Опыты по физике с водой: Интересные физические опыты с водой в домашних условиях: видео, как сделать

Эксперименты по физике у вас во дворе, которые точно понравятся детям

Минутка теории: что такое поверхностное натяжение воды

Большая часть Земли состоит из воды и других жидкостей. На бытовом уровне мы это замечаем на примере рек и океанов, облаков и гейзеров. Но на самом деле у воды много секретов: она растягивается, сжимается, замерзает, тает и испаряется.

Сегодня будем исследовать эффект, который называется поверхностное натяжение воды. По определению в физике это «удельная работа увеличения поверхности при ее растяжении при условии постоянства температуры». Это явление возникает из-за того, что молекулы любого вещества притягиваются друг ко другу.

По сути, поверхностное натяжение — это такая невидимая эластичная оболочка, которая есть у любой жидкости: хоть у воды, хоть у молока. Она возникает потому, что жидкость старается сохранить свою площадь — поэтому молекулы крепко притягиваются друг ко другу, подобно защитникам в американском футболе, которые сцепились за локти и никого не пропускают.

Поверхностное натяжение можно заметить только в жидкости. В газе молекулы находятся слишком далеко друг от друга, и мы его не видим, а в твердом теле есть четкая структура, и молекула не может из нее выйти.

Именно из-за этого эффекта некоторые насекомые могут ходить по воде, а еще значение фразы «полная чаша» приобретает более глубокий смысл. Почему и как все это происходит — мы узнаем на собственном опыте. А каникулы — самое время собраться всей семьей и отправиться в мир исследований законов физики за пределами школьного класса.

Подготовимся: что взять с собой на улицу

Чтобы физика не превратилась в физкультуру и мы не бегали домой за разными предметами, сразу возьмем все необходимое с собой:

• Бутылка воды или несколько бутылок с разными жидкостями — масло, сок, какао на случай замерзания)
• Пластиковый стаканчик
• Монетки или камушки — 10 штук
• Скрепки
• Ватные палочки
• Мыльный раствор или мыльные пузыри
• Пипетка или шприц без иглы
• Лист бумаги или салфетки
• Спички
• Рамка
• Спицы или коктейльные трубочки (2 штуки)

А теперь с этой сумочкой отправляемся на встречу опытам.

Опыт 1. «Чай с горкой»

Если очень голоден, можно положить себе гарнир или, чего уж греха таить, десерт с горкой. Но получится ли сделать то же самое с напитком — вопрос, на который мы и хотим ответить.

Что делать. Нальем в стакан любую жидкость до краев. А теперь бросим туда монетку — по закону Архимеда объем вытесненной воды равен объему погруженного тела. То есть у нас должна была вылиться вода объемом с монетку, но этого не произошло.

Подкиньте еще несколько монет по одной до тех пор, пока над стаканом не появится горка из чая. Полюбуйтесь — это же чай с горкой!

Почему так. Горка появилась из-за поверхностного натяжения воды — она есть у всех видов жидкости: чая, кофе, молока. Поверхностное натяжение — это невидимая пленка, которая образуется из молекул на границе жидкости и воздуха.

Это те же самые молекулы чая, что и внутри нашей чашки, но сцеплены они более плотно — вот поверхность и сжимается. Именно поэтому горка жидкости держится и не выливается сразу.

Добивка опыта. В какой-то момент «терпение» воды иссякнет, и она все-таки польется через край. Проследите за этим внимательно — из-за того же поверхностного натяжения вода стекает ручейком и выливается не только с горки, но и из самого стакана — то есть была горка, а стала ямка. У кого-то молоко убежало, а у кого-то вода уползла.

А если не хочется выходить на улицу — проведите тот же эксперимент дома. Еще больше опытов собрали для вас в бесплатном PDF-файле. Скачивайте и проводите каникулы с пользой!

Скачать PDF-файл «Физические опыты дома»

Опыт 2. «Водомерка может, и я смогу»

Есть такие насекомые, которые передвигаются по поверхности воды — не плывут, а именно ходят, бегают и ползают по ее поверхности и не тонут. Например, водомерка — маленький клоп.

