Projekty

Pytania przeglądowe
1. Wskaż różnice między gazem, cieczą i płynem.
Atmosfera ziemska
2. Skąd się bierze energia powodująca ruch powietrza
w atmosferze? Co powstrzymuje powietrze przed
ucieczką w przestrzeń kosmiczną?
3. Na jakiej wysokości nad powierzchnią Ziemi masa po
wietrza znajdującego się poniżej tego poziomu stano
wi połowę masy całej atmosfery?
Ciśnienie atmosferyczne
4. Jak powstaje ciśnienie atmosferyczne?
5. Ile wynosi masa jednego metra sześciennego powie
trza w temperaturze pokojowej (20°C)?
6. Jaka jest przybliżona masa słupa powietrza o przekro
ju poprzecznym równym 1 cm2, wznoszącego się nad
poziomem morza aż do górnych warstw atmosfery?
Ile waży taka ilość powietrza?
7. Jaka jest jednostka ciśnienia atmosferycznego w ukła
dzie SI?
8. Jakie ciśnienie wywiera na podstawę słup powietrza
opisany w pytaniu 6?
Barometry
9. Porównaj ciśnienie wywierane na podstawę barome
tru przez słupek rtęci o wysokości 76 cm z ciśnieniem
atmosferycznym panującym w dolnych partiach at
mosfery?
10. Porównaj ciężar słupka rtęci w barometrze z ciężarem
słupa powietrza o tym samym przekroju, o podstawie
na poziomie morza i sięgającym górnej granicy atmos
fery?
11. Dlaczego barometr wypełniony wodą musi być 13,6
razy wyższy niż barometr rtęciowy?
12. Czym tłumaczymy możliwość picia przez słomkę: czy
napój jest wciągany przez pijącego, czy jest on wpycha
ny do słomki? Co może być przyczyną wpychania?
13. Dlaczego pompa próżniowa nie nadaje się do studni
o głębokości większej niż 10,3 m?
14. Aneroid może służyć równie dobrze do pomiaru ci
śnienia atmosferycznego, jak i wysokości, na jakiej się
znajduje. Dzięki czemu jest to możliwe?
15. W jaki sposób wytwarzana jest próżnia w pompie me
chanicznej?
Prawo Boyle'a
16. O ile wzrośnie gęstość powietrza, jeśli jego objętość
zostanie zmniejszona dwukrotnie?
17. Jak zmieni się ciśnienie wewnątrz balonu, gdy jego obję
tość zmniejszymy o połowę, bez zmiany temperatury?
18. Co to jest gaz doskonały?
Prawo Bernoulliego
22. Jak zmienia się ciśnienie wewnątrz strumienia cieczy
płynącej w poziomej rurze, jeśli jej prędkość wzrośnie?
23. Co to są linie prądu? Jakie ciśnienie panuje w obsza
rze zagęszczenia linii prądu: większe czy mniejsze niż
poza tym obszarem?
Wykorzystanie prawa Bernoulliego
24. Co ma wspólnego prawo Bernoulliego z lotem samo
lotów?
25. Dlaczego skrzydło samolotu jest nieznacznie podnie
sione z przodu?
26. Dlaczego „podkręcona" piłka porusza się po innym
torze?
27. Czy ciśnienie atmosferyczne podczas wiatru ulega
zmniejszeniu, czy zwiększeniu?
Plazma
28. Czym się różni plazma od gazu?
29. (a) W jakim sensie plazma jest naładowana elektrycz
nie? (b) W jakim sensie plazma jest elektrycznie obo
jętna?
Plazma w otaczającym nas świecie
30. Podaj przynajmniej trzy przykłady plazmy, z jaką
masz do czynienia na co dzień.
31. Jak tłumaczymy zjawisko zorzy polarnej, posługując
się pojęciem plazmy?
32. Dlaczego radioodbiornik lepiej odbiera fale typu AM
w nocy?
Plazmowe źródła mocy
33. Co to są generatory typu MHD?
34. Do czego jeszcze — poza wytwarzaniem prądu elek
trycznego — mogą w przyszłości służyć elektrownie
termojądrowe?
Projekty
I. Możesz w prosty sposób porównać ciśnienie powietrza w oponach samochodu z ciśnieniem wywieranym
przez koła na jezdnię. W tym celu musisz najpierw dowiedzieć się (z instrukcji lub w warsztacie samochodowym), jaki jest ciężar samochodu. Po podzieleniu go
przez cztery otrzymasz ciężar przypadający na jedno
koło. Następnie należy określić powierzchnię styku
jednego koła z jezdnią, czego można dokonać podstawiając pod koło kartkę papieru kratkowanego i robiąc
odpowiedni obrys. W ten sposób otrzymasz ciśnienie
wywierane przez koło na jezdnię. Czy jest ono równe
ciśnieniu powietrza w oponie, czy jest od niego mniejsze, czy większe?
