Тема 2. Тема 2

матеріал 1

Тиск у рідинах і газах. Гідростатичний тиск

Матеріал

Для вчителя

Для учня

Завантажити матеріал (PDF)

Урок 77. Тиск у рідинах і газах. Гідростатичний тиск

Очікувані результати навчання

створює і аналізує самостійно або у співпраці з іншими моделі об’єктів і явищ, які необхідно дослідити [12ПРО 1.4.1]
здійснює самостійно або у співпраці з іншими дослідження, фіксує результати [12 ПРО 1.4.2]
добирає самостійно або у співпраці з іншими форми подання інформації і її перетворення [12 ПРО 2.2.1]
інтерпретує самостійно або у співпраці з іншими інформацію природничого змісту, представлену в різний спосіб [12 ПРО 2.2.2]
порівнює, аналізує самостійно або у співпраці з іншими природні і техногенні об’єкти, явища і процеси на основі наукових методів пізнання та законів природи [12 ПРО 3.1.1]
оцінює самостійно або у співпраці з іншими значення природничих наук, техніки і технологій для суспільного прогресу і сталого розвитку [12 ПРО 3.4.1]
визначає самостійно або у співпраці з іншими аргументи/твердження, теорії, що ґрунтуються на наукових фактах і доказах [12 ПРО 4.1.1]
застосовує самостійно або у співпраці з іншими наукове знання і власний досвід для розв’язання життєвої/ навчальної проблеми [12 ПРО 4.3.2]

Мета уроку: сформувати в учнів розуміння фізичної природи тиску в рідинах і газах на основі молекулярно-кінетичних уявлень, закону Паскаля та формули гідростатичного тиску; показати зв’язок цих закономірностей із реальними життєвими, технічними й біомедичними ситуаціями та навчити застосовувати їх під час розв’язування практичних і розрахункових задач.

Очікувані результати для вчителя:

учні розуміють фізичну сутність тиску як наслідку молекулярного руху та дії сили тяжіння
учні пояснюють дію закону Паскаля, залежність гідростатичного тиску від глибини й густини рідини
учні встановлюють причинно-наслідкові зв’язки між зміною об’єму, температури газу та величиною тиску
учні наводять приклади проявів тиску рідин і газів у побуті, техніці, медицині та природі
учні спостерігають та інтерпретує результати демонстрацій і комп’ютерних симуляцій
учні аналізують практичні ситуації та робить обґрунтовані висновки

Очікувані результати для учнівства:

розуміє фізичну сутність тиску як наслідку молекулярного руху та дії сили тяжіння
пояснює дію закону Паскаля, залежність гідростатичного тиску від глибини й густини рідини
встановлює причинно-наслідкові зв’язки між зміною об’єму, температури газу та величиною тиску
наводить приклади проявів тиску рідин і газів у побуті, техніці, медицині та природі
спостерігає та інтерпретує результати демонстрацій і комп’ютерних симуляцій
аналізує практичні ситуації та робить обґрунтовані висновки

Ключові слова:

тиск
сила
площа поверхні
Паскаль
тиск твердих тіл
тиск рідин
тиск газів
об’єм газу
температура газу
закон Паскаля
гідростатичний тиск
густина рідини
глибина
зовнішній тиск
власний тиск рідини
сполучені посудини
рівновага рідини.

План уроку:

Мотивація
Теоретичний блок
Практичний блок
Попрактикуймо самостійно
Рефлексія

1. Мотивація

Дружня порада вчителю

Тривалість до 3 хв.

Проблемне питання

Чому водолазу небезпечно швидко спливати на поверхню, навіть якщо він дихає звичайним повітрям і в ньому достатньо кисню (рис.1)?
Чому кисонна (декомпресійна) хвороба є небезпечною для життя, навіть якщо її симптоми спочатку здаються незначними (біль у суглобах, слабкість, запаморочення)?

Можливий варіант відповіді:

Посилання на відео джерела:

https://www.youtube.com/watch?v=dn66rHSHL_o

Відео

https://www.youtube.com/watch?v=TpHv-sGE_D

Відео

https://www.youtube.com/watch?v=NzKAJWTmlwg

Відео

2. Теоретичний блок

Дружня порада вчителю

Тривалість до 17 хв.

Демонстрації:

Ніж: лезо ↔ тильна сторона.

Кульки/квасолини в коробці; Більше об’єктів → більше ударів об стінки (аналогія з тиском газів).

Пляшка з гумовою кулькою, яка надіта на пляшку. Пляшка опускається в гарячу воду → кулька надувається; холодна → здувається.

Пляшка (з водою) з отворами на різній висоті

U-подібна трубка з водою або різними рідинами.

Симуляції:

https://phet.colorado.edu/en/simulations/gas-properties

https://phet.colorado.edu/en/simulations/under-pressure

https://javalab.org/en/gas_in_various_condition_en/

Тиск є однією з основних фізичних величин, що характеризує дію сили на поверхню. Якщо сила діє перпендикулярно до певної поверхні, то тиск твердих тіл на поверхню визначають як відношення цієї сили до площі поверхні:

(1) $\begin{equation*}p = \frac{F}{S}\end{equation*}$

Одиницею тиску в SI є паскаль (Па).

