Лабораторная работа №6, страница 255 - гдз по физике 7 класс учебник Закирова, Аширов

Лабораторная работа № 6.

Изучение закона Архимеда

Цель работы: определить силу Архимеда, сравнить ее с весом вытесненной телом воды; исследовать ее зависимость от объема тела, погруженного в жидкость; знать и соблюдать технику безопасности в кабинете физики.

Приборы и материалы: сосуд с водой, динамометр, штатив с муфтой и лапкой, мензурка, два тела разной массы из веществ, плотность которых превышает плотность жидкости.

Задание 1. Сравнение выталкивающей силы с весом вытесненной жидкости.

Указания к работе:

1. Укрепите динамометр на штативе, подвесьте к нему тело.

2. Определите вес тела в воздухе $P_0$, результат запишите в таблицу.

№ опыта

Измерено

$P_0$, H

$\text{P}$, H

$\text{V}$, см$^3$

$\text{V}$, м$^3$

Вычислено

$P_ж$, H

$F_A$, H

1

2

3. Погрузите тело в жидкость, не снимая его с крючка динамометра. Определите вес тела в жидкости $\text{P}$.

4. Рассчитайте силу Архимеда по формуле: $F_A = P_0 - P$.

5. С помощью мензурки определите объем тела $\text{V}$, полученное значение переведите в м$^3$.

6. Рассчитайте вес вытесненной воды по формуле: $P_ж = \rho_ж \cdot g \cdot V_т$

где $g = 9,8 \text{ Н/кг}$, $\rho_ж = 1000 \text{ кг/м}^3$.

7. Повторите опыт с другим телом.

8. Сравните значение силы Архимеда с весом вытесненной воды.

9. Сделайте вывод о выполнении закона Архимеда.

Задание 2. Проверка зависимости силы Архимеда от объема, погруженного в воду тела.

Приборы и материалы: два сосуда с водой; рычажные весы без чашечек; два груза равной массы, но разного объема; нитки.

Указания к работе:

1. На рычажных весах закрепите тела, весы уравновесьте (рис. 11).

2. Опустите тела в сосуды с водой.

3. Объясните, почему равновесие весов нарушилось. Как результат опыта соотносится с формулой расчета силы Архимеда? Сделайте вывод.

Рис. 11

Контрольные вопросы

1. От каких физических величин зависит сила Архимеда?

2. Как с использованием мензурки определить объем вытесненной телом жидкости?

3. Почему в лабораторной работе вес жидкости рассчитывается по значению объема тела? Будет ли верен расчет, если плотность вещества тела будет меньше, чем у жидкости? Какое изменение в расчетах необходимо внести?

Задание 1. Сравнение выталкивающей силы с весом вытесненной жидкости.

Для выполнения данного задания необходимо провести эксперимент с двумя телами разной массы и объема. Предположим, что мы провели измерения и получили следующие результаты, которые занесены в таблицу.

Таблица результатов измерений и вычислений

№ опыта | $P_0$, Н | $\text{P}$, Н | $\text{V}$, см³ | $\text{V}$, м³ | $P_ж$, Н | $F_A$, Н
--- | --- | --- | --- | --- | --- | ---
1 | 0.98 | 0.62 | 37.0 | 0.000037 | 0.36 | 0.36
2 | 1.96 | 1.71 | 26.0 | 0.000026 | 0.25 | 0.25

Далее приведены расчеты для каждого опыта.

Расчет для опыта 1

Дано:

$P_0 = 0.98$ Н
$P = 0.62$ Н
$V = 37.0$ см³
$\rho_ж = 1000$ кг/м³
$g = 9.8$ Н/кг

Перевод в систему СИ:
$V = 37.0 \text{ см}^3 = 37.0 \cdot (10^{-2} \text{ м})^3 = 37.0 \cdot 10^{-6} \text{ м}^3 = 0.000037 \text{ м}^3$

Найти:

$F_A$ - ?
$P_ж$ - ?

Решение:

1. Сила Архимеда $F_A$ вычисляется как разность веса тела в воздухе и в жидкости:
$F_A = P_0 - P = 0.98 \text{ Н} - 0.62 \text{ Н} = 0.36 \text{ Н}$
2. Вес вытесненной воды $P_ж$ рассчитывается по формуле: $P_ж = \rho_ж \cdot g \cdot V$.
$P_ж = 1000 \text{ кг/м³} \cdot 9.8 \text{ Н/кг} \cdot 0.000037 \text{ м³} = 0.3626 \text{ Н} \approx 0.36 \text{ Н}$

Ответ: Сила Архимеда $F_A = 0.36$ Н, вес вытесненной воды $P_ж = 0.36$ Н.

Расчет для опыта 2

Дано:

$P_0 = 1.96$ Н
$P = 1.71$ Н
$V = 26.0$ см³
$\rho_ж = 1000$ кг/м³
$g = 9.8$ Н/кг

Перевод в систему СИ:
$V = 26.0 \text{ см}^3 = 26.0 \cdot (10^{-2} \text{ м})^3 = 26.0 \cdot 10^{-6} \text{ м}^3 = 0.000026 \text{ м}^3$

Найти:

$F_A$ - ?
$P_ж$ - ?

Решение:

1. Сила Архимеда $F_A$ вычисляется как разность веса тела в воздухе и в жидкости:
$F_A = P_0 - P = 1.96 \text{ Н} - 1.71 \text{ Н} = 0.25 \text{ Н}$
2. Вес вытесненной воды $P_ж$ рассчитывается по формуле: $P_ж = \rho_ж \cdot g \cdot V$.
$P_ж = 1000 \text{ кг/м³} \cdot 9.8 \text{ Н/кг} \cdot 0.000026 \text{ м³} = 0.2548 \text{ Н} \approx 0.25 \text{ Н}$

Ответ: Сила Архимеда $F_A = 0.25$ Н, вес вытесненной воды $P_ж = 0.25$ Н.

