Ход работы, страница 71 - гдз по физике 7 класс тетрадь для лабораторных работ Генденштейн, Булатова

Лабораторная работа № 9. Изучение выталкивающей силы (силы Архимеда) - страница 71.

Условие.

Ход работы

1. Установление соотношения между силой Архимеда и весом вытесненной телом жидкости.

• Измерьте силу Архимеда, действующую на металлический цилиндр, полностью погружённый в воду. Запишите результат с указанием погрешности в таблицу.

$P_{\text{до погр}}, \text{Н}$	$P_{\text{после погр}}, \text{Н}$	$F_A, \text{Н}$	$V_1, \text{м}^3$	$V_2, \text{м}^3$	$V, \text{м}^3$	$P_ж, \text{Н}$

• Определите, насколько повысился уровень воды в измерительном цилиндре после полного погружения в него металлического цилиндра. Запишите результат с указанием погрешности в таблицу.

• Используя результаты измерений, найдите вес $P_ж$ вытесненной цилиндром воды и сравните его с силой Архимеда (с учётом погрешностей измерений). Запишите вывод.

2. Исследование зависимости силы Архимеда от объёма погружённой части тела.

• Подвесьте любой из цилиндров на нити к динамометру и постепенно опускайте его в воду до полного погружения, следя при этом за показанием динамометра. Запишите вывод.

3. Исследование зависимости силы Архимеда от глубины погружения тела в жидкость (для полностью погружённого тела).

• Погрузите цилиндр на нити полностью в воду. Увеличивая глубину погружения, следите за показаниями динамометра. Запишите вывод.

4. Исследование зависимости силы Архимеда от массы тела и плотности вещества, из которого оно изготовлено.

• Измерьте объёмы и массы двух металлических цилиндров и запишите результаты измерений с указанием погрешности.

• Сравните значения выталкивающей силы, действующей на каждый из цилиндров при их полном погружении в воду (с учётом погрешностей измерения). Запишите вывод.

5. Исследование зависимости силы Архимеда от формы тела при неизменном его объёме.

• Измерьте силу Архимеда, действующую на полностью погружённый в воду кусок пластилина. Запишите результат с указанием погрешности.

• Повторите измерение, изменив форму того же куска пластилина.

• Сравните значения силы Архимеда в предыдущих двух опытах и запишите вывод, который вы сделали по результатам сравнения (с учётом погрешностей измерения). Запишите вывод.

6. Исследование зависимости силы Архимеда от плотности жидкости.

• Сравните значения силы Архимеда, действующей на металлический цилиндр при его полном погружении в воду и в насыщенный раствор поваренной соли. Запишите вывод (с учётом того, что плотность раствора соли больше плотности воды).

7. Вывод:

Решение.

1. Установление соотношения между силой Архимеда и весом вытесненной телом жидкости.

Для выполнения этого задания необходимо провести измерения с помощью динамометра и измерительного цилиндра (мензурки). Сначала измеряется вес металлического цилиндра в воздухе ($P_{до\ погр}$), а затем его вес при полном погружении в воду ($P_{после\ погр}$). Сила Архимеда ($F_A$) вычисляется как разность этих весов.

Далее измеряется объем вытесненной жидкости. В мензурку наливается вода до начального уровня ($V_1$), затем в нее полностью погружается цилиндр, и отмечается новый уровень воды ($V_2$). Объем вытесненной воды (равный объему цилиндра) равен $V = V_2 - V_1$.

Наконец, вычисляется вес вытесненной жидкости ($P_ж$) по формуле $P_ж = \rho_ж \cdot g \cdot V$, где $\rho_ж$ — плотность воды, а $\text{g}$ — ускорение свободного падения. Полученные значения $F_A$ и $P_ж$ сравниваются.

Пример выполнения с гипотетическими данными:

Дано:

Вес цилиндра в воздухе, $P_{до\ погр} = 1.5 \text{ Н}$

Вес цилиндра в воде, $P_{после\ погр} = 0.9 \text{ Н}$

Начальный объем воды в мензурке, $V_1 = 100 \text{ мл}$

Конечный объем воды в мензурке, $V_2 = 160 \text{ мл}$

Плотность воды, $\rho_ж = 1000 \text{ кг/м}^3$

Ускорение свободного падения, $g \approx 9.8 \text{ Н/кг}$

Перевод в систему СИ:

$V_1 = 100 \text{ мл} = 100 \text{ см}^3 = 100 \cdot 10^{-6} \text{ м}^3 = 1 \cdot 10^{-4} \text{ м}^3$

$V_2 = 160 \text{ мл} = 160 \text{ см}^3 = 160 \cdot 10^{-6} \text{ м}^3 = 1.6 \cdot 10^{-4} \text{ м}^3$

Найти:

$F_A$, $P_ж$. Сравнить $F_A$ и $P_ж$.

Решение:

1. Найдем силу Архимеда по показаниям динамометра:

$F_A = P_{до\ погр} - P_{после\ погр} = 1.5 \text{ Н} - 0.9 \text{ Н} = 0.6 \text{ Н}$

2. Найдем объем вытесненной воды (объем цилиндра):

$V = V_2 - V_1 = 1.6 \cdot 10^{-4} \text{ м}^3 - 1 \cdot 10^{-4} \text{ м}^3 = 0.6 \cdot 10^{-4} \text{ м}^3$

3. Найдем вес вытесненной воды:

$P_ж = \rho_ж \cdot g \cdot V = 1000 \frac{\text{кг}}{\text{м}^3} \cdot 9.8 \frac{\text{Н}}{\text{кг}} \cdot 0.6 \cdot 10^{-4} \text{ м}^3 = 0.588 \text{ Н}$

4. Сравним полученные значения:

$F_A = 0.6 \text{ Н}$

$P_ж = 0.588 \text{ Н}$

Значения $F_A$ и $P_ж$ практически равны, учитывая погрешности измерений.

