Egy kis kémcsőbe kevés vizet teszünk, majd nyílásával lefelé egy vízzel telt műanyag palackba fordítjuk úgy, hogy a kémcsőben marad némi levegő. Ha jól készítettük elő a kísérletet, a palackban lévő vízből csak a kémcső legteteje emelkedik ki $(\textbf a)$ ábra). Ezután rácsavarjuk a palackra a kupakot $(\textbf b)$ ábra). Ha a palack oldalát összenyomjuk, azt tapasztaljuk, hogy a kémcsőben a vízszint megemelkedik, s a kémcső lesüllyed a palack aljára $(\textbf c)$ ábra). Ha a nyomást megszüntetjük, a kémcsőben csökken a vízszint, a kémcső feljön a palackban lévő víz felszínére.
(A kísérletünk során a hőmérsékletet tekintsük állandónak.)
a) Milyen erők hatnak a vízben úszó kémcsőre?
a) A vízen úszó kémcsőre ható erők megadása:
1 + 1 pont
nehézségi erő, felhajtóerő
b) Miért emelkedik meg a vízszint a kémcsőben, ha a palackot összenyomjuk?
b) A vízszintemelkedés magyarázata:
4 pont
(bontható)
Pascal törvénye értelmében a külső nyomás a vízben gyengítetlenül terjed (2 pont), ezért a kémcsőben lévő levegő nyomása is megnő, a térfogata lecsökken, helyére víz áramlik (2 pont).
(Ha a vizsgázó a folyadékok összenyomhatatlanságára hivatkozva helyes indoklást ad, teljes pontszám adható.)
c) Miért süllyed le a kémcső ebben az esetben a palack aljára?
c) A kémcső elsüllyedésének magyarázata:
3 pont
Mivel a kémcső + víz + levegő rendszer átlagsűrűsége megnövekszik, nagyobb lesz, mint a víz sűrűsége, a kémcső lesüllyed. Vagy a kémcső + levegő rendszer térfogata lecsökken, így a rá ható felhajtóerő is lecsökken, ezért a kémcső lesüllyed.
d) Hogyan alakulnak a fenti folyamatok, ha a palack oldalának összenyomását megszüntetjük?
d) Az ellentétes irányú folyamat leírása:
4 pont
(bontható)
Ha a palack összenyomását megszüntetjük, a külső nyomás lecsökken a kémcső környezetében, a benne lévő levegő kitágul (2 pont). Ezáltal a kémcső átlagsűrűsége lecsökken, ismét kisebb lesz, mint a víz sűrűsége, a kémcső feljön a felszínre (2 pont).
e) Működne‑e az eszköz, ha víz helyett étolajat alkalmaznánk?
e) Annak bemutatása és indoklása, hogy a kísérlet működne-e étolajjal:
3 pont
(bontható)
A kísérlet működik étolajjal (1 pont). Indoklás (2 pont).
f) Ha a kísérletet úgy állítottuk be, hogy a kezdetben a fejjel lefelé álló kémcső zárt vége alig, vagy egyáltalán nem lóg ki a palack vízéből, akkor előfordulhat, hogy a kémcső leküldését követően az már nem tér vissza, a palackra gyakorolt nyomás megszüntetése után sem. Mi lehet a jelenség magyarázata?
f) A kémcső tartós lesüllyedésének magyarázata:
4 pont
(bontható)
A kémcső + levegő rendszer sűrűségét a kémcső környezetében uralkodó nyomás határozza meg, ami a víz hidrosztatikai nyomásából és a vízre ható külső nyomásból tevődik össze minden mélységben. A palack alján (egy kicsivel) nagyobb a víz hidrosztatikus nyomása, mint a tetején (2 pont). Így, ha a kémcső a kiindulási helyzetben fent volt, azaz a vízzel megegyező, vagy annál egy kicsit kisebb volt a sűrűsége, akkor a palack alján ez a sűrűség akár egy kicsivel nagyobb is lehet, mint a víz sűrűsége az összenyomás megszüntetése után. Tehát a kémcső nem fog feljönni a víz felszínére akkor sem, ha a palackra gyakorolt külső nyomást megszüntetjük (2 pont).
Összesen: 20 pont