Как показать на опыте, что на тело, находящееся в жидкости, действует выталкивающая сила?

Для того чтобы показать на опыте, что на тело, находящееся в жидкости, действует выталкивающая сила, нужно опираться на теоретические положения гидростатики, в частности на принцип Архимеда. Прежде чем рассматривать возможный эксперимент, разберемся, что лежит в основе данного явления.

Принцип Архимеда гласит, что на всякое тело, погруженное в жидкость (или газ), действует выталкивающая сила, которая равна весу жидкости (или газа), вытесненной этим телом. Выталкивающая сила направлена вверх и обусловлена разницей давлений, действующих на нижнюю и верхнюю поверхности тела в жидкости.

1. Физические основы явления:

   • Жидкость создает давление на погруженное в нее тело. Давление на глубине определяется формулой: $$ P = \rho g h, $$ где $\rho$ — плотность жидкости, $g$ — ускорение свободного падения, $h$ — глубина погружения.
   • Давление в жидкости увеличивается с глубиной. На нижнюю часть тела, погруженного в жидкость, действует большее давление, чем на верхнюю часть. Разница между этими давлениями создает выталкивающую силу.
   • Выталкивающая сила (сила Архимеда) вычисляется по формуле: $$ F_A = \rho g V, $$ где $V$ — объем вытесненной жидкости (равный объему части тела, погруженной в жидкость).

2. Условия равновесия тела в жидкости:

   • Если выталкивающая сила $F_A$ больше силы тяжести $F_G = mg$, то тело всплывает.
   • Если $F_A = F_G$, тело находится в равновесии и "плавает" на поверхности жидкости или в ее толще.
   • Если $F_A < F_G$, тело тонет.

3. Цель опыта:

   • Показать, что в жидкости возникает выталкивающая сила.
   • Убедиться, что выталкивающая сила зависит от объема погруженной части тела и плотности жидкости.

4. Основные этапы проведения опыта:

   • Используем тело известного веса (например, металлический или деревянный цилиндр) и измеряем его вес в воздухе с помощью динамометра.
   • Затем погружаем тело в жидкость (например, воду) и измеряем его вес в жидкости. Заметим, что вес тела в жидкости становится меньше, чем в воздухе. Это объясняется тем, что на тело начинает действовать выталкивающая сила, направленная вверх.
   • Разница между показаниями динамометра в воздухе и в жидкости соответствует величине выталкивающей силы.

5. Анализ результатов:

   • Если вычислить разницу между весом тела в воздухе и в жидкости, эта разница должна совпадать с выталкивающей силой, рассчитанной по формуле $F_A = \rho g V$, где $V$ — объем погруженной части тела.
   • Это подтверждает действие выталкивающей силы, а также согласие опыта с теорией Архимеда.

6. Выводы:

   • Опыт подтверждает наличие выталкивающей силы, возникающей в жидкости.
   • Сила Архимеда обусловлена разницей давлений, действующих на нижнюю и верхнюю поверхности погруженного тела.
   • Выталкивающая сила зависит от плотности жидкости и объема погруженной части тела.