Страница 170 - гдз по физике 7 класс учебник Пёрышкин, Иванов

Физика, 7 класс Учебник, авторы: Пёрышкин И М, Иванов Александр Иванович, издательство Просвещение, Москва, 2023, белого цвета

Авторы: Пёрышкин И. М., Иванов А. И.

Тип: Учебник

Издательство: Просвещение

Год издания: 2023 - 2025

Уровень обучения: базовый

Цвет обложки: белый

ISBN: 978-5-09-103443-1

Допущено Министерством просвещения Российской Федерации

Популярные ГДЗ в 7 классе

Cтраница 170

№1 (с. 170)
Условие. №1 (с. 170)
ГДЗ Физика, 7 класс Учебник, авторы: Пёрышкин И М, Иванов Александр Иванович, издательство Просвещение, Москва, 2023, белого цвета, страница 170, номер 1, Условие

1. Почему тяжёлые суда могут плавать?

Решение. №1 (с. 170)
ГДЗ Физика, 7 класс Учебник, авторы: Пёрышкин И М, Иванов Александр Иванович, издательство Просвещение, Москва, 2023, белого цвета, страница 170, номер 1, Решение
Решение 2. №1 (с. 170)

Способность тяжёлых судов плавать, несмотря на то что они сделаны из материалов (в основном из стали), плотность которых значительно выше плотности воды, объясняется законом Архимеда и особенностями их конструкции.

На любое тело, погружённое в жидкость, действуют две основные силы. Первая — это сила тяжести ($F_{тяж}$), направленная вертикально вниз. Она равна произведению массы тела $m$ на ускорение свободного падения $g$: $F_{тяж} = mg$. Вторая — это выталкивающая сила (сила Архимеда, $F_A$), направленная вертикально вверх. Согласно закону Архимеда, эта сила равна весу жидкости, вытесненной телом, и рассчитывается по формуле: $F_A = \rho_{ж} g V_{п}$, где $\rho_{ж}$ — плотность жидкости, а $V_{п}$ — объём погружённой в жидкость части тела.

Тело плавает на поверхности жидкости при условии, что действующая на него выталкивающая сила уравновешивает силу тяжести: $F_A = F_{тяж}$.

Если взять сплошной кусок стали, его плотность будет примерно в 7.8 раз больше плотности воды. При полном погружении объём вытесненной им воды будет равен его собственному объёму. Так как его масса (а следовательно, и сила тяжести) в 7.8 раз больше массы такого же объёма воды, выталкивающая сила окажется недостаточной, чтобы удержать его на плаву, и кусок стали утонет.

Корпус судна, в отличие от сплошного куска стали, имеет особую полостную конструкцию. Он представляет собой огромную чашу. Благодаря такой форме, даже при частичном погружении в воду, судно вытесняет очень большой объём воды, так как его подводная часть имеет огромный объём. Внутренняя часть корпуса при этом заполнена в основном воздухом, что делает среднюю плотность всего судна (общая масса, делённая на общий объём, ограниченный корпусом) меньше плотности воды.

Когда судно спускают на воду, оно погружается до тех пор, пока вес вытесненной им воды (сила Архимеда) не станет равным весу самого судна (сила тяжести). В этот момент силы уравновешиваются, и судно остаётся на плаву. Запас плавучести позволяет судну принимать на борт груз: при увеличении массы судно погружается глубже, вытесняя больше воды, и, следовательно, увеличивая выталкивающую силу до тех пор, пока она снова не сравняется с возросшей силой тяжести.

Ответ: Тяжёлые суда могут плавать благодаря закону Архимеда и своей полой конструкции. Корпус судна имеет большой объём и вытесняет значительное количество воды. Это создаёт выталкивающую силу, которая равна весу вытесненной воды. Судно погружается в воду ровно на такую глубину, чтобы выталкивающая сила уравновесила его огромный вес, что и позволяет ему держаться на плаву.

№2 (с. 170)
Условие. №2 (с. 170)
ГДЗ Физика, 7 класс Учебник, авторы: Пёрышкин И М, Иванов Александр Иванович, издательство Просвещение, Москва, 2023, белого цвета, страница 170, номер 2, Условие

2. Зачем на корпус судна наносят ватерлинию?

