Применение сообщающихся сосудов шлюзы. Приборы основанные на законе сообщающихся сосудов

Назад Вперёд

Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.

Цель урока: сообщающиеся сосуды, закон сообщающихся сосудов, применение закона сообщающихся сосудов в жизни человека

Задачи урока:

• образовательная
– продолжить формирование понятия давления жидкости на дно сосуда и изучение закона Паскаля на примере однородных и разнородных жидкостей в сообщающихся сосудах;
• развивающая
– формировать интеллектуальные умения анализировать, сравнивать, находить примеры сообщающихся сосудов в быту, технике, природе, развивать навыки самостоятельной работы с дополнительной литературой;
• воспитательная
– воспитание аккуратности, бережного отношения к оборудованию кабинета, умения слушать и быть услышанным.

Оборудование: различные виды сообщающихся сосудов, два стеклянных сосуда, соединенных резиновой трубкой, презентация “Сообщающиеся сосуды”, диск “Фонтаны С-П”.

Средства обучения: учебник, карточки-инструкция.

Тип урока: эвристическая беседа.

Структура урока

Ход урока

1. Мотивационный этап

Учитель. Здравствуйте! Сегодня речь пойдет сосудах, с которыми встречаемся каждый день дома и в школе, когда наливаем чай или поливаем цветы из лейки.

Демонстрация: Лека, чайник. Такие сосуды получили название сообщающиеся сосуды (Учащиеся записывают дату и тему урока в тетради).

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.

2. Формирование умений и навыков

Учитель. Что общего у этих предметов? (Cлайд 1 )

Учащиеся. 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.

Учитель. Правильно. Сообщающимися сосудами называют сосуды, соединенные между собой в нижней части. (Учащиеся записывают определение в тетради).

С сообщающимися сосудами можно проделать простой опыт. Возьмем две стеклянные трубки, соединенные резиновой трубкой. Сначала резиновую трубку в середине зажимают и в одну из трубок нальем воды. Что произойдет, если открыть зажим?

Учитель. Как поведет себя жидкость, если одну из трубок поднять?

Учащиеся. Жидкость установиться в обоих сосудах на одном уровне.

Учитель. Как поведет себя жидкость, если одну из трубок опустить?

Учащиеся. Жидкость установиться в обоих сосудах на одном уровне.

Учитель. Как поведет себя жидкость, если одну из трубок наклонить?

Учащиеся. Жидкость установиться в обоих сосудах на одном уровне.

Учитель. Однородная жидкость в сообщающихся сосудах устанавливается на одном уровне. (Слайд 2 )

(Учащиеся записывают закон в тетради).

Изменится ли уровень жидкости, если правый сосуд будет шире левого? уже левого? если сосуды будут иметь разную форму?

Учащиеся. Нет, жидкость установиться в обоих сосудах на одном уровне.

Учитель. При изменении формы сосудов может изменяться лишь высота уровня воды в сосудах, отмеренная от уровня стола (из-за того, что изменяется объем сосудов). Однако уровни воды в сообщающихся сосудах не зависят от формы сосудов и останутся равны. (Демонстрация опыта с сообщающимися сосудами различной формы).

(Слайд 3 )

Что произойдет, если в сообщающиеся сосуды налить две несмешивающиеся жидкости разной плотности?

Учащиеся. Высота столбов жидкостей в сосудах будет разной.

Учитель. При равенстве давлений высота столба жидкости большей плотности меньше, чем высота столба жидкости меньшей плотности. (Учащиеся записывают в тетради).

Попробуйте доказать это, используя закон Паскаля и определение гидростатического давления... Проверим ваш результат.

(Слайд 4 )

По закону Паскаля p 1 = p 2 , по определению гидростатического давления p 1 = g 1 h 1 , p 2 = g 2 h 2 , отсюда g 1 h 1 = g 2 h 2 , т.е h 1: h 2 = 2: 1 .

Высоты столбов разнородных жидкостей сообщающихся сосуда обратно пропорциональны их плотностям. (Учащиеся записывают в тетради).

