3656 Методические указания по курсу «Физика» (стр. 1 )

Министерство образования и науки Украины

Сумский государственный университет

3656 МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

по курсу

«ФИЗИКА»

к разделу

«МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА»

для студентов-иностранцев подготовительного отделения

Сумы

Сумский государственный университет

2013

Методические указания по курсу «Физика» к разделу «Молекулярная физика и термодинамика» /составитель . – Сумы : Сумский государственный университет, 2013.– 83 с.

Кафедра общей и теоретической физики

Модуль 1 ГИДРОСТАТИКА

Тема 1 ДАВЛЕНИЕ. ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ.

АТМОСФЕРНОЕ ДАВЛЕНИЕ. ЗАКОН ПАСКАЛЯ ДЛЯ ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ. СООБЩАЮЩИЕСЯ СОСУДЫ

Действие силы на поверхность тела характеризуется давлением.

Давление – это скалярная физическая величина, которая равна отношению модуля силы , которая действует перпендикулярно к поверхности, к площади этой поверхности:

. (1.1)

Единица измерения давления в системе СИ – Паскаль (), названная в честь французского ученого Блеза Паскаля (1623–1662 гг.).

.

1 Па – это давление, которое оказывает сила 1 Н на перпендикулярную к ней поверхность площадью 1 м2 при равномерном распределении действия силы на площадь.

На практике применяются внесистемные единицы давления:

1 Техническая атмосфера – :

.

2 Миллиметр ртутного столба – :

.

3 Физическая атмосфера – :

.

Прибор для измерения давления называется манометром.

Землю окружает воздушная оболочка, которая называется атмосферой. Нижняя граница атмосферы – это поверхность Земли. Определенной верхней границы атмосфера не имеет. Воздух, как и любой другой газ, притягивается к Земле, а значит, имеет вес. Вследствие своего веса верхние слои атмосферы давят на нижние слои и на все тела, которые находятся в атмосфере.

Давление, которое оказывает атмосфера Земли на ее поверхность, называется атмосферным давлением. За нормальное атмосферное давление принято давление, равное . С увеличением высоты над уровнем моря атмосферное давление уменьшается.

Прибор для измерения атмосферного давления называется барометром.

Закон Паскаля

Жидкости и газы передают оказываемое на них давление одинаково по всем направлениям.

Вследствие притяжения к Земле жидкость создает давление на дно и стенки сосуда, а также на тела, погруженные в эту жидкость. Давление жидкости на дно и стенки сосуда называется гидростатическим давлением.

Найдем гидростатическое давление, исходя из определения (1.1). В цилиндрическом сосуде сила давления на дно сосуда равна весу столба жидкости:

.

Масса жидкости равна произведению плотности жидкости (табл. А.1) на объем :

. (1.2)

Объем жидкости равен произведению площади дна сосуда на высоту столба жидкости : .

Гидростатическое давление жидкости на дно определяется формулой

,

. (1.3)

Гидростатическое давление равно произведению плотности жидкости на модуль ускорения свободного падения и на глубину, на которой определяется давление.

Такое же давление согласно закона Паскаля жидкость осуществляет и на боковые стенки сосуда на глубине .

Если жидкость находится под внешним давлением (например, под атмосферным давлением), то давление внутри жидкости на глубине равно

. (1.4)

Величина давления не зависит от формы столба жидкости, а определяется только его высотой. Если жидкости в сосудах, изображенных на рис. 1, имеют одинаковую плотность, то давление на дно сосудов одинаковое. Такие сосуды называются сообщающимися.

Рисунок 1

Сообщающиеся сосуды – это два или несколько сосудов, соединенные между собой в нижней части.

Закон сообщающихся сосудов

1 Однородная жидкость ( ) в сообщающихся сосудах устанавливается на одном уровне (рис. 1, 2):

. (1.5)

2 Неоднородные жидкости () в сообщающихся сосудах устанавливаются на уровнях, которые обратно пропорциональны плотностям жидкостей (рис. 3):

. (1.6)

Рисунок 2 Рисунок 3

Закон сообщающихся сосудов имеет большое практическое применение. Например, сообщающимися сосудами на рис. 4 являются чайник и его носик, а на рис. 5 – бак и водомерная трубка. В этих сообщающихся сосудах уровень жидкости устанавливается на одном уровне.

Рисунок 4 Рисунок 5

Гидравлический пресс (рис. 6) представляет собой два сообщающихся сосуда цилиндрической формы разного диаметра, в которых имеются поршни, площади которых различны (). Цилиндры заполнены маслом.

Рисунок 6

Сила действует на поршень и создает в жидкости давление . По закону Паскаля это давление передается жидкостью по всем направлениям без изменения. На поршень действует сила: , откуда

. (1.7)

Гидравлический пресс дает выигрыш в силе, равный отношению площади большего поршня к площади меньшего поршня.

! Ключевые слова и термины

1 Гидроста́тика. 10 Гидростати́ческое давлéние.

2 Давлéние. 11 Пло́тность вещества́.

3 Пло́щадь повéрхности тéла. 12 Глубинá.

4 Техни́ческая атмосфéра. 13 Сообща́ющиеся сосу́ды.

5 Физи́ческая атмосфéра. 14 Одноро́дная жи́дкость.