Ну так вот: нам интересно, почему они не тонут. Можно предположить, что дело в плотности тела, но никто специально не узнавал их плотность. А если вместо водомерки взять, допустим, лед (его плотность меньше воды, и он действительно не тонет), то он все-таки плавает, частично погруженный в воду. Нам такое не подходит, поэтому разбираемся сами.

Что делать. Возьмем стакан с водой и бросим в него металлическую скрепку или монетку. Она обязательно утонет — металлическая же.

А теперь возьмем еще одну скрепку и положим ее на лист бумаги или салфетки. Теперь эту бумажку аккуратно кладем на поверхность воды. Какое-то время бумага продержится, а затем намокнет и утонет. Но не скрепка — она останется плавать на поверхности.

Почему так. Внимательно понаблюдайте за скрепкой — вокруг нее вода как бы прогибается. Это все еще наши невидимые «футболисты-защитники» в виде молекул, которые притягиваются друг ко другу, чтобы удержать эластичную оболочку поверх воды.

Скрепка немного продавливает и растягивает эту оболочку, но не тонет, как в первом случае без бумаги. Это происходит потому, что с бумагой мы опустили ее в воду медленно — вот и скрепка опускается на воду тоже медленно и ровно, нигде не продавливая воду ни сильнее, ни слабее.

Поверхностному натяжению это все же не нравится — молекулы воды все еще хотят сохранить оболочку и кидают все силы на эту задачу. Вместо того чтобы сдаться, разорвать оболочку и утопить монетку, сила поверхностного натяжения направляется вверх и уравновешивает вес монетки — вот она и не тонет. С водомеркой та же история.

Добивка опыта. Если мы будем менять поверхностное натяжение, монетка будет двигаться. Просто ткнем пальцем рядом, и она утонет. Но это скучно. Лучше возьмем ватную палочку, сильно смочим ее в мыльном растворе (он увеличивает поверхностное натяжение воды) и уже ей коснемся воды рядом с монеткой — тогда она будет отодвигаться от палочки.

Опыт 3. «Конкурс странных шапочек»

В этом эксперименте попытаемся ответить на вопрос: «Сколько капель воды поместится на монетке прежде, чем вода с нее стечет?» Гугл точных чисел не дает, поэтому придется проверить самим.

Что делать. Возьмем монетку, воду и шприц без иголки или пипетку. Начнем по капельке капать жидкость на монетку. Одна есть, две, три — в какой-то момент, если посмотреть сбоку, покажется, что монетка нарядилась в шапочку из воды. Миленько! Но почему вода не стекает?

Почему так. Это все еще поверхностное натяжение воды — она стремится уменьшить свою площадь, то есть жидкости проще остаться на монетке, чем растечься по столу. И чем ближе форма капли к шару, тем меньше плотность ее поверхности и тем большее количество молекул притягивается друг ко другу.

Добивка опыта. А в чем же конкурс? В том, что можно брать совершенно разные жидкости и проверять, сколько их капель поместится на той же самой монетке. Например, раз уж мы на улице, выясним, сколько капель горячего какао поместится на монетке по сравнению с обычной водой.

Опыт 4. «Плыви-плыви, моя звезда»

Что делать. Возьмите 10 спичек и сложите их в форму снежинки прямо на снегу. Капните воды из шприца или пипетки в середину снежинки и наблюдайте за магией: спички начнут раздвигаться.

Если звезда образовалась не до конца — капните еще воды, у нас же целый стакан с первого опыта остался!

Почему так. Вода все еще стремится уменьшить площадь своей поверхности. Поэтому ей проще подвинуть спички, чем изменить форму поверхности и растечься.

Добивка опыта. Попробуйте повторить опыт, выложив спички солнышком — движение станет еще заметнее.

Опыт 5. «Мыльные пузыри»

Размер мыльных пузырей зависит от размера и формы фигуры, через которую мы их дуем. Попробуем сконструировать универсальный размер.