Применение сообщающихся сосудов в быту, природе, технике.

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 водопроводах с водонапорной башней. Водонапорная башня и стояки водопровода являются сообщающимися сосудами, поэтому жидкость в них устанавливается на одном уровне.

В водомерном стекле парового котла, паровой котел (1) и водомерное стекло (3) являются сообщающимися сосудами. Когда краны (2) открыты, жидкость в паровом котле и водомерном стекле устанавливается на одном уровне, так как давления в них равны.

В устройстве гидравлических машин используется свойство сообщающихся сосудов. (Демонстрируется гидравлический пресс). Так, большой и малый цилиндры гидравлического пресса являются сообщающимися сосудами. Высоты столбов жидкости одинаковы, пока на поршни не действуют силы.

Видео “фонтаны города С-П” Каскады падающей воды украшают многие города, а действуют фонтаны благодаря закону сообщающихся сосудов. Виды знаменитых фонтанов Петродворца. Фонтаны в парке “Победы”, Тбилиси. Фонтаны на площади “Дружбы”, Ташкент. Фонтаны Еревана. И конечно знаменитые фонтаны С-П.

Действие артезианских колодцев и гейзеров основано на законе сообщающихся сосудов.

(Слайд 6 ) Горячий фонтан в местечке Гейзер в Исландии. От названия этого местечка возник термин “гейзер”.

(Cлайд 7 ) Римлянам был неизвестен закон сообщающихся сосудов. Для снабжения населения водой они возводили многокилометровые акведуки, водопроводы, доставлявшие воду из горных источников. Инженеры древнего Рима опасались, что в водоемах, соединенных очень длинной трубой, вода не установится на одинаковом уровне. Они полагали, что если трубы проложены в земле, следуя уклонам почвы, то в некоторых участках вода ведь должна течь вверх, – и вот римляне боялись, что вода вверх не потечет. Поэтому они обычно придавали водопроводным трубам равномерный уклон вниз на всем их пути. Одна из римских труб, Аква Марциа, имеет в длину 100 км, между тем как прямое расстояние между ее концами вдвое меньше. Полсотни километров каменной кладки пришлось проложить из-за незнания элементарного закона физики!

3. Систематизация умений и навыков

Учитель. Повторим изученное. Приведите примеры использования закона сообщающихся сосудов в природе, быту и технике.

Учащиеся. Это гейзеры, фонтаны, шлюзы, водопровод с водонапорной башней, гидравлический пресс, водомерные стекла, артезианские колодцы, сифоны под раковиной.

Учитель. (Слайд 7 ) Используя схему устройства шлюза и схему шлюзования судов, объясните принцип действия шлюзов.

Учащиеся. В работе шлюзов используется свойство сообщающихся сосудов: жидкость в сообщающихся сосудах находится на одном уровне. Когда ворота 1 открываются, вода в верхнем течении и шлюзе устанавливается на одном уровне и т.д., когда последние ворота откроются, уровень воды в шлюзе и нижнем течении сравняется, корабль будет опускаться вместе с водой и сможет продолжить плавание.

4. Итоги урока

Учитель. Сегодня на уроке мы познакомились с сообщающимися сосудами, в которых жидкость устанавливается на одном уровне. Мне очень интересно было работать с вами. Вы показали отличный уровень подготовки к уроку. Теперь вы знаете, что 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.

5. Домашняя работа

Всем спасибо за работу. Записываем домашнее задание.

(Учащиеся записывают домашнее задание в дневники)

Знаете ли вы, что чайник, кофейник, лейка - это не просто кухонные или огородные принадлежности, но еще и наглядный бытовой пример сообщающихся сосудов.

