Как можно на опыте определить, с какой силой тело, погружённое целиком в жидкость, выталкивается из жидкости?
К пружине подвешивают небольшое ведёрко и тело цилиндрической формы. Растяжение пружины по положению стрелки отмечают меткой на штативе (рис. 151, а). Она показывает вес тела в воздухе.
Приподняв тело, под него подставляют отливной сосуд, наполненный жидкостью до уровня отливной трубки. После чего тело погружают целиком в жидкость (рис. 151, б). При этом часть жидкости, объём которой равен объёму тела, выливается из отливного сосуда в стакан. Указатель пружины поднимается вверх, пружина сокращается, показывая уменьшение веса тела в жидкости. В данном случае на тело, наряду с силой тяжести, действует ещё и сила, выталкивающая его из жидкости. Если в ведёрко перелить жидкость из стакана (т. е. ту, которую вытеснило тело), то указатель пружины возвратится к своему начальному положению (рис. 151, в).
На основании этого опыта можно заключить, что сила, выталкивающая тело, целиком погружённое в жидкость, равна весу жидкости в объёме этого тела.
рис. 151. Опыты с ведёрком Архимеда
Чтобы понять, как можно на опыте определить силу, с которой тело, погружённое целиком в жидкость, выталкивается из неё, необходимо рассмотреть теоретические основы этого явления. Данный процесс связан с действием силы Архимеда.
Сила Архимеда (выталкивающая сила) — это результат действия гидростатического давления в жидкости на погружённое тело. Когда тело находится в жидкости, давление на его поверхность действует неодинаково: давление на нижнюю часть тела больше, чем давление на верхнюю часть, потому что гидростатическое давление возрастает с глубиной. Разность этих давлений создаёт выталкивающую силу, направленную вверх.
Формула силы Архимеда:
Сила Архимеда $ F_A $ может быть вычислена по формуле:
$$
F_A = \rho \cdot g \cdot V,
$$
где:
− $ \rho $ — плотность жидкости (кг/м³),
− $ g $ — ускорение свободного падения ($ \approx 9,8 \, \text{м/с}^2 $),
− $ V $ — объём тела, погружённого в жидкость (м³).
Эта формула показывает, что сила Архимеда зависит от плотности жидкости, ускорения свободного падения и объёма погружённого тела.
Принцип действия силы Архимеда:
Сила Архимеда действует на любое тело, погружённое в жидкость или газ, независимо от того, состоит ли тело из твёрдого материала или жидкости. Если тело целиком погружено в жидкость, выталкивающая сила равна весу жидкости, вытесненной этим телом. Этот принцип был сформулирован Архимедом и получил название "закон Архимеда".
Теоретические основы опыта:
Чтобы определить силу Архимеда на опыте, можно воспользоваться следующим подходом, основанным на сравнении веса тела в воздухе и его веса в жидкости:
1. Взвесить тело в воздухе, чтобы определить силу тяжести, действующую на него ($ F_{тяж} = m \cdot g $, где $ m $ — масса тела).
2. Взвесить то же тело, полностью погружённое в жидкость. Значение силы тяжести, действующей на тело, будет уменьшено на величину силы Архимеда, поскольку жидкость оказывает выталкивающее действие.
3. Разность между силой тяжести тела в воздухе ($ F_{тяж} $) и силой тяжести тела в жидкости ($ F_{жидкости} $) даст величину силы Архимеда:
$$
F_A = F_{тяж} - F_{жидкости}.
$$
Условия проведения опыта:
Чтобы провести опыт, необходимо учесть несколько важных условий:
− Тело должно быть полностью погружено в жидкость, чтобы учесть весь объём выталкивания.
− Жидкость должна быть однородной по плотности, чтобы расчёты были точными.
− Установку для взвешивания необходимо откалибровать, чтобы избежать погрешностей.
Роль плотности жидкости и объёма тела:
Сила Архимеда напрямую зависит от плотности жидкости ($ \rho $) и объёма погружённого тела ($ V $). Чем больше плотность жидкости или объём тела, тем больше будет сила Архимеда. Например, для воды ($ \rho \approx 1000 \, \text{кг/м}^3 $) выталкивающая сила будет значительно больше, чем для жидкостей с меньшей плотностью, таких как масло.
Таким образом, опыт позволяет экспериментально подтвердить закон Архимеда и оценить силу выталкивания для конкретного тела.
Пожауйста, оцените решение
