Многие приборы и приспособления для наочной демонстрации тех или иных физических явлений и законов носят названия географических мест, где они были разработаны или где использовались. Сегодня мы Вам хотим представить один из таких приборов. Это картезианский водолаз – прибор для исследования условий плавания тел и демонстрации закона Архимеда.
Как же можно изготовить картезианский водолаз? За основу нужно взять цилиндрическую тонкостенную пробирку или похожий сосуд. Потом налить около трети объема и поместить плавать в банку с водой. Далее наполним нашего водолаза водой с помощью пипетки до уровня, когда он плавает, выступая над поверхностью воды в банке на высоту 1–1,5 мм. Теперь картезианский водолаз готов к погружению. А плавать водолаз будет в высоком прозрачном сосуде, например, мензурке. Причем надо учесть, что сосуд нужно будет закрывать сверху тонкой резиновой пленкой или пробкой.
А как же, наполненный водой, картезианский водолаз перенести из банки в мензурку? Это не так просто с первого раза, но после определенной тренировки получится. Итак, пробирку-водолаза вынимают из банки, закрыв сверху плотно пальцем, потом переворачивают, опускают в мензурку с водой и под водой убирают палец. Все, водолаз может плыть – при успешном погружении пробирка плавает в воде практически полностью погруженной в нее.
Чтобы погрузить картезианский водолаз, нужно закрыть мензурку тонкой резиной, например от хозяйских или медицинских перчаток. А лучше закрыть сосуд резиновой пробкой со стеклянной трубкой, на которую одеть резиновую трубку длиной около 10 см. Свободный конец резиновой трубки также закрыть пробкой.
Демонстрировать условия плавания тел можно следующим образом. Нажимая на резиновую крышку или сжимая с помощью пальцев резиновую трубку, будем наблюдать погружение или всплытие нашего водолаза. Можно подбирать такие условия, когда картезианский водолаз будет внизу сосуда, вверху или посредине.
Как можно объяснить наблюдаемое с точки зрения физики? Сжимая резиновую трубочку или нажимая на резиновую перегородку, мы увеличиваем внутри прибора и в пробирку-водолаза входит немного воды (кстати, это можно также увидеть – следует лишь как-то, например, с помощью нитки или резинки, указать начальное положение воды в пробирке). Вес пробирки становится больше от выталкивающей силы и пробирка тонет. При отпускании резиновой трубки или перегородки сжатый в пробирке-водолазе воздух выдавливает лишнюю воду, пробирка становится легче и всплывает.
Поведение картезианского водолаза очень хорошо демонстрирует принципы погружения подводных лодок. В корпусе судна имеются цистерны, в которые для погружения лодки набирают забортную воду. Когда же нужно всплывать, то сжатым воздухом эту воду выдавливают за пределы лодки.
Сразу хотим сказать, что здесь описана только общая схема такого интересного физического эксперимента-демонстрации, как картезианский водолаз. Конечно, кто-то пробирку разрисует разными цветами или нарисует на ней водолаза, например, с помощью лака для ногтей. А кто-то приклеит фигурку сверху. При неимении пробирки можно поэкспериментировать с глазной пипеткой. Так или иначе, здесь нет ограничения фантазии и Ваш картезианский водолаз может быть оригинальным и неповторимым. Как и путь в невероятно интересный мир науки...
История опыта.
Опыт «Картезианский водолаз» был придуман французским ученым Рене Декарт (1596-1650, по латыни его фамилия Cartesius звучит как Картезий) для демонстрации гидростатических явлений.
Описание опыта.
Сегодня изготовить такой прибор проще, чем во времена Декарта. Высокую стеклянную банку наполняли водой, оставляя сверху небольшой объем воздуха. В этот сосуд опускали небольшую полую стеклянную фигурку. Фигурку частично заполняли водой так, чтобы она немного выступала над уровнем воды в сосуде. Сверху сосуд плотно закрывали куском тонкой кожи. Нажимая на эту мембрану, можно было заставить фигурку плавать в воде, а также тонуть.
Предназначение опыта.
С его помощью можно демонстрировать:
закон Паскаля
архимедову силу
условия плавания тел
Так что опыт по сути является физическим прибором (установкой).
Оборудование.
пластиковая бутылка емкостью 1,5 л,
пробирка или медицинская пипетка
Ход работы.
1. Наполним бутылку водой (количество воды, которое надо налить в пузырек, чтобы он не тонул, но и не был слишком плавучим, можно определить только экспериментально)
Ход работы.
2. Опустим в бутылку частично заполненную водой пробирку (или пипетку) и плотно закроем бутылку крышкой.
