Лабораторная работа №7, страница 257 - гдз по физике 7 класс учебник Закирова, Аширов

Лабораторная работа № 7.

Определение условия плавания тел в жидкости

Цель работы: опытным путем определить условия плавания тел в жидкости; сравнить значение силы тяжести и силы Архимеда в случае, когда тело плавает на поверхности жидкости.

Приборы и материалы: динамометр, мензурка, стеклянная пробирка с пробкой, проволочный крючок, салфетка, сосуд с водой.

Задание 1. Выяснение условий плавания тела в жидкости.

Указания к работе:

1. С помощью мензурки определите объем пробирки, погрузив ее полностью в воду. Полученный результат переведите в м³ и занесите в таблицу.

№ опыта | Измерено: $V_m$ см$^3$$V_m$ м$^3$$\text{P}$, Н | Вычислено: $F_A$ Н | Соотношение $P / F_A$ | Поведение пробирки при погружении в воду

1 | | | |

2 | | | |

3 | | | |

2. Рассчитайте значение силы Архимеда по формуле:

$F_A = \rho_{\text{ж}} g V_m$

где $g = 9,8$ Н/кг, $\rho_{\text{ж}} = 1000$ кг/м³.

3. Опустите пробирку в воду, убедитесь в том, что она всплывает на поверхность воды.

4. Извлеките пробирку из воды, высушите ее салфеткой, определите с помощью динамометра вес $P_1$. Результат запишите в таблицу.

5. Заполните пробирку водой. Опустите в воду, убедитесь, что пробирка тонет в воде.

6. Извлеките пробирку из воды, высушите салфеткой, определите ее вес $P_2$. Полученное значение внесите в таблицу.

7. Вылейте часть воды из пробирки, добейтесь того, чтобы она плавала внутри жидкости (рис. 12).

8. Предварительно высушив, определите вес пробирки с оставшейся водой $P_3$. Результат запишите в таблицу.

9. Сравните значения веса пробирки в трех случаях с силой Архимеда. Сделайте вывод об условии плавания тел.

Рис. 12

Задание 2. Сравнение силы тяжести и силы Архимеда при условии, когда тело плавает на поверхности жидкости.

Указания к работе:

1. Определите вес тела $\text{P}$.

2. Опустите тело в мензурку, по изменению уровня жидкости в мензурке определите объем погруженной части тела $V_{\text{п.ч.}}$.

3. Зная объем погруженной части тела, рассчитайте значение силы Архимеда по формуле:

$F_A = \rho_{\text{ж}} g V_{\text{п.ч.}}$

4. Сравните значения силы тяжести и силы Архимеда.

5. Изобразите тело на рисунке, укажите силы, действующие на него.

6. Сделайте вывод о соотношении сил, действующих на тело, плавающее на поверхности жидкости.

Контрольные вопросы

1. При каких условиях тело тонет, плавает внутри жидкости, всплывает?

2. При каком условии всплытие тел с меньшей плотностью, чем у жидкости, прекращается?

3. Почему глубина погружения тел с различной плотностью в одной и той же жидкости отличается?

4. Почему корабли плавают на поверхности воды? При каком условии они тонут?

1. Поведение тела в жидкости определяется соотношением между силой тяжести ($F_т$), действующей на тело, и выталкивающей силой Архимеда ($F_A$). Сила тяжести направлена вниз ($F_т = \rho_т V_т g$), а сила Архимеда — вверх ($F_A = \rho_ж g V_{погр}$), где $\rho_т$ и $\rho_ж$ — плотности тела и жидкости, $V_т$ и $V_{погр}$ — объемы всего тела и его погруженной части, $\text{g}$ — ускорение свободного падения.
• Тело тонет, если сила тяжести больше максимальной силы Архимеда, которая действует на тело при его полном погружении. Это условие выполняется, когда плотность тела больше плотности жидкости: $F_т > F_A$ или $\rho_т > \rho_ж$.
• Тело плавает внутри жидкости, если сила тяжести равна силе Архимеда при полном погружении тела. Это происходит, когда плотности тела и жидкости равны: $F_т = F_A$ или $\rho_т = \rho_ж$. Тело в этом случае может находиться в равновесии на любой глубине.
• Тело всплывает на поверхность, если сила тяжести меньше силы Архимеда при полном погружении. Это условие выполняется, когда плотность тела меньше плотности жидкости: $F_т < F_A$ или $\rho_т < \rho_ж$.

