Лабораторные работы — с. 219
Лабораторная работа № 10. Выяснение условий плавания тела в жидкости.
Цель работы. Исследовать явление плавания тел в жидкости.
Приборы и материалы. Весы рычажные с разновесами, измерительный цилиндр, пробирка (аптечный пузырёк) с пробкой, проволочный крючок, сухой песок, фильтровальная бумага или сухая тряпка.
Указания к работе.
1. Регулируя с помощью песка степень погружения пробирки в воду (рис. 199), добейтесь частичного погружения пробирки, полного погружения, опускания пробирки на дно сосуда.
2. Для каждого случая определите массу пробирки с песком и силу тяжести Fтяж = mg.
Примечание. Перед тем как положить на весы пробирку с песком, протрите её фильтровальной бумагой или тряпкой.
3. Обработка результатов измерений. Результаты прямых измерений с учётом абсолютной погрешности, равной цене деления шкалы прибора, и вычислений записывайте в таблицу 18. Отметьте, когда пробирка плавает и когда тонет или всплывает.
4. Для каждого случая определите объём вытесненной воды и рассчитайте выталкивающую силу FA = ρж Vg.
5. Сделайте вывод об условии плавания тела в жидкости.
[на рисунке 199: измерительный цилиндр со шкалой в мл (10, 20, 30, 40, 50), в воде стоит наклонно пробирка с пробкой, частично погружённая. Таблица 18, столбцы: № опыта; масса пробирки с песком m ± Δm, кг; сила тяжести пробирки с песком Fтяж, Н; объём вытесненной воды V ± ΔV, м³; выталкивающая сила, действующая на пробирку, FA, Н; поведение пробирки в воде.]
Цель работы. Исследовать явление плавания тел в жидкости.
Приборы и материалы. Весы рычажные с разновесами, измерительный цилиндр, пробирка (аптечный пузырёк) с пробкой, проволочный крючок, сухой песок, фильтровальная бумага или сухая тряпка.
Указания к работе.
1. Регулируя с помощью песка степень погружения пробирки в воду (рис. 199), добейтесь частичного погружения пробирки, полного погружения, опускания пробирки на дно сосуда.
2. Для каждого случая определите массу пробирки с песком и силу тяжести Fтяж = mg.
Примечание. Перед тем как положить на весы пробирку с песком, протрите её фильтровальной бумагой или тряпкой.
3. Обработка результатов измерений. Результаты прямых измерений с учётом абсолютной погрешности, равной цене деления шкалы прибора, и вычислений записывайте в таблицу 18. Отметьте, когда пробирка плавает и когда тонет или всплывает.
4. Для каждого случая определите объём вытесненной воды и рассчитайте выталкивающую силу FA = ρж Vg.
5. Сделайте вывод об условии плавания тела в жидкости.
[на рисунке 199: измерительный цилиндр со шкалой в мл (10, 20, 30, 40, 50), в воде стоит наклонно пробирка с пробкой, частично погружённая. Таблица 18, столбцы: № опыта; масса пробирки с песком m ± Δm, кг; сила тяжести пробирки с песком Fтяж, Н; объём вытесненной воды V ± ΔV, м³; выталкивающая сила, действующая на пробирку, FA, Н; поведение пробирки в воде.]
Ход работы.
1. Насыпаю в пробирку немного песка, закрываю пробкой, протираю насухо и взвешиваю на рычажных весах. Затем опускаю пробирку в мерный цилиндр с водой (в цилиндре 50 мл воды; цена деления цилиндра 1 мл = 1·10⁻⁶ м³) и по изменению уровня воды определяю объём вытесненной воды. Повторяю опыт трижды, меняя количество песка: (1) пробирка плавает на поверхности, погружена частично; (2) пробирка полностью погружена, но не касается дна (плавает в толще воды); (3) песка столько, что пробирка тонет и лежит на дне.
2. Принимаю g = 10 Н/кг, плотность воды ρж = 1000 кг/м³. Абсолютная погрешность взвешивания Δm = 0,001 кг (цена наименьшей гири 1 г), погрешность объёма ΔV = 1·10⁻⁶ м³ (цена деления цилиндра). Результаты измерений и вычислений (таблица 18):
Опыт 1: m = (0,026 ± 0,001) кг; Fтяж = mg = 0,026 · 10 = 0,26 Н; вытеснено V = (26 ± 1)·10⁻⁶ м³ (уровень поднялся с 50 до 76 мл); FA = ρжVg = 1000 · 26·10⁻⁶ · 10 = 0,26 Н; пробирка плавает на поверхности (частичное погружение).
Опыт 2: m = (0,040 ± 0,001) кг; Fтяж = 0,040 · 10 = 0,40 Н; вытеснено V = (40 ± 1)·10⁻⁶ м³ (весь объём пробирки); FA = 1000 · 40·10⁻⁶ · 10 = 0,40 Н; пробирка плавает внутри жидкости, не тонет и не всплывает.
Опыт 3: m = (0,052 ± 0,001) кг; Fтяж = 0,052 · 10 = 0,52 Н; вытеснено V = (40 ± 1)·10⁻⁶ м³; FA = 1000 · 40·10⁻⁶ · 10 = 0,40 Н; пробирка тонет и лежит на дне.
