Съдържание

ВсОШ 2018, Регионален етап, 7–11 клас — Задача 5. Задание 9.1. Гидравлический «серый ящик»

Оригинал на условието (PDF)Съобщи за грешка

Всички материали от ВсОШ 2018

Олимпиада им. Дж.Кл.Максвелла. Региональный этап / LII Всероссийская олимпиада школьников по физике. Региональный этап. 19 января 2018 года. Экспериментальный тур. · 19 януари 2018 г. · 15 т.

Условие

Внутри выданного вам «серого ящика» размещена трубка постоянного сечения, концы которой выведены наружу. Схема расположения трубки внутри «серого ящика» показана на рисунке. Направление стрелки на ящике совпадает с направлением параллельных участков трубки. Определите:

1) полную длину трубки $L_0$ ;

2) длину наклонного участка $L_1$ ;

3) угол $\alpha$ .

Оборудование: «серый ящик», стакан с подкрашенной жидкостью, штатив с муфтой и лапкой, 2 шприца, линейка, нить, небольшой грузик (гайка), канцелярская кнопка, лист миллиметровой бумаги, 4 – 5 полосок скотча (наклеены на край стола), одноразовая пластиковая тарелка, салфетки.

Схема трубки внутри квадратного ящика: трубка входит сверху справа, делает изгиб, спускается вертикально вдоль правой стороны, затем наклонный участок идёт вверх влево к левому верхнему изгибу и далее вертикально вниз, выходя из ящика снизу слева; угол α отмечен между наклонным участком и правым вертикальным участком; штриховыми линиями вынесена длина наклонного участка L₁.

Примечания

Разбирать «серый ящик» и/или вытаскивать из него трубку запрещается.
Не делайте пометки на «сером ящике». Вы можете приклеить к «серому ящику» лист миллиметровой бумаги и на нём делать необходимые пометки.
Шприц № 1 объемом 5 мл (или 10 мл) и шприц № 2 - инсулиновый объемом 1 мл.
Заполнение трубки жидкостью производите медленно, избегая возникновения воздушных пузырей (разрывов столбика жидкости). Во время отсоединения шприца трубка должна быть пережата непосредственно у шприца. Аккуратное разжимание трубки обеспечит её медленное заполнение жидкостью и позволит избежать возникновения пузырей.
При смещении столбика жидкости атмосферное давление воздуха в трубке из-за вязкости устанавливается не сразу. Кроме того, определенное сопротивление движению столбика жидкости оказывают силы поверхностного натяжения. Легкое постукивание по «серому ящику» при выполнении эксперимента будет способствовать ускорению процесса установления состояния равновесия.
Перед каждым последующим заполнением трубки её следует продувать.
Тарелка и салфетки используются для поддержания порядка на рабочем месте.

Решение

Возможное решение

Определение длины трубки.

С помощью шприца № 2 аккуратно заполним выступающий длинный конец трубки жидкостью объемом $V_1$ . Измерим длину $L_{\text{зап}}$ столбика жидкости в трубке. Для определения полной длины трубки заполним её водой из шприца № 1. По шкале шприца определим израсходованный объем жидкости $V_{\text{о}}$ . Найдём $L_0 = L_{\text{зап}}V_0 / V_1$ .

Определение α.

Закрепим «серый ящик» (СЯ) в штативе таким образом, чтобы стрелка была в вертикальном положении. На фото справа СЯ представлен без передней крышки. Будем последовательно заливать в трубку порции жидкости начиная с объема $V_0$ и уменьшая объем этих порций с определенным шагом. Если объем залитой жидкости превышает суммарный объем $V_2$ наклонной и правой вертикальной частей трубки, то после отсоединения шприца жидкость выливается из трубки через нижний конец (эффект сифона). Вытекание жидкости прекратится, когда ее объем станет равным $V_2$ . Начиная с этого момента, после каждого заливания порции жидкости аккуратно поворачиваем ЧЯ в штативе на угол β против часовой стрелки до момента срабатывания сифона, что соответствует заполнению наклонного участка трубки. С помощью отвеса фиксируем угол поворота СЯ относительно вертикали, соответствующий данному объему заливаемой жидкости (фото снизу).

Фотография: «серый ящик» без передней крышки (белая пенопластовая пластина с трубкой) закреплён в лапке штатива стрелкой вертикально; в трубке виден столбик подкрашенной жидкости в наклонном и правом вертикальном участках; внизу синяя кружка на подносе и шприц.

Начиная с некоторого объема заливаемой жидкости $V_3$ угол β₀, при котором срабатывает сифон, перестанет изменяться. Объем $V_3$ соответствует объему наклонного участка трубки, а угол β₀ его горизонтальному положению. Отсюда следует, что $\alpha = 90^{\circ} - \beta_0$ , а $L_1 = L_{\text{зап}}V_3 / V_1$ .

Фотография: тот же ящик в штативе повёрнут против часовой стрелки; подкрашенная жидкость заполняет наклонный участок трубки, который расположен горизонтально; сбоку висит отвес на нити; внизу синяя кружка.

№	Содержание критерия	Баллы
1.	Понятное описание хода работы, наличие схематических рисунков	1
2.	Определение $L_0$	3
	Предложен метод, точность которого сопоставима с точностью авторского метода	1
	Опыт проделан не менее трех раз, результаты усреднены	1
	Получен результат с отклонением от правильного не более, чем на 10%	1
3.	Определение $L_1$	5
	Предложена разумная и реализуемая идея	1
	Точность метода не хуже 10%	1
	Выполнены все необходимые измерения	1
	Выполнены повторные измерения или серия опытов с последующим усреднением	1
	Получен результат с точностью не хуже 10%	1
4.	Определение $\alpha$	6
	Предложена разумная идея	1
	Предложенная идея реализуема на данном оборудовании	1
	Точность метода не хуже 15%	1
	Выполнены все необходимые измерения	1
	Выполнены повторные измерения или серия опытов с последующим усреднением	1
	Получен результат с точностью не хуже 15%	1

Итого: 15 баллов

Оригинал в Архива: region18E.pdf