Лабораторная работа № 9, страница 84, 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 84.

Условие.

Лабораторная работа № 9

Измерение выталкивающей силы, действующей на погружённое в жидкость тело

Цель работы

Измерить на опыте выталкивающую силу, действующую на погружённое в жидкость тело; исследовать, от каких величин зависит выталкивающая сила.

Оборудование и материалы

Динамометр, штатив с муфтой и лапкой, стаканы с водой и насыщенным раствором соли в воде; тела одинакового объёма, но разной плотности; тела разного объёма, изготовленные из одного материала.

Ход работы

• Укрепите динамометр на штативе и подвесьте к нему одно из тел. Определите вес тела $\text{P}$ в воздухе.

• Подставьте стакан с водой и опускайте муфту с лапкой и динамометром, пока всё тело не окажется под водой. Определите вес тела $P_1$ в воде.

• Вычислите выталкивающую силу, действующую на тело: $F = P - P_1$.

• Вместо чистой воды возьмите насыщенный раствор соли и определите выталкивающую силу, действующую на это же тело.

• Результаты измерений и вычислений запишите в таблицу в своей тетради. Сделайте вывод.

Тело/Жидкость	$\text{P}$, Н	$P_1$, Н	$\text{F}$, Н

• Определите указанным способом выталкивающую силу, действующую на тела одинакового объёма, но разной плотности при их полном погружении в воду.

• Определите указанным способом выталкивающую силу, действующую на тела разного объёма, но изготовленные из одного материала при их полном погружении в воду.

• Результаты измерений и вычислений запишите в таблицу в своей тетради. Сделайте выводы.

Решение.

Цель работы: измерить на опыте выталкивающую силу, действующую на погруженное в жидкость тело; исследовать, от каких величин зависит выталкивающая сила.

Результаты измерений и вычислений

Проведем измерения, используя показания динамометров на рисунке, и выполним расчеты, следуя ходу работы.

1. Определяем вес тела (болта) в воздухе. Судя по левому динамометру, вес тела в воздухе составляет $P = 3.6$ Н.

2. Определяем вес тела в воде. Правый динамометр показывает вес тела, погруженного в воду: $P_1 = 3.1$ Н.

3. Вычисляем выталкивающую силу, действующую на тело в воде, по формуле $F = P - P_1$.

$F_{воды} = 3.6 \text{ Н} - 3.1 \text{ Н} = 0.5 \text{ Н}$.

4. Проведем мысленный эксперимент для насыщенного раствора соли. Плотность насыщенного раствора соли ($ \rho_{соли} \approx 1200 $ кг/м³) больше плотности воды ($ \rho_{воды} \approx 1000 $ кг/м³). Выталкивающая сила (сила Архимеда) прямо пропорциональна плотности жидкости: $F_A = \rho_{ж} g V_{т}$. Так как объем тела $V_т$ и ускорение свободного падения $\text{g}$ не меняются, выталкивающая сила в растворе соли будет больше.

Рассчитаем ее. Сначала найдем объем тела из данных для воды:

$V_т = \frac{F_{воды}}{\rho_{воды}g} = \frac{0.5 \text{ Н}}{1000 \text{ кг/м}^3 \cdot 9.8 \text{ Н/кг}} \approx 0.000051 \text{ м}^3$.

Теперь найдем выталкивающую силу в растворе соли:

$F_{соли} = \rho_{соли} g V_т = 1200 \text{ кг/м}^3 \cdot 9.8 \text{ Н/кг} \cdot 0.000051 \text{ м}^3 \approx 0.6 \text{ Н}$.

Вес тела в растворе соли будет:

$P_2 = P - F_{соли} = 3.6 \text{ Н} - 0.6 \text{ Н} = 3.0 \text{ Н}$.

5. Занесем результаты в таблицу:

Тело/Жидкость	$\text{P}$, Н	$P_1$, Н	$\text{F}$, Н
Болт в воде	3.6	3.1	0.5
Болт в растворе соли	3.6	3.0	0.6

Ответ: Выталкивающая сила, действующая на одно и то же тело, зависит от плотности жидкости, в которую оно погружено. Чем больше плотность жидкости, тем больше выталкивающая сила.

Определите указанным способом выталкивающую силу, действующую на тела одинакового объёма, но разной плотности при их полном погружении в воду.

Проведем исследование с двумя телами одинакового объема, но из разных материалов (например, алюминий и сталь), погружая их в воду.

Дано:

Тело 1 (алюминий), Тело 2 (сталь)

$V_1 = V_2 = V = 50 \text{ см}^3$

$\rho_1 = \rho_{ал} = 2700 \text{ кг/м}^3$

$\rho_2 = \rho_{ст} = 7800 \text{ кг/м}^3$

Жидкость - вода, $\rho_{ж} = 1000 \text{ кг/м}^3$

$g \approx 9.8 \text{ Н/кг}$

$V = 50 \cdot 10^{-6} \text{ м}^3$

Найти:

$F_{A1}$, $F_{A2}$

Решение:

1. Найдем вес тел в воздухе: $P = mg = \rho V g$.

$P_{ал} = 2700 \frac{\text{кг}}{\text{м}^3} \cdot 50 \cdot 10^{-6} \text{ м}^3 \cdot 9.8 \frac{\text{Н}}{\text{кг}} = 1.323 \text{ Н}$.