Ход работы.
3. Сжимая бутылку, можно реализовать любое из трех условий плавания: пробирка тонет, плавает на заданной глубине или всплывает.
Объяснение.
Пузырек («водолаз») начнет тонуть, потому что при нажатии на резиновую пробку вы изменяете давление воздуха в бутылке. Под действием этого давления вода затекает в пузырек, сжимая воздух, находящийся в нем, до меньшего объема. Наполняясь водой, пузырек становится тяжелее, теряет часть своей плавучести и начинает тонуть (Fтяж > Fа).
Когда давление на пробку ослабевает, уменьшается и давление на воду в бутылке. Более легкий воздух расширяется и выталкивает некоторое количество воды из пузырька. Пузырек становится легче и снова всплывает (Fтяж
Так регулируя давление рукой можно добиться равенства Fтяж = Fа, и «водолаз» будет плавать в любом месте сосуда.
Содержание 1. Слово картезианский водолаз 2. Сооружаем водолаз 3. Действие водолаза 4. Экспериментальная работа 5. Беспокойная рыбка 6. Проделываем опыт 7. Как действует всё это? 8. Применение такой игрушки 9. Подводная лодка (введение) 10. Интересные опыты 11. «Странные звуки» 12. «Могучее дыхание» 13. Яйцо в графине 14. Фонтан 15. Как сделать, чтобы фонтан забил? 16. Катапульта из кастрюли и ложки 17. Делаем катапульту 18. Действие, почему срабатывает катапульта? 1. Заключение 2. Литература 3. Работали над проектом
Слово картезианский водолаз КАРТЕЗИАНСКИЙ, картезианская, картезианское. Прил. к Картезий (латин. Форма фамилии фр. философа Декарта - Cartesius). Картезианская философия. Картезианский водолаз (физ.) - наполненная пополам воздухом и водой куколка в закупоренном резиновой перепонкой сосуде с водой, то опускающаяся на дно, то поднимающаяся на поверхность при надавливании на перепонку, - демонстрационный приборчик, изобретенный Декартом для объяснения гидростатического давления, использованный потом как игрушка, известная под названием "американский", или "морской житель
Сооружаем водолаз Устройство "водолаза" показано на рисунке. Возьмите молочную бутылку, пузырек от какого-нибудь лекарства и надувной резиновый шарик (им придется пожертвовать). Бутылку наполните водой почти до горлышка. Пузырек опустите отверстием вниз в воду и, наклонив его, впустите в него немного воды. Количество воды в пузырьке надо отрегулировать так, чтобы пузырек держался на, поверхности воды, но от малейшего толчка уходил под воду (удобно взять соломинку и через нее вдувать под водой воздух в пузырек, пока он не всплывет). Затем накройте горлышко бутылки резиновой пленкой от шарика и привяжите ее ниткой вокруг горлышка.
Действие водолаза Нажмите на пленку - и "водолаз" пойдет ко дну. Отпустите - и "водолаз" всплывет. Тонет он вот почему. Когда вы нажимаете на пленку, воздух под ней сжимается, давление в бутылке увеличивается и загоняет в пузырек еще немного воды. Пузырек становится тяжелее и опускается. Как только вы отпускаете пленку, давление в бутылке уменьшается, сжатый воздух в пузырьке выгоняет лишнюю воду, и "водолаз" всплывает.
Беспокойная рыбка Пустую яичную скорлупку наполните до половины водой (рис. а) и обе дырочки тщательно залейте воском. Для того чтобы воск абсолютно не пропускал воду, нанесите на него еще слой клея марки «Универсальный». Этот клей можно купить в любом хозяйственном магазине. Затем начните выполнять вторую часть работы (рис. б). Возьмите два куска клеенки или хлорвинила. К каждому куску прикрепите плавнички и затем сшейте их вместе, Прежде чем сшить их окончательно, вложите в тело рыбки скорлупку. Последний стежок надо сделать так, чтобы прикрепить к телу головку (рис. в) Затем возьмите пятилитровую банку из- под огурцов, наполните ее водой и погрузите в нее рыбку. Горлышко банки затяните резиной, вырезанной из старой автопокрышки (рис. г)..
Проделываем опыт Используйте ваши познания для следующего поучительного опыта: вы можете заставить яйцо ни тонуть, ни всплывать, а словно висеть внутри жидкости. Физик назвал бы такое состояние яйца «взвешенным». Для этого вы должны приготовить раствор соли в воде такой крепости, чтобы погруженное в него яйцо вытесняло ровно столько рассола, сколько оно само весит. Получить подобный раствор можно только после нескольких проб: немного подливая воды, если яйцо всплывает, или немного прибавляя более крепкоro рассола, если яйцо тонет. При некотором терпении вам удастся наконец приготовить рассол, в котором погруженное яйцо не всплывает и не тонет, а остается неподвижным в том месте, куда его поместили.
