Попытаемся объяснить, какие же процессы сопровождают подъем воды в стакане.

Фролова Вероника

Ученица 10В класса

ГОБУ гимназии № 406

 

Научный руководитель:

Седова Ирина Игоревна

Учитель физики

ГБОУ гимназии № 406

 

2013 год

Содержание:

 

Вступление………………………………………….……………………….3

Краткая теория………………………………................................................4

Практическая часть……………………………………………………….…7

Лабораторная работа №1 …………………………………………………...7

Лабораторная работа №2 ………………………………………………..….8

Лабораторная работа №3 …………………………………………….……..9

Лабораторная работа №4 ………………………………………….…….…10

Лабораторная работа №5 …………………………………………………..11

Заключение………………………………………………………………….12

Список использованной литературы ……………………………………..13

 

 

Вступление:

В книге Я.И. Перельмана описана задача «Сухим из воды»: «Положите монету на большую плоскую тарелку, на­лейте столько воды, чтобы она покрыла монету, и предложите гостям взять ее прямо руками, не замо­чив пальцев».

Данная задача заинтересовала меня. Проведя самостоятельно этот не сложный эксперимент, я решила более подробно разобраться в причинах, вызвавших подъем воды в стакане.

 

Цель работы:

Объяснить и исследовать явление подъема воды в этом опыте.

Задачи работы:

Исследовать зависимость подъема воды от:

1.​ Объема воды в ёмкости;

2. ​Количества свечей;

3.​ Температуры воды в ёмкости;

4.​ Температуры окружающей среды.

 

Теоретическая часть

Я.И.Перельман приводит следующее решение поставленной задачи:

«Эта, казалось бы, невозможная задача довольно просто решается с помощью стакана и горящей бу­мажки. Зажгите бумажку, положите ее горящей внутрь стакана и быстро поставьте стакан на тарелку близ монеты, дном вверх. Бумажка погаснет, стакан наполнится белым дымом, а затем под ним сама со­бой соберется вся вода с тарелки. Монета же, конеч­но, останется на месте, и через минуту, когда она об­сохнет, вы сможете взять ее, не замочив пальцев».

Как Я.И.Перельман объясняет данное явление?

«Горящая бумажка нагрела в стакане воздух, давление его от этого возросло, и часть газа вышла наружу. Когда бумажка погасла, воздух снова остыл, но при охлаждении его давление ослабело и под стакан вошла вода, вгоняемая туда давлением наружного воздуха».

Я.И.Перельман так же разъясняет, что «…весьма нередко приходится слышать и даже чи­тать неверное объяснение этого старинного опыта. А именно, говорят, что при этом «сгорает кислород» и потому количество газа под стаканом уменьшается.

Такое объяснение грубо ошибочно. Главная причина только в нагревании воздуха, а вовсе не в поглощении части кислорода горящей бумажкой. Это следует, во-первых, из того, что можно обойтись, и без горящей бумажки, а просто нагреть стакан, сполоснув его ки­пятком. Во-вторых, если вместо бумажки взять смоченную спиртом вату, которая горит дольше и сильнее нагревает воздух, то вода поднимается чуть не до по­ловины стакана; между тем известно, что кислород составляет только 1/5 всего объема воздуха. Наконец нужно иметь в виду, что вместо «сгоревшего» кисло­рода образуется углекислый газ и водяной пар; пер­вый, правда, растворяется в воде, но пар остается, занимая отчасти место кислорода».

Мы считаем, что такое объяснение хорошо в том случае, когда на тарелку наливается «столько воды, чтобы она покрыла монету». Аесли высота слоя воды будет большей? Наше дальнейшее исследование и посвящено этой проблеме.

Попытаемся объяснить, какие же процессы сопровождают подъем воды в стакане.

В процессе горения фитиля и парафина (С₁₈Н₃₈) выгорает часть кислорода в воздухе внутри стакана. Эта реакция выглядит так:

 

Образовавшаяся вода (Н₂О) практически сразу конденсируется. При этом образуется углекислый газ (СО₂). Видно, что в реакции участвует 55 молекул кислорода, а образуется 36 молекул углекислого газа, то есть в 1.5 раза меньше. Таким образом, число молекул воздуха в сосуде уменьшается. По мере накопления СО₂ свеча начинает гаснуть. Это означает, что концентрация углекислого газа в сосуде достигла критического для гашения пламени значения, равного 12 – 15 % (для закрытого сосуда). При этом нагретый пламенем воздух быстро остывает и соответственно уменьшает свой объем и давление. Часть воды при этом втягивается в сосуд.