Что делать. Нам понадобится рамка — можно взять рамку для фотографий или сделать свою: скрутить ее из проволоки или собрать из коктейльных трубочек и скотча. Сверху на грани рамки положим спицы (или те же трубочки), чтобы они могли легко кататься туда-сюда.

Еще нам нужна емкость с мыльным раствором, в которую влезет вся эта конструкция. Опускаем, раздвигаем спицы на желаемое расстояние — и ничего.

Вселенский заговор не дает сделать пузырьки, так как спицы скатываются обратно.

Почему так. Поверхностное натяжение воды — бессердечное явление, оно работает везде и всегда, даже если речь идет о запуске мыльных пузырей. Вода, даже мыльная, стремится уменьшить площадь своей поверхности, вот и стягивает спицы.

Добивка опыта. Если спицы придерживать руками, когда достаешь их из мыльного раствора, надуть пузыри все же можно. Но форму куба они не примут.

Опыт 6. «Елочная игрушка handmade»

Зима зиме рознь — где-то на улице +10, а где-то и −50. Если вы сейчас находитесь ближе ко второй области — можете очень быстро сделать елочный шарик.

Что делать. Надуйте мыльный пузырь на улице. Если температура хотя бы −10 или −15, то пока шарик падает на землю, он замерзнет и не лопнет, а скорее разобьется.

Почему так. Мыло увеличивает поверхностное натяжение, поэтому оно по большей части скапливается снаружи и внутри пузыря. Получается сэндвич — мыло, вода, снова мыло. А вода, как известно, при отрицательных температурах замерзает. Такой сильный минус нужен только для того, чтобы это произошло очень быстро — быстрее, чем шарик долетит до земли.

Добивка опыта. Если пузырь почти успел замерзнуть, но все же сдулся — попробуйте надуть мыльный пузырь не теплым воздухом изо рта, а протащить кольцо по воздуху. Тогда шарик надуется с холодным воздухом внутри и замерзнет еще быстрее.

Бонус: добивка всего

Вернемся к опыту №3 — «Конкурс странных шапочек» — и проверим, как там себя чувствует монетка с уже остывшим какао.

Скорее всего, какао все еще держится. Отсюда делаем вывод, что поверхностное натяжение холодной воды не меньше, чем горячей. Хорошо, тогда добавим еще одну капельку — в прошлый раз именно с ней все и разлилось, а сейчас ничего, держит. И это снова не магия, а физика: чем выше температура жидкости, тем меньше плотность ее поверхностного натяжения.

Другими словами, на монетке поместится больше капелек холодной жидкости, чем горячей, — поэтому мы и смогли капнуть еще.

Занимательные опыты по физике 7 класс

Опыт 1 «Не замочив рук»

Оборудование: тарелка или блюдце, монета, стакан, бумага, спички.

Проведение: Положим на дно тарелки или блюдца монету и нальем немного воды. Как достать монету, не замочив даже кончиков пальцев?

Решение: Зажечь бумагу, внести ее на некоторое время в стакан. Нагретый стакан перевернуть вверх дном и  поставить на блюдце рядом с монетой.

Так как воздух в стакане нагрелся, то его давление увеличится  и часть воздуха выйдет. Оставшийся воздух через некоторое время охладится, давление уменьшится. Под действием атмосферного давления вода войдет в стакан, освобождая монету.

Опыт 2 «Подъем тарелки с мылом»

Оборудование: тарелка, кусок хозяйственного мыла.

Проведение: Налить  в тарелку воды и сразу слить. Поверхность тарелки будет влажной. Затем кусок мыла, сильно прижимая к тарелке, повернуть несколько раз и поднять вверх. При этом с мылом поднимется и тарелка. Почему?

Объяснение: Подъем тарелки с мылом объясняется притяжением молекул тарелки и мыла.

Опыт 3 «Волшебная вода»

Оборудование: стакан с водой, лист плотной бумаги.