Сравнение и вывод:

Сравнивая вычисленные значения силы Архимеда $F_A$ и веса вытесненной воды $P_ж$ для обоих опытов, мы видим, что они равны в пределах погрешности измерений ($F_A \approx P_ж$).

Ответ: Эксперимент подтверждает закон Архимеда: выталкивающая сила, действующая на погруженное в жидкость тело, равна весу жидкости, вытесненной этим телом.

Задание 2. Проверка зависимости силы Архимеда от объема, погруженного в воду тела.

В данном опыте на рычажных весах уравновешиваются два тела одинаковой массы, но разного объема. В воздухе силы тяжести, действующие на тела, равны ($P_1 = m \cdot g$ и $P_2 = m \cdot g$), поэтому весы находятся в равновесии.

Когда оба тела опускают в сосуды с водой, равновесие весов нарушается. Это происходит потому, что на каждое тело начинает действовать выталкивающая сила (сила Архимеда), направленная вверх. Величина этой силы определяется по формуле $F_A = \rho_ж \cdot g \cdot V_{погр}$, где $\rho_ж$ — плотность жидкости, а $V_{погр}$ — объем погруженной части тела.

Так как тела имеют разный объем ($V_1 \neq V_2$), то при полном погружении на них будут действовать разные по величине силы Архимеда. На тело с большим объемом будет действовать большая выталкивающая сила. В результате этого результирующая сила, действующая вниз ($P' = P - F_A$), для тела с большим объемом станет меньше, чем для тела с меньшим объемом. Поэтому чаша весов с телом большего объема поднимется, а с телом меньшего объема — опустится.

Этот опыт наглядно демонстрирует, что сила Архимеда напрямую зависит от объема погруженной в жидкость части тела.

Ответ: Равновесие весов нарушилось, так как на тела разного объема действуют разные по величине выталкивающие силы. Тело с большим объемом испытывает большую силу Архимеда, поэтому оно становится "легче" в воде, и соответствующая чаша весов поднимается. Результат опыта подтверждает, что сила Архимеда прямо пропорциональна объему погруженного тела, что соответствует формуле $F_A = \rho_ж \cdot g \cdot V_{погр}$.

Контрольные вопросы

1. От каких физических величин зависит сила Архимеда?

Сила Архимеда, действующая на тело, погруженное в жидкость или газ, определяется по формуле $F_A = \rho_ж \cdot g \cdot V_{погр}$. Из формулы видно, что ее величина зависит от:

• плотности жидкости или газа ($\rho_ж$), в которую погружено тело;
• объема погруженной части тела ($V_{погр}$).

Также она зависит от ускорения свободного падения ($\text{g}$), но в условиях одной и той же местности его обычно считают постоянным.

Ответ: Сила Архимеда зависит от плотности жидкости (или газа) и от объема погруженной в эту жидкость (или газ) части тела.

2. Как с использованием мензурки определить объем вытесненной телом жидкости?

Объем вытесненной телом жидкости равен объему погруженной части этого тела. С помощью мензурки (градуированного цилиндра) его можно определить следующим образом:

1. Налить в мензурку жидкость до определенного уровня и зафиксировать начальный объем $V_1$.
2. Полностью погрузить тело в жидкость в мензурке. Уровень жидкости поднимется.
3. Зафиксировать новый объем жидкости вместе с телом $V_2$.
4. Объем тела (и, следовательно, объем вытесненной жидкости) равен разности конечного и начального объемов: $V = V_2 - V_1$.

Важно, чтобы тело было полностью погружено и не впитывало жидкость.

Ответ: Объем вытесненной жидкости определяется как разность между показаниями объема жидкости в мензурке после и до погружения в нее тела.

3. Почему в лабораторной работе вес жидкости рассчитывается по значению объема тела? Будет ли верен расчет, если плотность вещества тела будет меньше, чем у жидкости? Какое изменение в расчетах необходимо внести?

В данной лабораторной работе используются тела, плотность которых превышает плотность воды. Поэтому при погружении в воду они тонут, то есть погружаются полностью. В этом случае объем вытесненной жидкости равен полному объему тела ($V_ж = V_{тела}$). Именно поэтому вес вытесненной жидкости $P_ж$ можно рассчитать по формуле $P_ж = \rho_ж \cdot g \cdot V_{тела}$.

Если плотность вещества тела будет меньше, чем у жидкости ($\rho_{тела} < \rho_ж$), тело будет плавать, то есть погрузится в жидкость лишь частично. В этом случае объем вытесненной жидкости будет меньше полного объема тела ($V_ж < V_{тела}$). Следовательно, расчет веса вытесненной жидкости по формуле $P_ж = \rho_ж \cdot g \cdot V_{тела}$ будет неверным, так как он даст завышенное значение.

Чтобы расчет был верным, необходимо внести изменение: вместо полного объема тела $V_{тела}$ в формулу нужно подставлять объем погруженной части тела $V_{погр}$. Таким образом, правильная формула для любого случая: $P_ж = \rho_ж \cdot g \cdot V_{погр}$. Для плавающего тела объем погруженной части можно найти, зная, что сила Архимеда уравновешивает силу тяжести: $F_A = P_{тела}$, откуда $V_{погр} = P_{тела} / (\rho_ж \cdot g)$.

Ответ: Вес жидкости рассчитывается по объему тела, так как используемые тела тонут (их плотность больше плотности жидкости), и объем вытесненной жидкости равен полному объему тела. Если плотность тела меньше плотности жидкости, такой расчет будет неверным. В этом случае для расчета необходимо использовать не полный объем тела, а только объем его погруженной части.