Siła wyporu powietrza
19. Balon o ciężarze 1 N unosi się w powietrzu na stałej
wysokości. Jaka siła wyporu działa na niego? Co się
z nim stanie, jeśli siła wyporu wzrośnie, a co — gdy
zmaleje?
20. Czy siła wyporu powietrza pojawia się tylko wobec
ciał bardzo lekkich w stosunku do ich wielkości, takich
jak balony, czy też działa ona na wszystkie ciała? Dla
czego tylko ciała o małej gęstości mogą unosić się
w powietrzu pod jej wpływem?
21. Co czeka baloniki wypełnione helem, gdy wzbiją się
wysoko w powietrze?
2. Następujące doświadczenie należy zrobić w wannie
lub w zlewie. Przykryj odwróconą szklanką jakiś mały,
pływający na powierzchni wody przedmiot, po czym
całkowicie zanurz szklankę w wodzie. Co zobaczysz?
Jak głęboko należałoby zanurzyć szklankę, by zamknięte w niej powietrze wypełniało połowę jej obje-
tości? (To jest niemożliwe do zrobienia w wannie,
której głębokość jest mniejsza niż 10,3 m!).
3. Gdy przelewasz wodę z jednej szklanki do drugiej,
szklankę z wodą trzymasz powyżej szklanki pustej.
A czy próbowałeś przelewać w podobny sposób powietrze? W tym celu obie szklanki zanurzamy w wodzie dnem do góry. Następnie przechylamy jedną
szklankę tak, by wypełniła się wodą, ustawiamy z powrotem dnem do góry i przenosimy nad drugą szklankę. Wtedy możemy powoli przechylić niższą szklankę
i wypuścić powietrze tak, by przedostało się do szklanki wyższej. W taki sposób odbywa się przelewanie powietrza.
4. Przytrzymaj odwróconą szklankę wypełnioną wodą
tak, by jej otwarty koniec był całkowicie zanurzony
w wodzie. Dlaczego woda nie wypływa ze szklanki?
Jak wysoka powinna być szklanka, by nastąpił jej wypływ? (Jeśli sufit twojego mieszkania jest niższy niż
10,3 m, to takiego doświadczenia nie będziesz mógł
wykonać).
5. Połóż kartkę papieru na szklance wypełnionej wodą,
a następnie odwróć ją. Dlaczego kartka nie odrywa się?
6. Wypełnij wodą butelkę (lub słoik z wąską szyjką) i od
wróć ją do góry dnem. Woda będzie z niej wypływać
w sposób nieregularny, bulgocząc. Ciśnienie powie
trza nie dopuszcza do swobodnego wypływu, zanim ja
kaś porcja powietrza nie dostanie się do wnętrza, zaj
mując górną część butelki. Czy można w ten sposób
opróżniać butelki na Księżycu?
7. Wlej pół szklanki wody do metalowej bańki o pojem
ności ok. 5 litrów, z zakręcaną pokrywką. Otwartą
bańkę postaw na ogniu i zagotuj wodę, tak by widocz
na była para wydostająca się z otworu. Następnie
szybko zdejmij ją z ognia i szczelnie zakręć jej otwór.
Obserwuj przez jakiś czas jej zachowanie. Efekt moż
na przyspieszyć, polewając bańkę zimną wodą. Wyja
śnij przebieg doświadczenia. (Nie rób tego jednak,
gdy bańkę chcesz wykorzystać ponownie. Przy szyb
kim chłodzeniu bańka może pęknąć).
8. Zagotuj małą ilość wody w aluminiowej puszce do na
pojów, po czym szybko ją odwróć i wstaw do naczynia
z zimną wodą. Zobaczysz coś dramatycznego!
9. Zrób mały otwór blisko dna puszki do konserw, po
czym nalej do niej wody, która zaraz zacznie wypływać
przez otwór. Następnie zakryj ją szczelnie dłonią. Wo
da przestanie wypływać. Wyjaśnij, dlaczego.
10.
Cienką rurkę szklaną (lub słomkę do picia) zanurz
w wodzie, przytkaj ją palcem, a następnie wyjmij ją
z wody. Teraz zdejmij palec i obserwuj, co się stanie
(ćwiczenie to można zrobić w pracowni chemicznej).