Если вы вспомните тему «сообщающиеся сосуды» из курса физики за седьмой класс, то сообразите, что отдельные части приведенных выше емкостей, имеют соединение, заполненное (или легко заполняемое) водой. А именно такие сосуды, имеющие общие, соединяющие их части, наполненные жидкостью, и называют сообщающимися. И если вы присмотритесь повнимательнее, то увидите, что уровень воды в носике чайника или лейки всегда находится на том же уровне, что и уровень воды в основном отделении. И если наклонять чайник в разные стороны, то видно, как успокоившись, уровни воды становятся одинаковыми как в самом чайнике, так и в носике. Именно в этом и состоит принцип сообщающихся сосудов. И именно он помогает нам выливать нужное количество воды небольшой струйкой через носик чайника или лейки. В случае с ведром, например, выливать тонкой струйкой было бы гораздо сложнее.

Закон сообщающихся сосудов в физике

Итак, закон сообщающихся сосудов гласит:

"В сообщающихся сосудах поверхности однородной жидкости устанавливаются на одном уровне"

Причем, не имеет значения форма и размер сечения сосудов. Это четко видно на примере того же чайника с носиком. Объясняется этот закон довольно просто. Жидкость покоится, значит, давление в обоих сосудах на одинаковом уровне будет одинаково. Плотность у жидкости также одинакова, так как жидкость одна и та же, значит и высоты уровней жидкости будут одинаковыми. Если мы добавим жидкость в один из сосудов или просто изменим его уровень, то давление в нем изменится, и жидкость будет перетекать в другой сосуд вплоть до момента, пока сила давления не сравняется. Если же мы нальем в сосуды разные жидкости с различной плотностью, например, воду и масло, то уровни будут отличаться. Причем, высота жидкости с большей плотностью будет меньше высоты столба с меньшей плотностью.

Примеры и применение сообщающихся сосудов

Закон сообщающихся сосудов нашел широкое применение в человеческой жизнедеятельности. Кроме уже упомянутых леек и чайников, вода в наши дома поступает именно благодаря этому закону. Как мы добываем чистую воду из-под земли? Выкачиваем насосом. Но нельзя же подключить по насосу к каждому крану и к каждой квартире. Поэтому придумали следующую схему - воду накачивают в водонапорную башню, представляющую из себя, по сути, огромный бак на большой высоте. А оттуда по закону сообщающихся сосудов вода под давлением течет в наши дома и льется их кранов, стоит только их открыть. Свое применение закон сообщающихся сосудов нашел и в устройстве шлюзов на реках и каналах, при сооружении некоторых фонтанов и так далее.

Одно из любопытных явлений, связанное с гидростатикой - сообщающиеся сосуды. Казалось бы, всё здесь просто, но, тем не менее, они дают прекрасный повод познакомиться с примером работы атмосферного давления и окунуться в далёкое прошлое.

Чтобы освежить в памяти сведения, сообщающиеся сосуды, вспомним простой опыт, проводимый раньше на уроках физики в школе. На одной плоскости размещаются несколько разных по форме сосудов - круглых, прямоугольных, цилиндрических, в виде конуса, и соединяются трубкой на уровне дна. В один из этих сосудов начинает наливаться вода, через соединительную трубку вода будет поступать во все сосуды, и, что удивительно, во всех сосудах, независимо от формы последних, вода находится на одном уровне.

Обусловлено это тем, что все они находятся под одним атмосферным давлением, а раз они расположены на одном уровне, то и жидкость, помещённая в них, будет находиться на одном уровне, потому что во всех сосудах находится под тем же давлением.

Кстати, простейшее практическое применение сообщающихся сосудов мы получаем, когда наливаем воду из чайника. Пока чайник стоит ровно, уровень воды в самом чайнике и в его носике одинаков, т.к. чайник и носик являются сообщающимися сосудами. Уровень края носика чайника выше уровня воды. Если мы наклоняем носик чайника ниже то она начинает из него вытекать.

Существует простое следствие из изложенного. Если сообщающиеся сосуды находятся на разной высоте, то на выходе трубки, соединяющей эти сосуды, будет действовать давление. Его величина равна давлению столба воды, равного разности высот между сосудами. Всё очень просто - если сосуды расположены на разной высоте, то вода из верхнего сосуда будет перетекать в нижний.