Проведение: Этот опыт называется «Волшебная вода». Наполним до краев стакан с водой и прикроем листом бумаги. Перевернем стакан. Почему вода не выливается из перевернутого стакана?

Объяснение: Вода удерживается атмосферным давлением, т. е. атмосферное давление больше давления, производимого водой.

Замечания: Опыт лучше получается с толстостенным сосудом.
При переворачивании стакана лист бумаги нужно придерживать рукой.

Опыт 4 «Тяжелая газета»

Оборудование: рейка длиной 50-70 см, газета, метр.

Проведение: Положим на стол рейку, на нее полностью развернутую газету. Если медленно оказывать давление на свешивающийся конец линейки, то он опускается, а противоположный поднимается вместе с газетой. Если же резко ударить по концу рейки метром или молотком, то она ломается, причем противоположный конец с газетой даже не поднимается. Как это объяснить?

Объяснение: Сверху на газету оказывает давление атмосферный воздух. При медленном нажатии на конец линейки воздух проникает под газету и частично уравновешивает давление на нее. При резком ударе воздух вследствие инерции не успевает мгновенно проникнуть под газету. Давление воздуха на газету сверху оказывается больше, чем внизу, и рейка ломается.

Замечания: Рейку нужно класть так, чтобы ее конец 10 см свешивался. Газета должна плотно прилегать  к рейке и столу.

 Опыт 5 «Нервущаяся бумага»

Оборудование: два штативами с муфтами и лапками, два бумажных кольца, рейка, метр.

Проведение: Бумажные кольца подвесим на штативах на одном уровне. На них положим рейку. При резком ударе метром или металлическим стержнем посередине рейки она ломается, а кольца остаются целыми. Почему?

Объяснение: Время взаимодействия очень мало. Поэтому рейка не успевает передать полученный импульс бумажным кольцам.

Замечания: Ширина колец – 3 – см. Рейка длиной 1 метр, шириной 15-20 см и толщиной 0,5 см.

Опыт 6

Оборудование: штатив с двумя муфтами и лапками, два демонстрационных динамометра

Проведение: Укрепим на штативе два динамометра – прибора для измерения силы. Почему их показания одинаковы? Что это означает?

Объяснение: тела действуют друг на друга с силами равными по модулю и противоположными по направлению. (третий закон Ньютона)

Опыт 7

Оборудование: два одинаковых по размеру и массе листа бумаги (один из них скомканный)

Проведение: Одновременно отпустим оба листа с одной и той же высоты. Почему скомканный лист бумаги падает быстрее?

Объяснение: скомканный лист бумаги падает быстрее, так как на него действует меньшая сила сопротивления воздуха.

А вот в вакууме они падали бы одновременно.

Опыт 8 « Как быстро погаснет свеча»

Оборудование: стеклянный сосуд с водой, стеариновая свеча, гвоздь, спички.

Проведение: Зажжем свечу и опустим в сосуд  с водой. Как быстро погаснет свеча?

Объяснение: Кажется, что пламя зальется водой, как только сгорит отрезок свечи, выступающий над водой, и свеча погаснет.

Но, сгорая, свеча уменьшается в весе и под действием архимедовой силы всплывает.

Замечание: К концу свечи прикрепить снизу небольшой груз (гвоздь) так, чтобы она плавала в воде.

Опыт 9 «Несгораемая бумага»

Оборудование: металлический стержень, полоска бумаги, спички, свеча (спиртовка)

Проведение: Стержень плотно обернем полоской бумаги и внесем в пламя свечи или спиртовки. Почему бумага не горит?

Объяснение: Железо, обладая хорошей теплопроводностью, отводит тепло от бумаги, поэтому она не загорается.

Опыт 10 «Несгораемый платок»

Оборудование: штатив с муфтой и лапкой, спирт, носовой платок, спички

Проведение: Зажать в лапке штатива носовой платок (предварительно смоченный водой и отжатый), облить его спиртом и поджечь. Несмотря на пламя, охватывающее платок, он не сгорит. Почему?

Объяснение: Выделившаяся при горении спирта теплота полностью пошла на испарение воды, поэтому она не может зажечь ткань.