Ответ: Сила Архимеда, действующая на полностью погруженное в жидкость тело, равна весу жидкости в объеме этого тела. $F_A \approx P_ж$.

2. Исследование зависимости силы Архимеда от объёма погружённой части тела.

В ходе эксперимента цилиндр, подвешенный к динамометру, постепенно опускают в воду. По мере увеличения объема погруженной части тела ($V_{погр}$) показания динамометра уменьшаются. Так как сила Архимеда вычисляется по формуле $F_A = P_{воздух} - P_{жидкость}$, уменьшение показаний динамометра ($P_{жидкость}$) означает увеличение выталкивающей силы $F_A$. Максимальное значение сила Архимеда достигает при полном погружении тела, после чего перестает изменяться. Таким образом, можно сделать вывод о прямой пропорциональной зависимости между силой Архимеда и объемом погруженной части тела.

Ответ: Сила Архимеда прямо пропорциональна объему погруженной в жидкость части тела ($F_A \propto V_{погр}$). Чем больше объем погруженной части, тем больше выталкивающая сила.

3. Исследование зависимости силы Архимеда от глубины погружения тела в жидкость (для полностью погружённого тела).

Цилиндр на нити полностью погружают в воду. Затем, перемещая динамометр вверх и вниз, изменяют глубину погружения цилиндра, не вынимая его из воды. При этом наблюдают за показаниями динамометра. Опыт показывает, что показания динамометра не изменяются. Это означает, что выталкивающая сила (сила Архимеда) остается постоянной. Это происходит потому, что при изменении глубины объем погруженного тела и плотность жидкости не меняются.

Ответ: Для тела, полностью погруженного в жидкость, сила Архимеда не зависит от глубины его погружения.

4. Исследование зависимости силы Архимеда от массы тела и плотности вещества, из которого оно изготовлено.

Для эксперимента берут два цилиндра одинакового объема, но изготовленных из разных материалов (например, алюминиевый и стальной). Следовательно, их массы и плотности будут различны. Измеряют силу Архимеда для каждого цилиндра при полном погружении в воду. Опыт показывает, что выталкивающие силы, действующие на оба цилиндра, одинаковы (в пределах погрешности). Это объясняется тем, что сила Архимеда зависит от объема вытесненной жидкости (который равен объему тел) и плотности жидкости, а эти параметры в обоих случаях одинаковы.

Ответ: Сила Архимеда, действующая на тело, не зависит от массы тела и плотности вещества, из которого оно изготовлено, а зависит только от его объема (при условии погружения в одну и ту же жидкость).

5. Исследование зависимости силы Архимеда от формы тела при неизменном его объёме.

Берется кусок пластилина, и измеряется действующая на него сила Архимеда при полном погружении в воду. Затем этому же куску пластилина придают другую форму (например, из шара делают лепешку), не изменяя его массу и объем. Снова измеряют силу Архимеда. Результаты измерений показывают, что сила Архимеда в обоих случаях одинакова. Это доказывает, что выталкивающая сила зависит от объема тела, а не от его формы.

Ответ: Сила Архимеда не зависит от формы тела, если его объем остается неизменным.

6. Исследование зависимости силы Архимеда от плотности жидкости.

Сначала измеряют силу Архимеда, действующую на металлический цилиндр при полном погружении в пресную воду. Затем этот же цилиндр полностью погружают в насыщенный раствор поваренной соли, плотность которого больше плотности пресной воды, и снова измеряют силу Архимеда. Сравнение результатов показывает, что в соленой воде выталкивающая сила больше, чем в пресной. Это происходит потому, что сила Архимеда прямо пропорциональна плотности жидкости ($F_A = \rho_ж g V$).

Ответ: Сила Архимеда прямо пропорциональна плотности жидкости, в которую погружено тело ($F_A \propto \rho_ж$). Чем больше плотность жидкости, тем больше выталкивающая сила.

7. Вывод:

На основании проведенных исследований можно сформулировать закон Архимеда: на тело, погруженное в жидкость (или газ), действует выталкивающая сила, равная весу жидкости (или газа) в объеме погруженной части тела. Эта сила направлена вертикально вверх.

Математически закон выражается формулой: $F_A = \rho_ж \cdot g \cdot V_{погр}$, где $\rho_ж$ – плотность жидкости, $\text{g}$ – ускорение свободного падения, $V_{погр}$ – объем погруженной части тела.

Сила Архимеда зависит от:

• плотности жидкости ($\rho_ж$);
• объема погруженной части тела ($V_{погр}$).

Сила Архимеда НЕ зависит от:

• массы и плотности самого тела;
• формы тела;
• глубины погружения (если тело уже полностью погружено).

Ответ: Выталкивающая сила (сила Архимеда) прямо пропорциональна плотности жидкости и объему погруженной части тела и не зависит от формы, массы, плотности тела и глубины его полного погружения.