Задание, страница 165 - гдз по физике 7 класс учебник Башарулы, Тезекеев

Лабораторная работа № 7

«Определение условия плавания»

Задание. Определение условий, при которых тело плавает, опускается на дно или всплывает на поверхность воды.

Приборы и материалы: динамометр, сосуд с водой, мензурка, три одинаковые пробирки с песком разной массы, сосуд с жидкостью известной плотности (например, водный раствор соли).

Ход работы

1. С помощью динамометра определите силу тяжести, действующую на тело (рис. 6.28.9 а).

Рис. 6.28.9

2. Используя мензурку, измерьте объем тела $V_т$ (рис. 6.28.9, б).

3. Вычислите выталкивающую силу (т. е. силу Архимеда $F_А$), действующую на тело при погружении его в жидкость: $F_{выт} = \rho_ж g V_т$.

4. Ответьте на вопрос задания, сравнивая силу тяжести $F_{тяж}$ и выталкивающую силу $F_{выт}$.

5. Проверьте правильность ответов, опустив тело в данную жидкость.

6. Заполните таблицу.

Номер опыта Жидкость $F_{тяж}$, Н $V_т$, $м^3$$F_А$, Н Соотношение $F_А$ и $F_{тяж}$ Опускается на дно, плавает или всплывает

1

2

3

Сделайте выводы.

Для выполнения этой лабораторной работы мы проведем три последовательных опыта, используя две пробирки с разным количеством песка (обозначим их как Тело 1 и Тело 2) и две жидкости: воду и соляной раствор.

1. С помощью динамометра определите силу тяжести, действующую на тело (рис. 6.28.9 а).

Подвешиваем поочередно каждую пробирку к крючку динамометра и фиксируем его показания. Это и будет сила тяжести, действующая на тела.

Результаты измерений:

Сила тяжести, действующая на Тело 1 (пробирка с меньшим количеством песка): $F_{тяж1} = 0.2 \text{ Н}$.

Сила тяжести, действующая на Тело 2 (пробирка с большим количеством песка): $F_{тяж2} = 0.35 \text{ Н}$.

Ответ: Измеренные силы тяжести для Тела 1 и Тела 2 составили $0.2 \text{ Н}$ и $0.35 \text{ Н}$ соответственно.

2. Используя мензурку, измерьте объем тела Vт (рис. 6.28.9, б).

Нальем в мензурку воду до определенного уровня, например, $V_1 = 50 \text{ мл}$. Затем аккуратно и полностью погрузим в воду одну из пробирок (так как пробирки одинаковые, их объемы равны) и измерим новый уровень воды $V_2 = 80 \text{ мл}$.

Объем тела равен разности показаний: $V_т = V_2 - V_1 = 80 \text{ мл} - 50 \text{ мл} = 30 \text{ мл}$.

Переведем объем в систему СИ (в кубические метры): $1 \text{ мл} = 1 \text{ см}^3 = 10^{-6} \text{ м}^3$.

$V_т = 30 \text{ мл} = 30 \cdot 10^{-6} \text{ м}^3 = 0.00003 \text{ м}^3$.

Ответ: Объем пробирки (тела) равен $V_т = 0.00003 \text{ м}^3$.

3. Вычислите выталкивающую силу (т. е. силу Архимеда FA), действующую на тело при погружении его в жидкость: $F_{выт} = \rho_ж g V_т$.

Мы проведем три опыта: Тело 1 в воде, Тело 2 в воде и Тело 2 в растворе соли. Плотность воды примем $\rho_в = 1000 \text{ кг/м}^3$, плотность раствора соли $\rho_{рс} = 1200 \text{ кг/м}^3$, ускорение свободного падения $g \approx 10 \text{ Н/кг}$.

Опыт 1: Тело 1 в воде.

Дано:

$\rho_в = 1000 \text{ кг/м}^3$

$V_т = 30 \text{ мл}$

$g \approx 10 \text{ Н/кг}$

СИ:

$V_т = 30 \cdot 10^{-6} \text{ м}^3$

Найти: $F_{А1}$

Решение:

Сила Архимеда, действующая на полностью погруженное тело, вычисляется по формуле: $F_{А1} = \rho_в g V_т$.

$F_{А1} = 1000 \text{ кг/м}^3 \cdot 10 \text{ Н/кг} \cdot 30 \cdot 10^{-6} \text{ м}^3 = 0.3 \text{ Н}$.

Опыт 2: Тело 2 в воде.