Рідини та гази мають спільну властивість — вони здатні передавати тиск. На відміну від твердих тіл, де дія сили передається переважно в напрямку прикладеної сили, у рідинах і газах тиск поширюється інакше.

Рідина або газ складаються з величезної кількості частинок (молекул), які перебувають у безперервному хаотичному русі. Саме цей рух є причиною виникнення тиску: молекули постійно зіштовхуються між собою та з поверхнями посудини. Кожен такий удар створює малу силу, а сукупність величезної кількості ударів і формує тиск.

У газах відстані між молекулами значно більші, ніж у рідинах, тому газ легко стискається. Якщо газ помістити в замкнену посудину та зменшити її об’єм (наприклад, опускаючи поршень), молекули почнуть частіше вдарятися об стінки посудини. Унаслідок цього тиск газу зросте. Важливо, що за однакових умов цей тиск передається на всі стінки посудини однаково.

На тиск, який створює газ у циліндрі під поршнем впливає сам об’єм цього газу: чим менший об’єм, тим більший тиск, і навпаки — зі збільшенням об’єму тиск зменшується.

Окрім об’єму, на тиск газу істотно впливає температура. Під час нагрівання газу середня швидкість руху молекул зростає. Вони не лише частіше вдаряються об стінки посудини, а й кожен удар стає сильнішим. Унаслідок цього тиск газу збільшується навіть у разі, якщо об’єм посудини залишається незмінним. Під час охолодження газу відбувається протилежний процес — швидкість молекул зменшується, кількість і сила ударів зменшуються, а тиск падає. Отже, тиск газу залежить від температури: при підвищенні температури, тиск збільшується, і навпаки — при зниження температури тиск газу зменшується.

У рідинах молекули розташовані значно щільніше, тому рідина практично не стискається. Проте рідина так само передає тиск, що на неї чиниться, у всі напрямки.

Тиск, який чиниться на рідину чи газ, без змін передається в будь-яку точку рідини чи газу в усіх напрямках. Це формулювання є законом Паскаля (рис.2).

Закон Паскаля пояснює, чому під час дії сили на рідину або газ тиск однаково зростає у всіх точках середовища. Якщо, наприклад, у замкненій посудині з рідиною збільшити тиск на 1 кПа, то в кожній точці цієї рідини тиск зросте саме на 1 кПа, незалежно від глибини чи форми посудини.

Джерело: https://www.fizikanova.com.ua/

Окрім зовнішнього тиску, у рідинах існує власний тиск, зумовлений дією сили тяжіння. Рідина має масу, а отже — вагу. Під дією сили тяжіння верхні шари рідини тиснуть на нижні, унаслідок чого тиск у рідині зростає з глибиною.

Джерело: https://www.fizikanova.com.ua/

Розглянемо посудину з рідиною (рис.3). Щоб знайти тиск на її дно, потрібно визначити силу, з якою рідина тисне на дно, і поділити її на площу дна.

(2) $\begin{equation*}p = \frac{F}{S}\end{equation*}$

Оскільки рідина перебуває в стані спокою, сила тиску дорівнює вазі рідини.

Маса рідини визначається через її густину та об’єм.

(3) $\begin{equation*}m = \rho V\end{equation*}$

Об’єм — через площу дна та висоту стовпа рідини.

(4) $\begin{equation*}V = Sh\end{equation*}$

Об’єднавши ці вирази , отримаємо формулу гідростатичного тиску:

(5) $\begin{equation*}p = \frac{\rho Shg}{s}\end{equation*}$

(6) $\begin{equation*}p = \rho gh\end{equation*}$

де ρ — густина рідини, g — прискорення вільного падіння, h — висота стовпа рідини (глибина).

Тиск, який виникає в рідині внаслідок дії сили тяжіння, називають гідростатичним.

Експерименти показують, що гідростатичний тиск:

діє на занурене в рідину тіло з усіх боків;
зростає зі збільшенням глибини;
залежить від густини рідини;
не залежить від форми посудини.

І рідини, і гази передають тиск відповідно до закону Паскаля. Проте між ними існує важлива відмінність. Рідини майже не стискаються, тому для них можна використовувати просту формулу гідростатичного тиску. Гази ж легко стискаються, їх густина змінюється з висотою, тому для газів формула

p=ρgh у загальному випадку не застосовується. Саме ця відмінність пояснює, чому тиск у воді на певній глибині легко обчислити, а тиск повітря з висотою змінюється складнішим чином.

Розглянемо тепер випадок, коли кілька посудин з’єднані між собою в нижній частині так, що рідина може вільно перетікати з однієї посудини в іншу. Такі посудини називають сполученими посудинами. Форма, ширина чи об’єм окремих посудин при цьому можуть бути різними — принциповим є лише наявність сполучення та можливість вільного переміщення рідини.

Якщо в сполучених посудинах міститься одна й та сама рідина та на її вільні поверхні діє однаковий зовнішній тиск (зазвичай атмосферний), система з часом переходить у стан рівноваги (рис.4). У цьому стані тиск рідини на одній і тій самій глибині в усіх посудинах є однаковим.

(7) $\begin{equation*}p_1 = p_2\end{equation*}$

Тиск у рідинах і газах. Гідростатичний тиск

Матеріал