Номер 2, страница 108, часть 2 - гдз по физике 7 класс учебник Генденштейн, Булатова

Часть 2. Задания для проектно-исследовательской деятельности - номер 2, страница 108.

Условие.

2. Модель подводной лодки

Цель: исследовать на опыте условия плавания подводной лодки.

Используя пластиковую бутылку и медицинскую пипетку, изготовьте модель подводной лодки («картезианский$^2$ водолаз»), изображённую на рисунке 3. Надавливая на стенки бутылки, заставьте «лодку» погружаться, всплывать, оставаться под водой на одной и той же глубине. Объясните принцип действия модели.

Рис. 3

Решение.

Решение

Принцип действия модели подводной лодки, известной как «картезианский водолаз», основан на совместном применении закона Архимеда и закона Паскаля. Поведение «лодки» (пипетки) в воде определяется соотношением между силой тяжести $F_т$, действующей на неё, и выталкивающей силой Архимеда $F_А$.

Сила тяжести зависит от массы пипетки вместе с её содержимым (водой и воздухом): $F_т = m \cdot g$.

Выталкивающая сила Архимеда зависит от объёма погруженной части тела и плотности жидкости: $F_А = \rho_{ж} \cdot g \cdot V_т$. Поскольку пипетка полностью находится в воде, её объём $V_т$ можно считать постоянным, а значит, и сила Архимеда практически не изменяется.

Таким образом, управление движением «лодки» вверх и вниз сводится к изменению её массы $\text{m}$.

Погружение
Когда мы надавливаем на стенки пластиковой бутылки, давление внутри неё увеличивается. Согласно закону Паскаля, это повышенное давление передаётся во все точки жидкости, в том числе и на воздух, находящийся внутри пипетки. Воздух сжимается, его объём уменьшается. В освободившееся пространство через отверстие в пипетку поступает дополнительное количество воды. Масса пипетки $\text{m}$ увеличивается, что приводит к увеличению силы тяжести $F_т$. Когда сила тяжести становится больше выталкивающей силы ($F_т > F_А$), «лодка» начинает тонуть.

Всплытие
Когда мы прекращаем сдавливать бутылку, давление внутри неё возвращается к исходному. Сжатый воздух в пипетке расширяется и выталкивает излишек воды обратно в бутылку. В результате общая масса пипетки $\text{m}$ уменьшается. Сила тяжести $F_т$ становится меньше выталкивающей силы $F_А$ ($F_т < F_А$), и «лодка» всплывает.

Пребывание на одной и той же глубине
Аккуратно регулируя силу сжатия бутылки, можно добиться того, чтобы в пипетку вошло ровно столько воды, чтобы её общая масса создала силу тяжести, равную выталкивающей силе ($F_т = F_А$). В этом состоянии равновесия «лодка» будет неподвижно «висеть» в толще воды.

Этот эксперимент наглядно демонстрирует принцип работы балластных цистерн настоящих подводных лодок, которые для погружения заполняют их водой (увеличивая массу), а для всплытия — вытесняют воду сжатым воздухом (уменьшая массу).

Ответ: Принцип действия модели основан на законе Архимеда и законе Паскаля. Сжимая бутылку, мы увеличиваем давление, из-за чего воздух в пипетке сжимается, и в неё поступает вода. Масса пипетки увеличивается, и она тонет, так как сила тяжести становится больше выталкивающей силы ($F_т > F_А$). При ослаблении давления происходит обратный процесс: воздух расширяется, выталкивает воду, масса пипетки уменьшается, и она всплывает ($F_т < F_А$). Регулируя давление, можно добиться равенства этих сил ($F_т = F_А$), что позволяет «лодке» оставаться на постоянной глубине.