На весах уравновесили отливной сосуд с водой (рис. 156, а). В воду опустили деревянный брусок. Равновесие весов сначала нарушилось (рис. 156, б). Но когда вся вода, вытесненная плавающим бруском, вытекла из сосуда, равновесие весов восстановилось (рис. 156, в). Объясните это явление.
рис. 156.
Если тело плавает в жидкости, то вес вытесненной им жидкости равен весу этого тела в воздухе. При опускании бруска в воду левая чаша весов тяжелее, потому что на чашу весов давит первоначальный объём воды и погружённый брусок. Когда вся вода, вытесненая бруском вылилась, равновесие восстановилось.
Для объяснения явления необходимо рассмотреть несколько ключевых физических принципов и законов, таких как сила Архимеда, плавание тел, принцип действия весов, и закон сохранения массы.
1. Сила Архимеда:
Когда тело погружается в жидкость, на него начинает действовать особая сила — сила Архимеда. Она направлена вверх и равна весу жидкости, вытесненной этим телом. Если тело плавает в воде, то объем вытесненной жидкости равен объему той части тела, которая находится в воде. Сила Архимеда обеспечивает баланс между силой тяжести, действующей на тело, и его плавучестью.
Формула для силы Архимеда:
$$ F_A = \rho \cdot g \cdot V $$
где:
− $ \rho $ — плотность жидкости;
− $ g $ — ускорение свободного падения;
− $ V $ — объем вытесненной жидкости.
2. Плавание тел:
Тело будет плавать в жидкости, если сила Архимеда, действующая на него, равна весу тела. Если сила Архимеда превышает вес тела, оно начинает всплывать. Если она меньше — тонет. В данном случае деревянный брусок плавает, так как его плотность меньше плотности воды.
3. Принцип действия весов:
Весы используются для определения массы тел. В равновесном состоянии весы показывают, что массы на обеих чашах равны. Если масса одной из чаш изменится, равновесие нарушится. В данной ситуации изменение массы на одной из чаш происходит за счет добавления деревянного бруска в воду, а также вытесненной воды.
4. Механизм взаимодействия:
Когда деревянный брусок опускается в воду, происходит следующее:
− Брусок вытесняет некоторый объем воды.
− Вес вытесненной воды равен силе Архимеда, действующей на брусок.
− Вода из сосуда через отливной канал вытекает.
На первом этапе (рис. 156, а) весы находятся в равновесии, так как массивный сосуд с водой уравновешивает груз на другой чаше.
На втором этапе (рис. 156, б) равновесие нарушается, потому что брусок, опущенный в воду, увеличивает общую массу содержимого сосуда. Кроме того, вес вытесненной воды временно остается в сосуде.
На третьем этапе (рис. 156, в) вода, вытесненная бруском, вытекает из сосуда через отливной канал. При этом масса вытесненной воды равна массе бруска, находящегося в воде. Это приводит к восстановлению равновесия весов, так как масса вытесненной воды фактически компенсирует добавленную массу бруска.
5. Закон сохранения массы:
Этот закон утверждает, что масса системы остается неизменной, если нет добавления или удаления вещества извне. В данной ситуации масса всей системы не изменяется, так как масса бруска, добавленного в сосуд, равна массе вытесненной воды, которая вытекает из сосуда.
Заключение:
Когда деревянный брусок опускается в воду, он вытесняет объем воды, масса которой равна массе бруска. Сначала равновесие весов нарушается, но как только вытесненная вода вытекает из сосуда, равновесие восстанавливается, так как масса вытесненной воды компенсирует массу добавленного бруска.
Пожауйста, оцените решение
