Лабораторные работы — с. 217
Лабораторная работа № 9. Изучение выталкивающей силы, действующей на погружённое в жидкость тело.
Цель работы. Исследовать зависимость выталкивающей силы, действующей на погружённое в жидкость тело, от плотности жидкости и объёма погружённой части тела.
Приборы и материалы. Динамометр, штатив с муфтой и лапкой, нить, два тела разного объёма, два тела одинакового объёма разной массы, стаканы с водой и насыщенным раствором поваренной соли в воде.
Указания к работе.
1. Укрепите динамометр в лапке штатива и подвесьте к нему на нити тело. Снимите показание динамометра, определив вес тела в воздухе P(V₁).
2. Подставьте стакан с водой и опустите муфту с лапкой и динамометром так, чтобы всё тело оказалось под водой. Снимите показание динамометра, определив вес тела в воде P₁(V₁).
3. По полученным данным вычислите выталкивающую силу F(V₁) = P(V₁) − P₁(V₁), действующую на тело.
4. Обработка результатов измерений. Результаты измерений с учётом абсолютной погрешности запишите в таблицу 17. Абсолютная погрешность ΔP измерения веса тела равна цене деления шкалы динамометра. Абсолютная погрешность ΔF измерения выталкивающей силы равна 2ΔP. [Таблица 17: строки — Вода; Насыщенный раствор соли в воде; столбцы — Вес тела в воздухе P ± ΔP, Н (P(V₁), P(V₂)); Вес тела в жидкости P₁ ± ΔP, Н (P₁(V₁), P₁(V₂)); Выталкивающая сила F ± ΔF, Н (F(V₁), F(V₂)).]
5. Определите выталкивающую силу, действующую на то же тело в насыщенном растворе поваренной соли.
6. Повторите п. 2—4, погружая тело в жидкость наполовину (V₂), и определите выталкивающую силу F(V₂), действующую на него в воде и в насыщенном растворе поваренной соли.
7. Покажите на числовой оси интервал возможных значений выталкивающей силы.
8. Проанализируйте результаты и сделайте выводы.
Дополнительное задание 1. Исследуйте, зависит ли выталкивающая сила от массы и плотности тела, повторив п. 1—4 для тел одинакового объёма разной массы. Сделайте вывод.
Дополнительное задание 2. Исследуйте зависимость выталкивающей силы от объёма погружённой части тела, повторив п. 1—4 для случая частичного погружения тела в воду. Сделайте вывод.
Цель работы. Исследовать зависимость выталкивающей силы, действующей на погружённое в жидкость тело, от плотности жидкости и объёма погружённой части тела.
Приборы и материалы. Динамометр, штатив с муфтой и лапкой, нить, два тела разного объёма, два тела одинакового объёма разной массы, стаканы с водой и насыщенным раствором поваренной соли в воде.
Указания к работе.
1. Укрепите динамометр в лапке штатива и подвесьте к нему на нити тело. Снимите показание динамометра, определив вес тела в воздухе P(V₁).
2. Подставьте стакан с водой и опустите муфту с лапкой и динамометром так, чтобы всё тело оказалось под водой. Снимите показание динамометра, определив вес тела в воде P₁(V₁).
3. По полученным данным вычислите выталкивающую силу F(V₁) = P(V₁) − P₁(V₁), действующую на тело.
4. Обработка результатов измерений. Результаты измерений с учётом абсолютной погрешности запишите в таблицу 17. Абсолютная погрешность ΔP измерения веса тела равна цене деления шкалы динамометра. Абсолютная погрешность ΔF измерения выталкивающей силы равна 2ΔP. [Таблица 17: строки — Вода; Насыщенный раствор соли в воде; столбцы — Вес тела в воздухе P ± ΔP, Н (P(V₁), P(V₂)); Вес тела в жидкости P₁ ± ΔP, Н (P₁(V₁), P₁(V₂)); Выталкивающая сила F ± ΔF, Н (F(V₁), F(V₂)).]
5. Определите выталкивающую силу, действующую на то же тело в насыщенном растворе поваренной соли.
6. Повторите п. 2—4, погружая тело в жидкость наполовину (V₂), и определите выталкивающую силу F(V₂), действующую на него в воде и в насыщенном растворе поваренной соли.
