Лабораторная работа №7, страница 160 - гдз по физике 7 класс учебник Кронгарт, Даданбеков

Лабораторная работа №7

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСЛОВИЯ ПЛАВАНИЯ ТЕЛ

Цель работы: экспериментально установить, при каких условиях тело тонет, всплы-вает и плавает.

Проверьте следующие утверждения:

а) если сила тяжести ($mg$) меньше максимальной архимедовой силы, то тело плавает, частично погрузившись в воду (рис. 7.1, а);

б) если сила тяжести ($mg$) равна максимальной архимедовой силе, то тело плавает, полностью погрузившись в жидкость (рис. 7.1, б);

в) если сила тяжести ($mg$) больше максимальной архимедовой силы, то тело тонет (рис. 7.1, в).

Оборудование: мензурка, весы, разновес, пробирка с пробкой, песок, стеклянная или деревянная палочка.

Задание 1.

Ход работы:

1. Измерьте объем пробирки, находящейся в жидкости с плотно закрытой пробкой. Полностью погрузите в мензурку пробирку с помощью палочки.

2. Вычислите архимедову силу, действующую на пробирку: $F_A = \rho g V$ (плотность воды $1000 \text{ кг/м}^3$). Результаты измерений и вычислений запишите в таблицу 2.

3. Насыпьте в пробирку немного песка, чтобы при опускании в воду она плавала (рис. 7.1, а). Измерьте массу пробирки с песком и вычислите силу тяжести, дей-ствующую на пробирку: $F_{\text{тяж.}} = mg$. Сравните архимедову силу и силу тяжести, действующие на пробирку в этом случае. Полностью погрузив пробирку в воду, определите максимальную силу Архимеда и сравните ее с силой тяжести. Сделайте вывод.

a) $F_A > F_{\text{тяж.}}$

б) $F_A = F_{\text{тяж.}}$

в) $F_A < F_{\text{тяж.}}$

Рис. 7.1

4. Насыпьте в пробирку столько песка, чтобы при опускании в воду она плавала и часть ее находилась в воде, а часть — над поверхностью воды. Измерьте $V_{\text{п.ч.}}$ объем той части пробирки, которая находится в воде. Вычислите действующую на нее ар-химедову силу. Измерьте массу пробирки с песком и вычислите силу тяжести, дей-ствующую на них: $F_{\text{тяж.}} = mg$. Сравните архимедову силу и силу тяжести, действую-щие на пробирку в этом случае.

5. Добавьте в пробирку еще немного песка, чтобы она полностью оказалась погру-женной в воду, но не тонула, а плавала в ней (рис. 7.1, б). Измерьте массу пробирки с песком в этом случае, вычислите силу тяжести и сравните ее с архимедовой си-лой. Сделайте вывод.

6. Полностью заполните пробирку песком, измерьте ее массу и вычислите действу-ющую на нее силу тяжести. Опустите пробирку в мензурку. Она утонет (рис. 7.1, в). Сравните архимедову силу и силу тяжести, действующие на пробирку в этом слу-чае. Сделайте вывод.

7. Сделайте общий вывод об условиях плавания тел. Результаты запишите в таблицу 2.

Таблица 2

№ опыта Объем пробирки $\text{V}$, м$^3$Архиме-дова сила $F_A$, Н Масса пробирки $\text{m}$, кг Сила тяжести $F_{\text{тяж.}}$, Н Соотноше-ние между $F_A$ и $F_{\text{тяж.}}$Поведение пробирки в воде

1

2

3

4

Цель работы: экспериментально установить, при каких условиях тело тонет, всплывает и плавает.

Для выполнения этой лабораторной работы мы проведем мысленный эксперимент, предположив некоторые реалистичные значения для измеряемых величин. Все вычисления и выводы будут основаны на этих данных.

Оборудование (мысленное): мензурка, весы, пробирка с пробкой объемом 25 мл, песок.

Задание 1.

Ход работы:

1. Измерение объема пробирки.

Предположим, что мы измерили объем пробирки, полностью погрузив ее в мензурку с водой. Разница уровней воды до и после погружения показала объем пробирки.

Дано:

$\rho_{воды} = 1000 \text{ кг/м}^3$

$g = 9.8 \text{ Н/кг}$

Перевод в СИ:

2. Вычисление максимальной архимедовой силы.

Максимальная архимедова сила ($F_{А, макс}$) действует на тело, когда оно полностью погружено в жидкость. Она вычисляется по формуле:

$F_{А, макс} = \rho_{воды} \cdot g \cdot V_{пробирки}$

Решение:

$F_{А, макс} = 1000 \frac{\text{кг}}{\text{м}^3} \cdot 9.8 \frac{\text{Н}}{\text{кг}} \cdot 2.5 \cdot 10^{-5} \text{ м}^3 = 0.245 \text{ Н}$

Эта сила является максимальной выталкивающей силой, которую вода может оказать на нашу пробирку.

Ответ: Максимальная архимедова сила, действующая на пробирку, равна $0.245 \text{ Н}$.

3-6. Проведение опытов с разным количеством песка.

Теперь проведем серию из четырех мысленных опытов, добавляя разное количество песка в пробирку, и проанализируем ее поведение в воде.

Опыт 1. Пробирка с небольшим количеством песка.

Насыплем в пробирку столько песка, чтобы ее общая масса стала $m_1 = 15 \text{ г}$.

Дано:

Перевод в СИ:

Найти: $F_{тяж,1}$, $F_{A,1}$ и сравнить их.

Решение:

Вычислим силу тяжести: $F_{тяж,1} = m_1 \cdot g = 0.015 \text{ кг} \cdot 9.8 \frac{\text{Н}}{\text{кг}} = 0.147 \text{ Н}$.