Решение. №2 (с. 170)
ГДЗ Физика, 7 класс Учебник, авторы: Пёрышкин И М, Иванов Александр Иванович, издательство Просвещение, Москва, 2023, белого цвета, страница 170, номер 2, Решение
Решение 2. №2 (с. 170)

Почему тяжёлые суда могут плавать?

Тяжёлые суда могут плавать благодаря действию выталкивающей силы, известной как сила Архимеда. Согласно закону Архимеда, на любое тело, погружённое в жидкость (или газ), действует выталкивающая сила, равная весу жидкости, вытесненной этим телом. Формула для силы Архимеда выглядит так: $F_A = \rho_ж \cdot g \cdot V_{погр}$, где $\rho_ж$ — плотность жидкости, $g$ — ускорение свободного падения, а $V_{погр}$ — объём погружённой части тела.

Хотя корабль сделан из тяжёлых материалов, таких как сталь (плотность которой намного больше плотности воды), его корпус имеет особую форму и содержит внутри большие пустые пространства (трюмы, отсеки). Из-за этого средняя плотность всего судна (общая масса, делённая на общий объём) оказывается меньше плотности воды. Судно погружается в воду до тех пор, пока вес вытесненной им воды не станет равным полному весу судна вместе с грузом. В этот момент сила Архимеда уравновешивает силу тяжести ($F_A = P_{судна}$), и судно начинает плавать. Таким образом, благодаря большому объёму подводной части, судно способно вытеснить достаточное количество воды, чтобы удержаться на плаву даже при очень большой массе.

Ответ: Тяжёлые суда плавают, потому что выталкивающая сила (сила Архимеда), действующая на их большой по объёму корпус, уравновешивает их огромный вес. Это возможно благодаря тому, что средняя плотность судна меньше плотности воды.

2. Зачем на корпусе судна наносят ватерлинию?

Ватерлиния — это линия на корпусе судна, которая указывает максимально допустимую осадку, то есть глубину, на которую судно может безопасно погрузиться в воду при полной загрузке. Нанесение ватерлинии преследует несколько важных целей:

  • Обеспечение безопасности: Это главная причина. Если судно будет загружено сверх ватерлинии, его остойчивость (способность возвращаться в прямое положение после наклона) снизится. Перегруженное судно становится уязвимым для опрокидывания, особенно во время шторма или при сильной качке.
  • Контроль загрузки: Ватерлиния служит визуальным ориентиром для контроля за количеством принимаемого на борт груза. Экипаж и портовые службы могут легко определить, не превышена ли максимальная грузоподъёмность судна.
  • Соблюдение международных норм: Существуют международные стандарты (например, грузовая марка или линия Плимсоля), которые регламентируют максимальную осадку для различных условий плавания (солёная или пресная вода, летний или зимний сезон), поскольку плотность воды меняется в зависимости от её солёности и температуры, что влияет на плавучесть.

Ответ: Ватерлинию наносят для обозначения максимально допустимого уровня погружения судна в воду, чтобы предотвратить перегрузку и обеспечить безопасность плавания.

3. Что такое грузоподъёмность судна?

Грузоподъёмность судна (или дедвейт) — это максимальная масса всех грузов, которые судно может принять на борт. Важно понимать, что под "грузами" здесь подразумевается не только коммерческий груз, но и всё, что необходимо для рейса: топливо, пресная вода, балласт, запасы продовольствия, а также вес экипажа и пассажиров.

С технической точки зрения, грузоподъёмность — это разница между полным водоизмещением судна и его водоизмещением порожнем.

  • Водоизмещение — это масса воды, вытесняемая судном.
  • Полное водоизмещение — это водоизмещение судна, загруженного по грузовую марку (ватерлинию).
  • Водоизмещение порожнем — это водоизмещение пустого судна, без груза, топлива и запасов.

Таким образом, грузоподъёмность показывает, какой вес может взять на себя судно, чтобы опуститься в воду от своего "пустого" состояния до предельно допустимой отметки — ватерлинии.

Ответ: Грузоподъёмность — это максимальная масса полезного груза, топлива, запасов и людей, которую судно может безопасно перевезти.

4. Как рассчитать грузоподъёмность судна?

Грузоподъёмность судна можно рассчитать, зная его объём при погружении до ватерлинии и объём при погружении в порожнем (пустом) состоянии. Расчёт основан на законе Архимеда.

