Лабораторная работа № 10, страница 85, часть 2 - гдз по физике 7 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 2. Глава 7. Закон архимеда. Плавание тел. Параграф 67. Лабораторные и исследовательские работы. Лабораторные работы - страница 85.

Условие.

Лабораторная работа № 10

Плавание тела в жидкости

Цель работы

На опыте выяснить условия, при которых тело плавает и при которых тонет.

Оборудование и материалы

Весы с разновесами, измерительный цилиндр (или мензурка), пробирка-поплавок с пробкой, сухой песок, фильтровальная бумага или сухая салфетка.

Ход работы

• Насыпьте в пробирку столько песка, чтобы она, закрытая пробкой, плавала в мензурке с водой в вертикальном положении и часть ее находилась над поверхностью воды (рис. 1).

Рис. 1

• Определите выталкивающую силу $\text{F}$, действующую на пробирку. Она равна весу $P_B$ воды, вытесненной пробиркой: $F = P_B$. Чтобы найти вес воды, вытесненной пробиркой, нужно определить объем $\text{V}$ этой воды. Для этого отметьте уровни воды в мензурке до и после погружения пробирки в воду. Зная объем вытесненной воды и плотность, вычислите ее вес.

• Выньте пробирку из воды, протрите ее фильтровальной бумагой или салфеткой. Определите на весах массу $\text{m}$ пробирки с песком с точностью до 1 г.

• Рассчитайте силу тяжести $F_T$, действующую на пробирку с песком. Она равна весу $\text{P}$ пробирки с песком в воздухе: $F_T = P$.

• Результаты измерений и вычислений запишите в таблицу в своей тетради. Отметьте поведение пробирки в воде (плавает пробирка или тонет).

№ опыта	V		$F = P_B$, Н	m		$F_T = P$, Н	Поведение пробирки в воде
	мл	м$^3$		г	кг

• Добавьте в пробирку еще немного песка. Определите выталкивающую силу и силу тяжести указанным выше способом. Отметьте поведение пробирки в воде (рис. 2).

Рис. 2

Рис. 3

• Проделайте аналогичные действия предыдущего пункта несколько раз, пока пробирка, закрытая пробкой, не утонет (рис. 3).

• Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу. Сделайте вывод об условиях плавания тел в жидкости.

Решение.

Цель работы

На опыте выяснить условия, при которых тело плавает и при которых тонет.

Оборудование и материалы

Весы с разновесами, измерительный цилиндр (мензурка), пробирка-поплавок с пробкой, сухой песок, фильтровальная бумага или сухая салфетка.

Ход работы

Для выполнения лабораторной работы проведем три опыта с пробиркой, постепенно добавляя в нее песок. Запишем результаты измерений и вычислений в таблицу.

Опыт 1 (пробирка плавает, рис. 1)

Насыпем в пробирку небольшое количество песка, чтобы она плавала, частично погрузившись в воду.

Дано:

Начальный объем воды в мензурке $V_1 = 150$ мл.
Конечный объем воды после погружения пробирки $V_2 = 175$ мл.
Масса пробирки с песком $m_1 = 25$ г.
Плотность воды $\rho_{воды} = 1000$ кг/м³.
Ускорение свободного падения $g \approx 9,8$ Н/кг.

Перевод в систему СИ:
$V_1 = 150 \cdot 10^{-6}$ м³
$V_2 = 175 \cdot 10^{-6}$ м³
$m_1 = 0,025$ кг

Найти:

Объем вытесненной воды $\text{V}$, выталкивающую силу $\text{F}$, силу тяжести $F_т$.

Решение:

1. Найдем объем вытесненной воды (объем погруженной части пробирки):
$V = V_2 - V_1 = 175$ мл - $150$ мл $= 25$ мл $= 25 \cdot 10^{-6}$ м³.

2. Рассчитаем выталкивающую силу (силу Архимеда), действующую на пробирку. Она равна весу вытесненной воды:
$F = P_{воды} = \rho_{воды} \cdot g \cdot V = 1000 \frac{кг}{м^3} \cdot 9,8 \frac{Н}{кг} \cdot 25 \cdot 10^{-6} м^3 = 0,245$ Н.

3. Рассчитаем силу тяжести, действующую на пробирку с песком:
$F_т = m_1 \cdot g = 0,025$ кг $\cdot 9,8 \frac{Н}{кг} = 0,245$ Н.

В этом опыте $F = F_т$, пробирка плавает.

