Лабораторная работа № 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. Задание 12 - страница 52.

Условие.

Лабораторная работа № 1

Измерение выталкивающей силы

Цель работы:

научиться измерять выталкивающую силу, действующую на тела разной формы, погружённые в воду.

Приборы и материалы:

тела цилиндрической, кубической и неправильной формы с привязанными к ним нитями, мерный цилиндр (мензурка), динамометр, стакан с водой, линейка.

Порядок выполнения работы

1. Измерьте объём тела цилиндрической формы, используя мензурку с водой.

2. Рассчитайте значение выталкивающей силы $F_{\text{выт}}$, действующей на тело (плотность воды $1000 \frac{\text{кг}}{\text{м}^3}$). Результаты измерений и вычислений запишите в таблицу 5.

Таблица 5

№ опыта	Тело	Объём тела $V, \text{м}^3$	Выталкивающая сила $F_{\text{выт}}, \text{Н}$	Сила тяжести $F_{\text{тяж}}, \text{Н}$	Сила упругости $F_{\text{упр}}, \text{Н}$	Выталкивающая сила $F'_{\text{выт}}, \text{Н}$
1	Цилиндрическое
2	Кубическое
3	Неправильной формы

3. Подвесьте к динамометру на нити тело. Измерьте силу тяжести, действующую на него (вес тела в воздухе). Запишите в таблицу 5 значение $F_{\text{тяж}}$ с учётом погрешности измерения.

4. Опустите тело в стакан с водой и измерьте силу упругости пружины (вес тела в воде). Запишите в таблицу 5 значение $F_{\text{упр}}$ с учётом погрешности измерения.

5. Вычислите значение выталкивающей силы: $F'_{\text{выт}} = F_{\text{тяж}} - F_{\text{упр}}$. Результаты запишите в таблицу 5.

6. Определите выталкивающую силу, действующую на тела кубической и неправильной формы. Результаты запишите в таблицу 5.

7. Сравните значения выталкивающей силы, полученные для каждого тела двумя способами. Сделайте вывод.

Решение.

Поскольку данное задание является лабораторной работой и требует проведения реальных измерений, для его выполнения будут использованы гипотетические, но физически правдоподобные данные измерений.

Дано:

Плотность воды: $\rho_{воды} = 1000 \frac{кг}{м^3}$

Ускорение свободного падения: $g \approx 10 \frac{Н}{кг}$

Измеренные значения для цилиндрического тела:

Объём тела (измеренный мензуркой): $V_1 = 50 \text{ см}^3$

Сила тяжести (вес в воздухе): $F_{тяж1} = 4,0 \text{ Н}$

Сила упругости (вес в воде): $F_{упр1} = 3,5 \text{ Н}$

Измеренные значения для кубического тела:

Объём тела (измеренный мензуркой): $V_2 = 60 \text{ см}^3$

Сила тяжести (вес в воздухе): $F_{тяж2} = 1,6 \text{ Н}$

Сила упругости (вес в воде): $F_{упр2} = 1,0 \text{ Н}$

Измеренные значения для тела неправильной формы:

Объём тела (измеренный мензуркой): $V_3 = 40 \text{ см}^3$

Сила упругости (вес в воде): $F_{упр3} = 0,6 \text{ Н}$

Сила тяжести (вес в воздухе): $F_{тяж3} = 1,0 \text{ Н}$

Перевод в систему СИ:

$V_1 = 50 \text{ см}^3 = 50 \cdot (10^{-2} \text{ м})^3 = 50 \cdot 10^{-6} \text{ м}^3 = 5 \cdot 10^{-5} \text{ м}^3$

$V_2 = 60 \text{ см}^3 = 60 \cdot 10^{-6} \text{ м}^3 = 6 \cdot 10^{-5} \text{ м}^3$

$V_3 = 40 \text{ см}^3 = 40 \cdot 10^{-6} \text{ м}^3 = 4 \cdot 10^{-5} \text{ м}^3$

Найти:

Для каждого тела найти выталкивающую силу двумя способами: $F_{выт}$ (по формуле Архимеда) и $F'_{выт}$ (через разность веса в воздухе и в воде). Сравнить полученные значения и сделать вывод.

Решение:

1-2. Измерение объёма и расчёт выталкивающей силы по формуле Архимеда ($F_{выт}$).