Решение

1. Вес судна с максимальным грузом $P_{полн}$ уравновешивается максимальной выталкивающей силой $F_{А_{max}}$, когда судно погружено до ватерлинии. Объём погружённой части в этом случае равен $V_{max}$.
$P_{полн} = F_{А_{max}} = \rho_ж \cdot g \cdot V_{max}$

2. Вес пустого судна $P_{судна}$ (без груза, топлива и т.д.) уравновешивается выталкивающей силой $F_{А_{порож}}$, когда оно плавает в порожнем состоянии. Объём погружённой части в этом случае равен $V_{порож}$.
$P_{судна} = F_{А_{порож}} = \rho_ж \cdot g \cdot V_{порож}$

3. Грузоподъёмность по определению — это вес груза $P_{груза}$, который можно добавить к пустому судну, чтобы загрузить его до ватерлинии. Таким образом, полный вес судна равен сумме веса пустого судна и веса груза:
$P_{полн} = P_{судна} + P_{груза}$

4. Отсюда мы можем выразить вес груза (грузоподъёмность):
$P_{груза} = P_{полн} - P_{судна}$

5. Подставим в это уравнение выражения для весов через силу Архимеда из пунктов 1 и 2:
$P_{груза} = (\rho_ж \cdot g \cdot V_{max}) - (\rho_ж \cdot g \cdot V_{порож})$

6. Вынесем общие множители за скобки и получим окончательную формулу для расчёта веса груза (грузоподъёмности):
$P_{груза} = \rho_ж \cdot g \cdot (V_{max} - V_{порож})$
где $\rho_ж$ — плотность воды, $g$ — ускорение свободного падения, $V_{max}$ — объём подводной части судна при загрузке до ватерлинии, $V_{порож}$ — объём подводной части пустого судна.

Ответ: Грузоподъёмность судна (в единицах веса, например, в Ньютонах) рассчитывается как произведение плотности воды, ускорения свободного падения и разности объёмов подводной части судна при максимальной и минимальной (порожней) загрузке: $P_{груза} = \rho_ж \cdot g \cdot (V_{max} - V_{порож})$.

№3 (с. 170)
Условие. №3 (с. 170)
ГДЗ Физика, 7 класс Учебник, авторы: Пёрышкин И М, Иванов Александр Иванович, издательство Просвещение, Москва, 2023, белого цвета, страница 170, номер 3, Условие

3. Что такое грузоподъёмность судна?

Решение. №3 (с. 170)
ГДЗ Физика, 7 класс Учебник, авторы: Пёрышкин И М, Иванов Александр Иванович, издательство Просвещение, Москва, 2023, белого цвета, страница 170, номер 3, Решение
Решение 2. №3 (с. 170)

3. Грузоподъёмность судна — это одна из ключевых технических характеристик, которая определяет максимальное количество груза, которое судно может принять на борт. С точки зрения физики, это понятие тесно связано с законом Архимеда и плавучестью тел.

Когда судно находится на плаву, на него действует выталкивающая сила (сила Архимеда), равная весу вытесненной им воды. Эта сила уравновешивает силу тяжести, действующую на судно. Сила тяжести судна складывается из веса самого судна (корпуса, механизмов), а также веса всего, что находится на борту: груза, топлива, запасов воды, провизии, экипажа и т.д.

Максимально допустимая загрузка судна ограничена его осадкой — глубиной погружения в воду. Предельная осадка отмечается специальной грузовой маркой (ватерлинией) на борту судна. Погружение судна ниже этой марки небезопасно и запрещено международными правилами.

Грузоподъёмность можно определить как разницу между полным водоизмещением судна и его водоизмещением порожнем.

  • Водоизмещение ($D$) — это масса воды, вытесняемой судном. По закону Архимеда, вес вытесненной воды равен весу самого судна со всем, что на нем находится. Полное водоизмещение соответствует загрузке судна до грузовой марки.
  • Водоизмещение порожнем — это масса судна без груза, топлива, запасов и т.д.

