№9 Выяснение условий плавания тела в жидкости
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.
Ответ:
Этапы проведения работы.
1. Заметим уровень воды в емкости еще до погружения пробирки в воду.
2. Далее насыпаем в пробирку песок в таком количество, у пробирки сместился центр тяжести на дно и она начала плавать на поверхности воды.
3. Снова отмечаем уровень воды, теперь уже с пробиркой и песком. Замечаем, уровень жидкости и делаем вывод, что разница между первоначальным уровнем и последующим равна объёму погруженного тела (пробирка с песком).
$V = V_{2} - V_{1}$, где $V_{2}$ − объём воды и тела, $V_{1}$ − начальный объём воды в мензурке.
Посчитали, что пробирка вытесняет 23 $см^{3} (0,000023 м^{3}$) воды.
5. Далее определяем выталкивающую силу, действующую на плавающую 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. Достанем пробирку из воды и узнаем ее массу на весах.
7. Узнали, что масса пробирки с песком $m_{1}$ = 19,8 г (0,0198 кг).
8. Переведем массу пробирку в действие силы в Ньютонах.
$F_{тяж}=P = gm$;
$F_{тяж1} = P_{1} = 9,8 * 0,0198 = 0,19 $ Н.
8. Еще добавим песок в пробирку. Снова взвесим пробирку на весах и вычислим действующую силу тяжести в Ньютонах.
$m_{2}$ = 35 г (0,035 кг).
Теперь погруженная в воду пробирка вытесняет 35 $см^{3} (0,000035 м^{3}$) воды, но пока еще плавает.
$F_{А2} = 9,8 * 1000 * 0,000035 = 0,34 $ Н.
$F_{тяж2} = P_{2} = 9,8 * 0,035 = 0,34 $ Н.
9. Еще добавим песок в пробирку. Снова взвесим пробирку на весах и вычислим действующую силу тяжести в Ньютонах.
$m_{3}$ = 42,2 г (0,0422 кг).
Теперь погруженная в воду пробирка вытесняет35 $см^{3} (0,000035 м^{3}$) воды и тонет.
$F_{А3} = 9,8 * 1000 * 0,000035 = 0,34 $ Н.
$F_{тяж3} = P_{2} = 9,8 * 0,0422 = 0,43 $ Н.
10. Результаты записываем в сводную таблицу 13.
Таблица 13.
№ опыта Выталкивающая сила, Вес пробирки Поведение
опыта действующая на пробирку, с песком P, Н P = gm пробирки в воде
F, Н F= gρжV
1 0,23 0,19 всплывает
2 0,34 0,34 плавает
3 0,34 0,43 тонет
11. Мы знаем, что на тело плавающее в воде действует две силы. Это сила тяжести и выталкивающая сила. При этом силы действуют в разные стороны. При этом сила тяжести практически равна весу F= mg. А вот сила Архимеда, выталкивающая, равна массе жидкости в объеме погруженного тела.
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. Мы опытным путем подтвердили, что не в некоторых случаях тела тонут, когда их плотность в объеме тела выше, чем плотность воды, тогда выталкивающая силы меньше силы притяжения тела.
