Секреты картезианского водолаза
Геннадий ПЕТРОВ, учитель физики Сюрбей-Токаевской средней школы Комсомольского района
Французский ученый Рене Декарт (1596—1650, по латыни его фамилия Cartesius звучит как Картезий) для демонстрации гидростатических явлений придумал прибор. Высокую стеклянную банку наполняли водой, оставляя сверху небольшой объем воздуха. В этот сосуд опускали небольшую полую стеклянную фигурку. Фигурку частично заполняли водой так, чтобы она немного выступала над уровнем воды в сосуде. Сверху сосуд плотно закрывали куском тонкой кожи. Нажимая на эту мембрану, можно было заставить фигурку плавать в воде, а также тонуть. Опыт был так популярен, что игрушку назвали картезианским водолазом. С ее помощью можно демонстрировать закон Паскаля, архимедову силу, условия плавания тел, так что она по сути является физическим прибором (установкой).
Сегодня изготовить такой прибор проще, чем во времена Декарта, — кругом полно пластиковых бутылок, а вместо полой фигурки можно использовать стеклянную пробирку. Опустив в бутылку частично заполненную водой пробирку (вверх донышком) и плотно закрыв бутылку крышкой и сжимая ее, можно реализовать любое из трех условий плавания: пробирка тонет, плавает на заданной глубине или всплывает. Для удобства пробирку можно закрыть пластмассовой пробкой, предварительно просверлив в ней отверстие и плотно вставив в это отверстие отрезок пластмассовой трубки от стержня шариковой ручки длиной 3-4 см.
Измерив массу пробирки и определив объем воды в ней, можно рассчитать силу тяжести, действующую на пробирку с водой. Измерив объем вытесняемой пробиркой воды с помощью измерительного цилиндра (мензурки), можно вычислить архимедову силу. Так как объем воды в пробирке каждом из трех случаев (всплывает, тонет, плавает) разный, то сила тяжести, действующая на нее, тоже разная, а архимедова сила во всех трех случаях одинаковая.
Чтобы учащиеся 7 класса общеобразовательной школы (базовый курс) сами могли наблюдать и выяснять условия всплывания, погружения и плавания тел, им предлагается экспериментальное задание с использованием картезианского водолаза. Выполнив эксперимент, дети заполняют таблицу и, анализируя результаты, делают выводы.
Наглядно разъяснить условия плавания тел можно с помощью динамического плаката, способ изготовления которого описан ниже.
Выяснения условий плавания
тела в жидкости (экспериментальная работа).
Цель: проверка условий поведения тела в жидкости (тонет, всплывает, плавает) с помощью прибора «картезианский водолаз».
Оборудование: пластиковая бутылка емкостью 1,5 л, пробирка (длиной 12—15 см и диаметром 14—17мм), отливной сосуд, сосуд с водой, измерительный цилиндр (мензурка), нитки, полоска чистой бумаги, карандаш, прозрачная липкая лента, измерительная линейка, рычажные весы с разновесами, пластмассовая пробка для пробирки.
Ход работы.
1. Изготовление картезианского
водолаза.
а) Заполните пластиковую бутылку водой, оставив 7—8 см от верха.
б) Возьмите пробирку, приклейте полоску чистой бумаги по всей длине с наружной стороны, проградуируйте ее объем с помощью мензурки, сделав начало отчета у открытого конца пробирки. Закройте полоску бумаги со шкалой скотчем, чтобы бумага не намокла в воде.
в) Измерьте объем воды, которую вытесняет пробирка при полном погружении в воду. Для этого заполните пробирку водой так, чтобы она тонула, закройте ее пробкой заподлицо (чтобы край пробки совпал с краем пробирки), привяжите за нитку и с помощью измерительного цилиндра измерьте объем вытесненной воды. После этого выньте пробку из пробирки и вылейте воду.
г) Пробирку заполните водой частично. Закрыв пальцем открытый конец, переверните ее и опустите в бутылку с водой. Меняя количество наливаемой воды, добейтесь того, чтобы донышко пробирки выступало над уровнем воды в бутылке на 2-3 мм. Бутылку закройте завинчивающейся крышкой. Прибор готов к работе.
2. Проведение эксперимента.
а) Если стенки пластиковой бутылки сжать, пробирка начинает погружаться в воду — тонуть. Измерьте количество воды внутри пробирки, когда она опустится на дно.
б) Рассчитайте силу тяжести, действующую на пробирку с водой:
Fт = (m + p Vв) g,
где Fт — сила тяжести, m — масса пробирки, p — плотность воды, Vв — объем воды в пробирке, g = 9,8 H/кг (ускорение свободного падения).
в) Рассчитайте архимедову силу FА, действующую на погруженную в воду пробирку, взяв измеренный ранее объем воды, которую вытесняет пробирка при полном погружении в воду:
FА = p Vn g ,
г) Сравните силу тяжести и архимедову силу, сделайте соответствующие выводы.
д) Добейтесь, зажимая пластиковую бутылку, чтобы пробирка плавала в воде посередине бутылки. Данное положение очень неустойчивое. Измерьте объем воды в пробирке, рассчитайте силу тяжести и сравните с архимедовой силой. Сделайте соответствующие выводы.
е) Определите объем воды в пробирке в тот момент, когда при ослаблении воздействия на пластиковую бутылку пробирка начинает всплывать. Рассчитайте силу тяжести и сравните с архимедовой силой.
ж) Опыт повторите несколько раз.
з) По результатам эксперимента сделайте выводы.
и) Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу (см. ниже).
Первую часть экспериментальной работы (изготовление прибора картезианский водолаз) желательно провести до урока, во внеурочное время, совместно с учащимися-лаборантами.
Динамический плакат
«Действие жидкости и газа на погру-
женное в них тело».
Плакат состоит из двух частей: основной и подвижной, обе выполняются на листах ватмана, наклеенных на картон. Для изготовления основной части лист складываем пополам и скрепляем сбоку, чтобы получился «чулок». На лицевой части изображаем сосуд с жидкостью в виде прямоугольника, обводим его толстой линией и раскрашиваем в светло-голубой цвет. В середине сосуда изображаем «тело», окрашиваем его в серый цвет и заштриховываем. В центре «тела» рисуем круг, от него вверх и вниз — две полоски. Круг и полоски окрашиваем в яркий цвет (красный). По обоим сторонам «тела» делаем окошки, а в верхней и нижней частях сосуда четыре прорези, через которые потом пропускаем подвижную часть.
На подвижной части рисуем две одинаковые стрелки и делаем надписи, которые во время демонстрации показываются в правом и левом окошках. Если стрелка, указывающая вверх, меньше, чем стрелка, указывающая вниз, то в окошках видна верхняя запись, если обе стрелки одинаковы, то средняя запись, если длиннее стрелка, указывающая вверх, видна нижняя запись. На тыльной части основного плаката посередине делаем прорезь, через которую пропускаем шнур, закрепленный в центре подвижной части. С помощью этого шнура передвигаем подвижную часть во время демонстрации динамического плаката.
Литература
Перышкин А.В., Родина Н.А. Физика 6-7, М.: Просвещение, 1984.
Энциклопедия для детей, Том 16. Физика. Ч.1. М.: Аванта +, 2002.