В морской практике различают два основных понятия, связанных с грузоподъёмностью:

1. Дедвейт (Deadweight, DWT) — это полная грузоподъёмность судна. Она представляет собой общую массу всех грузов, которые судно может принять на борт до достижения максимальной осадки по грузовую марку. Дедвейт включает в себя не только коммерческий груз, но и все необходимые для рейса запасы: топливо, смазочные материалы, питьевую и техническую воду, провизию, а также вес экипажа с багажом и пассажиров.
Формула для дедвейта:
$DWT = D_{полное} - D_{порожнем}$
где $D_{полное}$ — водоизмещение судна в полном грузу (при осадке по грузовую марку), а $D_{порожнем}$ — водоизмещение порожнего судна.

2. Чистая грузоподъёмность (Net Cargo Capacity) — это масса исключительно полезного (коммерческого) груза, который судно может перевезти. Именно эта величина определяет экономическую эффективность судна. Она рассчитывается как дедвейт за вычетом массы всех судовых запасов, необходимых для выполнения рейса.
$\text{Чистая грузоподъёмность} = DWT - (\text{масса топлива} + \text{масса воды} + \text{масса провизии} + \dots)$

Таким образом, грузоподъёмность судна — это мера, показывающая, какой вес груза и запасов оно способно безопасно нести на плаву, не превышая конструктивно заложенных ограничений по осадке.

Ответ: Грузоподъёмность судна — это максимальная масса груза, которую судно может безопасно принять на борт. Физически она определяется разницей между выталкивающей силой при максимальной осадке и весом самого судна со всеми необходимыми для плавания запасами (топливом, водой и т.д.). Различают полную грузоподъёмность (дедвейт), включающую все грузы и запасы, и чистую грузоподъёмность, которая учитывает только коммерческий груз.

№4 (с. 170)
Условие. №4 (с. 170)
ГДЗ Физика, 7 класс Учебник, авторы: Пёрышкин И М, Иванов Александр Иванович, издательство Просвещение, Москва, 2023, белого цвета, страница 170, номер 4, Условие

4. Как рассчитать подъёмную силу шара, наполненного газом?

Решение. №4 (с. 170)
ГДЗ Физика, 7 класс Учебник, авторы: Пёрышкин И М, Иванов Александр Иванович, издательство Просвещение, Москва, 2023, белого цвета, страница 170, номер 4, Решение
Решение 2. №4 (с. 170)

Что такое грузоподъёмность судна?

Грузоподъёмность судна — это одна из его ключевых эксплуатационных характеристик, которая определяет максимальную массу груза, которую судно может принять на борт. Различают два основных понятия грузоподъёмности:

  • Полная грузоподъёмность (дедвейт, DWT): Это масса всех грузов, которые судно может принять, включая не только коммерческий груз, но и топливо, пресную воду, запасы продовольствия, балласт, а также массу экипажа с багажом. Дедвейт равен разности между полным водоизмещением судна (массой воды, вытесняемой судном при его погружении по грузовую марку) и водоизмещением порожнего судна (массой самого судна со всем оборудованием, но без грузов и запасов).
  • Чистая грузоподъёмность: Это масса непосредственно полезного (коммерческого) груза, который может перевозить судно. Она меньше дедвейта на величину массы судовых запасов.

Грузоподъёмность напрямую связана с законом Архимеда. Сила Архимеда, действующая на судно, равна весу вытесненной им воды. Чтобы судно плавало, эта сила должна уравновешивать вес самого судна вместе со всем, что на нём находится. Максимально допустимая осадка судна, а следовательно, и максимальная масса груза, ограничена специальной отметкой на борту — грузовой маркой (линией Плимсоля). Погружение судна ниже этой марки считается небезопасным.

Таким образом, грузоподъёмность — это вес груза, который можно добавить к весу порожнего судна, чтобы оно погрузилось в воду до максимально разрешённого уровня (грузовой ватерлинии).

Ответ: Грузоподъёмность судна — это максимальная масса груза, которую судно может безопасно принять на борт. Она определяется как разница между полным водоизмещением судна (при погружении по грузовую марку) и его водоизмещением в порожнем состоянии и включает в себя массу коммерческого груза, топлива, воды, запасов и экипажа.

4. Как рассчитать подъёмную силу шара, наполненного газом?

Для расчёта подъёмной силы шара, наполненного газом, необходимо использовать закон Архимеда и учесть вес газа внутри шара. Подъёмная сила — это разница между выталкивающей силой (силой Архимеда), действующей на шар со стороны окружающего воздуха, и силой тяжести, действующей на газ, наполняющий шар.

