A. Introducere

Timpul poate fi măsurat folosind procese fizice periodice sau continue. Înainte de apariția ceasurilor atomice moderne, se foloseau diverse metode de măsurare a timpului, precum cadranele solare, ceasurile cu pendul și ceasurile cu apă.

Un ceas cu apă măsoară timpul prin intermediul curgerii controlate a apei. În acest experiment, veți studia principiile fizice care guvernează curgerea apei și le veți aplica pentru a construi un ceas cu apă.

B. Componente experimentale

Se pun la dispoziție următoarele echipamente:

1. Rezervor A (rezervor inferior, echipat cu un robinet/valvă și două dopuri pentru orificii)

2. Rezervor B (rezervor superior, pentru alimentarea cu apă și un dop pentru orificiu)

3. Suport pentru rezervor

4. Container de colectare a apei

5. Două sticle de apă de 2 L fiecare, (nu sunt prezentate în imagine)

6. Pompă cu sifon

7. Cronometru

8. Pahar de laborator

9. Riglă

10. Nivelă cu bulă

11. Suport reglabil

12. Prosop (nu apare în imagine)

*Prosopul este un suvenir, vă rugăm să îl luați după terminarea examenului.

None

Reglarea înălțimii suportului

Sub placa suportului reglabil se află patru pedale cu șurub. Puteți modifica înălțimea fiecărei pedale prin rotirea acesteia.

None

Pompă cu sifon

Dacă containerul de apă se umple cu multă apă, o puteți scoate folosind o pompă cu sifon. Introduceți furtunul drept în apă și introduceți furtunul flexibil în sticla de apă. Apoi, apăsând mânerul roșu, puteți transfera apa în rezervorul de apă.

NOTĂ:

Asigurați-vă că suportul ajustabil și rezervoarele sunt orizontale înainte de a începe orice măsurare, astfel încât să puteți măsura corect înălțimile.

Goliți periodic containerul de colectare pentru a preveni plutirea aparatului.

Uscați-vă mâinile înainte de a scrie pe foaia de răspuns sau de a manipula echipamentul altui experiment.

Informați imediat un supraveghetor, dacă apare o scurgere, o defecțiune sau pierderea vreunui dop de la orificii.

C. Experiment

Evacuarea apei printr-o valvă

1. Așezați suportul reglabil în containerul de colectare a apei.

2. Așezați suportul ajustabil orizontal, prin ajustarea pedalelor cu șurub.

3. Așezați suportul rezervorului pe suportul reglabil.

4. Așezați rezervorul A pe suportul rezervorului.

Rezervorul A are trei orificii de ieșire: un orificiu cu diametrul de 5 mm, un orificiu cu diametrul de 4 mm și

o valvă cu diametrul de 4 mm.

În partea A, utilizați numai valva.

A1  ^0.50 Măsurați dimensiunile interne ale rezervorului A. Măsurați lățimea, lungimea și distanța dintre marcajele de înălțime de pe rezervor. Observați că marcajul pornește din mijlocul valvei și al orificiilor.

A2  ^1.00 Umpleți rezervorul A cu apă până la o înălțime de 5.0 cm. Deschideți complet valva. Determinațiați timpul necesar pentru ca nivelul apei să scadă de la 5.0 cm la 4.0 cm, împreună cu incertitudinea acestuia. Utilizați marcajele de pe rezervor pentru înălțimi.

A3  ^1.50 Repetați măsurarea de la punctul A2 pentru cel puțin patru înălțimi inițiale diferite ale apei, de peste 3 cm. La înălțimile inițiale mai mici, de exemplu de la 1 la 3 cm, experimentul durează prea mult. Pentru fiecare măsurare, notați datele experimentale și timpul mediu necesar pentru ca nivelul apei să scadă de la fiecare înălțime inițială cu 1.0 cm.

A4  ^1.00 Determinați viteza medie $v_v$ a apei care iese prin valvă, atunci când înălțimea apei scade cu 1 cm de la fiecare valoare inițială.

NOTĂ: Puteți folosi calculatorul pus la dispoziție.

A5  ^1.00 Presupuneți că viteza medie îndeplinește condiția

$$v_v = C_1 h^x$$
Reprezentați un grafic adecvat pentru a determina exponentul $x$. Care este valoarea exponentului $x$ obținut din grafic?

Rețineți că este mai bine să folosiți valoarea centrală dintre înălțimea inițială și cea finală pentru a determina exponentul $x$.

Scurgerea apei printr-un orificiu

În această parte, folosiți orificiul mai mic al rezervorului A, care are un diametru de 4 mm.

Valva utilizată în partea A ar trebui să fie închisă.

B1  ^1.50 Pentru cel puțin cinci înălțimi inițiale diferite h ale apei, măsurați timpul necesar pentru ca nivelul apei să scadă cu 1.0 cm.

B2  ^0.50 Determinați viteza medie $v_h$ a apei care iese din orificiu, pentru fiecare înălțime inițială a apei.

Folosiți aceeași metodă ca în A-4.

B3  ^1.00 Comparați viteza medie de curgere prin valvă, $v_v$, și prin orificiu, $v_h$.

Presupuneți că $v_v = C_2 v_h$

Determinați constanta $C_2$.

Construirea unui ceas cu apă

Construiți un ceas cu apă folosind rezervoarele A și B.

Așezați rezervoarele după cum urmează:

Rezervorul A (cu valvă) este amplasat dedesubt.
Rezervorul B (cu orificiul de 5 mm) este amplasat deasupra.

Rezervorul B alimentează cu apă rezervorul A.

Rezervorul A evacuează apa prin valva complet deschisă.

Pentru o funcționare stabilă, rezervorul A trebuie să rămână plin sau apa să se reverse din el atunci când în el curge apă din rezervorul B.

C1  ^1.00 Fie $h_c$ înălțimea minimă a apei, măsurată față de la centrul orificiului din rezervorul B, necesară pentru a menține rezervorul A plin sau în stare de revărsare. Concepeți un experiment și puneți-l în practică. Înregistrați datele experimentale și estimați valoarea lui $h_c$ pe baza rezultatelor obținute.

C2  ^1.00 Rezervorul B trebuie reumplut periodic pentru ca ceasul cu apă să funcționeze. Concepeți un experiment. Desenați configurația experimentului și notați ce ați măsurat.

Determinați experimental intervalul maxim de timp între reumpleri, menținând în același timp funcționarea continuă a ceasului cu apă.