 

Документ без названия

 

Эксперименты по физике жидкости

Слои жидкости

Свеча в банке

Будет ли виноград всплывать или тонуть

Вернуться на главную страницу

 

Вопросы можно направлять по электронной почте любому из следующих лиц:

Координатор факультета риса: проф. Мардж Коркорран: corcoran@physics.rice.edu

UH Координатор факультета: проф. Л. Пинский: pinsky@uh.edu

UH Координатор программы: Джон Уилсон: John.Wilson@mail.uh.edu

UH Outreach Webpage Designer: Amanda Parker.: arparker2@uh.edu

Жидкие слои

Эксперимент с плотностью, плавучестью и полярными растворителями

Что вам понадобится:

1) Маленькая баночка

2) Вода

3) Маленькая ложка

4) Масло для жарки

5) Пищевой краситель

 

Что делать:

1) Заполните банку на 1/3 водой

2) Добавьте несколько капель пищевого красителя, чтобы окрасить воду

3) S смиренный, заполнить еще треть с маслом

4) Плотно закройте банку и встряхните

5) Подождите и понаблюдайте около трех минут

Что происходит

Когда вы медленно наливаете масло в воду, оно образует слой поверх воды. воды, потому что она менее плотная, чем вода, т. е. масса одного литр масла меньше массы одного литра воды. Таким образом, плавучий сила, действующая на масло из-за воды, больше его веса и, по закону Архимеда В принципе, масло плавает — точно так же, как твердый предмет.

Когда вы встряхиваете масло и воду, они быстро разделяются, потому что они «несмешиваемые» (буквально несмешиваемые). Это из-за различий между молекулами воды и масла: вода – это «полярная» молекула – имеется в виду ее положительный и отрицательный заряд части разделены на противоположные концы молекулы, и масло неполярно. Это означает, что молекулы масла не взаимодействуют с молекулами воды. и нет никакого притяжения, чтобы смешать две жидкости.

Как правило, неполярные жидкости плохо смешиваются с другими жидкостями (даже другие неполяры), ведь без притяжения нет причины чтобы жидкости смешивались (или оставались смешанными).

Вернуться к началу

 

Свеча в банке

Взгляд на вес воздуха

Знаете ли вы, что воздух имеет массу? Поскольку вес атмосферы был давит на вас всю жизнь и ваше тело приспособлено к этому, вы не даже заметить это! Но попробуйте отправиться в место на большой высоте, и вы быстро заметьте, что это недостаток.
Даже если вы интеллектуально осведомлены о массе воздуха, есть несколько экспериментов. как этот (и «воздушные весы» и пузырьковая инерция) которые позволяют вам непосредственно наблюдать массу воздуха.

Вещи, которые вам понадобятся:

1) Свеча

2) Баночка. Банка должна быть достаточно высокой, чтобы верхняя часть свечи была хорошо ниже его губы, когда свеча стоит в банке. Вам не понадобится крышка для банку, так что не волнуйтесь, если у вас ее нет.

3) Пластилин, чтобы помочь свече остаться стоять, когда банка движется.

Я обнаружил, что пластилин не приклеивается к стеклянной банке и свече, что усложняет проведение эксперимента!

4) Спички или зажигалка. Как и все эксперименты с огнём, если тебе не позволено чтобы поиграть с огнем самостоятельно, попросите взрослого помочь вам в этом эксперименте.

Что делать:

1) Используйте пластилин, чтобы поставить свечу внутри банки. Убедитесь, что он удерживается надежно, чтобы он оставался стоять, когда вы осторожно встряхиваете банку сбоку в сторону.

2) Зажгите свечу. Либо используйте другую свечу, чтобы зажечь ее, либо перевернуть банку вверх дном.

3) Теперь, прежде чем идти дальше, попробуйте угадать, что за пламя будет делать, когда вы двигаете банку из стороны в сторону.