7. Покажите на числовой оси интервал возможных значений выталкивающей силы.
8. Проанализируйте результаты и сделайте выводы.
Дополнительное задание 1. Исследуйте, зависит ли выталкивающая сила от массы и плотности тела, повторив п. 1—4 для тел одинакового объёма разной массы. Сделайте вывод.
Дополнительное задание 2. Исследуйте зависимость выталкивающей силы от объёма погружённой части тела, повторив п. 1—4 для случая частичного погружения тела в воду. Сделайте вывод.
Ход работы (данные типичного опыта). Тело — алюминиевый цилиндр объёмом V₁ = 50 см³; цена деления динамометра 0,1 Н, поэтому ΔP = 0,1 Н, ΔF = 2ΔP = 0,2 Н. Принимаем g = 10 Н/кг, плотность воды 1000 кг/м³, плотность насыщенного раствора соли около 1200 кг/м³.
1. Вес в воздухе: P(V₁) = (1,4 ± 0,1) Н.
2. Тело целиком в воде: вес P₁(V₁) = (0,9 ± 0,1) Н.
3. Выталкивающая сила F(V₁) = P(V₁) − P₁(V₁) = 1,4 − 0,9 = 0,5 Н, то есть F = (0,5 ± 0,2) Н (от 0,3 до 0,7 Н).
4. Результаты внесены в таблицу 17 (см. рисунок).
5. В насыщенном растворе соли тело целиком: P₁(V₁) = (0,8 ± 0,1) Н, F(V₁) = 1,4 − 0,8 = 0,6 Н, F = (0,6 ± 0,2) Н (от 0,4 до 0,8 Н).
6. Наполовину погружённое тело (V₂ = 25 см³, вес в воздухе по-прежнему 1,4 Н). В воде P₁(V₂) = 1,1 Н, F(V₂) = 1,4 − 1,1 = 0,3 Н, то есть (0,3 ± 0,2) Н. В растворе соли P₁(V₂) = 1,1 Н, F(V₂) = 0,3 Н, то есть (0,3 ± 0,2) Н.
7. Интервалы значений на числовой оси: в воде при V₁ от 0,3 до 0,7 Н, в растворе при V₁ от 0,4 до 0,8 Н; при V₂ в обеих жидкостях от 0,1 до 0,5 Н.
Проверка расчётом: F = ρ_ж · g · V. В воде при V₁: 1000 · 10 · 0,00005 = 0,5 Н; в растворе: 1200 · 10 · 0,00005 = 0,6 Н; при половинном погружении 0,25 Н и 0,30 Н. Измеренные значения попадают в интервалы, то есть опыт согласуется с расчётом.
8. Выводы. 1. Выталкивающая сила, действующая на погружённое тело, равна разности веса тела в воздухе и в жидкости. 2. При увеличении объёма погружённой части тела вдвое (с V₂ до V₁) выталкивающая сила в воде выросла с 0,3 до 0,5 Н, то есть примерно в 2 раза (в пределах погрешности): она растёт с увеличением объёма погружённой части. 3. В насыщенном растворе соли, плотность которого больше, чем у воды, выталкивающая сила для того же тела больше (0,6 Н против 0,5 Н); различие невелико и сравнимо с погрешностью 0,2 Н, но совпадает с расчётом и с ожиданием, что сила растёт с плотностью жидкости. Дополнительное задание 1. Взяли два цилиндра одинакового объёма 25 см³: алюминиевый и стальной. Алюминиевый: P = 0,7 Н, в воде 0,5 Н, F = 0,2 Н. Стальной: P = 2,0 Н, в воде 1,7 Н, F = 0,3 Н. Расчёт даёт 1000 · 10 · 0,000025 = 0,25 Н для обоих. Измеренные значения (0,2 и 0,3 Н, погрешность 0,2 Н) одинаковы в пределах погрешности. Вывод: выталкивающая сила не зависит от массы и плотности тела, а определяется плотностью жидкости и объёмом погружённой части. Дополнительное задание 2. Тело объёмом 50 см³ погружали в воду на 1/4, 1/2, 3/4 и целиком, вес в воздухе 1,4 Н. Показания динамометра в воде: 1,3 Н; 1,1 Н; 1,0 Н; 0,9 Н. Выталкивающая сила: 0,1 Н; 0,3 Н; 0,4 Н; 0,5 Н (расчёт: 0,125; 0,25; 0,375; 0,5 Н). Вывод: выталкивающая сила растёт пропорционально объёму погружённой части тела.
