Опыт с пластиковой бутылкой

Астахова Е. Р. и Сергиенко В. И., ученицы 10-А класса ДОШ I-III ступеней 20 Учитель: Скляр Л.А.

В XXI веке все острее становится проблема утилизации отходов. Огромное количество неперерабатываемого мусора сокращает площади земельных ресурсов, многие из современных материалов производства разлагаются очень медленно, выделяя вредные для окружающей среды вещества. «Хоронить» мусор в земле становится все опаснее, переработка доступна не всем государствам мира, поэтому широкое распространение получило вторичное использование изделий, в том числе пластиковых бутылок.

Пластиковые бутылки открывают большие возможности для демонстрации физических явлений - они имеют разную форму и объем, прозрачны и прочны, легко деформируются, режутся ножницами и прокалываются шилом, герметично закрываются своими крышками и пробками с патрубками от бутылок с моющими средствами. Бутылки из пластика доступны всем, и опыты с ними не требуют никаких материальных затрат.

С помощью пластиковой бутылки можно продемонстрировать законы Паскаля, Архимеда и Бернулли, создать модель работы легких, наглядно показать гидростатическое давление, сообщающиеся сосуды и равновесие, колебания, поверхностное натяжение, свободное падение и многое другое. Мы же хотим провести опыт с атмосферным давлением.

Атмосферное давление давление атмосферы на все находящиеся в ней предметы и Земную поверхность. Оно создаётся гравитационным притяжением воздуха к Земле. Атмосферное давление измеряется барометром. Нормальным давлением называют давление на уровне моря при температуре 15 °C. Оно равно 760 мм рт.ст. (Международная стандартная атмосфера МСА, Па).

Наличие атмосферного давления привело людей в замешательство в 1638 году, когда не удалась затея герцога Тосканского украсить сады Флоренции фонтанами вода не поднималась выше 10,3 метров. Поиски причин этого и опыты с более тяжелым веществом ртутью, предпринятые Эванджелистой Торричелли привели к тому, что в 1643 он доказал, что воздух имеет вес. Совместно с В. Вивиани, Торричелли провёл первый опыт по измерению атмосферного давления, изобретя трубку Торричелли (первый ртутный барометр) стеклянную трубку, в которой нет воздуха. В такой трубке ртуть поднимается на высоту около 760 мм.

Атмосферное давление очень изменчивый метеоэлемент. Из его определения следует, что оно зависит от высоты соответствующего столба воздуха, его плотности, от ускорениясвободного падения, которое меняется от широты места и высоты над уровнем моря. Атмосферное давление уменьшается по мере увеличения высоты, поскольку оно создаётся лишь вышележащим слоем атмосферы. Зависимость давления от высоты описывается т. н. барометрической формулой.

Тема: атмосферное давление. Цель: доказать существование атмосферного давления, продемонстрировать его действие на тела с меньшим внутренним давлением, а также предложить новые способы определения массы и плотности газов. Оборудование: пластиковая бутылка, горячая вода, термометр.

Для демонстрации действия атмосферного давления нужна горячая вода, но не крутой кипяток, чтобы бутылка не деформировалась. Стодвести граммов такой воды наливают в бутылку и несколько раз интенсивно встряхивают, прогревая тем самым находящийся в бутылке воздух.

Затем воду выливают, а бутылку сразу же плотно закрывают крышкой и ставят на стол для обозрения. В момент закупоривания бутылки давление воздуха в ней одинаково с наружным атмосферным давлением.

Со временем воздух в бутылке остывает и давление воздуха внутри нее падает. Возникшая разница давлений по обе стороны стенок бутылки приводит к ее сдавливанию, сопровождающемуся характерным хрустом.

Поскольку во время закручивания пробки в начале и после сжатия бутылки в конце опыта давление в бутылке одинаково и равно атмосферному давлению, то мы можем считать процесс изобарным и использовать закон Гей-Люссака для изобарных процессов: при m=const, p=const:

Уравнение состояния идеального газа:

В ходе проведения опыта было доказано, что существует давление, создающееся многокилометровой толщей атмосферного воздуха. Оно заставляет сжиматься тела, обладающие меньшим внутренним давлением, так же, как бутылку в проведенном нами опыте. Также был предложен и продемонстрирован способ нахождения массы и плотности газа (в опыте – воздуха) с помощью пластиковой бутылки.