4) Теперь, когда у вас есть предположение, попробуйте его. Медленно перемещайте банку из стороны в сторону. Обратите особое внимание на пламя. Каким образом пламя двигаться, когда банка начинает двигаться? Когда вы остановите банку? Если вы не уверены почему это интересно, подумайте, в какую сторону вы двигаетесь, когда находитесь в машина, которая заводится или останавливается.

Что происходит?

Когда вы едете в машине, которая ускоряется, вы чувствуете «силу». что толкает вас в противоположном направлении. Когда машина набирает скорость, ты отодвинули назад на свое место. Когда машина поворачивает налево, вас подталкивают к право. Когда машина тормозит, тебя толкает вперед.
Эти «силы» не являются истинными силами — на самом деле ничто не толкает вы идете вперед, когда машина резко тормозит. Вместо этого эти «псевдосилы» происходят из-за вашей инерции и ее склонности двигаться по прямой с постоянной скоростью. скорости (первый закон Ньютона).

Однако пламя движется иначе. Когда свеча ускоряется влево, а не вправо, пламя свечи указывает на левый! Тогда, когда банка движется с постоянной скоростью, точки пламени вверх. Наконец, когда банка замедляется, возвращаясь к неподвижному состоянию, пламя оставляет следы. Направо!

Мы знаем, что не только ветер вызывает необычное движение — стенки кувшина защищают пламя от ветра.

Когда все неподвижно, пламя направлено вверх. Этот потому что пламя нагревает воздух вокруг себя. Горячий воздух легче холодного воздуха, поэтому холодный воздух опускается на дно банки, вытесняя теплый воздух. Это заставляет теплый воздух подниматься прямо вверх, поэтому пламя также направлено вверх.
Когда банка ускоряется, инерция воздуха заставляет ее толкаться. к задней части банки (точно так же, как вы прижимаетесь к своему сиденью на разгоняющемся автомобиле). Поскольку холодный воздух тяжелее легкого воздуха, он разгоняется медленнее и сильнее прижимается к задней стенке банки, слегка подталкивая горячий воздух вперед и вверх. Таким образом, свеча пламя направлено вперед. Точно так же, когда банка останавливается, холодный воздух идет вперед, отталкивая теплый воздух (и пламя) назад.

Вернуться к началу

Будет ли всплывать виноград или Раковина?

Виноград всплывет или утонет в воде? Как насчет соленой воды? Учиться о плавучести и принципе Архимеда с помощью этого забавного эксперимента.

Что вам потребуется:

1) Два прозрачных стакана

2) Теплая вода (достаточно горячей воды из-под крана)

3) Виноград

4) Соль

5) ложка 9000 3

Что делать

1) Наполните стаканы

2) Растворите около трех чайных ложек соли в одном стакане. Обязательно перемешайте соль в воду. Использование теплой воды улучшает растворение.

3) Положите по одной виноградине в каждый стакан. Они тонут или плавают?

Что происходит

Вы должны увидеть, как виноград в стакане с пресной водой опускается на дно и планка водяная виноградная поплавок.

Почему?

Вспомним принцип Архимеда: плавающий объект сместится объем жидкости, вес которого равен весу предмета, плавает.

Если объект весит больше, чем его собственный объем в жидкости, то он утонет. Другими словами, плавающий объект менее плотный, чем жидкость, но объект, который плотнее жидкости, утонет, и сила плавучести ощущаемый объектом, равен весу вытесненной жидкости.

Виноград плотнее пресной воды, поэтому он тонет в стакане с пресной водой. когда вы растворяете соль в воде, вы увеличиваете плотность воды до значения больше, чем плотность типичного винограда, поэтому виноград плавает в соли вода.

Кроме того, уровень, на котором плывет виноград, определяется плотность воды — если вода очень плотная, только очень малая часть виноград должен быть погружен в воду, чтобы создать достаточную силу плавучести чтобы удержать вес винограда, но если вода лишь немного плотнее, чем винограда, потребуется большая часть объема винограда, чтобы произвести требуемый выталкивающая сила. Таким образом, вы можете использовать высоту винограда для оценки количество соли в воде.

