Дополнительное задание, страница 45 - гдз по физике 7 класс тетрадь для лабораторных работ Филонович, Петрова

ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ

Изготовление ареометра

На практике для измерения плотностей жидкостей часто используют прибор — ареометр, принцип действия которого основан на законе Архимеда. Простейший ареометр можно изготовить самостоятельно.

1. В вашем распоряжении есть пробирка, пробка для неё, песок, не смываемый водой фломастер, сосуд с водой, весы. Предложите способ создать и проградуировать ареометр, используя данное оборудование.

2. Изготовьте ареометр для измерения плотностей жидкостей в пределах от 800 до 1200 $\frac{\text{кг}}{\text{м}^3}$. Предложите форму таблицы для градуировки вашего ареометра и заполните её.

3. Используя ваш прибор, измерьте плотность соляного раствора.

Где в повседневной жизни приходится применять условия плавания тел?

САМООЦЕНКА _________

1. В вашем распоряжении есть пробирка, пробка для неё, песок, не смываемый водой фломастер, сосуд с водой, весы. Предложите способ создать и проградуировать ареометр, используя данное оборудование.

Для создания и градуировки ареометра необходимо выполнить следующие шаги:

Создание прибора:

1. Взять пробирку и насыпать в нее небольшое количество песка. Песок играет роль балласта, который смещает центр тяжести вниз и заставляет пробирку плавать в вертикальном положении, не переворачиваясь.

2. Плотно закрыть пробирку пробкой, чтобы внутрь не попала вода.

3. Опустить получившийся прибор в сосуд с водой. Необходимо подобрать такое количество песка, чтобы пробирка плавала, погрузившись в воду примерно на 2/3 своей высоты, и не касалась дна сосуда.

4. После подбора нужного количества балласта, можно взвесить получившийся ареометр на весах. Его масса $\text{m}$ будет постоянной.

Принцип действия и градуировка:

Принцип действия ареометра основан на законе Архимеда. Когда ареометр плавает в жидкости, сила тяжести $F_g$, действующая на него, уравновешивается выталкивающей силой Архимеда $F_A$.

$F_g = F_A$

$mg = \rho_ж g V_{погр}$

где $\text{m}$ – масса ареометра, $\text{g}$ – ускорение свободного падения, $\rho_ж$ – плотность жидкости, $V_{погр}$ – объем погруженной части ареометра.

Из формулы видно, что $m = \rho_ж V_{погр}$. Поскольку масса ареометра $\text{m}$ постоянна, то произведение плотности жидкости на объем погруженной части является константой. Это означает, что в более плотной жидкости ареометр будет погружаться на меньшую глубину ( $V_{погр}$ уменьшится), а в менее плотной – на большую ( $V_{погр}$ увеличится).

Процесс градуировки:

1. Налить в высокий сосуд чистую дистиллированную или водопроводную воду, плотность которой известна и составляет примерно $\rho_{воды} = 1000 \, \text{кг/м}^3$.

2. Опустить ареометр в воду и дождаться, пока он перестанет колебаться.

3. Несмываемым фломастером нанести на стенку пробирки метку на уровне поверхности воды. Подписать эту метку значением "1000".

4. Для нанесения других отметок (например, 800, 900, 1100, 1200 кг/м³) необходимы жидкости с соответствующими известными плотностями. Их можно приготовить, например, растворяя в воде известное количество соли (для плотностей > 1000 кг/м³) или спирта (для плотностей < 1000 кг/м³) и определяя плотность по таблицам. Поочередно опуская ареометр в эти эталонные растворы, наносят соответствующие метки. Метка "1200" будет выше метки "1000", а метка "800" – ниже.

Ответ: Необходимо насыпать в пробирку песок для балласта, закрыть пробкой и, опустив в воду, отметить на ней фломастером уровень, соответствующий плотности воды ($1000 \, \text{кг/м}^3$). Для других отметок нужно использовать жидкости с известной плотностью (например, солевые растворы), погружать в них ареометр и наносить соответствующие метки.

2. Изготовьте ареометр для измерения плотностей жидкостей в пределах от 800 до 1200 кг/м³. Предложите форму таблицы для градуировки вашего ареометра и заполните её.

