Страница 165 - гдз по физике 7 класс учебник Пёрышкин, Иванов

1. Назовите условия, при которых находящееся в жидкости тело тонет; плавает; всплывает.

1. Назовите условия, при которых находящееся в жидкости тело тонет; плавает; всплывает.

На тело, находящееся в жидкости или газе, действуют две основные силы: вертикально вниз — сила тяжести ($F_т$), и вертикально вверх — выталкивающая сила, или сила Архимеда ($F_А$). Поведение тела зависит от соотношения модулей этих двух сил.

Сила тяжести определяется как $F_т = m_т g = \rho_т V_т g$, где $\rho_т$ — средняя плотность тела, $V_т$ — объём тела, а $g$ — ускорение свободного падения.

Сила Архимеда равна весу вытесненной жидкости: $F_А = \rho_ж g V_{погр}$, где $\rho_ж$ — плотность жидкости, а $V_{погр}$ — объём погружённой в жидкость части тела.

Сравнивая силу тяжести с максимальной выталкивающей силой (когда тело погружено полностью, $V_{погр} = V_т$), можно определить поведение тела:

Тело тонет
Если сила тяжести больше максимальной выталкивающей силы, тело будет опускаться на дно. Математически это условие записывается как $F_т > F_А$. Подставляя выражения для сил, получаем: $\rho_т V_т g > \rho_ж V_т g$, что упрощается до $\rho_т > \rho_ж$. Таким образом, тело тонет, если его средняя плотность больше плотности жидкости.

Тело всплывает
Если сила тяжести меньше выталкивающей силы, действующей на полностью погружённое тело, то равнодействующая этих сил будет направлена вверх, и тело будет подниматься к поверхности. Условие: $F_т < F_А$. Это соответствует условию для плотностей: $\rho_т < \rho_ж$. Тело всплывает, если его средняя плотность меньше плотности жидкости.

Тело плавает
Тело плавает, когда оно находится в состоянии равновесия в жидкости, то есть сила тяжести уравновешена выталкивающей силой: $F_т = F_А$. Это возможно в двух случаях:
1. Тело плавает, будучи полностью погружённым в жидкость. Это происходит, когда средняя плотность тела равна плотности жидкости: $\rho_т = \rho_ж$. В этом случае тело может находиться в равновесии на любой глубине.
2. Тело плавает на поверхности, будучи погружённым лишь частично. Это происходит с телами, чья средняя плотность меньше плотности жидкости ($\rho_т < \rho_ж$). После всплытия на поверхность тело погружается на такую глубину ($V_{погр} < V_т$), чтобы выталкивающая сила стала равной силе тяжести.

Ответ:

Тело тонет, если его средняя плотность больше плотности жидкости ($\rho_т > \rho_ж$).
Тело всплывает, если его средняя плотность меньше плотности жидкости ($\rho_т < \rho_ж$).
Тело плавает, если его средняя плотность равна плотности жидкости ($\rho_т = \rho_ж$), либо когда тело плавает на поверхности (что является следствием условия $\rho_т < \rho_ж$).

В предоставленном задании отсутствует рисунок 152, поэтому описание опыта невозможно.

Ответ: Рисунок 152 не предоставлен.

2. Опишите опыт, изображённый на рисунке 158. Какой вывод можно сделать по результатам опыта?

Опишите опыт, изображённый на рисунке 158. Какой вывод можно сделать по результатам опыта?

В данном опыте исследуется действие жидкости на погруженное в нее тело. Сначала тело взвешивают в воздухе с помощью динамометра, определяя его вес $P_1$. Затем это же тело, не снимая с динамометра, полностью погружают в жидкость (например, в воду). Динамометр показывает меньшее значение веса, $P_2$. Разница в показаниях динамометра $F_A = P_1 - P_2$ и есть выталкивающая сила, действующая на тело в жидкости.

Для полной демонстрации закона Архимеда опыт часто дополняют отливным сосудом. Перед погружением тела сосуд заполняют жидкостью до уровня отливной трубки. При погружении тела часть жидкости, равная объему погруженной части тела, выливается в подставленный стакан. Затем эту вытесненную жидкость взвешивают, и ее вес $P_{ж}$ сравнивают с найденной выталкивающей силой. Опыт показывает, что $F_A = P_{ж}$.