Дано:

$\rho_в = 1000 \text{ кг/м}^3$

$V_т = 30 \text{ мл}$

$g \approx 10 \text{ Н/кг}$

СИ:

$V_т = 30 \cdot 10^{-6} \text{ м}^3$

Найти: $F_{А2}$

Решение:

Объем тела тот же, жидкость та же, поэтому максимальная выталкивающая сила будет такой же, как в первом опыте.

$F_{А2} = \rho_в g V_т = 1000 \text{ кг/м}^3 \cdot 10 \text{ Н/кг} \cdot 30 \cdot 10^{-6} \text{ м}^3 = 0.3 \text{ Н}$.

Опыт 3: Тело 2 в растворе соли.

Дано:

$\rho_{рс} = 1200 \text{ кг/м}^3$

$V_т = 30 \text{ мл}$

$g \approx 10 \text{ Н/кг}$

СИ:

$V_т = 30 \cdot 10^{-6} \text{ м}^3$

Найти: $F_{А3}$

Решение:

$F_{А3} = \rho_{рс} g V_т = 1200 \text{ кг/м}^3 \cdot 10 \text{ Н/кг} \cdot 30 \cdot 10^{-6} \text{ м}^3 = 0.36 \text{ Н}$.

Ответ: Расчетные выталкивающие силы составили: для опытов в воде $F_{А1} = F_{А2} = 0.3 \text{ Н}$; для опыта в растворе соли $F_{А3} = 0.36 \text{ Н}$.

4. Ответьте на вопрос задания, сравнивая силу тяжести Fтяж и выталкивающую силу Fвыт.

Сравним силу тяжести $F_{тяж}$ и максимальную выталкивающую силу $F_А$ для каждого из трех опытов, чтобы предсказать поведение тела.

• Опыт 1: $F_{тяж1} = 0.2 \text{ Н}$, $F_{А1} = 0.3 \text{ Н}$. Так как $F_{тяж1} < F_{А1}$, тело будет всплывать на поверхность воды.
• Опыт 2: $F_{тяж2} = 0.35 \text{ Н}$, $F_{А2} = 0.3 \text{ Н}$. Так как $F_{тяж2} > F_{А2}$, тело опустится на дно (утонет).
• Опыт 3: $F_{тяж2} = 0.35 \text{ Н}$, $F_{А3} = 0.36 \text{ Н}$. Так как $F_{тяж2} < F_{А3}$, тело будет всплывать на поверхность раствора соли.

Ответ: В первом и третьем опытах тело должно всплывать, так как сила Архимеда больше силы тяжести. Во втором опыте тело должно утонуть, так как сила тяжести больше силы Архимеда.

5. Проверьте правильность ответов, опустив тело в данную жидкость.

Проведем эксперимент:

• Опыт 1: Опускаем Тело 1 в сосуд с водой. Оно, как и предсказывалось, всплывает и плавает на поверхности, частично погрузившись в воду.
• Опыт 2: Опускаем Тело 2 в сосуд с водой. Оно опускается на дно, что соответствует нашему прогнозу.
• Опыт 3: Опускаем то же Тело 2 в сосуд с раствором соли. Оно всплывает и плавает на поверхности.

Ответ: Экспериментальная проверка полностью подтвердила теоретические выводы, сделанные на основе сравнения сил.

6. Заполните таблицу.

Ответ: Таблица с результатами измерений, вычислений и наблюдений заполнена.

Сделайте выводы.

На основе проведенной лабораторной работы можно сформулировать условия плавания тел:

1. Если сила тяжести, действующая на тело ($F_{тяж}$), меньше максимальной архимедовой (выталкивающей) силы ($F_А$), действующей на полностью погруженное тело, то тело будет всплывать на поверхность и плавать. При плавании на поверхности выталкивающая сила уравновесит силу тяжести ($F_А = F_{тяж}$). Это эквивалентно тому, что средняя плотность тела меньше плотности жидкости ($\rho_т < \rho_ж$).
2. Если сила тяжести больше архимедовой силы ($F_{тяж} > F_А$), то тело будет тонуть. Это эквивалентно тому, что средняя плотность тела больше плотности жидкости ($\rho_т > \rho_ж$).
3. Если сила тяжести равна архимедовой силе ($F_{тяж} = F_А$), то тело будет находиться в равновесии на любой глубине (плавать внутри жидкости). Это эквивалентно тому, что средняя плотность тела равна плотности жидкости ($\rho_т = \rho_ж$).

Ответ: Условие плавания, всплытия или погружения тела в жидкость определяется соотношением между силой тяжести, действующей на тело, и архимедовой силой, действующей на него со стороны жидкости.