Погрешности: ΔFтяж = gΔm = 10 · 0,001 = 0,01 Н; ΔFA = ρжgΔV = 1000 · 10 · 1·10⁻⁶ = 0,01 Н. Значит, Fтяж1 = (0,26 ± 0,01) Н, FA1 = (0,26 ± 0,01) Н, Fтяж2 = (0,40 ± 0,01) Н, FA2 = (0,40 ± 0,01) Н; в опыте 3 Fтяж = (0,52 ± 0,01) Н, FA = (0,40 ± 0,01) Н. Дополнительный расчёт плотности пробирки с песком ρ = m/V (V = 40·10⁻⁶ м³ — полный объём пробирки): опыт 1: 0,026 : 40·10⁻⁶ = 650 кг/м³ (< 1000 кг/м³); опыт 2: 0,040 : 40·10⁻⁶ = 1000 кг/м³; опыт 3: 0,052 : 40·10⁻⁶ = 1300 кг/м³ (> 1000 кг/м³). Вывод. Если сила тяжести равна выталкивающей силе (Fтяж = FA, опыты 1 и 2), тело плавает: в опыте 1 — на поверхности, частично погрузившись так, чтобы вытесненная вода уравновешивала вес, в опыте 2 — внутри жидкости. Если Fтяж > FA (опыт 3: 0,52 Н > 0,40 Н), тело тонет. Если бы Fтяж < FA при полном погружении, тело всплывало бы до поверхности, пока часть тела не выйдет из воды и FA не сравняется с Fтяж. Иначе: тело плавает, когда его средняя плотность не больше плотности жидкости (ρт ≤ ρж), и тонет, когда ρт > ρж.
Оговорка: числовые значения получены для типичного оборудования и могут отличаться.
1. Насыпаю в пробирку немного песка, закрываю пробкой, протираю насухо и взвешиваю на рычажных весах. Затем опускаю пробирку в мерный цилиндр с водой (в цилиндре 50 мл воды; цена деления цилиндра 1 мл = 1·10⁻⁶ м³) и по изменению уровня воды определяю объём вытесненной воды. Повторяю опыт трижды, меняя количество песка: (1) пробирка плавает на поверхности, погружена частично; (2) пробирка полностью погружена, но не касается дна (плавает в толще воды); (3) песка столько, что пробирка тонет и лежит на дне.
2. Принимаю g = 10 Н/кг, плотность воды ρж = 1000 кг/м³. Абсолютная погрешность взвешивания Δm = 0,001 кг (цена наименьшей гири 1 г), погрешность объёма ΔV = 1·10⁻⁶ м³ (цена деления цилиндра). Результаты измерений и вычислений (таблица 18):
Опыт 1: m = (0,026 ± 0,001) кг; Fтяж = mg = 0,026 · 10 = 0,26 Н; вытеснено V = (26 ± 1)·10⁻⁶ м³ (уровень поднялся с 50 до 76 мл); FA = ρжVg = 1000 · 26·10⁻⁶ · 10 = 0,26 Н; пробирка плавает на поверхности (частичное погружение).
Опыт 2: m = (0,040 ± 0,001) кг; Fтяж = 0,040 · 10 = 0,40 Н; вытеснено V = (40 ± 1)·10⁻⁶ м³ (весь объём пробирки); FA = 1000 · 40·10⁻⁶ · 10 = 0,40 Н; пробирка плавает внутри жидкости, не тонет и не всплывает.
Опыт 3: m = (0,052 ± 0,001) кг; Fтяж = 0,052 · 10 = 0,52 Н; вытеснено V = (40 ± 1)·10⁻⁶ м³; FA = 1000 · 40·10⁻⁶ · 10 = 0,40 Н; пробирка тонет и лежит на дне.
Погрешности: ΔFтяж = gΔm = 10 · 0,001 = 0,01 Н; ΔFA = ρжgΔV = 1000 · 10 · 1·10⁻⁶ = 0,01 Н. Значит, Fтяж1 = (0,26 ± 0,01) Н, FA1 = (0,26 ± 0,01) Н, Fтяж2 = (0,40 ± 0,01) Н, FA2 = (0,40 ± 0,01) Н; в опыте 3 Fтяж = (0,52 ± 0,01) Н, FA = (0,40 ± 0,01) Н. Дополнительный расчёт плотности пробирки с песком ρ = m/V (V = 40·10⁻⁶ м³ — полный объём пробирки): опыт 1: 0,026 : 40·10⁻⁶ = 650 кг/м³ (< 1000 кг/м³); опыт 2: 0,040 : 40·10⁻⁶ = 1000 кг/м³; опыт 3: 0,052 : 40·10⁻⁶ = 1300 кг/м³ (> 1000 кг/м³). Вывод. Если сила тяжести равна выталкивающей силе (Fтяж = FA, опыты 1 и 2), тело плавает: в опыте 1 — на поверхности, частично погрузившись так, чтобы вытесненная вода уравновешивала вес, в опыте 2 — внутри жидкости. Если Fтяж > FA (опыт 3: 0,52 Н > 0,40 Н), тело тонет. Если бы Fтяж < FA при полном погружении, тело всплывало бы до поверхности, пока часть тела не выйдет из воды и FA не сравняется с Fтяж. Иначе: тело плавает, когда его средняя плотность не больше плотности жидкости (ρт ≤ ρж), и тонет, когда ρт > ρж.
Оговорка: числовые значения получены для типичного оборудования и могут отличаться.