Tananyag választó:
Toricelli-kísérlet vízzel
Eszköztár:
Toricelli-kísérlet vízzel - Kísérlet

A kísérlet leírása

Az eredeti Toricelli-kísérlet megismétlése a higany használata miatt veszélyes. Ha víz kerül a higany helyére, akkor az alkalmazott cső hossza lesz viszonylag hosszú.

A kísérlet menete

Keressünk egy olyan helyet az iskolában vagy környékén, ahol biztosítani tudjuk a kísérlet elvégzéséhez szükséges 10-11 méternyi magasságkülönbséget! Pl. jól megfelel egy emeletes épület 2. emeleti ablaka.
A kísérlet helyszínén mérőszalag (vagy az azt helyettesítő, "bemért" hosszúságú spárga) segítségével az udvaron, a fal tövétől 10 méteres magasságban helyezzünk el egy lentről is jól látható jelet az ablakfélfán (pl. színes papírcsíkot felragasztva)! Erre a jelre a kísérlet során lesz szükség.
Húzzuk rá a műanyagcső egyik végét az üvegcsőre! A csatlakozás megfelelő zárásához spárgával vagy rézhuzallal erősítsük meg a műanyagcsövet az üvegcsövön!
A kísérlet helyszínén húzzuk ki a csövet egyenesre, és fektessük le a földre! Szabad végére spárgával kössük rá a nehezéket, s azzal együtt tegyük bele a vödör vízbe! A csőnek ez a vége ekkor a vödör aljáig nyúljon le (1. ábra)!
A kísérleti eszköz összeállítása A kísérleti eszköz összeállítása Rakjuk fel a vödröt egy székre, majd az üvegcső végénél egy erőteljes szívással (szivornyaként működtetve) indítsuk meg a vizet! Amikor a víz már egybefüggően, buborékmentesen áramlik ki, zárjuk le az üvegcső végét a gumidugóval!
Az ablakból lógassuk le a hosszú spárga egyik végét, rögzítsük az üvegcsövet hozzá úgy, hogy a cső a gumidugós végével felfelé álljon (2. ábra)!
Az eszköz rögzítése Az eszköz rögzítése Ezt követően húzzuk fel a megjelölt hely magasságába, vigyázva, hogy az alsó csővég állandóan a vederben levő víz felszíne alatt maradjon!
Miután az üvegcső dugós vége túlhaladt a 10 méter magasságban elhelyezett jelölésen, kezd kialakulni a Torricelli-féle űr. (Eközben egy érdekes jelenség is mutatkozik: a lecsökkent nyomáson a víz forrni kezd. A forrás a víz fölötti gőztér telítődéséig tart.)
A forrás megszűnte után az üvegcsövet úgy tartsuk (rögzítsük), hogy a cső hosszának felezőpontja kb. az ablak-félfán elhelyezett jelölésnél legyen!
Hiába emeljük egy pontnál feljebb a csövet, a vízszint visszatér az adott magasságba.
Ez után határozhatjuk meg (a vonalzók segítségével) a folyadékfelszínek távolságát (3. ábra):
.
A h értéke normál légköri nyomás esetén k A kísérleti elrendezés A kísérleti elrendezés özelít a 10,33 m-hez.

Megjegyzések, kiegészítések

A vízzel működő Torricelli-kísérletet, mint ahogy a leírásból is kitűnhetett, egy személy nem képes elvégezni. Ez egy kollektív kísérlet, az előkészítési munkálatoktól a lebonyolításig.
A vizes barométert érdemes néhány napig közszemlén hagyni. Légnyomásadatokat jegyeztethetünk fel, összefüggésbe hozva azt az időjárással, egyeztetve a száraz barométer állásával.
A cső feltöltése felülről, függőlegesen rögzített állapotában, tölcsérrel is megoldható. Miközben az alsó csővég a vödör vízszintje alatt el van szorítva, megtöltjük színültig vízzel, felül bedugjuk, s ez után tesszük szabaddá az alsó, vederben lévő végét! Ez az eljárás hosszadalmas a feltöltés során a csőben keletkező, csak lassan felszálló légzárványok miatt. Vékony cső esetében különösen hosszú időt vesz igénybe. Előnye viszont, hogy előzetesen rögzíthető az adott helyen az üvegcső.
Ha a műanyagból készült cső nem eléggé lágy, nem szorul rugalmasan az üvegcsőre, a rendszerbe könnyen levegő kerülhet. Ez meghamisíthatja, esetleg meg is hiúsíthatja a méréseket.

Feltételek

Szükséges anyagok és eszközök:

•1 méter hosszú üvegcső,
•10 méter hosszú, átlátszó műanyagcső, esetleg gumicső (az üvegcsőre szorosan illeszkedő),
•gumidugó (az üvegcső végét jól záró),
•egy vödörnyi festett víz (pl. hipermangánnal),
•két darab 50 centiméteres vonalzó,
•mérőszalag,
•kb. 12 méter hosszú, erős spárga,
•nehezék (pl. 1-2 kg-os "mérlegsúly", vagy kő).

Magyarázat

Az üvegcsőből a vizet a levegő nyomása nem engedi kifolyni. A csőben tornyosuló vízoszlop hidrosztatikai nyomása és a vödörben levő víz felszínére nehezedő légnyomás egyensúlyt tart.
A mérés során a 10,33 métertől való eltérés elsősorban az adott helyen és időben fennálló légnyomásból, kis részben a Torricelli-űrben levő telített gőznyomás miatti vízfelszíncsökkenésből adódik. Ezért a kialakult vízmagasság a fent megadott értéktől akár 30-40 centiméterrel is különbözhet.
Kezdetben a forrásba induló víz belsejében keletkező gőzbuborékok a vízszintet megemelik, s úgy tűnik, mintha fizikai lehetetlenséggel állnánk szemben. Amikor a vízgőz a vízoszlop feletti űrben telítetté válik, és megszűnik a forrás, a vízfelszín beáll a "normális" magasságba.

Biztonsági információk

Figyelem!
A kísérlet elvégzésénél tartsuk be az általános balesetvédelmi szabályokat!