Ответ: Тело тонет, если его плотность больше плотности жидкости ($\rho_т > \rho_ж$). Тело плавает внутри жидкости, если его плотность равна плотности жидкости ($\rho_т = \rho_ж$). Тело всплывает, если его плотность меньше плотности жидкости ($\rho_т < \rho_ж$).

2. Тело с плотностью меньшей, чем у жидкости ($\rho_т < \rho_ж$), сначала полностью погруженное, будет всплывать, так как выталкивающая сила Архимеда ($F_A$) больше силы тяжести ($F_т$). В процессе всплытия тело начинает выходить из воды, и объем его погруженной части ($V_{погр}$) уменьшается. Согласно формуле $F_A = \rho_ж g V_{погр}$, уменьшение погруженного объема приводит к уменьшению выталкивающей силы. Всплытие прекращается, когда тело поднимается на такую высоту, что выталкивающая сила становится равной силе тяжести ($F_A = F_т$). В этот момент тело достигает положения равновесия и плавает на поверхности, частично погрузившись в жидкость.

Ответ: Всплытие прекращается, когда сила Архимеда, действующая на уменьшившуюся погруженную часть тела, становится равной силе тяжести.

3. Для любого тела, плавающего на поверхности жидкости, выполняется условие равенства силы тяжести и силы Архимеда: $F_т = F_A$. Распишем это равенство, используя формулы для этих сил: $\rho_т g V_т = \rho_ж g V_{погр}$. Из этого уравнения можно выразить отношение объема погруженной части к общему объему тела: $\frac{V_{погр}}{V_т} = \frac{\rho_т}{\rho_ж}$. Это соотношение показывает, что доля погруженного объема прямо пропорциональна плотности тела ($\rho_т$) при неизменной плотности жидкости ($\rho_ж$). Следовательно, тело с большей плотностью должно погрузиться на большую глубину, чтобы вытеснить больший объем жидкости и создать достаточную силу Архимеда для уравновешивания своей большей силы тяжести.

Ответ: Глубина погружения зависит от плотности тела, так как для равновесия более плотному телу необходимо вытеснить больший объем жидкости, чтобы сила Архимеда уравновесила его большую силу тяжести.

4. Корабли плавают на поверхности воды, несмотря на то, что их корпуса сделаны из стали, плотность которой намного больше плотности воды. Секрет плавучести корабля заключается в его конструкции. Корпус корабля имеет большой внутренний объем, который заполнен воздухом. Из-за этого средняя плотность всего корабля (масса корабля, деленная на его полный объем, включая внутренние полости) оказывается меньше плотности воды. Пока средняя плотность корабля меньше плотности воды ($\rho_{ср} < \rho_{воды}$), он будет плавать.
Корабль тонет, если его средняя плотность становится больше плотности воды. Основная причина этого — попадание воды внутрь корпуса, например, через пробоину. Вода заполняет отсеки, вытесняя легкий воздух. Это приводит к резкому увеличению общей массы и, соответственно, средней плотности. Когда средняя плотность превышает плотность воды ($\rho_{ср} > \rho_{воды}$), сила тяжести становится больше максимальной выталкивающей силы, и корабль идет ко дну.

Ответ: Корабли плавают, потому что их средняя плотность (с учетом воздуха внутри корпуса) меньше плотности воды. Они тонут, когда в результате заполнения корпуса водой их средняя плотность становится больше плотности воды.