$P_{ст} = 7800 \frac{\text{кг}}{\text{м}^3} \cdot 50 \cdot 10^{-6} \text{ м}^3 \cdot 9.8 \frac{\text{Н}}{\text{кг}} = 3.822 \text{ Н}$.

2. Найдем выталкивающую силу для каждого тела в воде. Так как объемы тел и плотность жидкости одинаковы, выталкивающие силы должны быть равны: $F_A = \rho_ж g V$.

$F_{A1} = F_{A2} = 1000 \frac{\text{кг}}{\text{м}^3} \cdot 50 \cdot 10^{-6} \text{ м}^3 \cdot 9.8 \frac{\text{Н}}{\text{кг}} = 0.49 \text{ Н}$.

3. Найдем вес тел в воде: $P_1 = P - F_A$.

$P_{1,ал} = 1.323 \text{ Н} - 0.49 \text{ Н} = 0.833 \text{ Н}$.

$P_{1,ст} = 3.822 \text{ Н} - 0.49 \text{ Н} = 3.332 \text{ Н}$.

Занесем результаты в таблицу:

Тело/Жидкость	$\text{P}$, Н	$P_1$, Н	$\text{F}$, Н
Алюминиевое тело в воде	1.323	0.833	0.49
Стальное тело в воде	3.822	3.332	0.49

Ответ: Выталкивающая сила, действующая на полностью погруженные в жидкость тела, не зависит от плотности (материала) этих тел, если их объемы одинаковы. Она определяется только объемом тела и плотностью жидкости.

Определите указанным способом выталкивающую силу, действующую на тела разного объёма, но изготовленные из одного материала при их полном погружении в воду.

Проведем исследование с двумя телами из одного материала (например, сталь), но разного объема, погружая их в воду.

Дано:

Тело 1 (сталь), Тело 2 (сталь)

$\rho_1 = \rho_2 = \rho_{ст} = 7800 \text{ кг/м}^3$

$V_1 = 50 \text{ см}^3$

$V_2 = 100 \text{ см}^3$

Жидкость - вода, $\rho_{ж} = 1000 \text{ кг/м}^3$

$g \approx 9.8 \text{ Н/кг}$

$V_1 = 50 \cdot 10^{-6} \text{ м}^3$

$V_2 = 100 \cdot 10^{-6} \text{ м}^3$

Найти:

$F_{A1}$, $F_{A2}$

Решение:

1. Найдем вес тел в воздухе: $P = \rho V g$.

$P_1 = 7800 \frac{\text{кг}}{\text{м}^3} \cdot 50 \cdot 10^{-6} \text{ м}^3 \cdot 9.8 \frac{\text{Н}}{\text{кг}} = 3.822 \text{ Н}$.

$P_2 = 7800 \frac{\text{кг}}{\text{м}^3} \cdot 100 \cdot 10^{-6} \text{ м}^3 \cdot 9.8 \frac{\text{Н}}{\text{кг}} = 7.644 \text{ Н}$.

2. Найдем выталкивающую силу для каждого тела в воде: $F_A = \rho_ж g V$.

$F_{A1} = 1000 \frac{\text{кг}}{\text{м}^3} \cdot 50 \cdot 10^{-6} \text{ м}^3 \cdot 9.8 \frac{\text{Н}}{\text{кг}} = 0.49 \text{ Н}$.

$F_{A2} = 1000 \frac{\text{кг}}{\text{м}^3} \cdot 100 \cdot 10^{-6} \text{ м}^3 \cdot 9.8 \frac{\text{Н}}{\text{кг}} = 0.98 \text{ Н}$.

3. Найдем вес тел в воде: $P_1 = P - F_A$.

$P'_{1} = 3.822 \text{ Н} - 0.49 \text{ Н} = 3.332 \text{ Н}$.

$P'_{2} = 7.644 \text{ Н} - 0.98 \text{ Н} = 6.664 \text{ Н}$.

Занесем результаты в таблицу:

Тело/Жидкость	$\text{P}$, Н	$P_1$, Н	$\text{F}$, Н
Стальное тело ($V_1$) в воде	3.822	3.332	0.49
Стальное тело ($V_2$) в воде	7.644	6.664	0.98

Ответ: Выталкивающая сила, действующая на полностью погруженные в жидкость тела, прямо пропорциональна их объему. Чем больше объем тела, тем больше действующая на него выталкивающая сила.

Общий вывод

В ходе выполнения лабораторной работы была экспериментально измерена выталкивающая сила и исследована ее зависимость от различных факторов. На основе проведенных измерений и расчетов можно сделать следующие выводы:

1. Выталкивающая сила (сила Архимеда) зависит от плотности жидкости, в которую погружено тело. С увеличением плотности жидкости выталкивающая сила возрастает.

2. Выталкивающая сила зависит от объема погруженной части тела. При полном погружении, чем больше объем тела, тем больше выталкивающая сила.

3. Выталкивающая сила не зависит от плотности (материала) и веса самого тела.

Таким образом, выводы полностью подтверждают закон Архимеда, согласно которому выталкивающая сила, действующая на погруженное в жидкость (или газ) тело, равна весу жидкости в объеме, вытесненном телом: $F_A = \rho_{жидкости} \cdot g \cdot V_{тела}$.