Эксперимент в классе, страница 166 - гдз по физике 7 класс учебник Закирова, Аширов

Эксперимент в классе

Рассмотрите иллюстрацию эксперимента, основанного на условии плавания тел (рис. 162). Повторите опыт, используя доступные для вас несмешивающиеся жидкости и тела различной плотности. Какое практическое применение может получить этот эксперимент?

Рис. 162. Тело плавает внутри жидкости равной плотности

Объяснение эксперимента

Данный эксперимент наглядно демонстрирует два фундаментальных физических принципа: плотность и условие плавания тел (закон Архимеда).

1. Плотность и расслоение жидкостей. Несмешивающиеся жидкости, налитые в один сосуд, располагаются слоями в соответствии с их плотностью ($ \rho $). Жидкость с наибольшей плотностью оказывается на самом дне, а жидкость с наименьшей плотностью — наверху. На рисунке мы видим, что мед ($ \rho \approx 1450 \text{ кг/м}^3 $) находится внизу, а ламповое масло ($ \rho \approx 800 \text{ кг/м}^3 $) — наверху.

2. Условие плавания тел. Поведение тела, помещенного в жидкость (или несколько жидкостей), зависит от соотношения его средней плотности ($ \rho_{тела} $) и плотности жидкости ($ \rho_{жидкости} $). На тело действуют две основные силы: сила тяжести ($ F_g $), направленная вниз, и выталкивающая сила Архимеда ($ F_A $), направленная вверх.

• Если плотность тела больше плотности жидкости ($ \rho_{тела} > \rho_{жидкости} $), сила тяжести больше максимальной выталкивающей силы, и тело тонет. В нашем случае болт утонул во всех жидкостях и лежит на дне, так как его плотность (сталь, $ \rho \approx 7850 \text{ кг/м}^3 $) больше плотности меда.
• Если плотность тела меньше плотности жидкости ($ \rho_{тела} < \rho_{жидкости} $), тело будет плавать, частично погрузившись в жидкость. Шарик для пинг-понга плавает на самом верхнем слое (ламповое масло), так как его средняя плотность очень мала.
• Если тело помещено в систему из нескольких жидкостей, оно будет тонуть до тех пор, пока не достигнет слоя жидкости, плотность которого больше плотности тела. Тело будет плавать на границе двух жидкостей или внутри слоя жидкости, плотность которого примерно равна его собственной. Например, помидор черри ($ \rho \approx 990 \text{ кг/м}^3 $) утонул в растительном масле, но плавает на поверхности воды ($ \rho \approx 1000 \text{ кг/м}^3 $).

Таким образом, каждое тело в эксперименте занимает положение, в котором его вес уравновешивается выталкивающей силой со стороны окружающей жидкости (или жидкостей).

Ответ: Эксперимент показывает, что несмешивающиеся жидкости располагаются слоями по плотности (самая плотная внизу), а твердые тела плавают или тонут в зависимости от соотношения их плотности и плотности жидкости, останавливаясь на уровне, где их плотность сопоставима с плотностью окружающей жидкости.

Повторение опыта

Для повторения этого опыта в домашних условиях можно использовать следующие доступные вещества и предметы.

Несмешивающиеся жидкости (в порядке убывания плотности):

1. Мед или густой сахарный/фруктовый сироп.
2. Жидкое мыло или средство для мытья посуды.
3. Подкрашенная пищевым красителем вода.
4. Растительное масло (подсолнечное, оливковое).
5. Спирт (медицинский или изопропиловый).

Тела различной плотности:

• Металлический болт, гайка или монета (утонет в меде).
• Виноградина или помидор черри (будет плавать на воде или мыле).
• Пластиковая бусина или маленькая деталь от конструктора Lego (будет плавать на масле или воде).
• Кусочек пробки или дерева (будет плавать на масле).
• Шарик для настольного тенниса (будет плавать на самом верхнем слое).

Процедура проведения:

1. Возьмите высокий прозрачный сосуд (стакан, банку, мерный цилиндр).

2. Аккуратно, медленно наливайте жидкости по стенке сосуда, начиная с самой плотной (мед) и заканчивая наименее плотной (спирт). Важно делать это медленно, чтобы жидкости не перемешались.

3. Дайте жидкостям немного постоять, чтобы границы между слоями стали четкими.

4. Осторожно, по одному, опускайте в сосуд подготовленные предметы. Наблюдайте, на каком уровне остановится каждый из них.

Ответ: Опыт можно повторить, последовательно наливая в высокий стакан мед, жидкое мыло, воду, растительное масло и спирт, а затем опуская в него предметы разной плотности, такие как болт, виноградина, пластиковая бусина и кусочек пробки, для наблюдения их плавания на разных уровнях.

Практическое применение

Принцип, продемонстрированный в эксперименте, имеет множество важных практических применений в науке и технике.

• Разделение (сепарация) веществ. Это наиболее очевидное применение. В промышленности так разделяют несмешивающиеся жидкости, например, нефть и воду при добыче или после разливов. С помощью центрифуг, которые многократно усиливают эффект гравитационного разделения, отделяют сливки от молока (сепарация молока) или плазму от форменных элементов крови.
• Измерение плотности жидкостей (ареометрия). Приборы для измерения плотности, называемые ареометрами, основаны на этом принципе. Ареометр — это поплавок, который погружается в жидкость на глубину, зависящую от ее плотности. Так измеряют плотность электролита в аккумуляторах, содержание сахара в сиропах и соках, а также крепость алкогольных напитков.
• Обогащение полезных ископаемых (флотация). В горнодобывающей промышленности метод флотации используется для отделения частиц ценной руды от пустой породы. Частицы руды делают гидрофобными, они прилипают к пузырькам воздуха и всплывают на поверхность в виде пены, в то время как пустая порода оседает на дно.
• Геология и океанография. Расслоение веществ по плотности происходит и в глобальных масштабах. В земной коре слои горных пород залегают в соответствии с их плотностью. В океане вода также имеет слоистую структуру из-за различий в температуре (термоклин) и солености (галоклин), что влияет на морские течения и жизнь морских организмов.
• Контроль качества продукции. Плотность является важным показателем качества для многих материалов и пищевых продуктов. Простой тест на плавание в жидкости с эталонной плотностью может использоваться для быстрой сортировки или отбраковки, например, для отделения спелых плодов от незрелых.
• Декоративные и развлекательные цели. Классический пример — "лава-лампа", в которой воск при нагревании становится менее плотным, чем окружающая жидкость, и поднимается, а при остывании снова опускается, создавая непрерывное движение.

Ответ: Этот эксперимент иллюстрирует принцип, который используется для разделения смесей (нефть и вода, сливки и молоко), для измерения плотности жидкостей (в ареометрах), в горном деле для обогащения руд (флотация), а также объясняет природные явления, такие как расслоение воды в океане.