Номер 1, страница 16, часть 1 - гдз по физике 10 класс учебник Кронгарт, Казахбаева

Экспериментируйте

Рассмотрите падение пластилинового шарика в воздухе и в воде. Опишите движение шарика в обоих случаях.

Для описания движения пластилинового шарика рассмотрим силы, действующие на него в каждой из сред.

При падении в воздухе на шарик действуют две основные силы:

1. Сила тяжести ($F_т$), направленная вертикально вниз. Она постоянна и равна $F_т = mg$, где $\text{m}$ — масса шарика, а $\text{g}$ — ускорение свободного падения.

2. Сила сопротивления воздуха ($F_{с.в.}$), направленная вертикально вверх, против движения. Эта сила зависит от скорости шарика, его формы, размеров и плотности воздуха.

Поскольку пластилиновый шарик достаточно плотный и тяжелый, а плотность воздуха мала, сила сопротивления воздуха при падении с небольшой высоты будет незначительной по сравнению с силой тяжести ($F_{с.в.} \ll F_т$). Поэтому шарик будет падать с ускорением, очень близким к ускорению свободного падения ($a \approx g$). Движение будет быстрым и практически равноускоренным. Если бы шарик падал с очень большой высоты, его скорость бы росла до тех пор, пока сила сопротивления воздуха не стала бы равна силе тяжести, после чего он двигался бы равномерно с так называемой установившейся скоростью.

Ответ: В воздухе пластилиновый шарик падает быстро, его движение является ускоренным и близко к свободному падению.

При падении (погружении) в воде на шарик действуют уже три силы:

1. Сила тяжести ($F_т$), направленная вниз ($F_т = mg$).

2. Выталкивающая сила (сила Архимеда, $F_А$), направленная вертикально вверх. Она равна весу воды в объеме шарика: $F_А = \rho_{воды} g V$, где $\rho_{воды}$ — плотность воды, а $\text{V}$ — объем шарика.

3. Сила сопротивления воды ($F_{с.вод.}$), направленная вверх, против движения.

Плотность пластилина ($\rho_{пл} \approx 1500-2000 \text{ кг/м}^3$) больше плотности воды ($\rho_{воды} \approx 1000 \text{ кг/м}^3$). Это означает, что сила тяжести, действующая на шарик, больше выталкивающей силы ($F_т > F_А$), поэтому шарик будет тонуть.

Вода значительно плотнее и вязче воздуха, поэтому сила сопротивления воды намного больше силы сопротивления воздуха при той же скорости. Как только шарик начинает тонуть, его скорость растет, и вместе с ней быстро растет сила сопротивления. Очень скоро наступает момент, когда сумма сил, направленных вверх (сила Архимеда и сила сопротивления), уравновешивает силу тяжести: $F_т = F_А + F_{с.вод.}$. С этого момента равнодействующая сил становится равной нулю, и шарик прекращает ускоряться, продолжая движение с постоянной, относительно небольшой скоростью.

Ответ: В воде пластилиновый шарик тонет медленно. После очень короткого периода ускорения его движение становится практически равномерным (с постоянной скоростью).