Цель работы:
На опыте выяснить условия, при которых тело плавает и при которых тонет.
Приборы и материалы:
Весы с разновесами, измерительный цилиндр (мензурка), пробирка−поплавок с пробкой, проволочный крючок, сухой песок, фильтровальная бумага или сухая тряпка.
Указания к работе:
1. Повторите по учебнику § 52 "Плавание тел".
2. Насыпьте в пробирку столько песка, чтобы она, закрытая пробкой, плавала в мензурке с водой в вертикальном положении и часть её находилась над поверхностью воды.
3. Определите выталкивающую силу, действующую на пробирку. Она равна весу воды, вытесненной пробиркой. Для нахождения этого веса определите сначала объём вытесненной воды. Для этого отметьте уровни воды в мензурке до и после погружения пробирки в воду. Зная объём вытесненной воды и плотность, вычислите её вес.
4. Выньте пробирку из воды, протрите её фильтровальной бумагой или тряпкой. Определите на весах массу пробирки с точностью до 1 г и рассчитайте силу тяжести, действующую на неё, она равна весу пробирки с песком в воздухе.
5. Насыпьте в прибор ещё немного песка. Вновь определите выталкивающую силу и силу тяжести. Проделайте это несколько раз, пока пробирка, закрытая пробкой, не утонет.
6. Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу 13. Отметьте, когда пробирка плавает и когда тонет или всплывает.
7. Сделайте вывод об условии плавания тела в жидкости.
Таблица 13.
Ход работы.
1. Отметим уровень воды в мензурке до погружения пробирки в воду.
2. Насыплем в пробирку столько песка, чтобы она, закрытая пробкой, плавала в мензурке с водой в вертикальном положении и часть её находилась над поверхностью воды.
3. Отметим уровень воды в мензурке после погружения пробирки в воду.
Разница между первоначальным объёмом и объёмом жидкости, в которое погружено тело, равна объёму этого тела.
$V = V_{2} - V_{1}$, где $V_{2}$ − объём воды и тела, $V_{1}$ − начальный объём воды в мензурке.
Опущенная в воду пробирка вытесняет 23 $см^{3} (0,000023 м^{3}$) воды.
5. Определим выталкивающую силу, действующую на пробирку.
$F_{А} = gρ_{ж}V_{т}$, где $ρ_{ж}$ − плотность жидкости, $V_{т}$ − объём погруженного тела.
$F_{А1} = 9,8 * 1000 * 0,000023 = 0,23 $ Н.
6. Вынем пробирку из воды и определим на весах её массу.
7. Масса пробирки с песком $m_{1}$ = 19,8 г (0,0198 кг).
8. Рассчитаем вес пробирки.
$F_{тяж}=P = gm$;
$F_{тяж1} = P_{1} = 9,8 * 0,0198 = 0,19 $ Н.
8. Добавим в пробирку ещё немного песка. Взвесим на весах пробирку и узнаем её массу. Определим выталкивающую силу и силу тяжести
$m_{2}$ = 35 г (0,035 кг).
Опущенная в воду пробирка вытесняет 35 $см^{3} (0,000035 м^{3}$) воды.
$F_{А2} = 9,8 * 1000 * 0,000035 = 0,34 $ Н.
$F_{тяж2} = P_{2} = 9,8 * 0,035 = 0,34 $ Н.
9. Добавим в пробирку ещё немного песка. Взвесим на весах пробирку и узнаем её массу. Определим выталкивающую силу и силу тяжести
$m_{3}$ = 42,2 г (0,0422 кг).
Опущенная в воду пробирка вытесняет 35 $см^{3} (0,000035 м^{3}$) воды.
$F_{А3} = 9,8 * 1000 * 0,000035 = 0,34 $ Н.
$F_{тяж3} = P_{2} = 9,8 * 0,0422 = 0,43 $ Н.
10. Запишем полученные измерения и вычисления в таблицу 13.
