Номер 576, страница 80 - гдз по физике 7 класс сборник вопросов и задач Марон, Марон

Давление твёрдых тел, жидкостей и газов. Архимедова сила. Плавание тел. Плавание судов. Воздухоплавание - номер 576, страница 80.

Условие.

► 576. Возьмите сосуд с узким горлышком (можно бутылку из-под молока) и наполните его доверху водой. Затем возьмите маленький пузырёк и поместите его в сосуд с водой отверстием вниз. Наклонив пузырёк, впустите в него такое количество воды, чтобы он держался на поверхности, но от малейшего толчка уходил под воду. Горлышко сосуда закройте резиновой плёнкой и закрепите её ниткой вокруг горлышка. Если нажать на плёнку, пузырёк-«водолаз» пойдёт ко дну, если отпустить, «водолаз» всплывёт. Эту игрушку сделал французский учёный Рене Декарт. Объясните причины перемещения «водолаза».

Решение.

Явление, описанное в задаче, демонстрирует принципы, лежащие в основе плавания тел, а именно закон Архимеда и закон Паскаля, а также свойство сжимаемости газов.

1. Начальное состояние. Пузырёк-«водолаз» находится в состоянии плавания на поверхности, так как его средняя плотность (масса самого пузырька, воды и воздуха внутри него, делённая на его общий объём) немного меньше плотности воды. На «водолаза» действует направленная вниз сила тяжести ($F_т$) и направленная вверх выталкивающая сила Архимеда ($F_А$). Условие плавания: $F_А \ge F_т$.

2. Нажатие на плёнку. При нажатии на резиновую плёнку, закрывающую горлышко сосуда, создаётся дополнительное давление на воду. Согласно закону Паскаля, это давление передаётся без изменений во все точки жидкости, в том числе и на воздушный пузырь, который находится внутри «водолаза».

3. Сжатие воздуха и увеличение массы. Воздух, будучи газом, сжимается под действием возросшего давления. Объём воздушного пузыря внутри «водолаза» уменьшается. В результате в пузырёк через отверстие поступает дополнительная порция воды из сосуда, занимая освободившееся пространство. Это приводит к увеличению общей массы «водолаза».

4. Погружение. Так как масса «водолаза» увеличилась, а его внешний объём остался практически прежним, его средняя плотность возросла и стала больше плотности воды. Теперь сила тяжести $F_т$ превышает выталкивающую силу $F_А$. В результате «водолаз» тонет и опускается на дно сосуда.

5. Всплытие. Когда давление на плёнку прекращается, давление внутри сосуда возвращается к исходному значению. Сжатый воздух внутри «водолаза» расширяется, выталкивая излишек воды обратно в сосуд. Масса «водолаза» уменьшается, его средняя плотность снова становится меньше плотности воды. Выталкивающая сила $F_А$ становится больше силы тяжести $F_т$, и «водолаз» всплывает на поверхность.

Таким образом, управление движением «водолаза» осуществляется путём изменения его средней плотности через изменение давления в сосуде.

Ответ: Причины перемещения «водолаза» заключаются в изменении его средней плотности. Когда на плёнку нажимают, давление в воде растёт. Этот рост давления, согласно закону Паскаля, передаётся воздуху внутри «водолаза». Воздух сжимается, и в пузырёк входит вода, увеличивая его массу и среднюю плотность, из-за чего он тонет. Когда нажатие прекращается, давление падает, воздух расширяется, выталкивает воду, средняя плотность «водолаза» уменьшается, и он всплывает.