11. Zegnij ku dołowi końce kartonika tak, by utworzył się
mały mostek. Postaw go na stole i dmuchnij przez niego, jak pokazano na rysunku. Mostek nie podniesie
się nawet przy bardzo silnym strumieniu powietrza
(o ile nie będziesz dmuchał z boku). Pokaż to doświadczenie kolegom nie zajmującym się fizyką i wyjaśnij im, w czym rzecz.
12. Wetknij szpilkę w kartonik i wstaw j ą do otworu szpulki na nici. Dmuchając na kartonik przez ten otwór,
spróbuj go odsunąć od szpulki. Powtórz to doświadczenie, dmuchając z różnych stron.
7.
8.
9.
13. Przytrzymaj łyżkę w strumieniu wody, jak pokazano
na rysunku, i zaobserwuj w ten sposób istnienie różnicy ciśnień.
10.
11.
12.
13.
14.
Ćwiczenia
1. Powszechnie uważa się, że gaz wypełnia całą dostępną
mu przestrzeń. Dlaczego zatem atmosfera nie rozprzestrzenia się w nieskończoność?
większe niż na powierzchni Ziemi, mimo że nie ma
tam grawitacji?
Bąbelki powietrza w wodzie poruszają się w górę. Jak
zmieniają się przy tym: ich masa, objętość i gęstość?
Trzon zaworu w kole musi wywierać na znajdujące się
w nim powietrze pewną siłę, która zapobiega wydosta
waniu się powietrza z opony. Jak zmieniłaby się ta si
ła, gdyby średnicę trzonu zwiększyć dwukrotnie?
Dwa zaprzęgi, po osiem koni każdy, nie były w stanie
oderwać od siebie półkul magdeburskich (rys. 13.2).
Dlaczego? Przypuśćmy, że dziewięć koni w każdym
z zaprzęgów wystarcza do tego celu. Czy efekt byłby
taki sam, gdyby jeden z tych zaprzęgów zastąpić moc
nym drzewem?
Przed wejściem na pokład samolotu kupujesz rolkę
z błoną fotograficzną lub inny przedmiot szczelnie
opakowany w folię. Podczas lotu zauważasz, że opa
kowanie napęczniało. Wyjaśnij przyczynę tego zjawi
ska.
Dlaczego okna samolotu są mniejsze od okien w auto
busie?
Pół szklanki wody wlewasz do bańki 5-litrowej i zagotowujesz ją. Po odparowaniu co najmniej połowy wo
dy odstawiasz bańkę z ognia, zakręcasz wieczko i cze
kasz, aż się ochłodzi. Co się dzieje wtedy z bańką
i z jakiego powodu?
Jeśli następuje wybuch lampy kineskopowej w telewi
zorze, to do środka czy na zewnątrz?
Zmianę ciśnienia hydrostatycznego z głębokością
(wysokością) można zademonstrować przy użyciu sto
su cegieł. Ciśnienie u podstawy stosu określone jest
przez ciężar wszystkich cegieł. W połowie wysokości
— przez ciężar cegieł znajdujących się powyżej. Dla
wyjaśnienia ciśnienia atmosferycznego należałoby
użyć cegieł ściśliwych, z pianki gumowej. Dlaczego?
2. Dlaczego na Księżycu nie ma atmosfery?
3. Obserwując przy supermarkecie duży samochód dostawczy, z którego rozładowywana jest żywność, policz,
ile on ma kół. Może się okazać, że nawet 18. Po co
potrzebne jest tyle kół? (Wskazówka: Skorzystaj z
wyników projektu 1).
4. Po co w lejkach robi się nacięcia podłużne, zapobiegające ścisłemu przyleganiu do szyjki butelki?
5. Porównaj gęstość powietrza w głębokiej kopalni z gęstością na powierzchni ziemi.
6. Dlaczego na końcu hipotetycznego kanału przewierconego do środka Ziemi ciśnienie powietrza byłoby
15. „Pompa" w odkurzaczu to nic innego jak szybki wen
tylator. Czy odkurzacz usuwałby kurz z dywanu rozło
żonego na Księżycu?
16. Załóżmy, że pompa pokazana na rys. 13.9 wytwarza
idealną próżnię. Z jak głębokiej studni będzie ona
pompować wodę?
17. Gdyby w barometrze użyć cieczy o gęstości dwa razy
mniejszej od gęstości rtęci, to jaka byłaby wysokość
słupka tej cieczy?
18. Dlaczego wielkość przekroju poprzecznego słupka
rtęci w barometrze nie ma wpływu na jego wysokość?