Если посмотреть историю техники, то существует множество случаев, когда использовались сообщающиеся сосуды; физика, которая стоит за этим явлением, порой действительно позволяет творить чудеса. Как прекрасны А ведь они построены без применения сложной техники, электромоторов и прочей машинерии, которой непременно воспользовались бы сегодняшние специалисты. А здесь в чистом виде используются сообщающиеся сосуды. Пруды с водой расположены выше уровня фонтанов, что обеспечивает поступление к ним воды без всяких механизмов под давлением атмосферы. Это просто красиво, и этим нельзя не восхищаться.

Или другой пример, всем близкий и понятный. Водонапорная башня. Вода, закачанная в башню и располагающаяся на большой высоте, самотёком поступает в дома, и не только на первые этажи. Здесь опять работают сообщающиеся сосуды. Давление, величина которого обусловлена разностью высот между водонапорной башней и краном водопровода, обеспечит подачу воды и на верхние этажи.

Бедные римляне! О сообщающихся сосудах они ничего не знали и, когда строили свои акведуки для снабжения городов водой, всегда делали их с постоянным понижением от источника, хотя во многих местах могли бы следовать рельефу почвы и пускать трубы вверх по небольшим склонам. Но они всегда строили акведуки на высоте и с постоянным уклоном от источника.

А вот китайцы о сообщающихся сосудах знали и, используя их свойства, стали строить шлюзы. Принцип работы очень прост. Рядом расположены две шлюзовые камеры, соединенные между собой специальным каналом. Шлюзовые ворота закрываются, после этого открывается канал, соединяющий между собой обе камеры, и вода по закону о сообщающихся сосудах перетекает на более низкий уровень. Используя систему таких шлюзов, можно было осуществлять движение судов на участках, имеющих значительный перепад высот.

Конечно, изложенное здесь не охватывает всех случаев практического применения сообщающихся сосудов, но позволяет получить представление о том, что собой представляет этот замечательный физический закон, и как он воплощается в повседневную жизнь.

Сообщающиеся сосуды – это сосуды, соединенные между собой ниже уровня жидкости в каждом из сосудов. Таким образом жидкость может перемещаться из одного сосуда в другой. Перед тем как понять принцип действия сообщающихся сосудов и варианты их использования необходимо определиться в понятиях, а точнее разобраться с основным уравнением гидростатики.

Закон сообщающихся сосудов

Итак, сообщающиеся сосуды имеют одно общее дно и закон о сообщающихся сосудах гласит:

Какую бы форму не имели такие сосуды, на поверхности однородных жидкостей в состоянии покоя на одном уровне действует одинаковое давление.

Для иллюстрации этого закона и возможностей его применения начнем с рассмотрения основного уравнения гидростатики.

Основное уравнение гидростатики

где P1 – это среднее давление на верхний торец призмы,
P – давление на нижний торец,
g – ускорение свободного падения,
h – глубина погружения призмы под свободной поверхностью жидкости.

ρgh – сила тяжести (вес призмы).

Звучит уравнение так:

Давление на поверхность жидкости, произведенное внешними силами, передается в жидкости одинаково во всех направлениях.

Из написанного выше уравнения следует, что если давление, например в верхней точке изменится на какую-то величину ΔР, то на такую же величину изменится давление в любой другой точке жидкости

Доказательство закона сообщающихся сосудов

Возвращаемся к разговору про сообщающиеся сосуды.

Предположим, что имеются два сообщающихся сосуда А и В, заполненные различными жидкостями с плотностями ρ1 и ρ2. Будем считать, что в общем случае сосуды закрыты и давления на свободных поверхностях жидкости в них соответственно равны P1 и P2.

Пусть поверхностью раздела жидкостей будет поверхность ab в сосуде А и слой жидкости в этом сосуде равен h1. Определим в заданных условиях уровень воды в сообщающихся сосудах – начнем с сосуда В.

