь неё тонко стеклянной трубкой. На противоположный её конец надеть резиновую трубку. Во вторую колбу я налила подкрашенной воды.

С помощью насоса из первой колбы я откачала воздух, перевернула колбу. Резиновую трубку я опустила во вторую колбу с водой. Из-за разности давления, вода из второй колбы полилась струёй в первую.

Я выяснила, что чем меньше воздух в первой колбе, тем сильнее будет бить струя из второй.

Фонтан Герона.

Я провела исследование на тему «Фонтан Герона». Для этого, мне нужно было сделать упрощенную модель фонтана Герона. Я взяла небольшую колбу и вставила в неё капельницу. В своём эксперименте по данной модели, колбу я поставила вниз горлышком. Когда я открыла капельницу, то вода полилась из колбы струей.

После, я опустила колбу немного ниже, вода полилась на много медленней, а струя стала гораздо меньше. Проделав соответствующие изменения, я выяснила, что высота струи в фонтане зависит от взаимного расположения сообщающихся сосудов.

Зависимость высоты струи в фонтане от взаимного расположения сообщсообщающихся сосудов.

Зависимость высоты струи в фонтане от диаметра отверстия.

Вывод: высота струи фонтана зависит:

1. От взаимного расположения сообщающихся сосудов, чем выше один из сообщающихся сосудов, тем высота струи больше.

2. Чем меньше диаметр отверстия, тем высота струи больше.

Фонтан Герона Александрийского известен уже 2000 лет . Тем не менее, многие с ним знакомятся впервые. Уникальность данного фонтана заключается в том, что его струя бьёт выше уровня воды-источника, и это при отсутствии двигателя !

Фонтан Герона Александрийского является загадкой для непросвещенного человека. Создается впечатление, что нарушается закон о сообщающихся сосудах. Кажется, что фонтан может работать вечно, потребляя свою собственную воду.

Данный фонтан удобно использовать дома в качестве увлажнителя воздуха для цветов.

Инструкция пользования фонтаном:

1. Открутить нижнюю бутылку и заполнить ее водой.

2. Прикрутить бутылку с водой обратно.

3. Перевернуть фонтан чашей вниз и дождаться, когда вода перельется во вторую бутылку.

(Если вода сразу не льется, следует немного нажать на бутылку, чтобы запустить процесс)

4. Поставить фонтан вверх чашей. Фонтан готов к запуску.

5. Для запуска фонтана необходимо налить в чашу немного воды (30-50 мл).

6. После окончания фонтанирования перевернуть фонтан чашей вниз для перезарядки. (Раскручивать фонтан и доливать в него воду уже не нужно)

7. Можно снова повторять пункты 3 – 6 до бесконечности!

ДЕЛАЕМ ГЕЕРОНОВ ФОНТАН

	ОБОРУДОВАНИЕ Спиртовка, нож, плоскогубцы, ножницы, маркер, наждачная бумага, клеевой пистолет (или любой другой водостойкий клей).
	Зачищаем наждачной бумагой пробки от бутылок и склеиваем их клеевым пистолетом. Разогретым на спиртовке гвоздем проделываем два отверстия в склеенных пробках. Вставляем в отверстия коннекторы от капельницы.
	Ко дну бутылки от йогурта приклеиваем пробку от 2 л бутылки. Проделываем в ней два отверстия горячим гвоздем.
	В отверстия вставляем трубку от капельницы (~40 см) и соломинку без гофрированной части. Удлиняем соломинку с другой стороны, чтобы она доставала до горлышка бутылки. В конец трубки от капельницы вставляем отрезок стержня от гелевой ручки для жесткости и герметизируем щели вокруг обеих трубок клеем.
	Вставляем второй конец трубки от капельницы к центральному коннектору в склеенных пробках. Ко второму коннектору присоединяем трубочку от коктейля. Обрезаем конец трубочки, чтобы она доставала до дна бутылки.
	Отрезаем от 2 л бутылки верхнюю часть и присоединяем ее к приклеенной пробке.
	Изготавливаем из отрезка трубки от капельницы и соединительной части гелевого стержня (или колпачка от клея) сопло для нашего фонтана. Присоединяем сопло к желтой трубочке при помощи коннектора от капельницы и отрезка оранжевой трубочки.
	[Чтобы трубочки входили друг в друга необходимо одну из них предварительно расширить (концом ручки, например).] Главное назначение сопла – получение тонкой высокой струи. Можно обойтись и обрезком трубочки от капельницы без сопла – тогда вода из фонтана будет просто выливаться вниз как водопад.
	Присоединяем ко второй стороне двойной пробки трубочку к центральному коннектору. Обрезаем трубочку так, чтобы ее конец доставал до дна бутылки.
	Собираем все части фонтана вместе При необходимости можно сделать подставку для устойчивости

ЧАША ПИФАГОРА

является одним из уникальных изобретений философа, математика и мистика, Пифагора Самосского. Чаша Пифагора – это специальный сосуд, который заставляет человека пить только в умеренных количествах

Если человек заполняет кружку только до определенного уровня, он может пить. Если он заполняет выше нормы, то содержимое выливается. Кружка Пифагора выглядит как обычная кружка для питья. За исключением того, что в ней есть в центре колонка. Центральная колонка расположена на уровне риски. Внутри колонки проходит канал соединяющий отверстие в её нижней части на дне кружки с выходным отверстием.

Когда кружка заполняется, жидкость поднимается по каналу до верхней части центральной колонки, согласно закону о сообщающихся сосудах. Пока уровень жидкости не поднимается выше уровня камеры, кружка функционирует, как обычно. Если уровень поднимается выше, то гидростатическое давление создает сифон и через канал вся жидкость выливается наружу.

История:

Считается, что Пифагор придумал эту кружку, чтобы все рабы пили одинаково, так как на Самосе было мало воды. Наливать нужно до определённой отметки, а если перельёшь, то вода полностью вытекает из кружки. Также существует мнение, что Пифагор изобрел чашу для того, чтобы пьяницы не пили сверх меры

Объяснение принципа действия:

Чтобы понять действие Чаши Пифагора, рассмотрим очень простой аппарат, носящий название сифон .

Короткий конец согнутой трубки вставляется в сосуд, откуда вытекает вода, а длинный - в пустую банку (рис. 1). Если предварительно набрать воду в трубку и опустить ее короткий конец в верхний сосуд с водой, то достаточно будет открыть нижнее отверстие для того, чтобы пошла непрерывная струя воды.

Вода будет литься до тех пор, пока полностью не опорожнится верхний сосуд. Можно в верхний сосуд опустить конец пустой трубки, а затем втянуть воду ртом через длинный конец, после этого вода станет сама выливаться.