Начав с пресной воды, опустите виноградину в стакан. Медленно растворить небольшое количество соли в стакане. Медленно увеличивайте количество соли, пока ягода не поднимется наверх. Теперь, когда вы добавите больше соли, виноград должен подняться вверх. Максимальное количество соли, которое можно растворить воды, так что вы не сможете поднять свою виноградину далеко от воды. воды, но с осторожностью вы сможете наблюдать за движением виноградины вверх.

Вернуться к началу

Аномалия воды — Сборник экспериментов

Цель эксперимента

Цель этого эксперимента — продемонстрировать, что при температуре от 0 °C до 4 °C плотность воды увеличивается с повышением температуры. (Если быть точным: мы собираемся продемонстрировать, что вода имеет более высокую плотность при 4 °C, чем при 0 °C.)

Теория: тепловое объемное расширение жидкостей

 Объем жидкостей, подобно твердым телам и газам, зависит от их текущей температуры. Жидкости (за исключением, описанным ниже) увеличивают свой объем с повышением температуры; увеличение их объема Δ V , с некоторым пренебрежением, прямо пропорционально увеличению температуры Δ t и начального объема V ₀ . Это отношение можно математически обозначить как

. \[\Delta V\,\doteq\,\beta V_0 \Delta t,\tag{1}\]

, где постоянная β описывает коэффициент объемного теплового расширения и является характерным свойством каждой жидкости. (Упомянутое выше пренебрежение ограничивает справедливость этого отношение к «малым» перепадам температуры, где β Δ t ≪1.). Таким образом, объем жидкости V после нагрева равен сумме ее начального объема V _o и прироста Δ V , определяемого соотношением (1):

\[V\,\doteq\,V_0\,+\,\beta V_0 \Delta t\,=\,V_0(1\,+\,\beta\Delta t). \тег{2}\]

Соотношение (2) можно расширить, используя массу и плотность:

\[\frac{m}{\rho}\,\doteq\,\frac{m}{\rho_0}(1\,+\,\beta\Delta t), \tag{3}\]

, который можно упростить до:

\[\rho\,\doteq\,\frac{\rho_0}{1\,+\,\beta\Delta t}. \tag{4}\]

Результат логичен и предсказуем — если объем жидкости увеличивается с повышением температуры, ее плотность (при сохранении массы) обязательно уменьшается.

Теория: аномалия воды

Постоянная β , используемая в приведенных выше отношениях, сама по себе зависит от температуры; эта зависимость обычно очень мала. Однако в случае воды β имеет отрицательные значения в узком диапазоне от 0 °C до 4 °C. Таким образом, нагрев воды внутри этого интервала приводит к уменьшению объема или увеличению плотности. Это явление, не наблюдаемое в других жидкостях, часто называют  аномалией воды .

Тогда объем воды минимален (а плотность максимальна) прибл. 4 °С; превышение этой температуры приводит к тому, что значения β снова становятся положительными, а последующее повышение температуры вызывает увеличение объема (уменьшение плотности) в соответствии с общей теорией.

Зависимость (дистиллированной) воды от температуры иллюстрирует рис.  1.

Инструменты

Устройство Хоупа, два термометра (два датчика, подключенных к компьютеру, которые могут отображать изменение температуры во времени; полезно, но не обязательно. В этом эксперименте использовались два идентичных датчика Vernier Go!Temp.), колотый лед, поваренная соль, две большие мензурки (или другие емкости, желательно на 500 мл или больше).

Устройство Хоупа

Простое устройство, демонстрирующее аномалию воды, было разработано в 1805 году шотландским ученым Томасом Чарльзом Хоупом (1766–1844), среди прочих открывателем стронция. Изображение ниже (рис. 2) взято из Википедии.

Корпус прибора (рис. 3) состоит из полого цилиндра, заполненного водой и позволяющего вводить два термометра на разной высоте через два отверстия сбоку. На половине высоты цилиндр снабжен внешним резервуаром для охлаждающей смеси. Этот резервуар никоим образом не связан с внутренней частью цилиндра.