Сравним силу тяжести с максимальной архимедовой силой: $F_{тяж,1} (0.147 \text{ Н}) < F_{А, макс} (0.245 \text{ Н})$.

Поскольку сила тяжести меньше максимальной выталкивающей силы, пробирка будет плавать, погрузившись в воду лишь частично (рис. 7.1, а). При плавании тело находится в равновесии, это значит, что действующая на него архимедова сила равна силе тяжести.

$F_{A,1} = F_{тяж,1} = 0.147 \text{ Н}$.

Вывод по опыту 1: Если сила тяжести меньше максимальной архимедовой силы, тело плавает на поверхности, а действующая архимедова сила уравновешивает силу тяжести ($F_A = F_{тяж}$).

Опыт 2. Пробирка с большим количеством песка.

Добавим еще песка, чтобы общая масса стала $m_2 = 20 \text{ г}$.

Дано:

Найти: $F_{тяж,2}$, $F_{A,2}$ и сравнить их.

Решение:

$F_{тяж,2} = m_2 \cdot g = 0.020 \text{ кг} \cdot 9.8 \frac{\text{Н}}{\text{кг}} = 0.196 \text{ Н}$.

Сравним: $F_{тяж,2} (0.196 \text{ Н}) < F_{А, макс} (0.245 \text{ Н})$.

Ситуация аналогична первому опыту: пробирка плавает, погрузившись еще глубже. Действующая архимедова сила снова равна силе тяжести.

$F_{A,2} = F_{тяж,2} = 0.196 \text{ Н}$.

Вывод по опыту 2: Увеличив массу тела, мы видим, что оно погружается глубже, но все еще плавает, пока его вес не превышает максимальную выталкивающую силу. Равенство $F_A = F_{тяж}$ сохраняется.

Опыт 3. Пробирка плавает, полностью погрузившись.

Подберем массу песка так, чтобы общая масса пробирки стала $m_3 = 25 \text{ г}$.

Дано:

Найти: $F_{тяж,3}$, $F_{A,3}$ и сравнить их.

Решение:

$F_{тяж,3} = m_3 \cdot g = 0.025 \text{ кг} \cdot 9.8 \frac{\text{Н}}{\text{кг}} = 0.245 \text{ Н}$.

Сравним силу тяжести с максимальной архимедовой силой: $F_{тяж,3} (0.245 \text{ Н}) = F_{А, макс} (0.245 \text{ Н})$.

В этом случае сила тяжести в точности равна максимальной выталкивающей силе. Пробирка будет плавать, полностью погрузившись в воду (рис. 7.1, б). Это состояние называется безразличным равновесием. Архимедова сила, действующая на пробирку, максимальна и равна силе тяжести.

$F_{A,3} = F_{А, макс} = 0.245 \text{ Н}$.

Вывод по опыту 3: Если сила тяжести равна максимальной архимедовой силе, тело плавает, будучи полностью погруженным в жидкость ($F_A = F_{тяж}$).

Опыт 4. Пробирка тонет.

Заполним пробирку песком так, чтобы ее общая масса стала $m_4 = 30 \text{ г}$.

Дано:

Найти: $F_{тяж,4}$, $F_{A,4}$ и сравнить их.

Решение:

$F_{тяж,4} = m_4 \cdot g = 0.030 \text{ кг} \cdot 9.8 \frac{\text{Н}}{\text{кг}} = 0.294 \text{ Н}$.

Сравним силу тяжести с максимальной архимедовой силой: $F_{тяж,4} (0.294 \text{ Н}) > F_{А, макс} (0.245 \text{ Н})$.

Сила тяжести превышает максимальную выталкивающую силу, поэтому пробирка утонет (рис. 7.1, в). Когда пробирка окажется на дне, она будет полностью погружена в воду, и на нее будет действовать максимальная архимедова сила.

$F_{A,4} = F_{А, макс} = 0.245 \text{ Н}$.

Вывод по опыту 4: Если сила тяжести больше максимальной архимедовой силы, тело тонет ($F_A < F_{тяж}$).

7. Заполнение таблицы и общий вывод.

Занесем результаты наших мысленных экспериментов в таблицу.

Общий вывод:

На основе проведенных опытов можно сформулировать условия плавания тел:

1. Если сила тяжести, действующая на тело ($F_{тяж}$), меньше максимальной архимедовой силы ($F_{А, макс}$), которую может создать жидкость, то тело будет плавать на поверхности, погрузившись частично. При этом действующая архимедова сила будет равна силе тяжести ($F_A = F_{тяж}$).

2. Если сила тяжести равна максимальной архимедовой силе ($F_{тяж} = F_{А, макс}$), то тело может находиться в равновесии в любом месте жидкости, будучи полностью в нее погруженным (плавает внутри жидкости).

3. Если сила тяжести больше максимальной архимедовой силы ($F_{тяж} > F_{А, макс}$), то тело утонет. При этом на тело все равно будет действовать архимедова сила, равная $F_{А, макс}$.

Таким образом, мы экспериментально (мысленно) проверили и подтвердили утверждения, вынесенные в цель работы.

Ответ: Условие плавания, всплытия или потопления тела в жидкости определяется соотношением между силой тяжести ($F_{тяж}$), действующей на тело, и максимальной архимедовой силой ($F_{А, макс}$), действующей на него при полном погружении: если $F_{тяж} < F_{А, макс}$ — тело плавает на поверхности; если $F_{тяж} = F_{А, макс}$ — тело плавает внутри жидкости; если $F_{тяж} > F_{А, макс}$ — тело тонет.