19. Z jakiej głębokości można jeszcze wyciągnąć rtęć
z otwartego naczynia przy użyciu rurki? Gdyby
20. barometr wypełnić cieczą o gęstości większej od
gęstości rtęci, to jak zmieniłaby się wysokość słupka w
porównaniu z wysokością słupka rtęci? Gdzie łatwiej
21 pić przez słomkę: na poziomie morza czy na wysokiej
górze?
22. Ciśnienie wywierane na ziemię przez słonia stojącego
równo na czterech nogach jest mniejsze niż 1 atmosfera. Dlaczego zatem słoń może nas zmiażdżyć stopami,
natomiast atmosfera nie czyni nam żadnej krzywdy?
23 Można powiedzieć, że słoń doznaje znacznie większej
siły wyporu atmosferycznego niż balonik helowy. Jej
efekty są jednak odmienne. Jak to skomentujesz?
24. Połóż na czułej wadze pustą, cienką torebkę plastikową i zanotuj wynik. Potem napełnij ją powietrzem.
Czy wskazanie wagi się zmieni? Dlaczego tak trudno
25 oddychać tlenem z butli pod wodą na głębokości 1 m, a
prawie niemożliwe jest to na głębokości 2 m?
Dlaczego nurek nie może oddychać posługując się
po prostu rurką wystawioną nad powierzchnię
wody?
26 Dlaczego ciężar ciała w powietrzu jest mniejszy niż w
próżni (pamiętaj: ciężar to siła wywierana przez ciało
na podtrzymującą je podstawę). Podaj przykład sytuacji, gdzie ta różnica jest istotna. Dziewczynka
27 trzymająca balonik helowy siedzi w samochodzie
stojącym na czerwonym świetle. Okna samochodu są
zamknięte, a samochód jest dosyć szczelny. Gdy
światła zmieniają się na zielone, samochód szybko
rusza. Głowa dziewczynki zostaje odchylona do tyłu,
natomiast balonik przesuwa się do przodu. Co jest
tego przyczyną?
28. Czy butelka wypełniona helem waży mniej czy więcej
niż identyczna butelka wypełniona powietrzem o tym
samym ciśnieniu lub w ogóle bez powietrza?
29. Czy siła wyporu balonu o ustalonej objętości zmieni
się, jeśli zastąpić hel lżejszym od niego wodorem?
30. Pojemnik metalowy z gazowym helem nie unosi się
w powietrze, natomiast balon wypełniony taką samą
ilością helu — unosi się. Jak to wytłumaczyć?
31. Balon wypełniony powietrzem spada na ziemię, a ba
lon wypełniony helem unosi się. Dlaczego?
32. Dlaczego ciśnienie gazu w balonie zrobionym z roz
ciągliwej gumy jest większe niż ciśnienie na zewnątrz
balonu?
33. Dwa identyczne baloniki nadmuchane tak, że ich we
wnętrzne ciśnienie jest większe od ciśnienia atmosfe
rycznego, zawieszono na dwóch końcach poziomej
belki, która pozostaje w równowadze. Następnie je
den z baloników przekłuwamy. Czy nastąpi zachwia
nie równowagi belki, a jeśli tak, to w którą stronę się
pochyli?
34. Dwa balony o jednakowej masie i objętości wypełnio
no taką samą ilością helu. Jeden z nich jest rozciągli
wy, drugi — nie. Po uwolnieniu oba zaczną się wzno
sić. Który osiągnie większą wysokość?
35. Wyobraźmy sobie olbrzymią stację kosmiczną zawie
rającą obracający się cylinder wypełniony powie
trzem. Jak zmienia się jego ciśnienie z odległością od
podstawy cylindra?
36. Czy balon helowy może się wznosić w atmosferze pa
nującej na obracającej się stacji kosmicznej?
37. Siła wywierana przez atmosferę na okno o powierzch
ni 10 m2 na poziomie morza jest rzędu miliona niutonów. Dlaczego okno nie zostaje roztrzaskane? Dla
czego może je roztrzaskać silny wiatr?
38. Dlaczego ognisko lepiej się pali podczas wiatru?
39. Strumień powietrza wydmuchiwanego pod pewnym
kątem z rury podłączonej (nietypowo) do otworu wy
lotowego odkurzacza może podtrzymać w górze piłkę
plażową. Czy do otrzymania tego efektu strumień po
wietrza należy skierować pod piłkę, czy nad piłkę?