6 Миллимéтр ртýтного столбá. 15 Разноро́дные жи́дкости.

7 Атмосфéра. 17 Гидравли́ческий пре́сс.

9 Давлéние столба́ жи́дкости. 18 Вы́игрыш в си́ле.

!! Обратите внимание!

1 Что это что

Давление – это скалярная физическая величина, которая равна отношению модуля силы , которая действует перпендикулярно поверхности, к площади этой поверхности.

2 Что измеряют чем

Давление измеряют паскалями.

Давление измеряют техническими атмосферами.

Давление измеряют физическими атмосферами.

Давление измеряют миллиметрами ртутного столба.

3 Что называется чем

Давление жидкости на дно и стенки сосуда называется гидростатическим давлением.

4 Прочитайте формулу гидростатического давления

Пэ равно ро жэ аш ().

? Контрольные вопросы

1 Что называется давлением?

2 Назовите единицы измерения давления.

3 Что называется атмосферным давлением?

4 Сформулируйте закон Паскаля.

5 От чего зависит давление жидкости на дно сосуда?

6 Какие сосуды называются сообщающимися?

7 Сформулируйте закон сообщающихся сосудов.

Тема 2 АРХИМЕДОВА СИЛА. ЗАКОН АРХИМЕДА.

УСЛОВИЯ ПЛАВАНИЯ ТЕЛ ДЛЯ ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ

На тело, погруженное в жидкость, со всех сторон действует сила давления жидкости. Нижняя поверхность любого тела всегда находится на большей глубине, чем его верхняя поверхность. Поэтому сила давления жидкости на нижнюю поверхность погруженного у нее тела больше, чем на его верхнюю поверхность (рис. 7). Равнодействующая сил давлений жидкости на верхнюю и нижнюю поверхности тела называется архимедовой силой , названная в честь греческого ученого Архимеда (287–212 гг. до н. э.):

. (2.1)

Архимедова сила направлена вертикально вверх и выталкивает тело на поверхность жидкости. Архимедова (выталкивающая) сила действует на тела не только в жидкостях, но и в газах.

Рисунок 7

Вычислим величину архимедовой силы в жидкости, которая действует на тело, изображенное на рис. 7:

, (2.2)

где силы давления ; .

Гидростатическое давление на глубине и : ; ,

где – плотность жидкости.

Подставим полученные выражения в (2.2):

,

где разность – высота тела;

произведение – объем погруженной части тела, который равен объему вытесненной жидкости .

Поскольку , закон Архимеда можно переписать в виде

, (2.3)

где – вес вытесненной жидкости.

Сформулируем закон Архимеда:

На тело, погруженное в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, которая равна весу жидкости или газа в объеме этого тела (или погруженной его части). Выталкивающая сила равна произведению плотности жидкости или газа на ускорение свободного падения и на объем той части тела, которая погружена в жидкость или газ.

Архимедова сила приложена к телу в центре массы вытесненной телом жидкости и направлена против силы тяжести, которая действует на это тело. Поэтому вес тела при взвешивании в жидкости или газе всегда меньше, чем в воздухе.

. (2.4)

Чтобы определить силу Архимеда, которая действует на тело в любой жидкости, необходимо это тело взвесить в воздухе и в жидкости. Разность полученных значений и есть сила Архимеда, или выталкивающая сила.

Рассмотрим условия плавания тела, погруженного в жидкость. На тело, погруженное в жидкость или газ, одновременно действуют две силы, направленные в противоположные стороны: сила тяжести и архимедова сила.

Рисунок 8 Рисунок 9 Рисунок 10 Рисунок 11

При этом возможны четыре случая поведения тела, которые показаны в таблице:

	Поведение тела	Неоднородное тело	Однородное тело
1	Тонет (рис. 8)
2	Всплывает (рис. 9)
3	Плавает внутри жидкости (рис. 10)
4	Плавает на поверхности жидкости (частичное погружение) (рис. 11)

Условие плавания тела (равновесия тела в жидкости): для плавания тела необходимо, чтобы действующая на него сила тяжести уравновешивалась силой Архимеда:

. (2.5)

! Ключевые слова и термины

1 Те́ло, погруже́нное в жи́дкость. 3 Вы́тесненная жи́дкость.

2 Выта́лкивающая си́ла. 4 Усло́вие пла́вания те́ла.

!! Обратите внимание!

1 Что называется чем

Равнодействующая сил давлений жидкости на верхнюю и нижнюю поверхности тела называется архимедовой силой.

2 Прочитайте формулу закона Архимеда

Эф а равно ро жэ вэ тэ ().

3 Вес тела при взвешивании в жидкости или газе меньше, чем в воздухе.

? Контрольные вопросы

1 Почему жидкости и газы выталкивают погруженные в них тела?

2 Почему возникает выталкивающая сила?

3 Сформулируйте закон Архимеда.

4 Чему равна величина выталкивающей силы?

5 Сформулируйте условие плавания тел.

Задачи по теме

«ГИДРОСТАТИКА»

1 Примеры решения задач

Задача 1.1 Нефть сохраняется в цистерне, которая имеет форму цилиндра высотой и диаметром . Определить силу, с которой нефть давит на боковую поверхность цистерны. Плотность нефти .