Дополнительное задание, страница 40 - гдз по физике 7 класс тетрадь для лабораторных работ Филонович, Петрова

ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ

Исследование зависимости выталкивающей силы от массы и плотности тела

Используя цилиндры одинакового объёма, изготовленные из разных веществ, исследуйте зависимость выталкивающей силы от массы и плотности тела. Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу 11.

Таблица 11

Сделайте вывод ________

Где в повседневной жизни можно столкнуться с проявлением силы Архимеда?

САМООЦЕНКА _______

Для выполнения данного задания теоретически проведем эксперимент. Возьмем два сплошных цилиндра одинакового объема, но изготовленных из разных материалов — алюминия (тело $m_1$) и стали (тело $m_2$). Это означает, что их массы и плотности будут различны. В ходе эксперимента мы измерим их вес в воздухе и в двух разных жидкостях (воде и насыщенном растворе соли), а затем вычислим выталкивающую силу, чтобы исследовать ее зависимость от массы и плотности тела.

Дано:

Параметры тел (цилиндр 1 - алюминий, цилиндр 2 - сталь):
Объем цилиндров, $V = 100 \text{ см}^3$
Плотность алюминия, $\rho_1 = 2700 \text{ кг/м}^3$
Плотность стали, $\rho_2 = 7800 \text{ кг/м}^3$
Параметры жидкостей:
Плотность воды, $\rho_в = 1000 \text{ кг/м}^3$
Плотность насыщенного раствора соли, $\rho_{р-р} \approx 1200 \text{ кг/м}^3$
Константы:
Ускорение свободного падения, $g \approx 10 \text{ Н/кг}$

Перевод в систему СИ:

$V = 100 \text{ см}^3 = 100 \cdot (10^{-2} \text{ м})^3 = 100 \cdot 10^{-6} \text{ м}^3 = 10^{-4} \text{ м}^3$

Найти:

1. Вес тел в воздухе: $P_{m_1}, P_{m_2}$
2. Выталкивающую силу в воде и растворе: $F_{в1}, F_{в2}, F_{р-р1}, F_{р-р2}$
3. Вес тел в воде и растворе: $P_{1m_1(в)}, P_{1m_2(в)}, P_{1m_1(р-р)}, P_{1m_2(р-р)}$

Решение:

1. Найдем массы тел и их вес в воздухе. Вес вычисляется по формуле $P = mg$, а масса $m = \rho V$.
Масса алюминиевого цилиндра: $m_1 = \rho_1 V = 2700 \text{ кг/м}^3 \cdot 10^{-4} \text{ м}^3 = 0.27 \text{ кг}$.
Вес алюминиевого цилиндра в воздухе: $P_{m_1} = m_1 g = 0.27 \text{ кг} \cdot 10 \text{ Н/кг} = 2.7 \text{ Н}$.
Масса стального цилиндра: $m_2 = \rho_2 V = 7800 \text{ кг/м}^3 \cdot 10^{-4} \text{ м}^3 = 0.78 \text{ кг}$.
Вес стального цилиндра в воздухе: $P_{m_2} = m_2 g = 0.78 \text{ кг} \cdot 10 \text{ Н/кг} = 7.8 \text{ Н}$.

2. Рассчитаем выталкивающую силу (силу Архимеда), действующую на полностью погруженные цилиндры. Формула силы Архимеда: $F_A = \rho_ж g V_{погр}$. Так как цилиндры погружены полностью, $V_{погр} = V$.
В воде:
$F_{А(в)} = \rho_в g V = 1000 \text{ кг/м}^3 \cdot 10 \text{ Н/кг} \cdot 10^{-4} \text{ м}^3 = 1.0 \text{ Н}$.
Эта сила одинакова для обоих тел, так как их объемы равны: $F_{m_1} = F_{m_2} = 1.0 \text{ Н}$.
В растворе соли:
$F_{А(р-р)} = \rho_{р-р} g V = 1200 \text{ кг/м}^3 \cdot 10 \text{ Н/кг} \cdot 10^{-4} \text{ м}^3 = 1.2 \text{ Н}$.
Эта сила также одинакова для обоих тел: $F_{m_1} = F_{m_2} = 1.2 \text{ Н}$.