Дано:

$V$ – объём шара, м³
$\rho_{возд}$ – плотность окружающего воздуха, кг/м³
$\rho_{газа}$ – плотность газа внутри шара, кг/м³
$g$ – ускорение свободного падения, м/с² (приблизительно 9,8 м/с²)

Найти:

$F_{под}$ – подъёмная сила шара, Н

Решение:

1. Сначала определим выталкивающую силу (силу Архимеда), которая действует на шар. По закону Архимеда, она равна весу воздуха, вытесненного объёмом шара:

$F_A = \rho_{возд} \cdot g \cdot V$

2. Далее найдём вес газа, находящегося внутри шара. Сила тяжести, действующая на этот газ, рассчитывается по формуле:

$P_{газа} = m_{газа} \cdot g$

Массу газа $m_{газа}$ можно выразить через его плотность и объём: $m_{газа} = \rho_{газа} \cdot V$. Тогда вес газа будет:

$P_{газа} = \rho_{газа} \cdot g \cdot V$

3. Подъёмная сила $F_{под}$ шара (без учёта веса его оболочки и оборудования) — это та сила, которая создается разностью между силой Архимеда и весом внутреннего газа. Она показывает, какой максимальный вес (оболочка + полезный груз) может быть поднят в воздух.

$F_{под} = F_A - P_{газа}$

4. Подставим выражения для $F_A$ и $P_{газа}$ в эту формулу:

$F_{под} = \rho_{возд} \cdot g \cdot V - \rho_{газа} \cdot g \cdot V$

Вынесем общие множители за скобки, чтобы получить итоговую расчётную формулу:

$F_{под} = (\rho_{возд} - \rho_{газа}) \cdot g \cdot V$

Из формулы видно, что для создания подъёмной силы необходимо, чтобы плотность газа внутри шара была меньше плотности окружающего воздуха ($\rho_{газа} < \rho_{возд}$). Чем больше эта разница и чем больше объём шара, тем больше его подъёмная сила.

Чтобы найти массу полезного груза, который может поднять шар (его грузоподъёмность), нужно из полученной подъёмной силы вычесть вес оболочки шара, корзины и другого оборудования ($P_{обол}$): $F_{груза} = F_{под} - P_{обол}$.

Ответ: Подъёмная сила шара, наполненного газом, рассчитывается по формуле $F_{под} = (\rho_{возд} - \rho_{газа}) \cdot g \cdot V$, где $\rho_{возд}$ — плотность окружающего воздуха, $\rho_{газа}$ — плотность газа внутри шара, $V$ — объём шара, а $g$ — ускорение свободного падения.

№5 (с. 170)
Условие. №5 (с. 170)
ГДЗ Физика, 7 класс Учебник, авторы: Пёрышкин И М, Иванов Александр Иванович, издательство Просвещение, Москва, 2023, белого цвета, страница 170, номер 5, Условие

5. Как изменяется действующая на шар архимедова сила по мере его подъёма?

Решение. №5 (с. 170)
ГДЗ Физика, 7 класс Учебник, авторы: Пёрышкин И М, Иванов Александр Иванович, издательство Просвещение, Москва, 2023, белого цвета, страница 170, номер 5, Решение
Решение 2. №5 (с. 170)

5. Как считать подъёмную силу шара, наполненного газом?

Решение

Подъёмная сила шара, наполненного газом, — это результирующая сила, которая определяет, будет ли шар подниматься, опускаться или находиться в равновесии. Она вычисляется как разность между выталкивающей силой (силой Архимеда), действующей на шар со стороны окружающей среды (воздуха), и общей силой тяжести, действующей на шар (включая газ внутри, оболочку и полезный груз).

