Давление в жидкостях и газах. Закон Паскаля

На этом уроке вы:

• узнаете, в чем состоит закон Паскаля;
• научитесь объяснять давление газа на основе молекулярного строения вещества.

Ключевые слова: давление газа, закон Паскаля.

Оказывают ли давление жидкости и газы?

Вспомним, как ведут себя молекулы газа. Молекулы газа непрерывно и хаотично движутся и постоянно сталкиваются друг с другом и со стенками сосуда, в котором находится газ. На каждый квадратный сантиметр поверхности стола, стенки комнаты, пола, тетради за 1 с ударяется примерно $10^{23}$ молекул. Удар каждой молекулы очень слаб, но действие $10^{23}$ частиц довольно значительно. Именно эти удары и создают давление газа на дно, потолок и стенки сосуда (рис. 23.1). Попробуем выяснить, от чего зависит давление газа на дно и стенки сосуда, в котором он находится. Для этого проведем несколько опытов.

Рис. 23.1

Опыт 1. Возьмем толстостенный стеклянный цилиндр с поршнем. Проделаем в цилиндре отверстие и заклеим его пластилином. Начнем медленно вдвигать поршень в цилиндр (рис. 23.2). Мы увидим, что через некоторое время пластилиновая пробка вылетит из цилиндра. Это означает, что давление воздуха в цилиндре при сжатии возросло. Произошло это из-за того, что увеличилось число ударов молекул на единицу площади. До сжатия молекулы газа занимали больший объем, а после сжатия это же количество молекул сосредоточилось в меньшем объеме. Поэтому возросло число ударов молекул на стенки сосуда, что привело к увеличению давления.

Рис. 23.2

Опыт 2. Если температуру газа повысить, то его молекулы начнут двигаться быстрее. Из-за этого возрастет сила их удара о стенки сосуда, а следовательно, и давление газа. Это можно подтвердить с помощью простого опыта. Если колбу нагревать (можно даже ладонями), то пузырек подкрашенной жидкости (воды) в горизонтальной трубке начнет перемещаться вправо (рис. 23.3). Значит, давление в колбе повысилось, а вместе с ним возросла сила давления газа, находящегося в колбе, на пузырек.

Рис. 23.3

Итак, давление газа тем больше, чем выше его температура и меньше объем при неизменной массе.

О температуре газа можно судить, измеряя его давление в постоянном объеме (например, в стеклянной колбе). Такие газовые термометры существуют, и они отличаются высокой точностью измерения. Технологически данный способ более удобен, чем тот, который основан на тепловом расширении.

Теперь же попробуем выяснить механизм передачи давления жидкостями и газами. Для этого проведем следующий опыт.

Опыт 3. Проделаем опыт, используя шар Паскаля. Он имеет маленькие отверстия по всей поверхности и присоединенную к нему трубку с поршнем (рис. 23.4, а). Шар заполним водой. Если вдвигать поршень, создавая избыточное давление внутри шара, то из всех отверстий начнут выходить струйки воды (рис. 23.4, б). То же самое происходило бы и с дымом. Этот опыт тоже подтверждает тот факт, что давление газами и жидкостями передается одинаково по всем направлениям. Передача давления жидкостями и газами объясняется подвижностью их молекул. Давление, которое оказывает поршень на ближайший к нему слой, передается последующим слоям. Молекулы жидкости и газа движутся хаотически, и их действие передается по всему объему шара.

Рис. 23.4. Шар Паскаля: а) с водой; б) с дымом

На основании опыта, приведенного выше, можно сделать следующий вывод:

Давление, производимое на жидкость или газ, передается одинаково по всем направлениям.

Это утверждение называется законом Паскаля. Закон назван в честь знаменитого французского физика Блеза Паскаля, изучавшего механизм передачи давления жидкостями и газами.

Вопросы

1. Чем обусловлено давление газа на стенки сосуда, в котором он находится?
2. Как меняется давление газа при сжатии и почему?
3. Как меняется давление газа при его нагревании, почему?
4. Почему жидкости и газы передают давление по всем направлениям одинаково? Ответ обоснуйте.
5. Сформулируйте закон Паскаля.

Творческая мастерская

Экспериментируйте. Возьмите пластиковую бутылку, проделайте в ней три одинаковых отверстия на разной высоте, залепите их пластилином. Наполните бутылку водой, поставьте ее в раковину или ванну, откройте отверстия и наблюдайте за струйками воды, вытекающей из бутылки. Опишите наблюдаемое явление и объясните его.

Объясните.

1. При открытом кране практически невозможно полностью перекрыть воду рукой, а небольшое отверстие в шланге для полива закрыть несложно. Почему?
2. Газ, находящийся в сосуде, оказывает на левую стенку давление в 300 Па. Какое давление производит газ на нижнюю, верхнюю и правую стенки сосуда?
3. Если выстрелить из винтовки в вареное яйцо, то в яйце образуется отверстие. Если же выстрелить в сырое яйцо, оно разлетится. Почему?
4. Используя закон Паскаля, можно изготавливать бутылки, стеклянные и пластиковые тела произвольной формы. Объясните, как можно изготовить стеклянный кувшин, показанный на рисунке 23.5.

Рис. 23.5

Решите. Изобразите графически зависимость давления от площади, на которую действует постоянная сила.