3. Найдем вес тел в жидкости. Он равен разности веса в воздухе и выталкивающей силы: $P_1 = P - F_A$.
В воде:
Вес тела 1: $P_{1m_1} = P_{m_1} - F_{А(в)} = 2.7 \text{ Н} - 1.0 \text{ Н} = 1.7 \text{ Н}$.
Вес тела 2: $P_{1m_2} = P_{m_2} - F_{А(в)} = 7.8 \text{ Н} - 1.0 \text{ Н} = 6.8 \text{ Н}$.
В растворе соли:
Вес тела 1: $P_{1m_1} = P_{m_1} - F_{А(р-р)} = 2.7 \text{ Н} - 1.2 \text{ Н} = 1.5 \text{ Н}$.
Вес тела 2: $P_{1m_2} = P_{m_2} - F_{А(р-р)} = 7.8 \text{ Н} - 1.2 \text{ Н} = 6.6 \text{ Н}$.

Заполним таблицу 11 на основе полученных данных (погрешности измерений $\Delta P$ и $\Delta F$ условно принимаем равными нулю).

Сделайте вывод

В ходе проведенного теоретического эксперимента было установлено, что выталкивающая сила (сила Архимеда), действующая на полностью погруженное в жидкость тело, не зависит от массы и плотности самого тела. В каждой из жидкостей (воде и солевом растворе) выталкивающая сила была одинакова для обоих цилиндров, несмотря на то, что их массы и плотности (а следовательно, и вес в воздухе) были разными. Например, в воде на оба тела действовала сила 1.0 Н. При этом выталкивающая сила зависит от плотности жидкости: в более плотном солевом растворе (1.2 Н) она больше, чем в воде (1.0 Н).

Ответ: Выталкивающая сила, действующая на тело, погруженное в жидкость, не зависит от массы и плотности этого тела, но зависит от объема погруженной части тела и плотности жидкости.

Где в повседневной жизни можно столкнуться с проявлением силы Архимеда?

Сила Архимеда проявляется повсеместно в нашей жизни. Вот несколько примеров:
1. Плавание людей и животных: человек может держаться на поверхности воды, так как выталкивающая сила уравновешивает его вес.
2. Судоходство: корабли и лодки, даже сделанные из тяжелых материалов, таких как сталь, плавают благодаря тому, что их форма позволяет вытеснять большой объем воды, создавая достаточную выталкивающую силу.
3. Воздухоплавание: воздушные шары и дирижабли поднимаются в воздух, потому что выталкивающая сила со стороны окружающего воздуха (который плотнее, чем горячий воздух или гелий внутри оболочки) превышает их вес.
4. Работа подводных лодок: они могут погружаться и всплывать, изменяя свою среднюю плотность путем заполнения или опустошения балластных цистерн водой, тем самым управляя соотношением своего веса и выталкивающей силы.
5. Использование ареометров: приборов для измерения плотности жидкостей, принцип действия которых основан на том, что в разных по плотности жидкостях они погружаются на разную глубину.
6. Плавание айсбергов: огромные ледяные глыбы плавают в океане, причем большая их часть скрыта под водой, что также является проявлением действия силы Архимеда.

Ответ: Проявления силы Архимеда встречаются в судоходстве, воздухоплавании, плавании живых существ, работе подводных лодок и измерительных приборов (ареометров).

САМООЦЕНКА

Задание было направлено на проверку понимания закона Архимеда и факторов, от которых зависит выталкивающая сила. В ходе его выполнения были проведены необходимые расчеты, заполнена таблица и сформулированы выводы, соответствующие теоретическим положениям. Цель задания достигнута, материал усвоен.

Ответ: Задание выполнено, цель достигнута.