Из этого опыта можно сделать следующий вывод: на тело, погруженное в жидкость (или газ), действует выталкивающая сила, направленная вертикально вверх и равная по модулю весу жидкости (или газа) в объеме, вытесненном телом.

Ответ: Опыт демонстрирует существование выталкивающей силы (силы Архимеда) и позволяет измерить ее величину. Вывод, который можно сделать по результатам опыта, — это формулировка закона Архимеда: на тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, равная весу жидкости в объеме, вытесненном телом.

От чего... (предположительно, полный вопрос звучит так: "От чего зависит выталкивающая сила?")

Выталкивающая сила, или сила Архимеда, вычисляется по формуле: $F_A = \rho_ж \cdot g \cdot V_т$, где $\rho_ж$ – это плотность жидкости, $g$ – ускорение свободного падения, а $V_т$ – объем той части тела, которая погружена в жидкость.

Анализируя эту формулу, можно заключить, что величина выталкивающей силы зависит от следующих факторов:

1. Плотность жидкости ($\rho_ж$). Чем выше плотность жидкости, тем большая выталкивающая сила действует на погруженное в нее тело. Например, в соленой воде выталкивающая сила больше, чем в пресной.

2. Объем погруженной части тела ($V_т$). Чем больше объем тела погружен в жидкость, тем больше действующая на него выталкивающая сила. Максимальная выталкивающая сила действует на тело, когда оно погружено в жидкость полностью.

Важно отметить, что выталкивающая сила не зависит от плотности материала самого тела, его массы или формы (при одинаковом погруженном объеме), а также от глубины погружения (при условии полного погружения и однородности жидкости).

Ответ: Выталкивающая сила зависит от плотности жидкости, в которую погружено тело, и от объема погруженной части тела.

3. От чего зависит глубина погружения тела, плавающего на поверхности жидкости?

От чего зависит глубина погружения тела, плавающего на поверхности жидкости?

Глубина погружения тела, плавающего на поверхности, определяется условием равновесия, при котором сила тяжести, действующая на тело, равна выталкивающей силе (силе Архимеда).

Условие плавания тела: $F_Т = F_А$

Сила тяжести $F_Т$ зависит от массы тела $m$ и ускорения свободного падения $g$. Массу тела можно выразить через его среднюю плотность $\rho_т$ и полный объем $V_т$: $F_Т = mg = \rho_т V_т g$

Выталкивающая сила $F_А$ зависит от плотности жидкости $\rho_ж$ и объема погруженной в жидкость части тела $V_{погр}$: $F_А = \rho_ж g V_{погр}$

Приравнивая силы, получаем: $\rho_т V_т g = \rho_ж g V_{погр}$

Из этого равенства следует, что объем погруженной части тела равен: $V_{погр} = V_т \cdot \frac{\rho_т}{\rho_ж}$

Глубина погружения ($h$) — это вертикальный размер погруженной части тела, и она напрямую определяет объем этой части ($V_{погр}$). Таким образом, глубина погружения зависит от двух ключевых факторов:

1. Соотношение плотностей. Глубина погружения прямо пропорциональна средней плотности тела $\rho_т$. Чем плотнее тело, тем глубже оно погружается. Например, нагруженный корабль (его средняя плотность выше) сидит в воде глубже, чем пустой.
2. Плотность жидкости. Глубина погружения обратно пропорциональна плотности жидкости $\rho_ж$. Чем плотнее жидкость, тем меньшая часть тела должна быть погружена для создания необходимой выталкивающей силы. Например, в соленой морской воде (более плотной) тело будет плавать выше, чем в пресной речной воде.

Ответ: Глубина погружения тела, плавающего на поверхности, зависит от соотношения средней плотности тела и плотности жидкости. Чем больше плотность тела и чем меньше плотность жидкости, тем глубже погружается тело.

4. Какие особенности строения водных обитателей позволяют им регулировать глубину погружения?

Водные обитатели выработали различные приспособления для контроля своей плавучести и регулирования глубины погружения. В основе этих механизмов лежит изменение средней плотности тела.