Процедура

1. Не менее чем за час до проведения эксперимента мы наполняем один стакан водой и ставим его в холодильник. То же самое делаем с пустым устройством Хоуп. Таким образом, мы предварительно охладим необходимые части эксперимента.

2. Непосредственно перед самим экспериментом мы готовим охлаждающую смесь из дробленого льда и поваренной соли; процедура подробно описана в эксперименте «Охлаждающая смесь воды, льда и соли». Целесообразно иметь термометр для контроля температуры смеси.

3. После тщательного охлаждения достаем прибор Хоуп из холодильника, изолируем его от подкладки (например, пенопластовой пластиной) и вставляем термометры в оба отверстия.

4. Заливаем предварительно охлажденную воду во внутренний цилиндр. Теперь термометры должны показывать одинаковую температуру. Если измерение во времени доступно, мы начинаем его сейчас.

5. Теперь заполняем резервуар охлаждающей смесью (рис. 4). После этого мы просто наблюдаем за развитием температур, измеряемых обоими термометрами.

Результат пробы

В результате эксперимента получены две зависимости температуры воды во внутреннем цилиндре от времени (рис. 5), синий для верхнего термометра ( t ₁ ) и красный для нижнего термометра ( t ₂ ). Давайте теперь проанализируем их форму.

В начале нашего измерения, перед добавлением охлаждающей смеси, обе температуры одинаковы, в нашем случае между 5,5 °C и 6,0 °C; чем лучше вода перемешивается, тем меньшую разницу мы можем ожидать.

После добавления охлаждающей смеси вода остывает в середине цилиндра, увеличивается ее плотность и опускается на дно – нижняя часть цилиндра заполняется холодной водой и температура t ₂ уменьшается, тогда как t ₁ медленно увеличивается благодаря нагреву окружающим воздухом.

Ситуация меняется, когда нижняя половина цилиндра заполняется водой прибл. 4 °C, которая достигает максимальной плотности в этой точке. Последующее охлаждение воды до температуры ниже 4 °C приводит к снижению плотности – поэтому эта более холодная вода скапливается в верхней половине цилиндра. В то время как температура 90 213 t ₂ стабилизируется около 4 °C, температура t ₁ быстро снижается вплоть до 0 °C.

Технические примечания

• Дистиллированная вода дала лучшие результаты.

• Для успеха эксперимента абсолютно необходимо, чтобы и вода, и корпус устройства Хоуп достаточно остыли заранее (мы рекомендуем температуру около 6 °C). В противном случае возможно, что мы не сможем достаточно охладить воду (т.е. ниже 4°С) внутри цилиндра даже при большом количестве охлаждающей смеси.

• При приготовлении охлаждающей смеси (методика подробно описана в опыте Охлаждающая смесь воды, льда и соли) необходимо использовать много дробленого льда и соли – смесь должна полностью заполнить резервуар по окружности Надежды. устройство. Как правило, рекомендуется приготовить большее количество охлаждающей смеси и добавить больше в резервуар на случай, если эксперимент будет проходить медленно.

• Мы не можем размешать воду во внутреннем цилиндре после добавления охлаждающей смеси внутрь резервуара! Это резко нарушит ход эксперимента.

• На внутренних стенках цилиндра на той высоте, где находится резервуар, может образоваться слой льда.

• Необходимо тщательно промыть устройство Надежды после проведения эксперимента, главное очистить всю соль ! Если во внутренний цилиндр попадут кусочки соли, то при последующих экспериментах они смешаются с водой, образуя раствор с плотностью и температурой плавления, не соответствующими свойствам чистой воды! (Например, мы можем ожидать, что такой раствор снизит температуру жидкости даже ниже 0 °C.)

Педагогические заметки

• Если мы хотим оживить урок и дать возможность учащимся проявить активность, мы можем поручить им приготовление охлаждающей смеси.

• Само измерение занимает около двадцати минут, в течение которых оно не требует вмешательства (за исключением возможного добавления охлаждающей смеси).