На шар в воздухе действуют две основные силы:

  1. Сила Архимеда ($F_A$), направленная вертикально вверх. По закону Архимеда, она равна весу воздуха, вытесненного объёмом шара. Рассчитывается по формуле:
    $F_A = \rho_{возд} \cdot g \cdot V$
    где $\rho_{возд}$ – плотность окружающего воздуха, $g$ – ускорение свободного падения, $V$ – объём шара.
  2. Общая сила тяжести ($P_{общ}$), направленная вертикально вниз. Она является суммой веса газа, наполняющего шар ($P_{газа}$), и веса его оболочки вместе с полезным грузом ($P_{обор}$).
    Вес газа внутри шара:
    $P_{газа} = m_{газа} \cdot g = \rho_{газа} \cdot V \cdot g$
    где $\rho_{газа}$ – плотность газа внутри шара.
    Следовательно, общая сила тяжести:
    $P_{общ} = P_{газа} + P_{обор} = (\rho_{газа} \cdot V \cdot g) + P_{обор}$

Подъёмная сила ($F_{подъём}$) — это векторная сумма этих сил, или, в данном случае, их разность, так как они направлены в противоположные стороны:
$F_{подъём} = F_A - P_{общ}$
Подставив выражения для сил, мы получим общую формулу для расчёта подъёмной силы:
$F_{подъём} = (\rho_{возд} \cdot g \cdot V) - ((\rho_{газа} \cdot V \cdot g) + P_{обор})$
Эту формулу можно упростить, сгруппировав слагаемые:
$F_{подъём} = (\rho_{возд} - \rho_{газа}) \cdot g \cdot V - P_{обор}$
Шар будет подниматься, если $F_{подъём} > 0$. Это условие выполняется, когда плотность газа внутри шара ($\rho_{газа}$) меньше плотности окружающего воздуха ($\rho_{возд}$).

Ответ: Подъёмную силу шара ($F_{подъём}$) рассчитывают по формуле $F_{подъём} = (\rho_{возд} - \rho_{газа}) \cdot g \cdot V - P_{обор}$, где $F_{подъём}$ — это разность между выталкивающей силой Архимеда и суммарной силой тяжести (газ + оболочка с грузом). Здесь $\rho_{возд}$ и $\rho_{газа}$ — плотности окружающего воздуха и газа внутри шара соответственно, $V$ — объём шара, $g$ — ускорение свободного падения, $P_{обор}$ — вес оболочки и полезного груза.

6. Как изменяется действующая на шар архимедова сила по мере его подъёма?

Решение

Действующая на шар архимедова (или выталкивающая) сила определяется формулой:
$F_A = \rho_{возд} \cdot g \cdot V$
где $\rho_{возд}$ – плотность окружающего воздуха, $g$ – ускорение свободного падения, и $V$ – объём шара.

Проанализируем, как изменяются величины в этой формуле по мере подъёма шара:

  • Плотность воздуха ($\rho_{возд}$) уменьшается. Это основной фактор. С увеличением высоты над уровнем моря атмосферное давление падает, и воздух становится более разреженным. Следовательно, плотность воздуха уменьшается.
  • Ускорение свободного падения ($g$) незначительно уменьшается. С удалением от центра Земли сила гравитации ослабевает, но на высотах, достигаемых аэростатами, это изменение очень мало и им обычно пренебрегают по сравнению с изменением плотности воздуха.
  • Объём шара ($V$) может оставаться постоянным или увеличиваться. Если шар имеет жёсткую оболочку, его объём не изменяется. Если оболочка эластичная (например, у метеорологического зонда), то по мере уменьшения внешнего давления газ внутри шара расширяется, и его объём $V$ увеличивается.

Несмотря на возможное увеличение объёма $V$ у шара с эластичной оболочкой, падение плотности воздуха $\rho_{возд}$ с высотой происходит значительно быстрее. Поэтому произведение $\rho_{возд} \cdot V$ (а значит, и сама сила Архимеда) в любом случае будет уменьшаться с набором высоты.

Таким образом, по мере подъёма шара действующая на него выталкивающая сила Архимеда ослабевает. Подъём шара прекратится, когда архимедова сила станет равной общей силе тяжести шара ($F_A = P_{общ}$). На этой высоте шар достигнет состояния равновесия и будет находиться на постоянной высоте (если пренебречь ветром и вертикальными потоками воздуха).

Ответ: По мере подъёма шара действующая на него архимедова сила уменьшается. Основная причина этого — уменьшение плотности окружающего воздуха с увеличением высоты.

№6 (с. 170)
Условие. №6 (с. 170)
ГДЗ Физика, 7 класс Учебник, авторы: Пёрышкин И М, Иванов Александр Иванович, издательство Просвещение, Москва, 2023, белого цвета, страница 170, номер 6, Условие

6. Как регулируют высоту подъёма воздушного шара с помощью горелки?

