Тема: Давление твердых тел, жидкостей и газов
Урок: Закон Паскаля
Изучив этот урок, вы будете знать, как жидкости передают производимое на них давление.
Тема: Давление твердых тел, жидкостей и газов
Урок: Закон Паскаля
1. Вспомним, как движутся молекулы вещества
Прежде чем непосредственно перейти к изучению закона Паскаля давления газа, вспомним, как движутся молекулы твердых тел, жидкостей и газов (Рис. 1).
Рис. 1. Молекулярное строение твердых, жидких и газообразных тел
Молекулы твердых тел колеблются около своих равновесных положений, а молекулы жидкостей и газов имеют относительную свободу для движения. Они могут перемещаться друг относительно друга. Именно эта особенность в движении молекул жидкости и газа позволяет давление, производимое на жидкость или газ, передавать не только в направлении действия силы, а во всех направлениях. Проанализируем этот процесс подробней, стадию за стадией.
2. Передача давления газами и жидкостями
Рассмотрим цилиндр, в котором находится газ (например, воздух) и который закрыт подвижным поршнем. Это может быть, например, медицинский шприц, наконечник которого закрыли запаянной с одного конца трубкой, чтобы воздух не мог выйти из шприца (Рис. 2).
Рис. 2. Демонстрация сжимаемости воздуха
Если подействовать на поршень шприца некоторым усилием, он переместится вниз. Следовательно, объем газа, заключенного в шприце, уменьшится. С другой стороны, увеличивая силу, приложенную к поршню, мы увеличиваем давление, оказываемое на газ. Что происходит при этом с давлением газа в других частях шприца, не примыкающих вплотную к поршню?
Рис. 3. Распределение молекул газа под подвижным поршнем
Молекулы газа в цилиндре хаотически движутся, но в среднем распределены по его объему равномерно (Рис. 3а). Давление газа на стенки, дно цилиндра и на поршень обусловлено ударами молекул.
Переместим поршень вниз (Рис. 3б). В первый момент расстояние между молекулами газа в непосредственной близости от поршня уменьшится, молекулярные слои, примыкающие к поршню, приблизятся друг к другу. Количество ударов молекул о поршень станет больше, то есть давление газа на поршень увеличится. В остальных частях цилиндра среднее расстояние между молекулами не изменится, поскольку для перемещения молекул требуется некоторое время.
Через некоторое очень небольшое время молекулы газа вследствие столкновений друг с другом и стенками сосуда перераспределятся так, что среднее расстояние между ними снова станет одинаковым во всех частях сосуда. Однако, поскольку общее число молекул в герметичном цилиндре не изменилось, а объем цилиндра стал меньше, то теперь среднее расстояние между молекулами теперь будет меньше, чем до перемещения поршня (Рис. 3в). Другими словами, увеличится плотность расположения молекул газа. А это, в свою очередь, приводит к увеличению числа ударов молекул о стенки сосуда во всех частях сосуда, а не только вблизи поршня. Соответственно, давление, производимое на газ с помощью поршня, передается во все точки газа.
Анализ поведения молекул жидкости показывает, что жидкости ведут себя таким же образом.
3. Закон Паскаля
Давление, производимое на жидкость или газ, передается без изменений в любую точку жидкости или газа.
Это утверждение носит название закона Паскаля.
Справедливость закона Паскаля можно продемонстрировать с помощью прибора, называемого шаром Паскаля. Он представляет собой шар с небольшими отверстиями, расположенными по всей его поверхности. Шар соединен с цилиндром, закрытым подвижным поршнем. Прибор заполняют водой или дымом. Если прикладывать к поршню силу, то жидкость или задымленный воздух вытекают из всех отверстий шара, а не только из тех, которые расположены напротив поршня (Рис. 4).
Рис. 4. Шар Паскаля
4. Применения закона Паскаля
Свойство жидкостей и газов, описанное законом Паскаля, находит широкое применение в технике и в нашей повседневной жизни. Например, если бы закон Паскаля не выполнялся, невозможно было бы создание водопровода, нефте- и газопроводов. Ведь водопроводные и газовые трубы по дороге к потребителям испытывают большое число изгибов, но, тем не менее, давление, создаваемое насосами, нагнетающими воду, нефть или газ, передается без изменений от насоса до пунктов назначения. Системы торможения поездов на железной дороге или системы открывания дверей в электропоездах и метро также работают благодаря закону Паскаля.
Попробуйте представить себе, что было бы, если бы в трубах вместо жидкости или газа находился песок!.. Ведь он не подчиняется закону Паскаля.
Список литературы
1. Перышкин А. В. Физика. 7 кл. – 14-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2010.
2. Перышкин А. В. Сборник задач по физике, 7–9 кл.: 5-е изд., стереотип. – М: Издательство «Экзамен», 2010.
3. Лукашик В. И., Иванова Е. В. Сборник задач по физике для 7–9 классов общеобразовательных учреждений. – 17-е изд. – М.: Просвещение, 2004.