Как действует всё это? Если на резиновую перепонку надавить пальцем, рыбка опустится на дно. Если палец отпустить, она снова поднимется на поверхность. Надо проследить, чтобы скорлупка была не особенно легкой, иначе рыбка не опустится на дно, даже если вы надавите на резиновую перепонку. В этом случае выньте рыбку из воды и к ее брюшку прикрепите кусочек свинца. Наоборот, слишком тяжелая рыбка быстро опустится на дно и, сколько бы вы ни давили на перепонку, уже не поднимется. Тогда нужно или отлить немного воды из скорлупки, или уменьшить вес балласта.
Подводная лодка (введение) Свежее яйцо в воде тонет это знает каждая опытная хозяйка. Желая убедиться, свежи ли яйца, она испытывает их именно таким образом: если яйцо тонет оно свежее, если всплывет непригодно для еды. Физик выводит из этого наблюдения то, что свежее яйцо весит больше, чем такой же объем чистой воды. Я говорю: «чистой» потому, что нечистая например, солёная вода весит больше. Можно приготовить такой густой раствор соли в воде, что яйцо будет легче вытесняемого им рассола. Тогда по закону плавания, открытому еще в древности Архимедом, самое свежее яйцо будет в такой воде всплывать.
«Странные звуки» Возьми двухлитровую бутылку из-под лимонада, монету, которой можно накрыть горлышко бутылки, чашку воды. 1. Положи на несколько минут в морозильник пустую незакрытую бутылку. 2. Смочи монетку водой. 3. Накрой монеткой вынутую из морозильника бутылку. Через несколько секунд монетка начинает подскакивать и, ударяясь о горлышко бутылки, издаёт звуки, напоминающие щелчки. Монетку поднимает воздух, который в морозильнике сжался и занял меньший объём, а теперь нагрелся и начал расширяться.
«Могучее дыхание» Возьми одежную вешалку, крепкие нитки, книгу. 1. Привяжи книгу с помощью ниток к одёжной вешалке (см. рис.) 2. Повесь вешалку на бельевую верёвку. 3. Встань около книги на расстоянии примерно 30 см. Изо всех сил подуй на книгу Она слегка отклонится от первоначального положения. 4. Теперь подуй на книгу ещё раз, но легонько. Как только книга чуть-чуть отклонится, подуй ей вслед. И так несколько раз. Оказывается, такими повторяющимися легкими дуновениями можно сдвинуть книгу гораздо дальше, чем один раз сильно подув на неё.
Яйцо в графине Для опыта сварите вкрутую яйцо. Очистите его от скорлупы. Возьмите листок бумаги размером 80 на 80 мм, сверните его гармошкой и подожгите. Затем опустите горящую бумагу в графин. Через 1-2 сек горлышко накройте яйцом (см.рис).Горение бумаги прекращается, и яйцо начинает втягиваться в графин
Фонтан Можно изготовить фонтан несколькими способами. Первый это бутылочка со вставленной в пробку трубочкой. А можешь взять обыкновенную аптечную пипетку. Только у нее стеклянная трубочка слишком коротка. Поэтому лучше оставить и резиновый мешочек, срезав его донышко ножницами. В пробке прожги раскаленным гвоздем отверстие и вставь в него трубочку очень туго. Если получится слабовато, залей щель воском. Подбери небольшую бутылочку, которую пробка закрывала бы плотно. Налей в эту бутылочку примерно до половины воду, слегка подкрашенную, и заткни пробкой. Нижний конец трубочки должен быть в воде. Вода в бутылочке находится под атмосферным давлением. Снаружи давление такое же.
Как сделать, чтобы фонтан забил? Для этого есть два способа. Первый уменьшить давление снаружи. Поставь бутылочку в мелкую тарелку. Налей в эту тарелку немного воды и разложи листки промокательной бумаги. Возьми трехлитровую стеклянную банку и подержи ее перевернутой над горящей свечой, над плитой или электроплиткой. Пусть прогреется хорошенько, пусть наполнится горячим воздухом Готово? Ставь ее вверх дном на тарелку, края на промокашку. Теперь бутылочка накрыта. Воздух в банке начнет остывать, вода из тарелки будет всасываться. Скоро она вся уйдет под банку. Эй, берегись, сейчас воздух проскочит под краями! Но мы ведь не зря подложили промокашку. Крепко надави на дно банки, она прижмет мокрые листки, и воздух не проскочит. Фонтан забьет!
