Исследовательская работа по физике «Закон Паскаля. Картезианский водолаз.»

Муниципальное Бюджетное Общеобразовательное Учреждение Средняя Общеобразовательная Школа №4 г. Карачева им. С.П.Лоскутова

Научно-исследовательский проект по теме:

«Закон Паскаля. Картезианский водолаз.»

Выполнила:

Ученица 11 класса

МБОУ СОШ №4 г.Карачева

им. С.П.Лоскутова

Казакова Анна

Научный руководитель:

Учитель физики

Холондач Марина Анатольевна

Карачев 2022

Содержание

Введение 3

История создания «Картезианского водолаза» 5

Появление «Декартого водолаза» в России 6

Применение 7

Практическая часть 8

Вариант 1. Самый простой и наглядный 8

Вариант 2. Со стеклянной бутылкой 8

Вариант 3. Надувательный насос 9

Вариант 4. Старинный. Спички-водолазы 9

Заключение 11

Приложения 12

Однажды, придя к брату в комнату, я увидела, что он смотрит научное шоу профессора Николя. В нём молодой человек демонстрировал различные интересные опыты, которые можно повторить дома. Выпуск назывался «Картезианский водолаз». Я увидела тот момент программы, когда всё было готово и опыт уже завершился. Но последние минуты шоу меня очень заинтересовали, и я решила пересмотреть этот выпуск сама, создать что-то подобное и рассмотреть практический выход опыта с точки зрения физики.

Цель: изучить передачу давления в жидкостях и создать картезианского водолаза

Гипотеза: жидкость передаёт давление

Задачи:

1. Изучить историю опыта «Картезианский водолаз»

2. Создать модель картезианского водолаза.

3. Провести опыты с этой моделью.

4. Описать опыт с точки зрения законов физики.

5. Выступить с научно-исследовательской работой на конференции.

Основные этапы работы над проектом:

Подготовительный

• выбор темы;

• постановка цели и задач;

• формулирование гипотезы.

Основной этап

• изучение и теоретический анализ различных информационных источников;

• проведение опыта, наблюдение за результатами эксперимента;

• научное обоснование результатов наблюдения;

• подготовка презентации научно-исследовательского проекта;

Заключительный этап

• формулирование выводов, подведение итогов;

Методы исследования:

• теоретические: изучение и теоретический анализ литературы по теме исследования, обобщение;

• эмпирические: наблюдение, сравнение, эксперимент;

• дескриптивный (описательный) метод, включающий в себя количественно–сопоставительный анализ.

Рафаэлло Маджотти, итальянский математик и физик, был активным свидетелем барометрических экспериментов и проводил свои собственные исследования сжимаемости воды и воздуха. В 1648 г. Маджотти опубликовал трактат о несжимаемости воды, где впервые появляются картезианские водолазы. Маджотти именует своего водолаза scherzo – шуточка или штучка, а также carraffina – флакончик. (приложение 1)

Интересно, что этот прибор в конечном итоге получил своё название по фамилии великого французского ученого и философа Рене Декарта, и теперь его называют «Картезианский водолаз», «Декартов водолаз» или «Картезианский дьявол» (по латыни Рене Декарт звучит как Ренатус Картезиус). Сам же учёный, не имеет никакого отношения ни к самому водолазу, ни к объяснению его действия. Но именно он создал такую модель этого водолаза, которая в последствии стала очень популярна.

Упоминание картезианского водолаза (как «картезианского чертенка») встречается в воспоминаниях Андрея Болотова за 1771 год. Известна также политическая карикатура «Наполеон Водолаз» 1813 года, где русский казак одобрительно наблюдает за тем, как австриец притопил маленького Наполеона в большой стеклянной бутылке. (приложение 2)

В России Картезианский водолаз назывался «Американским жителем» и был одной из самых популярных игрушек (приложение 3), продававшихся на вербных базарах. Об Американском жителе писали Саша Чёрный, Владимир Набоков, Тэффи, Сергей Горный, Мстислав Добужинский, Самуил Маршак и многие другие.

Американский житель изображён на иллюстрации Вадима Фалилеева к стихотворению Саши Чёрного «На вербе» 1913 года. Самая известная картина с Картезианским водолазом — доска Павла Мансурова «Американский житель» 1922 года.(приложение 4) По некоторым свидетельствам, она принадлежала Даниилу Хармсу, а в 1995 году она была приобретена Государственным Русским музеем.

Применение

Водолазы служат приборами для исследования и демонстрации несжимаемости воды. Они плавают в высоких цилиндрических сосудах, в которых создаётся избыточное давление.

Картезианский водолаз использовался не только физиками, но и в качестве детских игрушек. В XVIII веке немецкие стеклодувы наладили массовое производство игрушечных водолазов, сохранившееся до нашего времени. Чаще всего это были игрушечные чёртики с закрученным вокруг тела хвостом, через который вода могла затекать внутрь при увеличении давления и вытекать при его уменьшении. Такие чёртики при периодическом изменении давления начинали вращаться, и за ними закрепилось название — пляшущий чёрт. (приложение 5)

К середине прошлого века Картезианскому водолазу также нашлось и важное научное применение в микрохимических измерениях. Первые исследования и первые публикации в этом направлении принадлежат. Линдерстрёму-Лангу и его сотрудникам в Карлсбергской лаборатории^. Одно из применений водолаза — это создание на его основе микрореспирометра для изучения дыхания одноклеточных организмов. (приложение 6)

Современных вариантов создания «Картезианского водолаза» достаточно много. Сейчас мы рассмотрим некоторые из них, и даже повторим.

