Номер 30, страница 45, часть 2 - гдз по физике 7 класс учебник Генденштейн, Булатова

Часть 2. Глава IV. Давление твёрдых тел, жидкостей и газов. Плавание тел. Параграф 20. Выталкивающая сила. Закон Архимеда - номер 30, страница 45.

Условие.

30. Исследуйте свойства выталкивающей силы в домашних условиях. В опытах удобно использовать пружинные весы. Опишите свои опыты и сделайте фотографии.

Решение.

Решение

Для исследования свойств выталкивающей силы (силы Архимеда) в домашних условиях необходимо провести серию опытов. Целью этих опытов является экспериментальная проверка факторов, от которых зависит выталкивающая сила.

Оборудование: пружинные весы (динамометр), сосуд с водой (например, литровая банка), мерный стакан с делениями, несколько тел для погружения (например, картофелина, металлическая гайка), нить, поваренная соль, ложка для размешивания.

Опыт 1. Обнаружение выталкивающей силы и её зависимость от объёма вытесненной жидкости.

В этом опыте мы продемонстрируем наличие выталкивающей силы и проверим основное утверждение закона Архимеда.

Ход работы:
1. Подвесим тело (картофелину) на крючок пружинных весов и измерим его вес в воздухе $P_1$.
(Здесь должна быть фотография: тело, подвешенное на динамометре в воздухе).
2. Нальем в мерный стакан воду до определенной отметки, чтобы можно было измерить объем вытесненной жидкости. Запишем начальный объем $V_{нач}$.
3. Опустим тело, не снимая с весов, полностью в воду. Зафиксируем показание весов — вес тела в воде $P_2$. Также зафиксируем новый уровень воды в стакане $V_{кон}$.
(Здесь должна быть фотография: тело на динамометре полностью погружено в воду в мерном стакане).
4. Сравним показания весов. Мы увидим, что $P_2 < P_1$. Это означает, что на тело в воде действует выталкивающая сила $F_A$, направленная вверх. Экспериментальное значение этой силы равно: $F_{A(эксп)} = P_1 - P_2$.
5. Найдем объем вытесненной жидкости, который равен объему тела: $V_т = V_{кон} - V_{нач}$.
6. Рассчитаем теоретическое значение выталкивающей силы по формуле Архимеда: $F_{A(теор)} = \rho_ж \cdot g \cdot V_т$, где $\rho_ж$ — плотность воды (принять равной $1000 \text{ кг/м}^3$), а $\text{g}$ — ускорение свободного падения (принять равным $9.8 \text{ Н/кг}$).
7. Сравним $F_{A(эксп)}$ и $F_{A(теор)}$. Значения должны быть близки, что подтверждает закон Архимеда.

Ответ: Эксперимент показывает, что на тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, направленная вверх. Ее величина, измеренная как разность веса тела в воздухе и в жидкости, приблизительно равна весу жидкости, вытесненной этим телом.

Опыт 2. Зависимость выталкивающей силы от объема погруженной части тела.

Цель этого опыта — выяснить, как изменяется выталкивающая сила при изменении объема погруженной части тела.

Ход работы:
1. Используем то же тело (картофелину) на пружинных весах. Его вес в воздухе $P_1$ нам уже известен из предыдущего опыта.
2. Погрузим тело в воду наполовину. Зафиксируем показание весов $P_{2a}$.
(Здесь должна быть фотография: тело на динамометре погружено в воду наполовину).
3. Рассчитаем выталкивающую силу для этого случая: $F_{Aa} = P_1 - P_{2a}$.
4. Полностью погрузим тело в воду и снова зафиксируем показание весов $P_{2b}$ (это значение $P_2$ из первого опыта).
5. Рассчитаем выталкивающую силу для полного погружения: $F_{Ab} = P_1 - P_{2b}$.
6. Сравним полученные значения. Мы обнаружим, что $F_{Aa} < F_{Ab}$, так как объем погруженной части в первом случае был меньше, чем во втором.

Ответ: Выталкивающая сила прямо пропорциональна объему погруженной в жидкость части тела. С увеличением объема погруженной части тела выталкивающая сила возрастает.

Опыт 3. Зависимость выталкивающей силы от плотности жидкости.

Цель опыта — исследовать, как плотность жидкости влияет на величину выталкивающей силы.

Ход работы:
1. Возьмем тело, которое тонет в воде (например, металлическую гайку). Измерим его вес в воздухе $P_1$.
2. Полностью погрузим тело в стакан с пресной водой и измерим его вес в этой жидкости $P_{2,пресная}$. Рассчитаем выталкивающую силу в пресной воде: $F_{А,пресная} = P_1 - P_{2,пресная}$.
3. В другом стакане приготовим насыщенный раствор поваренной соли, растворив в воде большое количество соли. Плотность соленой воды $\rho_{соль}$ больше плотности пресной воды $\rho_{пресная}$.
4. Полностью погрузим то же самое тело в раствор соли и измерим его вес в этой жидкости $P_{2,соль}$.
(Здесь должна быть фотография: тело на динамометре погружено в соленую воду).
5. Рассчитаем выталкивающую силу в соленой воде: $F_{А,соль} = P_1 - P_{2,соль}$.
6. Сравним полученные результаты. Мы увидим, что $P_{2,соль} < P_{2,пресная}$, и, соответственно, $F_{А,соль} > F_{А,пресная}$.

Ответ: Выталкивающая сила прямо пропорциональна плотности жидкости. В более плотной жидкости на то же самое тело действует большая выталкивающая сила.