Гидростатическое давление в плоскости ab, в соответствии с уравнение гидростатики

если определять его, исходя из известного давления P1 на поверхность жидкости в сосуде А.

Это давление можно определить следующим образом

где h2 – искомая глубина нагружения поверхности ab под уровнем жидкости в сосуде В. Отсюда выводим условие для определения величины h2

P1 + ρ1gh1 = P2 + ρ2gh2

В частном случае, когда сосуды открыты (двление на свободной поверхности равно атмосферному), а следовательно P1 = P2 = Pатм, имеем

ρ1 / ρ2 = h2 / h1

т.е. закон сообщающихся сосудов состоит в следующем.

В сообщающихся сосудах при одинаковом давлении на свободных поверхностях высоты жидкостей, отсчитываемые от поверхности раздела, обратно пропорциональны плотностям жидкостей.

Свойства сообщающихся сосудов

Если уровень в сосудах одинаковый, то жидкость одинаково давит на стенки обоих сосудов. А можно ли изменить уровень жидкости в одном из сосудов.

Можно. С помощью перегородки. Перегородка, установленная между сосудами перекроет сообщение. Далее доливая жидкость в один из сосудов мы создаем так называемый подпор – давление столба жидкости.

Если затем убрать перегородку, то жидкость начнет перетекать в тот сосуд где её уровень ниже до тех пор пока высота жидкости в обоих сосудах не станет одинаковой.

В быту этот принцип используется например в водонапорной башне. Наполняя водой высокую башню в ней создают подпор. Затем открывают вентили, расположенные на нижнем этаже и вода устремляется по трубопроводам в каждый подключенный к водоснабжению дом.

Приборы основанные на законе сообщающихся сосудов

На принципе сообщающихся сосудов основано устройство очень простого прибора для определения плотности жидкости. Этот прибор представляет собой два сообщающихся сосуда – две вертикальные стеклянные трубки А и В, соединенные между собой изогнутым коленом С. Одна из вертикальных трубок заполняется исследуемой жидкостью, а другая жидкостью известной плотности ρ1 (например водой), причем в таких количествах, чтобы уровни жидкости в среднем колене находились на одной и той же отметке прибора 0.

Затем измеряют высоты стояния жидкостей в трубках над этой отметкой h1 и h2. И имея ввиду, что эти высоты обратно пропорциональны плотностям легко находят плотность исследуемой жидкости.

В случае, когда оба сосуде заполнены одной и той же жидкостью – высоты, на которые поднимется жидкость в сообщающихся сосудах, будут одинаковы. На этом принципе основано устройство так называемого водометного стекла А. Его применяют для определения уровня жидкости в закрытых сосудах, например резервуарах, паровых котлах и т.д.

Принцип сообщающихся сосудов заложен в основе ряда других приборов, предназначенных для измерения давления.

Применение сообщающихся сосудов

Простейшим прибором жидкостного типа является пьезометр, измеряющий давление в жидкости высотой столба той же жидкости.

Пьезометр представляет собой стеклянную трубку небольшого диаметра (обычно не более 5 мм), открытую с одного конца и вторым концом присоединяемую к сосуду, в котором измеряется давление.

Высота поднятия жидкости в пьезометрической трубке – так называемая пьезометрическая высота – характеризует избыточное давление в сосуде и может служить мерой для определения его величины.

Пьезометр – очень чувствительный и точный прибор, но он удобен только для измерения небольших давлений. При больших давлениях трубка пьезометра получается очень длинной, что усложняет измерения.

В этом случае используют жидкостные манометры, в которых давление уравновешивается не жидкостью, которой может быть вода в сообщающихся сосудах, а жидкостью большей плотности. Обычно такой жидкостью выступает ртуть.

Так как плотность ртути в 13,6 раз больше плотности воды и при измерении одних и тех же давлений трубка ртутного манометра оказывается значительно короче пьезометрической трубки и сам прибор получается компактнее.

