Определение условия плавания тел

Цель работы: экспериментально установить, при каких условиях тело тонет, всплывает и плавает.

Проверьте следующие утверждения:

а) если сила тяжести ($mg$) меньше максимальной архимедовой силы, то тело плавает, частично погрузившись в воду (рис. 7.1, а);

б) если сила тяжести ($mg$) равна максимальной архимедовой силе, то тело плавает, полностью погрузившись в жидкость (рис. 7.1, б);

в) если сила тяжести ($mg$) больше максимальной архимедовой силы, то тело тонет (рис. 7.1, в).

Оборудование: мензурка, весы, разновес, пробирка с пробкой, песок, стеклянная или деревянная палочка.

Задание 1

Ход работы:

1. Измерьте объем пробирки, находящейся в жидкости с плотно закрытой пробкой. Полностью погрузите в мензурку пробирку с помощью палочки.
2. Вычислите архимедову силу, действующую на пробирку: $F_A = \rho_ж g V$ (плотность воды 1000 кг/м³). Результаты измерений и вычислений запишите в таблицу 2.
3. Насыпьте в пробирку немного песка, чтобы при опускании в воду она плавала (рис. 7.1, а). Измерьте массу пробирки с песком и вычислите силу тяжести, действующую на пробирку: $F_{тяж.} = mg$. Сравните архимедову силу и силу тяжести, действующие на пробирку в этом случае. Полностью погрузив пробирку в воду, определите максимальную силу Архимеда и сравните ее с силой тяжести. Сделайте вывод.

Рис. 7.1

4. Насыпьте в пробирку столько песка, чтобы при опускании в воду она плавала и часть ее находилась в воде, а часть — над поверхностью воды. Измерьте $V_{п.ч.}$ объем той части пробирки, которая находится в воде. Вычислите действующую на нее архимедову силу. Измерьте массу пробирки с песком и вычислите силу тяжести, действующую на них: $F_{тяж.} = mg$. Сравните архимедову силу и силу тяжести, действующие на пробирку в этом случае.
5. Добавьте в пробирку еще немного песка, чтобы она полностью оказалась погруженной в воду, но не тонула, а плавала в ней (рис. 7.1, б). Измерьте массу пробирки с песком в этом случае, вычислите силу тяжести и сравните ее с архимедовой силой. Сделайте вывод.
6. Полностью заполните пробирку песком, измерьте ее массу и вычислите действующую на нее силу тяжести. Опустите пробирку в мензурку. Она утонет (рис. 7.1, в). Сравните архимедову силу и силу тяжести, действующие на пробирку в этом случае. Сделайте вывод.
7. Сделайте общий вывод об условиях плавания тел. Результаты запишите в таблицу 2.

Таблица 2

№ опыта	Объем пробирки $V$, м³	Архимедова сила $F_A$, Н	Масса пробирки $m$, кг	Сила тяжести $F_{тяж.}$, Н	Соотношение между $F_A$ и $F_{тяж.}$	Поведение пробирки в воде
1
2
3
4

Самое важное в главе

Давление.

Твердое	Жидкое	Газообразное
Имеет собственный объем, собственную форму.	Имеет собственный объем, принимает форму сосуда.	Занимает объем сосуда, принимает форму сосуда.
Движение молекул: колебательное относительно узлов кристаллической решетки.	Движение молекул: колебательное, с изменением положения равновесия.	Движение молекул: беспорядочное и непрерывное.

Закон Паскаля: давление, производимое на жидкость или газ, передается без изменения в каждую точку жидкости или газа.

Закон сообщающихся сосудов: в сообщающихся сосудах поверхности однородной жидкости устанавливаются на одном уровне. В сообщающихся сосудах высоты столбов разнородных жидкостей обратно пропорциональны их плотностям.

Закон Архимеда: на тело, погруженное в жидкость или газ, действует выталкивающая (архимедова) сила, равная весу жидкости в объеме погруженной части тела:

$$F_A = P_ж, \quad \text{где} \quad P_ж = \rho_ж g V_ж.$$

Условия плавания тел

Соотношение силы тяжести и архимедовой силы	Соотношение плотностей жидкости и тела	Состояние тела
Сила тяжести меньше архимедовой силы.	$\rho < \rho_ж$	Тело плавает на поверхности жидкости.
Сила тяжести равна архимедовой силе.	$\rho = \rho_ж$	Тело плавает внутри жидкости.
Сила тяжести больше архимедовой силы.	$\rho > \rho_ж$	Тело тонет.

Плавание тел. Тело плавает, если плотность жидкости, в которую погружено тело, больше или равна плотности вещества тела: $\rho_ж \geqslant \rho$.