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.
Таким образом, уровни однородной жидкости в сообщающихся сосудах устанавливаются на одной высоте. Но струя воды не поднимется на большую высоту, чем уровень воды в сосуде.
Знаете ли вы, что чайник, кофейник, лейка – это не просто кухонные или огородные принадлежности, но еще и наглядный бытовой пример сообщающихся сосудов. И если наклонять чайник в разные стороны, то видно, как успокоившись, уровни воды становятся одинаковыми как в самом чайнике, так и в носике. Причем, не имеет значения форма и размер сечения сосудов.
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. Закон сообщающихся сосудов нашел широкое применение в человеческой жизнедеятельности. Кроме уже упомянутых леек и чайников, вода в наши дома поступает именно благодаря этому закону.
А оттуда по закону сообщающихся сосудов вода под давлением течет в наши дома и льется их кранов, стоит только их открыть. Сосуды, имеющие соединяющую их часть, заполненную покоящейся жидкостью, называют сообщающимися. На принципе сообщающихся сосудов устроены водомерные трубки для баков с водой. Такие трубки, например имеются на баках в железнодорожных вагонах. Шлюзы рек и каналов также работают по принципу сообщающихся сосудов. При открывании подводного канала обе камеры превращаются в сообщающиеся сосуды, и вода, перетекая из камеры с более высоким уровнем в камеру с с более низким уровнем устанавливается на одном уровне.
Римлянам был неизвестен закон сообщающихся сосудов. Инженеры того времени имели смутное представление о законах сообщающихся сосудов. Простейшие сообщающиеся сосуды – это две трубки, соединенные между собой резиновым шлангом.
На предыдущем уроке мы выяснили, что давление жидкости на дно и стенки сосуда зависит от плотности жидкости и высоты ее столба. Если же одно из колен С. с. закрыто, то разность уровней жидкости будет зависеть от давления в закрытом колене; на этом основано устройство закрытых манометров.
Однородная жидкость устанавливается на одном уровне независимо от формы сосудов (если капиллярные явления не существенны). 7 класс. Физика, И. В. Лимонова. Сообщающиеся сосуды - это сосуды, которые имеют связывающие их каналы, заполненные жидкостью.
Сообщающиеся сосуды
В сообщающихся сосудах, заполненных однородной жидкостью, давление во всех точках жидкости, расположенных в одной горизонтальной плоскости, одинаково и не зависит от формы сосудов.
Самый обычный чайник или лейка для полива растений - это примеры сообщающихся сосудов. Закон сообщающихся сосудов лежит в основе работы водопровода, различных фонтанов, шлюзах на реках и каналах. Пусть - высота столба воды, - разность уровней ртути в правом и левом колене сосуда, - высота столба керосина. Приглядевшись, можно заметить, что отдельные части всех этих сосудов имеют соединение, заполненное жидкостью.
До сих пор мы рассматривали случай, когда оба сообщающихся сосуда содержали одну и ту же жидкость. Цель урока: знание учащимися понятия «сообщающиеся сосуды», их практического применения на примере водопровода, шлюза и фонтана.
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. Это четко видно на примере того же чайника с носиком. Объясняется этот закон довольно просто. Поэтому придумали следующую схему – воду накачивают в водонапорную башню, представляющую из себя, по сути, огромный бак на большой высоте. Данная страница является результатом проектной работы, в рамках которой нами были подготовлены материалы по темам «Сообщающиесясосуды» и»Давление на больших глубинах».
Именно в этом и состоит принцип сообщающихся сосудов. В сообщающихся сосудах находятся ртуть, вода и керосин. На рисунке 105 изображено несколько сосудов. Это утверждение называют законом сообщающихся сосудов. В этих фонтанах используется принцип сообщающихся сосудов — учтены уровни фонтанов и прудов-хранилищ. Сообщающиеся сосуды широко используются в быту и в технике.
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: формирование понятия о сообщающихся сосудах и их свойствах.
Задачи образовательные: изучить поведение однородной и неоднородной жидкости в сообщающихся сосудах, научиться объяснять результат с использованием понятия “давление жидкости на дно сосуда”.
Задачи развивающие: продолжить развитие навыков и умения работать с физическими приборами, умения анализировать, сравнивать результаты, самостоятельно делать выводы, развивать речь, находить примеры сообщающихся сосудов в быту, технике, природе.
Задачи воспитательные: продолжить воспитание уважительного отношения к ученым и их открытиям, показать возможность использования полученных знаний на практике.
Оборудование и ТСО: мультимедийный комплекс, презентация, сообщающиеся сосуды, гидроуровень, штатив, сосуд с водой, растительное масло, чайник со смотровым стеклом.
Ход урока
1. Орг. момент, постановка цели, актуализация знаний (слайд 2).
Учитель: Сегодня на уроке мы познакомимся с сообщающимися сосудами, их свойствами и практическим применением, но сначала повторим необходимый нам для этого материал.
2. Проверка выполнения домашнего задания (слайд 3):
- Ответить на вопрос: По какой формуле рассчитывается давление жидкости на дно и стенки сосуда? Какая буква в это формуле что обозначает и в чём измеряется?