Для градуировки ареометра используется таблица, в которой сопоставляется плотность эталонной жидкости и глубина погружения ареометра. Поскольку в реальном эксперименте глубина зависит от массы и геометрии конкретной пробирки, заполним таблицу гипотетическими, но физически корректными данными. Предположим, что при погружении в воду ($\rho = 1000 \, \text{кг/м}^3$) ареометр погрузился на 100 мм. Глубина погружения $\text{h}$ обратно пропорциональна плотности $\rho$ ($h \propto 1/\rho$).

Форма таблицы для градуировки:

Ответ: Предложена форма таблицы для градуировки, которая связывает плотность эталонной жидкости с глубиной погружения ареометра. Таблица заполнена расчетными данными, демонстрирующими, что с увеличением плотности жидкости глубина погружения ареометра уменьшается.

3. Используя ваш прибор, измерьте плотность соляного раствора.

Дано:

Самодельный ареометр, проградуированный в диапазоне 800-1200 кг/м³.
Соляной раствор неизвестной плотности.

Найти:

Плотность соляного раствора $\rho_{р-ра}$.

Решение:

1. Налить исследуемый соляной раствор в высокий и достаточно широкий сосуд, чтобы ареометр мог свободно плавать, не касаясь стенок и дна.

2. Аккуратно и медленно опустить сухой проградуированный ареометр в сосуд с раствором.

3. Дождаться, пока ареометр придет в состояние равновесия (перестанет качаться и тонуть/всплывать).

4. Снять показания. Для этого нужно определить, какая из нанесенных на шкалу ареометра меток совпадает с уровнем поверхности жидкости. Глаза наблюдателя должны находиться на одном уровне с поверхностью жидкости для избежания ошибки параллакса.

5. Если уровень жидкости оказывается между двумя метками, значение плотности можно оценить интерполяцией. Например, если уровень находится точно посередине между метками "1100" и "1200", то измеряемая плотность составляет примерно $1150 \, \text{кг/м}^3$.

Пример результата измерения: Допустим, после погружения ареометра в соляной раствор уровень жидкости установился на отметке, которую мы проградуировали как $1080 \, \text{кг/м}^3$.

Ответ: Для измерения плотности соляного раствора нужно опустить в него проградуированный ареометр и считать показание плотности со шкалы на уровне поверхности жидкости. Гипотетическое измеренное значение: $\rho_{р-ра} = 1080 \, \text{кг/м}^3$.

Где в повседневной жизни приходится применять условия плавания тел?

Условия плавания тел (соотношение между силой тяжести и силой Архимеда) имеют широкое применение в повседневной жизни, науке и технике:

1. Транспорт: Все водные суда, от лодок до огромных танкеров и авианосцев, проектируются так, чтобы выталкивающая сила была достаточной для поддержания их на плаву вместе с грузом. Подводные лодки используют балластные цистерны для изменения своей средней плотности, что позволяет им погружаться, всплывать и "зависать" на определенной глубине.

2. Воздухоплавание: Воздушные шары и дирижабли плавают в атмосфере, так как их средняя плотность (включая оболочку и горячий воздух или легкий газ внутри) меньше плотности окружающего воздуха.

3. Безопасность на воде: Спасательные жилеты и круги имеют большую плавучесть (малую плотность), чтобы удерживать человека на поверхности воды.

4. Бытовые ситуации: Проверка свежести куриных яиц — свежее яйцо тонет в воде, а несвежее, в котором образовались газы, всплывает. При консервировании, плавающие на поверхности овощи и фрукты могут указывать на неполную заливку рассолом.

5. Промышленность и контроль качества: Ареометры (приборы, основанные на условиях плавания) используются для измерения плотности жидкостей: электролита в автомобильных аккумуляторах, жирности молока, содержания спирта в напитках, концентрации сахара в сиропах.

6. Природа: Многие животные и растения приспособлены к плаванию. Рыбы используют плавательный пузырь для регулировки глубины погружения. Человек может плавать, управляя вдохами и положением тела.

Ответ: Условия плавания тел применяются в судоходстве (корабли, подводные лодки), воздухоплавании (воздушные шары), для обеспечения безопасности (спасательные жилеты), в быту (проверка свежести яиц), в промышленности (использование ареометров), а также лежат в основе плавания живых организмов.