В случае если необходимо измерить не давление в сосуде, а разность давлений в двух сосудах или, например, в двух точках жидкости в одном и том же сосуде применяют дифференциальные манометры.

Сообщающиеся сосуды находят применение в водяных и ртутных приборах жидкостного типа, но ограничиваются областью сравнительно небольших давлений – в основном они применяются в лабораториях, где ценятся благодаря своей простоте и высокой точности.

Когда необходимо измерить большое давление применяются приборы основанные на механических принципах. Наиболее распространенный из них – пружинный манометр. Под действием давления пружина манометра частично распрямляется и посредством зубчатого механизма приводит в движение стрелку, по отклонению которой на циферблате показана величина давления.

Видео по теме

Ещё одним устройством использующим принцип сообщающихся сосудов хорошо знакомым автолюбителем является гидравлический пресс(домкрат). Конструктивно он состоит из двух цилиндров: одного большого, другого маленького. При воздействии на поршень малого цилиндра на большой передается усилие во столько раз большего давления во сколько площадь большого поршня больше площади малого.

Муниципальное бюджетное общеобразовательное

Учреждение муниципального образования Плавский район

Применение

Сообщающихся сосудов

Подготовила: Лаврова Татьяна

Ученица 7 класса, 15.07.2004г.р

Проверила: учитель физики

Шевцова Л.Н.

2018 г.

Цели и задачи:

Изучить свойства сообщающихся сосудов.

Показать широкое применение сообщающихся сосудов в быте, технике и природе.

Краткая теория

Сообщающиеся сосуды - это сосуды, соединенные ниже поверхности жидкости, так что жидкость может перетекать из одного сосуда в другой. В таких сосудах однородная жидкость устанавливается на одном уровне, а разные по плотности жидкости имеют разную высоту столба. Кроме того, не важно, какую форму будут иметь такие сосуды - уровень однородной жидкости остаётся одинаковым!!

Сообщающиеся сосуды нужны для того, чтобы перекачивать воду в любом направлении без насоса. Если бы не сообщающиеся сосуды, то для каждого фонтана требовались бы насосы. В Петергофе, к примеру, все фонтаны естественные и без насосов, это заслуга сообщающихся сосудов.

Применение сообщающихся сосудов .

В ПРИРОДЕ

1. Все моря и океаны мира являются сообщающимися сосудами. Ведь они соединены между собой проливами.

1. Акведук – это водяной желоб, поддерживаемый мостами. Вода бежит по акведуку над впадинами, холмами под действием собственного веса – от горных потоков к городам, расположенных в долине.

1. Артезианская скважина.

Такая скважина работает по принципу сообщающихся сосудов.Под слоем почвы в низких местах скапливается вода.
После бурения скважины вода поднимается вверх до уровня верхних горизонтов грунтовых вод

1. Кровеносно-сосудистая система человека или животного состоит из сообщающихся сосудов.

1. Водонасыщенные пласты горных пород с системой колодцев (гейзеры)

К примеру, горячий фонтан в местечке Гейзер в Исландии. От названия этого местечка возник термин “гейзер”.

В МЕДИЦИНЕ

1. Капельница, разновидность клизмы.

В БЫТУ

1. Использование всех видо сифонов в бытовых устройствах, где используется вода.

2. Современный водопровод

1. Шлюзовые камеры, разного рода доки на судоремонтных предприятиях, гидравлические домкраты, чернильцы – непроливашки, некоторые картриджи струйных принтеров,

6.Водонапорная башня

Кроме уже упомянутых леек и чайников, вода в наши дома поступает именно благодаря этому закону. Как мы добываем чистую воду из-под земли? Выкачиваем насосом. Но нельзя же подключить по насосу к каждому крану и к каждой квартире. Поэтому придумали следующую схему – воду накачивают в водонапорную башню, представляющую из себя, по сути, огромный бак на большой высоте. А оттуда по закону сообщающихся сосудов вода под давлением течет в наши дома и льется их кранов, стоит только их открыть.

6. Использование водяного уровня при строительстве