Выталкивающая сила (сила Архимеда), действующая на тело, погруженное в жидкость, равна весу жидкости в объёме этого тела. Она рассчитывается по формуле:

$F_{выт} = \rho_{жидкости} \cdot g \cdot V_{тела}$

Проведем расчеты для каждого тела, используя измеренные объёмы:

Цилиндрическое тело:

$F_{выт1} = 1000 \frac{кг}{м^3} \cdot 10 \frac{Н}{кг} \cdot 5 \cdot 10^{-5} м^3 = 0,5 \text{ Н}$

Кубическое тело:

$F_{выт2} = 1000 \frac{кг}{м^3} \cdot 10 \frac{Н}{кг} \cdot 6 \cdot 10^{-5} м^3 = 0,6 \text{ Н}$

Тело неправильной формы:

$F_{выт3} = 1000 \frac{кг}{м^3} \cdot 10 \frac{Н}{кг} \cdot 4 \cdot 10^{-5} м^3 = 0,4 \text{ Н}$

Ответ: Расчетные значения выталкивающей силы: для цилиндра – 0,5 Н; для куба – 0,6 Н; для тела неправильной формы – 0,4 Н.

3-5. Измерение выталкивающей силы с помощью динамометра ($F'_{выт}$).

Выталкивающую силу также можно определить экспериментально, измерив вес тела в воздухе ($F_{тяж}$) и его вес в воде ($F_{упр}$). Разность этих значений и будет равна выталкивающей силе:

$F'_{выт} = F_{тяж} - F_{упр}$

Проведем расчеты для каждого тела, используя измеренные значения сил:

Цилиндрическое тело:

$F'_{выт1} = 4,0 \text{ Н} - 3,5 \text{ Н} = 0,5 \text{ Н}$

Кубическое тело:

$F'_{выт2} = 1,6 \text{ Н} - 1,0 \text{ Н} = 0,6 \text{ Н}$

Тело неправильной формы:

$F'_{выт3} = 1,0 \text{ Н} - 0,6 \text{ Н} = 0,4 \text{ Н}$

Ответ: Экспериментальные значения выталкивающей силы: для цилиндра – 0,5 Н; для куба – 0,6 Н; для тела неправильной формы – 0,4 Н.

6. Заполнение таблицы.

Внесём все измеренные и вычисленные значения в таблицу 5.

№ опыта	Тело	Объём тела V, м³	Выталкивающая сила Fвыт, Н	Сила тяжести Fтяж, Н	Сила упругости Fупр, Н	Выталкивающая сила F'выт, Н
1	Цилиндрическое	5·10-5	0,5	4,0	3,5	0,5
2	Кубическое	6·10-5	0,6	1,6	1,0	0,6
3	Неправильной формы	4·10-5	0,4	1,0	0,6	0,4

Ответ: Таблица с результатами измерений и вычислений заполнена.

7. Сравнение результатов и вывод.

Сравним значения выталкивающей силы, полученные двумя способами для каждого тела:

• Для цилиндрического тела: $F_{выт1} = 0,5 \text{ Н}$ и $F'_{выт1} = 0,5 \text{ Н}$. Значения совпали.
• Для кубического тела: $F_{выт2} = 0,6 \text{ Н}$ и $F'_{выт2} = 0,6 \text{ Н}$. Значения совпали.
• Для тела неправильной формы: $F_{выт3} = 0,4 \text{ Н}$ и $F'_{выт3} = 0,4 \text{ Н}$. Значения совпали.

Во всех трёх опытах значения выталкивающей силы, рассчитанные по формуле Архимеда ($F_{выт} = \rho g V$) и найденные как разность веса тела в воздухе и в воде ($F'_{выт} = F_{тяж} - F_{упр}$), оказались равными. Это подтверждает справедливость закона Архимеда. Также можно сделать вывод, что выталкивающая сила зависит от объёма погруженной части тела и плотности жидкости, но не зависит от формы тела и его массы (силы тяжести).

Ответ: В ходе лабораторной работы было экспериментально проверено, что выталкивающую силу можно измерить двумя способами: 1) рассчитав по формуле $F_{выт} = \rho_{ж} g V_{т}$; 2) измерив разность веса тела в воздухе и в жидкости $F'_{выт} = F_{тяж} - F_{упр}$. Результаты, полученные обоими способами, в пределах погрешности измерений совпадают. Выталкивающая сила не зависит от формы тела, а определяется его объёмом и плотностью жидкости.