Номер 1, страница 52 - гдз по физике 8 класс учебник Пурышева, Важеевская

Глава 2. Механические свойства жидкостей, газов и твёрдых тел. Параграф 13. Действие жидкости и газа на погружённое в них тело. Вопросы для самопроверки - номер 1, страница 52.

Условие.

1. Как доказать существование выталкивающей (архимедовой) силы?

Решение.

1. Как доказать существование выталкивающей (архимедовой) силы?

Существование выталкивающей силы можно доказать с помощью простого опыта. Для этого понадобится динамометр (пружинные весы), какое-либо тело (например, металлический цилиндр) и сосуд с жидкостью (например, водой).

Сначала подвесим тело к крючку динамометра и измерим его вес в воздухе. Допустим, динамометр покажет значение $P_1$. Это вес тела в воздухе.

Затем, не снимая тело с динамометра, полностью погрузим его в сосуд с водой. Мы заметим, что показания динамометра уменьшились. Новое значение веса будет $P_2$.

Так как вес тела в воде ($P_2$) оказался меньше его веса в воздухе ($P_1$), это означает, что на тело со стороны жидкости действует сила, направленная вертикально вверх, которая "помогает" динамометру удерживать тело. Эта сила и есть выталкивающая, или архимедова, сила $F_A$. Ее модуль равен разности показаний динамометра:

$F_A = P_1 - P_2$

Таким образом, наблюдаемое на опыте уменьшение веса тела при погружении в жидкость или газ прямо доказывает существование выталкивающей силы.

Ответ: Существование выталкивающей силы доказывается экспериментально: вес тела, измеренный при его полном погружении в жидкость, оказывается меньше его веса в воздухе. Эта разница в весе и есть выталкивающая сила.

2. Что является причиной возникновения выталкивающей силы?

Причиной возникновения выталкивающей (архимедовой) силы является разность давлений жидкости (или газа) на нижнюю и верхнюю части погруженного в нее тела. Как известно, давление в жидкости или газе увеличивается с глубиной.

Рассмотрим для наглядности тело в форме прямоугольного параллелепипеда с высотой $\text{h}$ и площадью основания $\text{S}$, полностью погруженное в жидкость плотностью $\rho_ж$. Пусть верхняя грань тела находится на глубине $h_1$, а нижняя — на глубине $h_2$.

Давление на верхнюю грань тела равно $p_1 = \rho_ж g h_1$. Сила давления, действующая на верхнюю грань, направлена вниз и равна $F_1 = p_1 S = \rho_ж g h_1 S$.

Давление на нижнюю грань тела равно $p_2 = \rho_ж g h_2$. Сила давления, действующая на нижнюю грань, направлена вверх и равна $F_2 = p_2 S = \rho_ж g h_2 S$.

Поскольку нижняя грань находится глубже ($h_2 > h_1$), давление на нее больше ($p_2 > p_1$), и, следовательно, выталкивающая вверх сила $F_2$ больше силы $F_1$, давящей на тело сверху. Силы, действующие на боковые грани тела, взаимно компенсируются, так как на одинаковых глубинах давление одинаково, а силы действуют на противоположные грани равной площади.

Результирующая вертикальных сил и представляет собой выталкивающую силу $F_A$. Она направлена вверх и равна разности сил $F_2$ и $F_1$:

$F_A = F_2 - F_1 = \rho_ж g h_2 S - \rho_ж g h_1 S = \rho_ж g S (h_2 - h_1)$

Учитывая, что объем параллелепипеда $V = S \cdot h = S(h_2 - h_1)$, получаем известную формулу для силы Архимеда:

$F_A = \rho_ж g V$

Таким образом, выталкивающая сила возникает из-за того, что жидкость давит на нижние части тела сильнее, чем на верхние. Этот вывод справедлив для тела любой формы.

Ответ: Причиной возникновения выталкивающей силы является то, что давление жидкости (или газа) увеличивается с глубиной. Из-за этого сила давления, действующая на нижнюю поверхность тела, оказывается больше силы давления, действующей на его верхнюю поверхность. Разность этих сил и создает выталкивающую силу, направленную вверх.