Номер 1, страница 30 - гдз по физике 7 класс дидактические материалы Марон, Марон

Тренировочные задания. Давление твёрдых тел, жидкостей и газов. ТЗ-17. Архимедова сила. Плавание тел - номер 1, страница 30.

Условие.

1. а) Приведите примеры, которые подтверждают существование выталкивающей силы, действующей на тела, погружённые в жидкости и газы. Объясните причину возникновения этой силы.

б) Как направлена архимедова сила? Чему равна величина архимедовой силы? Как на опытах доказать, что величина этой силы равна весу жидкости, вытесненной телом?

Решение.

а)

Примеры, которые подтверждают существование выталкивающей силы, действующей на тела, погружённые в жидкости и газы:

Примеры в жидкостях:
- Деревянный брусок не тонет в воде, а плавает на ее поверхности. Это означает, что сила тяжести, действующая на брусок, уравновешивается выталкивающей силой со стороны воды.
- Человек может плавать в воде, особенно в соленой, где плотность воды выше и, следовательно, выталкивающая сила больше.
- Тяжелый камень легче поднять под водой, чем в воздухе, так как в воде на него действует "помогающая" выталкивающая сила.
- Стальной корабль, несмотря на огромный вес, плавает по воде, так как выталкивающая сила, действующая на его большую подводную часть, уравновешивает его силу тяжести.

Примеры в газах:
- Воздушный шар, наполненный горячим воздухом (менее плотным, чем окружающий холодный воздух), поднимается вверх.
- Детский шарик, наполненный гелием, который легче воздуха, взлетает вверх под действием выталкивающей силы со стороны атмосферы.

Объяснение причины возникновения этой силы:
Выталкивающая сила (сила Архимеда) возникает из-за того, что давление жидкости или газа увеличивается с глубиной. Давление на нижние слои жидкости или газа больше, чем на верхние.
Когда тело погружено в жидкость или газ, на его поверхность действуют силы давления со стороны окружающей среды. Давление на нижнюю поверхность тела ($p_2$) больше, чем давление на верхнюю поверхность ($p_1$), так как нижняя поверхность находится на большей глубине.
Сила давления, действующая на нижнюю поверхность тела ($F_2$), направлена вверх и по модулю больше, чем сила давления на верхнюю поверхность ($F_1$), которая направлена вниз. Силы, действующие на боковые поверхности, взаимно уравновешиваются.
Равнодействующая этих сил давления и есть выталкивающая сила ($F_A$), и она направлена вертикально вверх: $F_A = F_2 - F_1$.

Ответ: Примеры: плавающий корабль, всплывающий в воде мяч, полет воздушного шара. Причина возникновения: разность давлений, которые жидкость или газ оказывают на нижнюю и верхнюю поверхности погруженного тела, так как давление растет с глубиной.

б)

Как направлена архимедова сила?
Архимедова сила всегда направлена вертикально вверх, то есть противоположно направлению силы тяжести.

Чему равна величина архимедовой силы?
Согласно закону Архимеда, величина выталкивающей силы равна весу жидкости (или газа) в объеме, вытесненном телом (или его погруженной частью).
Формула для расчета архимедовой силы:
$F_A = g \cdot \rho_{ж(г)} \cdot V_т$
где $F_A$ — сила Архимеда, $\text{g}$ — ускорение свободного падения, $\rho_{ж(г)}$ — плотность жидкости или газа, $V_т$ — объем погруженной части тела.

Как на опытах доказать, что величина этой силы равна весу жидкости, вытесненной телом?
Для этого можно провести следующий эксперимент:
1. Подвесить тело к динамометру и измерить его вес в воздухе ($P_1$).
2. Подготовить отливной сосуд, наполненный жидкостью до уровня отливной трубки. Под трубку поставить пустой стакан.
3. Полностью погрузить тело, висящее на динамометре, в жидкость. При этом часть жидкости, равная объему тела, вытечет в стакан. Динамометр покажет меньшее значение веса тела в жидкости ($P_2$).
4. Рассчитать выталкивающую силу как разность веса тела в воздухе и в жидкости: $F_A = P_1 - P_2$.
5. Определить вес вытесненной жидкости ($P_{ж}$), взвесив стакан с этой жидкостью (предварительно взвесив пустой стакан).
6. Сравнить полученные результаты. Опыт покажет, что выталкивающая сила, действующая на тело, равна весу вытесненной им жидкости: $F_A = P_{ж}$.

Ответ: Архимедова сила направлена вертикально вверх. Ее величина равна весу вытесненной телом жидкости или газа ($F_A = g \cdot \rho_{ж(г)} \cdot V_т$). На опыте это доказывается сравнением разности веса тела в воздухе и в жидкости с весом жидкости, вытесненной этим телом. Эти величины оказываются равны.