Проверка решения задачи 2 из упр 15
3. Изучение нового материала
- Постановка проблемного вопроса (слайд 4, 5):
- Что общего между чайником, гидроуровнем, шлюзом? (обсуждение)
Введение понятия сообщающихся сосудов (слайд 6):
Сообщающиеся сосуды - это сосуды, имеющие общую, соединяющую их часть. (демонстрация различных видов сообщающихся сосудов, перечисление основных элементов сообщающихся сосудов).
- Проведение эксперимента с однородной жидкостью, вывод (слайд 7).
- Проведение эксперимента с сосудами разной формы и разной площадью поперечного сечения, вывод (слайд 8)
- Проведение эксперимента с изменением положения колен сообщающегося сосуда, вывод (слайды 9, 10)
- Обсуждение проблемного вопроса (слайд 11):
Если одно колено сообщающегося сосуда соединить с какой-либо ёмкостью, содержащей газ, то поведение жидкости в сообщающемся сосуде может быть таким, как показано на рисунках. От чего это зависит? Вывод (слайд 12).
- Эксперимент с разнородными жидкостями, вывод (слайды 13, 14)
- Решение задачи (слайд 15)
- Обобщение и систематизация знаний (слайд 16)
- Первичный контроль знаний
1) Опираясь на полученные знания найти сообщающиеся сосуды и их элементы в следующих приборах:
Фонтан (демонстрация опыта, слайд 17)
Чайник, лейка, водосборник дождевой воды (демонстрация чайника с водомерным стеклом, слайд 18)
Гидравлический тормоз, пресс, домкрат (слайд 19)
Водомерное стекло парового котла, гидроуровень (слайд 20)
При добыче нефти, отводящие трубы раковины (слайд 21)
Водоснабжение дома от горного ключа (слайд 22)
Шлюзы (слайд 23)
Водопровод (слайды 24-26)
2) Ответить на контрольные вопросы (слайд 27)
3) объяснить принцип действия артезианского колодца (слайд 28)
4) ответить на проблемный вопрос (слайд 29):
Два сообщающихся сосуда заполнены водой при температурах Т 1 и Т 2 (Т 1 >Т 2). Что произойдёт, если открыть кран К? В каждом сосуде есть устройство, которое может очень быстро изменять температуру попадающей в сосуд воды.
Подведение итогов урока.
Описание презентации по отдельным слайдам:
1 слайд
Описание слайда:
Реферат на тему: применение сообщающихся сосудов Подготовила: Золотова Анастасия Ученица 7 «Б»
2
слайд
Описание слайда:
Сообщающиеся сосуды - это сосуды, которые имеют связывающие их каналы, заполненные жидкостью. Другими словами, это сосуды, соединенные ниже поверхности жидкости таким образом, что жидкость может перетекать из одного сосуда в другой 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 Примеры сообщающихся сосудов 1)
3
слайд
Описание слайда:
Водомерная трубка. На принципе сообщающихся сосудов устроены водомерные трубки для баков с водой. Такие трубки, например имеются на баках в железнодорожных вагонах. В открытой стеклянной трубке, присоединенной к баку, вода всегда стоит 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 давления над свободной поверхностью воды в котле т в трубке были одинаковыми. 2) Фонтаны Петергоф - великолепный ансамбль парков, дворцов и фонтанов. Это единственный ансамбль в мире, фонтаны которого работают без насосов и сложных водонапорных сооружений. В этих фонтанах используется принцип сообщающихся сосудов - учтены уровни фонтанов и прудов-хранилищ 3)
4
слайд
Описание слайда:
Каждый день, открывая кран, Вы видите пример сообщающихся сосудов на практике, потому что действие водопровода основано на этом принципе. Принцип действия водопровода заключается в том, что на высокой башне устанавливается бак для накопления воды. От него идут трубы с ответвлениями, концы труб в квартирах домов закрыты кранами. Так как трубы и бак - сообщающиеся сосуды, то при открытии крана вода начинает течь. Такой водопровод не может подавать воду на высоту, большую, чем высота уровня воды в баке. Действие шлюза – гидротехнического устройства, с помощью которого суда проводят из водного бассейна с одним уровнем воды в другой - с иным уровнем. 4) 5)
5
слайд
Описание слайда:
Жидкостной манометр Для измерения давлений, больших или меньших атмосферного, используют манометры. В открытом жидкостном манометре жидкость устанавливается в обоих коленах на одном уровне, т.к. на её поверхность в коленах сосуда действует только атмосферное давление. При принудительном изменении давления в одном колене жидкость приходит в движение и по высоте избыточного столба можно судить об изменении давления. «Неиссякаемая» чаша Закон сообщающихся сосудов использовали и жрецы Древнего Египта для демонстрации своих «чудес», и древние греки. В одном из древнегреческих храмов, например, находилась «неиссякаемая» чаша, наполненная водой. Люди постоянно черпали из нее воду, но ее уровень не понижался. 6) 7)
6
слайд
Описание слайда:
Не зальёт ли лодку и не потонет ли она, если спустить её в воду? Решение проблемного вопроса: Отсек в лодке и русло реки представляют собой сообщающиеся сосуды. Вода, вливающаяся в отсек, не дойдёт до края борта, а будет находиться на таком же уровне, как и в реке. Лодку не зальёт и она будет плавать. Вывод: 8) 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. Казалось бы, всё здесь просто, но, тем не менее, они дают прекрасный повод познакомиться с примером работы атмосферного давления и окунуться в далёкое прошлое.