Таблица 13.
| № опыта | Выталкивающая сила, действующая на пробирку, F, Н $F= gρ_{ж}V$ | Вес пробирки с песком P, Н P = gm | Поведение пробирки в воде (плавает пробирка или тонет) |
|---|---|---|---|
| 1 | 0,23 | 0,19 | всплывает |
| 2 | 0,34 | 0,34 | плавает |
| 3 | 0,34 | 0,43 | тонет |
11.На тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила − сила Архимеда. Сила Архимеда зависит от плотности жидкости, в которую погружено тело, и от объёма погруженной части тела.
Она не зависит от массы тела и может быть больше, меньше или равна силе тяжести.
Если $F_{тяж}$>$F_{А}$ , то тело тонет;
Если $F_{тяж}$ = $F_{А}$, то тело плавает;
Если $F_{тяж}$ < $F_{А}$, то тело всплывает.
Вывод. В ходе лабораторной работы мы выяснили условия, при которых тело плавает, всплывает и при которых тонет.
В данной работе мы изучаем условия плавания тел и их взаимодействие с жидкостью, основываясь на законах физики. Теоретическая часть включает следующие ключевые понятия:
Архимедова сила — это выталкивающая сила, действующая на тело, погруженное в жидкость или газ, и направленная вверх. Она определяется по закону Архимеда:
"На всякое тело, погруженное в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, равная весу жидкости или газа, вытесненного этим телом".
Формула для расчета силы:
$$
F = \rho \cdot g \cdot V,
$$
где:
− $F$ — выталкивающая сила, Н;
− $\rho$ — плотность жидкости, кг/м³;
− $g$ — ускорение свободного падения, м/с² ($g \approx 9.8 \, \text{м/с}^2$);
− $V$ — объем вытесненной жидкости, м³.
Сила тяжести — это сила, с которой тело притягивается к Земле. Она рассчитывается по формуле:
$$
P = m \cdot g,
$$
где:
− $P$ — сила тяжести, Н;
− $m$ — масса тела, кг;
− $g$ — ускорение свободного падения, м/с².
Поведение тела в жидкости (плавание, погружение, всплытие) определяется соотношением между силой тяжести и выталкивающей силой. Существует три возможных случая:
Тело плавает на поверхности (или всплывает):
Если выталкивающая сила больше силы тяжести ($F > P$), тело будет всплывать или оставаться на поверхности.
Тело покоится в жидкости (плавает):
Если выталкивающая сила равна силе тяжести ($F = P$), тело будет находиться в равновесии, то есть плавать в жидкости.
Тело тонет:
Если выталкивающая сила меньше силы тяжести ($F < P$), тело будет тонуть, погружаясь в жидкость.
Объем вытесненной жидкости соответствует объему части тела, погруженной в жидкость. Для определения объема вытесненной жидкости можно использовать изменения уровня жидкости в мензурке. Разница между уровнями до и после погружения тела дает объем вытесненной жидкости ($V_{\text{в}} = V_{\text{выт}} = \Delta h$).
Плотность ($\rho$) вещества играет ключевую роль в процессе плавания. Если средняя плотность тела меньше плотности жидкости ($\rho_{\text{тела}} < \rho_{\text{жидкости}}$), тело будет плавать. Если плотность тела больше плотности жидкости ($\rho_{\text{тела}} > \rho_{\text{жидкости}}$), тело будет тонуть.
Во время эксперимента:
− Измеряется объем вытесненной воды ($V_{\text{вытесн}}$) для определения выталкивающей силы.
− Определяется масса пробирки с песком для расчета силы тяжести.
− Сравниваются значения выталкивающей силы и силы тяжести для анализа поведения пробирки (плавание или погружение).
На основании соотношения выталкивающей силы и силы тяжести делаются выводы об условиях плавания тела в жидкости. Работа помогает понять, как взаимодействуют силы в реальных условиях и как плотность и масса тела влияют на его поведение в жидкости.
Пожауйста, оцените решение