• Плавательный пузырь. Это основное приспособление большинства костистых рыб. Плавательный пузырь — это тонкостенный мешок внутри тела, заполненный газом. Изменяя количество газа в пузыре (рыба может "подкачивать" или "стравливать" газ через сеть капилляров), рыба изменяет свой общий объем почти без изменения массы. Увеличение объема пузыря уменьшает среднюю плотность рыбы, и она всплывает. Уменьшение объема, наоборот, увеличивает плотность, и рыба погружается. Это позволяет ей оставаться на определенной глубине, не затрачивая энергию на плавание.
• Жировые ткани и легкие. Морские млекопитающие (киты, дельфины) и некоторые рыбы (например, акулы) не имеют плавательного пузыря. Они используют другие методы. У них есть значительные запасы жира (например, подкожный слой у китов или огромная печень у акул), плотность которого меньше плотности воды. Это создает постоянную положительную плавучесть. Для погружения они используют мышечные усилия, а для регулирования глубины — изменяют объем воздуха в легких.
• Газовые камеры в раковине. Некоторые головоногие моллюски, такие как наутилус, имеют многокамерную раковину. Они могут изменять количество жидкости и газа в этих камерах, что позволяет им очень точно регулировать свою среднюю плотность и, соответственно, глубину погружения.

Ответ: Основные особенности строения водных обитателей, позволяющие регулировать глубину погружения, — это наличие органов для изменения средней плотности тела. К ним относятся плавательный пузырь у рыб, запасы легкой жировой ткани и контроль объема воздуха в легких у морских млекопитающих, а также газовые камеры в раковинах у некоторых моллюсков.

4. Какие особенности строения водных обитателей позволяют им плавать на различной глубине?

Способность водных обитателей плавать на различной глубине, то есть регулировать свою плавучесть, достигается за счет различных анатомических и физиологических особенностей, позволяющих им изменять среднюю плотность своего тела. Условие плавания тела в жидкости определяется соотношением между силой тяжести ($F_T = mg$) и выталкивающей силой Архимеда ($F_A = \rho_{ж} g V_т$), где $m$ — масса тела, $V_т$ — объем погруженной части тела, а $\rho_{ж}$ — плотность жидкости. Для поддержания постоянной глубины (нулевой плавучести) необходимо, чтобы средняя плотность тела ($\rho_т = m/V_т$) была равна плотности воды. Для всплытия $\rho_т < \rho_{ж}$, для погружения $\rho_т > \rho_{ж}$.

Основные приспособления у разных групп водных животных следующие:

Костные рыбы (Osteichthyes). Основным органом регуляции плавучести у большинства костных рыб является плавательный пузырь. Это газонаполненный мешок, изменяя объем которого рыба регулирует свою среднюю плотность. Чтобы всплыть, рыба накачивает в пузырь газ (из крови или заглатывая воздух), увеличивая свой объем и выталкивающую силу. Чтобы погрузиться — уменьшает объем пузыря, выпуская газ или позволяя ему раствориться в крови.

Хрящевые рыбы (Chondrichthyes). У акул и скатов нет плавательного пузыря. Они используют несколько основных механизмов. Во-первых, у них очень крупная печень, богатая легкими жирами (в частности, скваленом), что уменьшает общую плотность тела. Во-вторых, они создают гидродинамическую подъемную силу благодаря форме грудных плавников и хвоста при постоянном движении вперед. В-третьих, их хрящевой скелет значительно легче костного.

Морские млекопитающие. Киты, дельфины и тюлени регулируют плавучесть с помощью толстого слоя подкожного жира (ворвани), который легче воды и обеспечивает положительную плавучесть. Также они могут контролировать объем воздуха в легких, часто выдыхая перед глубоким погружением, чтобы уменьшить плавучесть и облегчить погружение.

Головоногие моллюски. У некоторых из них есть специальные гидростатические органы. Например, наутилус использует камеры в своей раковине, регулируя в них соотношение газа и жидкости для достижения нейтральной плавучести. Каракатица имеет пористую внутреннюю пластинку (сепион), работающую по схожему принципу. Большинство же кальмаров тяжелее воды и поддерживают глубину за счет активного плавания и реактивного движения.

Ответ:

Водные обитатели плавают на различной глубине благодаря особенностям строения, позволяющим им регулировать свою среднюю плотность и, как следствие, плавучесть. Основные приспособления включают: у костных рыб — плавательный пузырь, объем которого можно изменять; у хрящевых рыб (акул) — большая, богатая легкими жирами печень и создание гидродинамической подъемной силы при движении; у морских млекопитающих — толстый слой подкожного жира (ворвань) и контроль объема воздуха в легких; у некоторых головоногих моллюсков (наутилус, каракатица) — специальные камеры или пористые структуры в раковине, заполняемые газом или жидкостью.