– давление воздуха над столбиком воды после охлаждения и сжатия

 

рассчитывается из уравнения Менделеева – Клапейрона.

 

где: V - объем воздуха,

m - его масса,

M - средняя молярная масса

(состав воздуха в сосуде отличается

от состава воздуха вне сосуда,

так как произошла химическая реакция)

 

Таким образом по получившимся формулам можно рассчитать давление газа в сосуде, или высоту, на которую поднимется вода.

 

 

Детально рассмотрев процессы, происходящие при подъеме воды, переходим к лабораторным исследованиям процесса.

 

 

Практическая часть

Лабораторная работа №1

Цель работы: Исследовать зависимость подъема воды от начального количества воды в ёмкости.

 

Оборудование: емкость для воды, свеча, линейка, спички, стакан, сода, термометр.

 

Ход работы:

Объем воды, л	0,1	0,2	0,3
Высота подъема воды относительно дна емкости, см

 

T_{окр.среды} = const; T_воды = const;

p = const; N_свечей = const

T_{окр.среды} = 290,5 К

T_воды = 289 К

p = 96,93 (кПа)

N_свечей = 1

 

 

Вывод: От начального объема воды в ёмкости высота подъема не зависит.

 

 

Лабораторная работа №2

Цель работы: Исследовать зависимость подъема воды от количества свечей.

 

Оборудование: емкость для воды, свеча, линейка, спички, стакан, вода, термометр.

 

Ход работы:

Количество свечей, шт
Высота подъема воды относительно дна емкости, см	1,9	2,2	2,8	3,5

T_{окр.среды} = 290,5 К

T_воды = 289 К

p = 96.93 (кПа)

V_воды = 100 мл

 

Вывод: Чем больше свечей используется, тем выше поднимается вода

 

 

Лабораторная работа №3

Цель работы: Исследовать зависимость подъема воды от температуры воды.

 

Оборудование: емкость для воды, свеча, линейка, спички, стакан, вода, термометр.

 

Ход работы:

Температура воды, ºС
Высота подъема воды относительно дна емкости, см	1,9	1,2	1,5	1,7

T_{окр.среды} = 290,5 К

N_свечей = 1

p = 96,93 (кПа)

V_воды = 100 мл

 

Лабораторная работа №4

Цель работы: Исследовать зависимость подъема воды от температуры внешней среды.

 

Оборудование: емкость для воды, свеча, линейка, спички, стакан, вода, термометр.

 

Ход работы:

Температура в помещении, ºС		17,5
Высота подъема воды относительно дна емкости, см	1,7	1,9	1,5

N_свечей = 1

T_воды = 289 К

p = 96.93 (кПа)

V_воды = 100 мл

 

 

Лабораторная работа №5

Цель работы: исследовать время горения свечи и высоту подъема воды от объема сосуда.

 

Оборудование: емкость для воды, свеча, линейка, спички, стакан, вода, термометр.

 

Ход работы:

Объем сосуда, см3
Высота подъема воды относительно дна емкости, см	3,3	3,5	3,9	3,8
Время горения свечи, с

N_свечей = 1

T_воды = 289 К

p = 9,13 кПа

V_воды = 100 мл

T_{окр.среды} = 291 К

 

Вывод: Чем больше объем сосуда, тем больше время горения свечи.

 

Заключение:

В своей работе я выяснила, что вода втягивается в сосуд под действием нескольких факторов: химическая реакция горения парафина и изменение давление в сосуде. Так же я выяснила, что подъем воды в сосуде зависит от:

ü Температуры воды;

ü Температуры окружающей среды;

ü Объема сосуда;

ü Количества свечей (чем больше свечей используется, тем выше поднимается вода)

Подъем воды в сосуде не зависит от первоначального количества воды в емкости.

 

 

Список литературы:

1. Я.И. Перельман «Занимательная Физика», Москва, «Наука», 1979

2. Г.С.Ландсберг «Элементарный учебник физики», Москва, «Наука», 1985

3. «Юный Техник», №11, 2005 г.

 

Пожалуйста, подождите