Опыт 2. Сохранение объема и формы твердыми телами, изменение формы жидкостей

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.

Основные характеристики	Состояния вещества
Твердое	Жидкое	Газообразное
Расстояние между молекулами
Движение Молекул
Силы взаимодействия между молекулами
Объем
Форма

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.