Вариант 1. Самый простой и наглядный

Приборы: пробирка со стеклянной палочкой, пластиковая бутылка

Нам нужно наполнить бутылку водой, оставив немного пространства до горлышка. Взять пробирку и опустить в горлышко бутылки. Теперь, закрутив бутылку пробкой, нажимаем на боковые стенки бутылки. Пробирка пойдет на дно бутылки. Ослабляем нажатие пальцами или ладонью - она снова всплывет. Ещё, регулируя силу нажатия на бутылку, можно заставить пробирку «зависнуть» на одном уровне.

Объяснение: По закону Паскаля давление в жидкости передается во все стороны одинаково и, сжимая бутылку, мы передаем это давление воде. Давление внутри бутылки передается не только в направлении сжатия, но и вверх тоже. Поэтому вода снаружи вдавилась в пробирку через полую стеклянную палочку – пробирка стала тяжелее и утонула. При прекращении давления сжатый воздух внутри пробирки удалил лишнюю воду, наш «водолаз» стал легче и всплыл.

Вариант 2. Со стеклянной бутылкой

Приборы: стеклянная бутылка, пробирка со стеклянной палочкой, воздушный шарик

Стеклянную бутылку наполняем водой, оставив немного места до её крышки. Берём пробирку и опускаем в сосуд. Для изменения давления внутри бутылки, мы давим не на её боковые стенки как в первом опыте, а воздействуем на верхний слой воздуха, который находится над водой. Для этого на горлышко бутылки надеваем воздушный шарик так, чтобы она плотно и герметично была натянута как сверху, так и снизу. При нажатии на резиновую пленку, пробирка пойдет на дно бутылки, ослабив на неё давление – она снова всплывет. В данном варианте опыта мы немного сжали воздух в горлышке бутылки, и это давление передалось воде, наш картезианский водолаз пришёл в действие.

Вариант 3. Надувательный насос

Приборы: стеклянная бутылка, пробирка со стеклянной трубочкой, шприц, резиновая трубка

Чтобы изменять давление в жидкости можно смастерить устройство со шприцом и резиновой трубкой. Для этого нужно воткнуть шприц в резиновую трубку и другой её конец герметично присоединить к пробке бутылки. При нажатии на поршень шприца –пробирка будет тонуть, а при оттягивании поршня – всплывать.

Вариант 4. Старинный. Спички-водолазы

Приборы: стеклянная бутылка, вода, спички

В небольшую стеклянную бутылку, доверху наполненную водой, опускаем несколько кусочков спичек. Теперь большим пальцем плотно закрываем горлышко бутылки так, чтобы воздух в неё не попадал, надавливая пальцем сильнее или ослабляя давление, спички будут то опускаться на дно, то подниматься обратно на поверхность.

Интересно, что в этом опыте есть много нюансов:

1. Если бы мы подержали спички в воде достаточное количество времени, то они могли бы настолько пропитаться водой, что утонули бы сами и опыт бы не получился

2. Чтобы опыт получился, воду, которую мы для неё взяли, нужно было очень хорошо прокипятить, т. к. в обычной воде из-под крана или в покупной бутилированной, содержится определённый процент кислорода. Если бы в воде был кислород, даже в небольшом количестве, то этого было бы достаточно, чтобы сжались именно те пузырьки воздуха, которые содержатся в воде, а не между волокнами древесины. В этом случае наш картезианский водолаз не изменил бы своей плавучести и не утонул.

3. Также для этого опыта нужно было взять именно стеклянную бутылку небольшого объёма, т. к. объем спички, которую мы использовали тоже очень небольшой, и чтобы нам сжать воздух в этой спичке, нам нужно его уменьшить на несколько процентов от объёма спички. Но мы знаем, что вода несжимаема и стеклянная бутылка тоже достаточно прочная, поэтому мы можем сказать, что она не расширяется при воссоздании избыточного давления на неё. И поэтому всё сжатие происходит из-за того, что мы уменьшаем объём воздуха, находящийся между волокнами древесины.

4. Также для опыта нужно было брать не просто кусочек спички, а именно ту её часть, где есть серная головка, т. к. в таком случае плотность кусочка спички почти совпадает с плотностью воды.

Картезианский водолаз – классический научный эксперимент, который демонстрирует изменение плавучести тел при сжатии. Устройство имеет практическое применение для измерения давления жидкости. Его можно применять для изготовления барометров.

На законе Паскаля основана работа многих механизмов, по-другому, такие свойства газа, как сжимаемость и способность передавать давление во все стороны одинаково, нашли широкое применение в конструкции различных технических устройств. Так, сжатый воздух используется в подводной лодке для ее подъема с глубины. При погружении специальные цистерны внутри подводной лодки заполняются водой. Масса лодки увеличивается, и она погружается. Для подъема лодки в эти цистерны закачивается сжатый воздух, который вытесняет воду. Масса лодки уменьшается, и она всплывает.

(приложение 1)

(приложение 2)

(приложение 3)

(приложение 4)

(приложение 5)

(приложение 6)

Список используемой литературы

http://virtuallab.by/publ/interesnye_stati/interesnye_stati/kartezianskij_vodolaz/2-1-0-65

https://translated.turbopages.org/proxy_u/en-ru.ru.998e174e-639a469d-47a0ae2a-74722d776562/https/en.wikipedia.org/wiki/Cartesian_Diver

https://ru.wikipedia.org/wiki/Картезианский_водолаз

https://kvantik.com/diver.pdf

https://бмэ.орг/index.php/МИКРОРЕСПИРОМЕТРЫ