Опыт 2 (пробирка плавает, полностью погрузившись, рис. 2)

Добавим еще песка в пробирку так, чтобы она глубже погрузилась в воду, но еще не утонула.

Дано:

Начальный объем воды в мензурке $V_1 = 150$ мл.
Конечный объем воды после погружения пробирки $V_2 = 185$ мл.
Масса пробирки с песком $m_2 = 35$ г.

Перевод в систему СИ:
$V_1 = 150 \cdot 10^{-6}$ м³
$V_2 = 185 \cdot 10^{-6}$ м³
$m_2 = 0,035$ кг

Найти:

Объем вытесненной воды $\text{V}$, выталкивающую силу $\text{F}$, силу тяжести $F_т$.

Решение:

1. Найдем объем вытесненной воды:
$V = V_2 - V_1 = 185$ мл - $150$ мл $= 35$ мл $= 35 \cdot 10^{-6}$ м³.

2. Рассчитаем выталкивающую силу:
$F = \rho_{воды} \cdot g \cdot V = 1000 \frac{кг}{м^3} \cdot 9,8 \frac{Н}{кг} \cdot 35 \cdot 10^{-6} м^3 = 0,343$ Н.

3. Рассчитаем силу тяжести:
$F_т = m_2 \cdot g = 0,035$ кг $\cdot 9,8 \frac{Н}{кг} = 0,343$ Н.

В этом опыте $F = F_т$, пробирка плавает, находясь в равновесии внутри жидкости (полностью погружена).

Опыт 3 (пробирка тонет, рис. 3)

Добавим еще песка так, чтобы пробирка утонула.

Дано:

Когда пробирка утонула, она вытесняет объем воды, равный ее полному объему. Из предыдущего опыта мы знаем, что полный объем пробирки (когда она была погружена полностью) равен $V = 35$ мл.
Масса пробирки с песком стала $m_3 = 40$ г.

Перевод в систему СИ:
$V = 35 \cdot 10^{-6}$ м³
$m_3 = 0,040$ кг

Найти:

Выталкивающую силу $\text{F}$, силу тяжести $F_т$.

Решение:

1. Объем вытесненной воды равен полному объему пробирки: $V = 35$ мл $= 35 \cdot 10^{-6}$ м³.

2. Выталкивающая сила достигла своего максимального значения и больше не меняется, так как объем погруженной части максимален:
$F = \rho_{воды} \cdot g \cdot V = 1000 \frac{кг}{м^3} \cdot 9,8 \frac{Н}{кг} \cdot 35 \cdot 10^{-6} м^3 = 0,343$ Н.

3. Рассчитаем новую силу тяжести:
$F_т = m_3 \cdot g = 0,040$ кг $\cdot 9,8 \frac{Н}{кг} = 0,392$ Н.

В этом опыте $F_т > F$, пробирка тонет.

Результаты измерений и вычислений

№ опыта	V		F = Pв, Н	m		Fт = P, Н	Поведение пробирки в воде
	мл	м3		г	кг
1	25	25·10-6	0,245	25	0,025	0,245	Плавает
2	35	35·10-6	0,343	35	0,035	0,343	Плавает, полностью погрузившись
3	35	35·10-6	0,343	40	0,040	0,392	Тонет

Вывод:

На основе проведенных опытов можно сформулировать условия плавания тел в жидкости. На погруженное в жидкость тело действуют две силы: направленная вертикально вниз сила тяжести ($F_т$) и направленная вертикально вверх выталкивающая сила (сила Архимеда, $F_A$). Поведение тела зависит от соотношения модулей этих сил:

1. Если сила тяжести равна силе Архимеда ($F_т = F_A$), тело плавает в жидкости. Оно может быть частично или полностью погружено в нее.

2. Если сила тяжести больше силы Архимеда ($F_т > F_A$), тело тонет.

3. Если сила тяжести меньше силы Архимеда ($F_т < F_A$), тело всплывает до тех пор, пока сила Архимеда не станет равной силе тяжести.

Условия плавания тел можно также выразить через сравнение средних плотностей тела ($\rho_т$) и жидкости ($\rho_ж$):

• Если $\rho_т < \rho_ж$, тело плавает на поверхности.
• Если $\rho_т = \rho_ж$, тело плавает внутри жидкости на любой глубине.
• Если $\rho_т > \rho_ж$, тело тонет.

Ответ: Тело плавает в жидкости, если действующая на него сила тяжести равна выталкивающей силе ($F_т = F_A$), и тонет, если сила тяжести больше выталкивающей силы ($F_т > F_A$).