Анализируйте, страница 158 - гдз по физике 7 класс учебник Кронгарт, Даданбеков

Анализируйте

1. Возьмите стеклянную банку, стакан с водой, сырое яйцо и 2-3 столовые ложки соли. Налейте в банку 0,5 л воды и растворите в ней соль. Опустите в воду яйцо. Оно должно плавать у поверхности. Понемногу наливайте обычную воду. Яйцо начнет погружаться и окажется во взвешенном состоянии. Продолжая доливать воду, добейтесь того, чтобы яйцо опустилось на дно. Объясните наблюдаемые явления.

2. Будет ли плавать яйцо, сваренное вкрутую: а) в обычной воде; б) в соленой воде? Проверьте на опыте. Объясните результаты опыта.

3. Посмотрите видео через QR-код. Нам хорошо известно, что пластилиновый шарик массой $\text{m}$ тонет в воде, а лодочка, сделанная из этого шарика, не тонет, даже будучи загруженной несколькими шариками. Объясните это явление.

1. Объяснение наблюдаемых явлений основано на законе Архимеда и понятии плотности. Условие плавания тел гласит: тело плавает в жидкости, если его средняя плотность меньше плотности жидкости; тонет, если его плотность больше; и находится в равновесии на любой глубине (плавает внутри жидкости), если их плотности равны.

Яйцо в соленой воде: Плотность сырого яйца ($ \rho_{яйца} $) немного больше плотности пресной воды ($ \rho_{воды} $), поэтому в пресной воде оно обычно тонет. При растворении соли в воде плотность получившегося раствора ($ \rho_{раствора} $) увеличивается. Если добавить достаточно соли, плотность раствора станет больше плотности яйца ($ \rho_{раствора} > \rho_{яйца} $). В этом случае, согласно закону Архимеда, выталкивающая сила, действующая на яйцо, становится больше его силы тяжести, и яйцо всплывает на поверхность.

Добавление пресной воды: Когда мы начинаем доливать в соленую воду пресную, общая концентрация соли в банке уменьшается. Это приводит к постепенному уменьшению плотности раствора. По мере уменьшения плотности жидкости выталкивающая сила также уменьшается, и яйцо начинает погружаться глубже.

Яйцо во взвешенном состоянии: В определенный момент плотность раствора становится равной средней плотности яйца ($ \rho_{раствора} = \rho_{яйца} $). В этом случае сила тяжести, действующая на полностью погруженное яйцо, уравновешивается выталкивающей силой Архимеда. Яйцо зависает в толще воды, находясь во взвешенном состоянии.

Яйцо опускается на дно: При дальнейшем добавлении пресной воды плотность раствора продолжает уменьшаться и становится меньше плотности яйца ($ \rho_{раствора} < \rho_{яйца} $). Теперь выталкивающая сила меньше силы тяжести, и яйцо опускается на дно банки.

Ответ: Изменение положения яйца в воде объясняется изменением плотности водного раствора. Изначально плотность соленой воды больше плотности яйца, и оно плавает. При добавлении пресной воды плотность раствора уменьшается. Когда плотность раствора становится равной плотности яйца, оно зависает в воде. При дальнейшем уменьшении плотности раствора она становится меньше плотности яйца, и яйцо тонет.

2. При варке структура и химический состав яйца меняются, но его средняя плотность изменяется незначительно и остается, как правило, немного больше плотности пресной воды.

а) в обычной воде;

Плотность сваренного вкрутую яйца ($ \rho_{яйца} $) больше плотности обычной (пресной) воды ($ \rho_{воды} \approx 1000 \text{ кг/м}^3 $). Следовательно, сила тяжести, действующая на яйцо, будет больше максимальной выталкивающей силы, которую может создать пресная вода при полном погружении яйца. Поэтому яйцо утонет.

Ответ: В обычной воде сваренное вкрутую яйцо утонет.

б) в соленой воде?

Плотность соленой воды ($ \rho_{раствора} $) зависит от концентрации соли и может быть значительно выше плотности пресной воды. Если приготовить достаточно концентрированный солевой раствор, его плотность станет больше плотности вареного яйца ($ \rho_{раствора} > \rho_{яйца} $). В этом случае выталкивающая сила Архимеда (при частичном или полном погружении) сможет уравновесить силу тяжести, и яйцо будет плавать.

Ответ: В соленой воде достаточной концентрации сваренное вкрутую яйцо будет плавать.

3. Это явление объясняется законом Архимеда и понятием средней плотности тела. Условие плавания тела в жидкости — его средняя плотность должна быть меньше плотности жидкости.

Пластилиновый шарик: Плотность самого пластилина ($ \rho_{пластилина} $) больше плотности воды ($ \rho_{воды} $). Поэтому, когда пластилин скомкан в шарик, его средняя плотность равна плотности материала ($ \rho_{шарика} = \rho_{пластилина} $), и он тонет, так как $ \rho_{шарика} > \rho_{воды} $.

Лодочка из пластилина: Когда из того же куска пластилина делают лодочку, изменяется форма тела и его общий объем, который оно занимает. Лодочка — это не сплошное тело, она имеет полость, заполненную воздухом. Средняя плотность такого объекта рассчитывается как его масса, деленная на его полный объем (объем пластилиновой оболочки плюс объем внутренней полости): $ \rho_{средняя} = \frac{m}{V_{общий}} $. За счет большого объема внутренней полости общий объем лодочки ($ V_{общий} $) становится настолько большим, что ее средняя плотность оказывается меньше плотности воды ($ \rho_{средняя} < \rho_{воды} $). Тело с такой средней плотностью будет плавать.

Загруженная лодочка: Лодочка плавает с запасом, то есть она погружена в воду не полностью. Максимальная выталкивающая сила, которая может действовать на лодочку, равна весу воды в объеме всей лодочки (до краев). Эта сила значительно больше веса самой лодочки. Поэтому в нее можно положить дополнительный груз (например, другие пластилиновые шарики), и она не утонет до тех пор, пока ее общий вес вместе с грузом не превысит максимальную выталкивающую силу.

Ответ: Пластилиновый шарик тонет, так как его плотность больше плотности воды. Лодочка, сделанная из того же пластилина, плавает, потому что благодаря своей форме она имеет большой объем (включая полость с воздухом), и ее средняя плотность становится меньше плотности воды. Это позволяет выталкивающей силе Архимеда уравновесить вес лодочки и даже дополнительного груза.