Катапульта из кастрюли и ложки Простейшую модель катапульты ты можешь соорудить на кухне. Одна из главных частей ложка. Лучше всего, если есть деревянная. Она, кстати, и видом больше похожа на ложку настоящей катапульты. Ложка из нержавеющей стали тоже годится. А вот алюминиевая не подойдет: она согнется. И поварешку брать не стоит! ее тоже можно согнуть. Станину катапульты заменит небольшая кастрюля.
Делаем катапульту Вместо жгута из бычьих сухожилий, который использовался в настоящих катапультах, придется приспособить резиновое кольцо. Очень подходящие кольца прилагаются к стеклянным крышкам для домашнего консервирования. Такое кольцо можно взять на время, от нашего опыта оно не испортится. Покупные консервы в стеклянных банках тоже имеют резиновую прокладку в виде кольца. Это кольцо можно аккуратно вынуть из металлической крышки, когда банка открыта. Правда, с ним катапульта получится слабенькая. Если есть старая велосипедная, мотоциклетная или автомобильная камера, можно отрезать колечко от нее. Наконец, годится и круглая резиновая подвязка. Кольцо пропусти под одной из ручек кастрюльки и сложи пополам. Получатся две петли. Продень в них ручку ложки и упри ее концом в угол между дном и стенкой кастрюли. На рисунке видно, как это сделать. Положи кастрюлю на стол так, чтобы она опиралась свободной ручкой и краем дна. В ложку заложи снаряд: мячик от настольного тенниса, небольшую картофелину, спичечный коробок.
Действие, почему срабатывает катапульта? Теперь можно стрелять. Оттяни ложку вниз и отпусти ее. Трах! Ложка, притягиваемая резинкой, подскочит вверх и ударится о край кастрюли. Снаряд вылетит и опишет в воздухе красивую дугу. Может быть, вылетит и ложка. Но она не улетит так далеко. Почему же полетел наш снаряд? Как и в настоящей катапульте, он сначала двигался вместе с ложкой. Но ложка ударилась о преграду и остановилась. А на пути снаряда преграды нет. И он продолжает двигаться по инерции, он летит, покинув катапульту! Кстати сказать, в последние годы катапульта снова нашла применение в военном деле. С ее помощью запускают самолеты с палуб авианосцев и других кораблей, где не хватает места для обычного разбега. И на реактивных самолетах пользуются катапультой, чтобы в случае аварии выбросить в воздух летчика с парашютом. Сам он при такой скорости выскочить не может: слишком велико сопротивление воздуха. Конечно, устройство современных катапульт совсем другое. Но принцип тот же: инерция движения.
Заключение В этой презентации содержать разные самоделки и опыты, которые можно сделать в домашних условиях. С каждой игрушкой в дальнейшем можно провести различные опыты. Например, с помощью «беспокойной рыбки» можно пронаблюдать гидростатическое давление. Картезианский водолаз поможет пронаблюдать условие плавания тел. С помощью катапульты можно, понять действие инерции. Все опыты и самоделки увлекательны. Их можно использовать как дома, так и на уроках физики.
Экспериментальные домашние задания:
Картезианский водолаз . Веселый физический опыт дома
Роль водолаза будет выполнять пипетка, а сосудом послужит обыкновенная пластиковая бутылка.
Инструкция:
Наполните бутылку водой, оставив два-три миллиметра до края горлышка.
Возьмите пипетку, наберите в нее немного воды и опустите в горлышко бутылки. Она должна своим верхним резиновым концом быть на уровне или чуть выше уровня воды в бутылке. При этом нужно добиться, чтобы от легкого толчка пальцем пипетка погружалась, а потом сама снова всплывала.
Теперь, закрутив бутылку пробкой, нажмите на боковые стенки бутылки. Пипетка пойдет на дно бутылки. Ослабьте давление пальцев или ладони - она снова всплывет. Можно, регулируя силу нажатия на бутылку, заставить пипетку «зависнуть» на одном уровне.
Объяснение:
Дело в том, что мы, сжимая бутылку, передаем это давление воде. Давление в жидкостях передается во все стороны одинаково (т.е. не только в направлении сжатия, но и вверх тоже). Поэтому вода снаружи вдавилась в пипетку - пипетка стала тяжелее и утонула. При прекращении давления сжатый воздух внутри пипетки удалил лишнюю воду, наш «водолаз» стал легче и всплыл.