40. Jaka siła utrzymuje w locie latawiec?
41. Stacjonarny strumień gazu wpływa z rurki szerszej do
węższej. Jak zmieniają się przy tym: (a) prędkość ga
zu, (b) jego ciśnienie i (c) gęstość linii prądu.
42. Dlaczego łatwiej jest zakrzywić tor piłki tenisowej niż
bejsbolowej?
43. W jaki sposób samolot może lecieć do góry kołami?
44. Dlaczego w odrzutowcu lecącym na dużej wysokości
pasażer idący do przodu wzdłuż osi ma do pokonania
większe wzniesienie niż w odrzutowcu lecącym na ni
skiej wysokości? Dlaczego na większej wysokości pilot
musi ustawić samolot pod większym kątem natarcia?
45. Jakie prawa fizyki leżą u podstaw następujących ob
serwacji: 1) mijając na autostradzie duży samochód
ciężarowy, czujesz, jak twój samochód jest ściągany ku
ciężarówce; 2) przy dużych szybkościach plandeka sa
mochodu wybrzusza się w górę; 3) okna w wysłużo-
nych pociągach czasami pękają podczas mijania się
z innym, szybkim pociągiem.
46. Stacjonarny wiatr wieje nad falami morskimi. Dlaczego
wzmacnia on zarówno grzbiety fal, jak i doliny między
falami?
5)
Wkrótce po starcie balon badawczy wypełniony
helem przybrał postać cienkiego cygara. Po osiągnięciu
wysokości 15 kilometrów wyglądał jak okrągła
brzoskwinia. Powłoka balonu nie wywiera jakiejś
istotnej siły na gaz znajdujący się w jej wnętrzu — ona
tylko oddziela go od zewnętrznego powietrza.
Dlaczego podczas wznoszenia się balonu siła wyporu
pozostaje stała?
6)
Barometr rtęciowy pokazuje ciśnienie 760 mm
na poziomie morza. Na wysokości 5,6 km słupek rtęci
spada o połowę (do wartości 380 mm). Jakie jest
ciśnienie powietrza na tej wysokości względem
poziomu morza? Gdyby barometr wynieść o następne
5,6 km (czyli na wysokość 11,2 km), to czy słupek
rtęci obniżyłby się znowu o 380 mm, czy nie?
Odpowiedz uzasadnij.
47. Dlaczego flagi łopocą na wietrze? Czy ma to związek
z prawem Bernoulliego? (Chyba jest to mało przekonujące?).
48. Nabrzeża zbudowane są z pali umożliwiających swobodny przepływ wody. Dlaczego nabrzeże wykonane
w postaci jednolitej, sztywnej ściany byłoby niekorzystne dla statków płynących wzdłuż niego?
49. Czy niskie ciśnienie jest skutkiem szybkiego ruchu powietrza, czy też jego przyczyną? Podaj przykład na korzyść każdej z tych opcji. (W fizyce często spotykamy
się z sytuacją, gdy dwie wielkości są ze sobą sprzężone,
jak np. siła i przyspieszenie albo prędkość i ciśnienie.
To, co jest przyczyną, a co skutkiem, jest w dużej mierze kwestią umowy.)
50. Dlaczego w nocy odbiór stacji radiowych nadających
w systemie AM jest lepszy?
Zadania
1)
Oblicz, w przybliżeniu, działającą na ciebie siłę wyporu
powietrza atmosferycznego. Objętość twego ciała
możesz określić ze znajomości jego ciężaru oraz gęstości (o której możesz założyć, że jest nieco mniejsza
od gęstości wody).
2)
Ciekły azot ma gęstość równą 0,8 gęstości wody,
a ciekły tlen — 0,9 gęstości wody. Ciśnienie
atmosferyczne pochodzi głównie od tych dwóch
pierwiastków. Gdyby skroplić całe powietrze
atmosferyczne, to grubość otrzymanej warstwy byłaby
mniejsza czy większa niż 10,3 m?
3) Powietrze znajdujące się w cylindrze ściskamy tak, by
jego objętość zmalała dziesięciokrotnie, nie zmienia
jąc przy tym temperatury, (a) Jak zmieniło się ciśnie
nie gazu? (b) Odkręcamy zawór tak, by przywrócić
początkową wartość ciśnienia. Jaka część gazu wydo
stanie się na zewnątrz?
4) U schyłku pięknego dnia lecisz balonem z ogrzewa
nym powietrzem na stałej wysokości. Całkowity ciężar
balonu wraz z ładunkiem i powietrzem wynosi
20 000 N. (a) Jaki jest ciężar powietrza wypartego
przez balon? (b) Jaka jest jego objętość?