Номер 9, страница 104, часть 2 - гдз по физике 7 класс учебник Генденштейн, Булатова

Часть 2. Лабораторные работы - номер 9, страница 104.

Условие.

9. Изучение выталкивающей силы (силы Архимеда)

Цель работы: исследовать свойства силы Архимеда.

Оборудование: динамометр или цифровой датчик силы, брусок пластилина, два металлических цилиндра одинакового объёма и разной массы², измерительный цилиндр с водой, стакан с насыщенным раствором соли³, штатив с лапкой и муфтой, нить.

Подготовка к работе

Прочитайте описание работы и повторите § 20, п. 1—3.

Содержание работы

В данной работе сначала устанавливают соотношение между силой Архимеда и весом вытесненной телом жидкости.

Затем определяют, как зависит сила Архимеда от: объёма погружённой в жидкость части тела; глубины погружения; массы тела; формы тела; плотности жидкости.

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.

• Определите, насколько повысился уровень воды в измерительном цилиндре после полного погружения в него металлического цилиндра.

• Используя результаты измерений, найдите вес 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 погружайте 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 металлический¹ цилиндр при его полном погружении в воду и в насыщенный раствор соли. Запишите вывод (с учётом того, что плотность раствора соли больше плотности воды).

Решение.

Это подробное описание выполнения лабораторной работы по изучению выталкивающей силы (силы Архимеда) с теоретическим обоснованием ожидаемых результатов для каждого этапа.

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

Для определения силы Архимеда $F_A$ необходимо измерить вес металлического цилиндра в воздухе ($P_1$) и его вес при полном погружении в воду ($P_2$) с помощью динамометра. Сила Архимеда будет равна разности этих показаний:

$F_A = P_1 - P_2$

Далее, чтобы определить вес вытесненной жидкости $P_{жид.}$, нужно измерить объём воды, который вытеснил цилиндр. Для этого в измерительный цилиндр (мензурку) наливают воду до определённого уровня $V_{начальный}$. Затем в него полностью погружают металлический цилиндр, и уровень воды поднимается до отметки $V_{конечный}$. Объём вытесненной воды (который равен объёму тела) равен:

$V_{тела} = V_{вытесн. жид.} = V_{конечный} - V_{начальный}$

Зная объём вытесненной воды и её плотность ($\rho_{воды} \approx 1000$ кг/м³), можно вычислить массу вытесненной воды:

$m_{вытесн. жид.} = \rho_{воды} \cdot V_{вытесн. жид.}$

Вес вытесненной воды равен:

$P_{вытесн. жид.} = m_{вытесн. жид.} \cdot g = \rho_{воды} \cdot g \cdot V_{вытесн. жид.}$

Сравнив полученное значение $F_A$ со значением $P_{вытесн. жид.}$, можно сделать вывод. С учётом погрешностей измерений эти значения должны быть равны.

Ответ: Вывод, который должен быть сделан по результатам измерений: выталкивающая сила (сила Архимеда), действующая на тело, полностью погружённое в жидкость, равна весу жидкости в объёме этого тела. $F_A = P_{вытесн. жид.}$.

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

Цилиндр, подвешенный к динамометру, постепенно опускают в воду. В ходе погружения наблюдают за показаниями динамометра. По мере увеличения объёма погружённой части тела показания динамометра будут уменьшаться. Это означает, что выталкивающая сила, действующая на цилиндр, увеличивается, так как $F_A = P_{воздух} - P_{жидкость}$. Поскольку сила Архимеда определяется формулой $F_A = \rho_{жид.} g V_{погр.}$, где $V_{погр.}$ – объём погружённой части тела, то при увеличении $V_{погр.}$ сила $F_A$ растёт прямо пропорционально.

Ответ: Вывод: сила Архимеда прямо пропорциональна объёму погружённой в жидкость части тела.

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

Цилиндр на нити полностью погружают в воду. Затем, перемещая его вверх и вниз под водой (изменяя глубину погружения, но не допуская выхода на поверхность), следят за показаниями динамометра. Показания динамометра при этом изменяться не будут. Это объясняется тем, что после полного погружения тела в жидкость объём вытесненной жидкости становится постоянным и равным полному объёму тела ($V_{тела}$). Так как сила Архимеда зависит от объёма вытесненной жидкости ($F_A = \rho_{жид.} g V_{тела}$), а не от глубины, её значение остаётся неизменным.

Ответ: Вывод: сила Архимеда, действующая на полностью погружённое в однородную жидкость тело, не зависит от глубины его погружения.

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

В этом эксперименте используются два металлических цилиндра одинакового объёма ($V_1 = V_2$), но разной массы ($m_1 \neq m_2$), следовательно, изготовленных из веществ разной плотности ($\rho_1 \neq \rho_2$). Силу Архимеда измеряют для каждого цилиндра при их полном погружении в воду. Так как объёмы цилиндров равны, то при полном погружении они вытеснят одинаковый объём воды. Согласно формуле $F_A = \rho_{воды} g V_{тела}$, выталкивающие силы, действующие на оба цилиндра, будут одинаковы (в пределах погрешности измерений), несмотря на разницу в их массах и плотностях.

Ответ: Вывод: сила Архимеда не зависит от массы тела и плотности вещества, из которого оно изготовлено. Она зависит только от объёма погружённой части тела и плотности жидкости.

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

Сначала измеряется сила Архимеда, действующая на кусок пластилина некоторой формы (например, в форме шара), полностью погружённый в воду. Затем этому же куску пластилина придают другую форму (например, сплющивают в диск), не изменяя его объём и массу. Снова измеряют силу Архимеда при полном погружении. Поскольку объём пластилина остался прежним, объём вытесненной им воды также не изменился. Следовательно, значение силы Архимеда, измеренное во второй раз, будет таким же, как и в первом случае.

Ответ: Вывод: сила Архимеда, действующая на полностью погружённое тело, не зависит от его формы.

6. Исследование зависимости силы Архимеда от плотности жидкости.

В этом опыте один и тот же металлический цилиндр погружают сначала в воду, а затем в насыщенный раствор соли. Плотность раствора соли $\rho_{раствора}$ больше плотности чистой воды $\rho_{воды}$. При полном погружении цилиндра в обе жидкости объём вытесненной жидкости будет одинаковым и равным объёму цилиндра $V_{тела}$. Сила Архимеда в воде будет равна $F_{А, вода} = \rho_{воды} g V_{тела}$, а в растворе соли — $F_{А, раствор} = \rho_{раствора} g V_{тела}$. Так как $\rho_{раствора} > \rho_{воды}$, то и сила Архимеда, действующая на цилиндр в соляном растворе, будет больше, чем в воде ($F_{А, раствор} > F_{А, вода}$).

Ответ: Вывод: сила Архимеда прямо пропорциональна плотности жидкости, в которую погружено тело.