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

Исследуйте

В стакан с газированной водой бросьте виноградину. Она чуть тяжелее воды и опустится на дно, покрываясь пузырьками газа. Когда их станет довольно много, виноградина всплывет. На поверхности пузырьки лопнут, газ улетучится, а отяжелевшая виноградина снова опустится на дно. Так будет продолжаться до тех пор, пока газировка не "выдохнется". Объясните опыт.

Решение

Этот интересный опыт демонстрирует действие закона Архимеда и изменение плавучести тела. Суть явления заключается во взаимодействии двух основных сил: силы тяжести, направленной вниз, и выталкивающей силы (силы Архимеда), направленной вверх.

1. В самом начале, когда виноградину бросают в стакан, она тонет. Это происходит потому, что ее плотность ($ \rho_{виноградины} $) немного больше плотности воды ($ \rho_{воды} $). Согласно условию плавания тел, если плотность тела больше плотности жидкости, оно тонет. На языке сил это означает, что сила тяжести ($ F_{тяж} $), действующая на виноградину, больше, чем выталкивающая сила Архимеда ($ F_A $), которая на нее действует: $ F_{тяж} > F_A $.

2. Газированная вода насыщена растворенным углекислым газом ($CO_2$). Находясь на дне, шероховатая поверхность виноградины служит центром для образования и прилипания пузырьков этого газа. Со временем их накапливается так много, что они образуют с виноградиной единую систему "виноградина + пузырьки".

3. Общий объем этой системы ($V_{системы} = V_{виноградины} + V_{пузырьков}$) значительно увеличивается, в то время как общая масса практически не меняется (масса газа в пузырьках пренебрежимо мала). Из-за этого средняя плотность системы ($ \rho_{средняя} = \frac{m_{виноградины}}{V_{системы}} $) уменьшается. Когда эта средняя плотность становится меньше плотности воды ($ \rho_{средняя} < \rho_{воды} $), выталкивающая сила, действующая на систему, становится больше силы тяжести ($ F_A > F_{тяж} $). В результате виноградина начинает всплывать.

4. Достигнув поверхности, пузырьки газа контактируют с воздухом и лопаются, газ улетучивается. Виноградина теряет свой "газовый поплавок". Её средняя плотность снова становится равной плотности самой виноградины, то есть большей, чем плотность воды. Сила тяжести опять преобладает над выталкивающей силой, и виноградина снова опускается на дно.

5. Этот цикл погружения и всплытия будет повторяться до тех пор, пока в газированной воде будет оставаться достаточное количество растворенного углекислого газа для формирования пузырьков. Когда напиток "выдохнется", то есть большая часть газа выйдет из него, количества образующихся пузырьков станет недостаточно для подъема виноградины, и она останется на дне стакана.

Ответ: Описанный процесс является циклическим движением виноградины вверх и вниз, обусловленным изменением её плавучести. Изначально виноградина тонет, так как её плотность больше плотности воды. На дне её поверхность покрывается пузырьками углекислого газа, которые увеличивают общий объём системы "виноградина-пузырьки", не меняя существенно её массу. Это приводит к уменьшению средней плотности системы до значения, меньшего плотности воды, в результате чего выталкивающая сила Архимеда становится больше силы тяжести, и виноградина всплывает. На поверхности пузырьки лопаются, средняя плотность виноградины возвращается к исходной, и она снова тонет. Цикл повторяется, пока в воде не закончится растворенный газ.