Оговорка: числовые значения получены для типичного оборудования и могут отличаться.
1. Вес в воздухе: P(V₁) = (1,4 ± 0,1) Н.
2. Тело целиком в воде: вес P₁(V₁) = (0,9 ± 0,1) Н.
3. Выталкивающая сила F(V₁) = P(V₁) − P₁(V₁) = 1,4 − 0,9 = 0,5 Н, то есть F = (0,5 ± 0,2) Н (от 0,3 до 0,7 Н).
4. Результаты внесены в таблицу 17 (см. рисунок).
5. В насыщенном растворе соли тело целиком: P₁(V₁) = (0,8 ± 0,1) Н, F(V₁) = 1,4 − 0,8 = 0,6 Н, F = (0,6 ± 0,2) Н (от 0,4 до 0,8 Н).
6. Наполовину погружённое тело (V₂ = 25 см³, вес в воздухе по-прежнему 1,4 Н). В воде P₁(V₂) = 1,1 Н, F(V₂) = 1,4 − 1,1 = 0,3 Н, то есть (0,3 ± 0,2) Н. В растворе соли P₁(V₂) = 1,1 Н, F(V₂) = 0,3 Н, то есть (0,3 ± 0,2) Н.
7. Интервалы значений на числовой оси: в воде при V₁ от 0,3 до 0,7 Н, в растворе при V₁ от 0,4 до 0,8 Н; при V₂ в обеих жидкостях от 0,1 до 0,5 Н.
Проверка расчётом: F = ρ_ж · g · V. В воде при V₁: 1000 · 10 · 0,00005 = 0,5 Н; в растворе: 1200 · 10 · 0,00005 = 0,6 Н; при половинном погружении 0,25 Н и 0,30 Н. Измеренные значения попадают в интервалы, то есть опыт согласуется с расчётом.
8. Выводы. 1. Выталкивающая сила, действующая на погружённое тело, равна разности веса тела в воздухе и в жидкости. 2. При увеличении объёма погружённой части тела вдвое (с V₂ до V₁) выталкивающая сила в воде выросла с 0,3 до 0,5 Н, то есть примерно в 2 раза (в пределах погрешности): она растёт с увеличением объёма погружённой части. 3. В насыщенном растворе соли, плотность которого больше, чем у воды, выталкивающая сила для того же тела больше (0,6 Н против 0,5 Н); различие невелико и сравнимо с погрешностью 0,2 Н, но совпадает с расчётом и с ожиданием, что сила растёт с плотностью жидкости. Дополнительное задание 1. Взяли два цилиндра одинакового объёма 25 см³: алюминиевый и стальной. Алюминиевый: P = 0,7 Н, в воде 0,5 Н, F = 0,2 Н. Стальной: P = 2,0 Н, в воде 1,7 Н, F = 0,3 Н. Расчёт даёт 1000 · 10 · 0,000025 = 0,25 Н для обоих. Измеренные значения (0,2 и 0,3 Н, погрешность 0,2 Н) одинаковы в пределах погрешности. Вывод: выталкивающая сила не зависит от массы и плотности тела, а определяется плотностью жидкости и объёмом погружённой части. Дополнительное задание 2. Тело объёмом 50 см³ погружали в воду на 1/4, 1/2, 3/4 и целиком, вес в воздухе 1,4 Н. Показания динамометра в воде: 1,3 Н; 1,1 Н; 1,0 Н; 0,9 Н. Выталкивающая сила: 0,1 Н; 0,3 Н; 0,4 Н; 0,5 Н (расчёт: 0,125; 0,25; 0,375; 0,5 Н). Вывод: выталкивающая сила растёт пропорционально объёму погружённой части тела.
Оговорка: числовые значения получены для типичного оборудования и могут отличаться.