Когда пипетка находится на дне бутылки, легко проследить, как от усиления нажима на бутылку вода входит в пипетку, а при ослаблении нажима выходит из нее.
Этому занимательному опыту около трехсот лет. Его приписывают французскому ученому Рене Декарту (по-латыни его фамилия - Картезий). Опыт был так популярен, что на его основе создали игрушку, которую и назвали «Картезианский водолаз».
Прибор представлял из себя стеклянный цилиндр, наполненный водой, в которой вертикально плавала фигурка человечка. Фигурка находилась в верхней части сосуда. Когда нажимали на резиновую пленку, закрывавшую верх цилиндра, фигурка медленно опускалась вниз, на дно. Когда переставали нажимать, фигурка поднималась вверх.
Рене Декарт 1596-1650 (Renatus Cartesius) и его в одолаз
Вариантов этого опыта встречается достаточно много. Сейчас рассмотрим некоторые из них…
Вариант 1. Самый простой и наглядный (на наш взгляд)
Роль водолаза будет выполнять пипетка, а сосудом послужит обыкновенная пластиковая бутылка.
Инструкция:
Наполните бутылку водой, оставив два-три миллиметра до края горлышка.
Возьмите пипетку, наберите в нее немного воды и опустите в горлышко бутылки. Она должна своим верхним резиновым концом быть на уровне или чуть выше уровня воды в бутылке. При этом нужно добиться, чтобы от легкого толчка пальцем пипетка погружалась, а потом сама снова всплывала.
Теперь, закрутив бутылку пробкой, нажмите на боковые стенки бутылки. Пипетка пойдет на дно бутылки. Ослабьте давление пальцев или ладони - она снова всплывет. Можно, регулируя силу нажатия на бутылку, заставить пипетку «зависнуть» на одном уровне.
Объяснение:
Дело в том, что мы, сжимая бутылку, передаем это давление воде. Давление в жидкостях передается во все стороны одинаково (т.е. не только в направлении сжатия, но и вверх тоже). Поэтому вода снаружи вдавилась в пипетку - пипетка стала тяжелее и утонула. При прекращении давления сжатый воздух внутри пипетки удалил лишнюю воду, наш «водолаз» стал легче и всплыл.
Когда пипетка находится на дне бутылки, легко проследить, как от усиления нажима на бутылку вода входит в пипетку, а при ослаблении нажима выходит из нее.
Как мы сделали этот вариант опыта, можете посмотреть в видеоролике:
P .S. Если в начале опыта «водолаз» Вас не слушается, значит, надо отрегулировать начальное количество воды в пипетке (добавить) или прикрепить немного груза к пипетке (в нашем опыте мы добавили маленький металлический грузик внутрь пипетки, но можно и прикрепить немного пластилина снаружи).
Вариант 2. Со стеклянной бутылкой
Описание такое же, как и в варианте № 1. Различие только в том, что для изменения давления внутри бутылки, мы давим не на боковые стенки бутылки (стеклянную бутылку мы так просто не сожмем), а на верхний слой воздуха, который находится над водой. Для этого горлышко бутылки затяните плотной и прочной пленкой (от надувного шарика, например).
При нажатии на резиновую пленку, пипетка пойдет на дно бутылки. Ослабьте давление пальца - она снова всплывет. В данном варианте опыта мы немного сжали воздух в горлышке бутылки, и это давление передалось воде. А дальше вы уже знаете.
Вариант 3. Старинный. Спички-водолазы
Этот опыт можно показать так, как его показывали наши дедушки и бабушки (в Вашем случае скорее прабабушки и прадедушки). В обычную стеклянную бутылку наливаем воду доверху и опускаем на воду несколько спичечных головок, обломанных почти у края головки, слегка варьируя длину обломка. Затыкаем горлышко бутылки плотно пальцем и нажимаем на воду (спичкам иногда лучше дать слегка поплавать, но не обязательно). И спичка, как водолаз, идет ко дну. Нажмем сильнее - за ней следует другая и т.д. Вероятно, этот вариант имеет больше "фокусности", да и показать его в быту просто.
Вариант 4. Надувательный. Насос или легкие.
Вместо того чтобы сжимать бутылку или нажимать на мембрану сверху можно просто сильно подуть в горлышко бутылки и водолаз также потонет. В этом варианте мы передаем давление воде воздухом, который мы вдуваем. Можно смастерить устройство со шприцом или насосом, герметично присоединив их к пробке бутылки. При нажатии на поршень шприца - поплавок тонет, а при оттягивании поршня - всплывает.
или
Выбирайте сами! :)
