Работа в классе, страница 106 - гдз по физике 7 класс рабочая тетрадь Минькова, Иванова

Лабораторная работа № 8: Определение выталкивающей силы, действующей на погружённое в жидкость тело

Цель работы: экспериментально обнаружить и измерить выталкивающую силу, действующую на тело, погруженное в жидкость; сравнить полученное значение с весом вытесненной жидкости.

Оборудование: динамометр, штатив с муфтой и лапкой, исследуемое тело (например, алюминиевый цилиндр), стакан с водой, измерительный цилиндр (мензурка).

Теоретическое обоснование:

На всякое тело, погружённое в жидкость или газ, действует выталкивающая сила (сила Архимеда), направленная вертикально вверх. По закону Архимеда, эта сила равна по модулю весу жидкости, вытесненной телом. Вычислить её можно по формуле:

$F_A = \rho_ж \cdot g \cdot V_т$

где $\rho_ж$ — плотность жидкости, $\text{g}$ — ускорение свободного падения (примерно равное $9.8 \text{ Н/кг}$), а $V_т$ — объём погружённой части тела.

Также выталкивающую силу можно определить как разность между весом тела в воздухе ($P_{возд}$) и его весом в жидкости ($P_{жидк}$):

$F_A = P_{возд} - P_{жидк}$

Ход работы:

1. Собрать установку, закрепив динамометр в лапке штатива.

2. Подвесить тело к крючку динамометра и измерить его вес в воздухе. Записать показание $P_1$.

3. Налить в измерительный цилиндр воду объёмом $V_1$, достаточным для полного погружения тела.

4. Опустить тело, подвешенное к динамометру, в стакан с водой так, чтобы оно было полностью погружено, но не касалось дна и стенок сосуда. Измерить вес тела в воде. Записать показание $P_2$.

5. Вынуть тело из стакана. Аккуратно опустить то же тело в измерительный цилиндр с водой и измерить новый объём воды вместе с телом, $V_2$.

6. Записать все данные в таблицу и провести вычисления.

Таблица измерений и вычислений (пример):

Расчеты:

Дано:

$P_1 = 2.0 \text{ Н}$

$P_2 = 1.2 \text{ Н}$

$V_1 = 120 \text{ мл}$

$V_2 = 200 \text{ мл}$

$\rho_{воды} = 1000 \text{ кг/м}^3$

$g \approx 10 \text{ Н/кг}$ (для упрощения расчетов)

Перевод в систему СИ:

$V_1 = 120 \text{ мл} = 120 \text{ см}^3 = 0.00012 \text{ м}^3$

$V_2 = 200 \text{ мл} = 200 \text{ см}^3 = 0.00020 \text{ м}^3$

Найти:

1. Выталкивающую силу по разности весов: $F_{A1}$.

2. Объём тела: $V_т$.

3. Выталкивающую силу по весу вытесненной воды: $F_{A2}$.

Решение:

1. Находим выталкивающую силу как разность веса тела в воздухе и в воде:

$F_{A1} = P_1 - P_2 = 2.0 \text{ Н} - 1.2 \text{ Н} = 0.8 \text{ Н}$

2. Находим объём тела, который равен объёму вытесненной им воды:

$V_т = V_2 - V_1 = 200 \text{ мл} - 120 \text{ мл} = 80 \text{ мл} = 80 \text{ см}^3 = 0.00008 \text{ м}^3$

3. Находим вес вытесненной воды, который, согласно закону Архимеда, и есть выталкивающая сила:

$F_{A2} = \rho_{воды} \cdot g \cdot V_т = 1000 \frac{\text{кг}}{\text{м}^3} \cdot 10 \frac{\text{Н}}{\text{кг}} \cdot 0.00008 \text{ м}^3 = 0.8 \text{ Н}$

4. Сравниваем полученные результаты: $F_{A1} = 0.8 \text{ Н}$ и $F_{A2} = 0.8 \text{ Н}$. В рамках данного примера значения совпали. В реальном эксперименте они могут незначительно отличаться из-за погрешностей измерительных приборов.

Вывод:

В ходе выполнения работы была экспериментально определена выталкивающая сила, действующая на тело, погруженное в воду. Измеренная потерей веса тела в воде выталкивающая сила составила $F_{A1} = 0.8 \text{ Н}$. Вес вытесненной жидкости, рассчитанный через её объём и плотность, оказался равен $F_{A2} = 0.8 \text{ Н}$. Так как полученные значения $F_{A1}$ и $F_{A2}$ равны (в пределах погрешности измерений), можно считать, что закон Архимеда экспериментально подтверждён.

Ответ: Экспериментально установлено, что выталкивающая сила, действующая на тело, погруженное в жидкость, равна весу жидкости в объёме этого тела. В данном примере она составила $0.8 \text{ Н}$.