Решение. №6 (с. 170)
ГДЗ Физика, 7 класс Учебник, авторы: Пёрышкин И М, Иванов Александр Иванович, издательство Просвещение, Москва, 2023, белого цвета, страница 170, номер 6, Решение
Решение 2. №6 (с. 170)

Как изменяется действующая на шар архимедова сила по мере его подъёма?

Решение
Архимедова (выталкивающая) сила, действующая на тело, погруженное в жидкость или газ, определяется формулой Архимеда: $F_A = \rho_{окр} \cdot g \cdot V_{тела}$
где $F_A$ — архимедова сила, $\rho_{окр}$ — плотность окружающей среды (в данном случае воздуха), $g$ — ускорение свободного падения, а $V_{тела}$ — объём тела (в данном случае объём воздушного шара).

Во время подъёма воздушного шара его объём $V_{тела}$ остаётся практически неизменным. Ускорением свободного падения $g$ также можно пренебречь, так как оно очень незначительно изменяется с высотой.

Ключевым фактором является плотность окружающего воздуха $\rho_{окр}$. С набором высоты атмосфера Земли становится всё более разреженной, то есть плотность воздуха уменьшается.

Так как архимедова сила $F_A$ прямо пропорциональна плотности окружающей среды $\rho_{окр}$, то по мере подъёма шара на большую высоту, где воздух менее плотный, действующая на шар архимедова сила будет уменьшаться.

Ответ: По мере подъёма воздушного шара действующая на него архимедова сила уменьшается, потому что с высотой уменьшается плотность окружающего воздуха.

Как регулируют высоту подъёма воздушного шара с помощью горелки?

Решение

Регулирование высоты полёта воздушного шара основано на управлении соотношением двух главных сил: направленной вверх архимедовой силы $F_A$ и направленной вниз силы тяжести $F_g$.

  • Для подъёма необходимо, чтобы архимедова сила была больше силы тяжести ($F_A > F_g$).
  • Для снижения необходимо, чтобы сила тяжести была больше архимедовой силы ($F_g > F_A$).
  • Для зависания на постоянной высоте силы должны быть равны ($F_A = F_g$).

Архимедова сила $F_A = \rho_{окр} \cdot g \cdot V$ зависит от плотности наружного воздуха $\rho_{окр}$, которая определяется высотой, и от объёма шара $V$. Эти параметры пилот напрямую не контролирует.

Сила тяжести $F_g = m_{общ} \cdot g$. Общая масса $m_{общ}$ складывается из постоянной массы (оболочка, корзина, оборудование, пассажиры) и массы воздуха внутри оболочки. Масса внутреннего воздуха равна $m_{внутр} = \rho_{внутр} \cdot V$. Именно на эту величину пилот может влиять с помощью горелки.
Когда пилот включает горелку, она нагревает воздух внутри оболочки. Согласно законам физики, при нагревании плотность газа уменьшается. Следовательно, плотность воздуха внутри шара $\rho_{внутр}$ падает. Это приводит к уменьшению массы внутреннего воздуха $m_{внутр}$, а значит, и к уменьшению общей силы тяжести шара $F_g$. Когда сила тяжести становится меньше архимедовой силы, шар начинает подниматься.

Чтобы снизиться, пилот либо даёт воздуху в оболочке остыть естественным путём, либо открывает специальный парашютный клапан в верхней части купола, чтобы быстрее выпустить горячий воздух. Остывание или выпуск горячего воздуха приводит к увеличению средней плотности воздуха внутри оболочки $\rho_{внутр}$. Общая сила тяжести $F_g$ возрастает и, когда она становится больше архимедовой силы $F_A$, шар начинает снижаться.

Для поддержания постоянной высоты пилот периодическими короткими включениями горелки поддерживает такую температуру воздуха внутри, при которой сила тяжести точно уравновешивает архимедову силу на данной высоте.

Ответ: Горелка нагревает воздух внутри шара, что уменьшает его плотность и общую силу тяжести. Для подъёма воздух нагревают, делая силу тяжести меньше архимедовой силы. Для снижения воздуху позволяют остыть (или выпускают его), увеличивая силу тяжести. Для удержания высоты поддерживают температуру, при которой обе силы равны.

Помогло решение? Оставьте отзыв в комментариях ниже.

Присоединяйтесь к Телеграм-группе @top_gdz

Присоединиться