Работа в классе, страница 109 - гдз по физике 7 класс рабочая тетрадь Минькова, Иванова

Лабораторная работа № 9 «Выяснение условий плавания тела в жидкости»

Цель работы: на опыте выяснить, при каком условии тело плавает, а при каком тонет в жидкости. Сравнить выталкивающую силу (силу Архимеда), действующую на тело, с силой тяжести.

Оборудование: штатив с муфтой и лапкой, динамометр, два тела разной плотности (например, алюминиевый и парафиновый/деревянный цилиндры), стакан с водой, стакан с насыщенным раствором соли.

Ход работы:

Опыт 1. Исследование поведения тела, которое тонет в воде (алюминиевый цилиндр).

1. Подвешиваем алюминиевый цилиндр к динамометру и измеряем его вес в воздухе. Этот вес равен силе тяжести, действующей на тело. $P_1 = F_т$.

2. Опускаем цилиндр, подвешенный к динамометру, в стакан с водой так, чтобы он был полностью погружен в воду, и измеряем его вес в воде $P_2$.

3. Вычисляем выталкивающую силу (силу Архимеда) $F_А$, действующую на тело, по формуле $F_А = P_1 - P_2$.

4. Сравниваем полученные значения силы тяжести $F_т$ и силы Архимеда $F_А$ и делаем вывод.

Предположим, измерения дали следующие результаты:

Дано:

Вес тела в воздухе: $P_1 = 0.81$ Н

Вес тела в воде: $P_2 = 0.51$ Н

Найти:

$F_т$ - ?

$F_А$ - ?

Решение:

Сила тяжести, действующая на тело, равна его весу в воздухе:

$F_т = P_1 = 0.81$ Н

Выталкивающая сила (сила Архимеда) равна разности веса тела в воздухе и веса тела в жидкости:

$F_А = P_1 - P_2 = 0.81 \text{ Н} - 0.51 \text{ Н} = 0.30$ Н

Теперь сравним полученные силы:

$F_т = 0.81$ Н

$F_А = 0.30$ Н

Видим, что $F_т > F_А$. В ходе эксперимента мы наблюдаем, что если отцепить тело от динамометра, оно утонет.

Ответ: Сила тяжести, действующая на тело ($0.81$ Н), больше выталкивающей силы ($0.30$ Н), поэтому тело тонет.

Опыт 2. Исследование поведения тела, которое плавает в воде (парафиновый цилиндр).

1. Подвешиваем парафиновый цилиндр к динамометру и измеряем его вес в воздухе $P_1 = F_т$.

2. Опускаем цилиндр в воду. Наблюдаем, что он плавает на поверхности.

3. Для сравнения силы тяжести и выталкивающей силы необходимо знать максимальную выталкивающую силу, которая может действовать на тело. Эта сила действует, когда тело полностью погружено в жидкость. Для этого принудительно погружаем тело полностью в воду (например, с помощью тонкой спицы, не касаясь дна) и измеряем показания динамометра $P_2$. Либо, если известен объем тела $\text{V}$, рассчитываем максимальную силу Архимеда по формуле $F_{А, макс} = \rho_{жидкости} \cdot g \cdot V_{тела}$.

Предположим, мы измерили вес и объем цилиндра:

Дано:

Вес тела в воздухе: $P_1 = 0.45$ Н

Объем тела: $V = 50 \text{ см}^3$

Плотность воды: $\rho_{воды} = 1000 \text{ кг/м}^3$

Ускорение свободного падения: $g \approx 10 \text{ Н/кг}$

$V = 50 \text{ см}^3 = 50 \cdot (10^{-2} \text{ м})^3 = 50 \cdot 10^{-6} \text{ м}^3 = 5 \cdot 10^{-5} \text{ м}^3$

Найти:

$F_т$ - ?

$F_{А, макс}$ - ?

Решение:

Сила тяжести равна весу тела в воздухе:

$F_т = P_1 = 0.45$ Н

Максимальная выталкивающая сила, которая действовала бы на тело при полном погружении:

$F_{А, макс} = \rho_{воды} \cdot g \cdot V_{тела} = 1000 \frac{\text{кг}}{\text{м}^3} \cdot 10 \frac{\text{Н}}{\text{кг}} \cdot 5 \cdot 10^{-5} \text{ м}^3 = 0.5$ Н

Теперь сравним полученные силы:

$F_т = 0.45$ Н

$F_{А, макс} = 0.5$ Н

Видим, что $F_т < F_{А, макс}$. В ходе эксперимента мы наблюдаем, что тело плавает на поверхности, погрузившись лишь частично. При плавании на поверхности выталкивающая сила, действующая на погруженную часть тела, равна силе тяжести ($F_{А, плав} = F_т = 0.45$ Н).

Ответ: Сила тяжести, действующая на тело ($0.45$ Н), меньше максимальной выталкивающей силы, которая может на него действовать ($0.5$ Н), поэтому тело плавает.

Вывод:

По результатам проведенных опытов можно сформулировать условия плавания тел:

1. Если сила тяжести $F_т$, действующая на тело, больше выталкивающей силы $F_А$, действующей на полностью погруженное тело, то тело тонет. ($F_т > F_А$ или $\rho_{тела} > \rho_{жидкости}$).

2. Если сила тяжести $F_т$ равна выталкивающей силе $F_А$, действующей на полностью погруженное тело, то тело может находиться в равновесии в любом месте жидкости (плавает внутри жидкости). ($F_т = F_А$ или $\rho_{тела} = \rho_{жидкости}$).

3. Если сила тяжести $F_т$ меньше выталкивающей силы $F_А$, которая действовала бы на полностью погруженное тело, то тело будет всплывать и плавать на поверхности жидкости, погрузившись частично. ($F_т < F_А$ или $\rho_{тела} < \rho_{жидкости}$).