Лабораторная работа №6. Изучение закона Архимеда
В этой работе тело взвешивают динамометром в воздухе и в жидкости: разность показаний равна выталкивающей (архимедовой) силе. Тело погружают частично и целиком, в воду и в солёную воду, и смотрят, от чего зависит выталкивающая сила. Результат сравнивают с весом вытесненной жидкости.
Цель работы. Определить выталкивающую силу, действующую на тело в жидкости, исследовать её зависимость от объёма погружённой части тела и от плотности жидкости и проверить закон Архимеда.
Сделать ҚМЖ по этой темеЦели обучения
- 7.3.1.11определять выталкивающую силу и исследовать ее зависимость от объема тела, погруженного в жидкость, знать и соблюдать технику безопасности в кабинете физики
Оборудование
- динамометр с ценой деления 0,1 Н
- металлический цилиндр на нити (или два тела разного объёма)
- стакан с водой
- стакан с насыщенным раствором соли
- мензурка
- штатив с лапкой
- салфетка
Ход работы
- 1
Определите цену деления динамометра и его погрешность.
- 2
Подвесьте тело к динамометру и измерьте его вес в воздухе P.
- 3
Погрузите тело в воду наполовину и запишите показание динамометра.
- 4
Погрузите тело в воду целиком так, чтобы оно не касалось дна и стенок, и запишите показание P₁.
- 5
Опустите тело глубже, не касаясь дна, и проверьте, изменилось ли показание.
- 6
Повторите измерение с телом, полностью погружённым в солёную воду.
- 7
Измерьте мензуркой объём тела по вытесненной воде.
- 8
Вычислите выталкивающую силу FА = P − P₁ для каждого опыта и сравните её с весом вытесненной воды ρж·g·V.
Краткая теория
На любое тело, погружённое в жидкость, действует сила, направленная вертикально вверх. Её называют выталкивающей, или архимедовой, силой и обозначают FА. Она возникает потому, что давление жидкости растёт с глубиной: на нижнюю грань тела жидкость давит сильнее, чем на верхнюю.
Выталкивающую силу удобно измерить динамометром. В воздухе он показывает вес тела P, а в жидкости — меньшее значение P₁, потому что часть веса уравновешивает выталкивающая сила: FА = P − P₁.
Закон Архимеда: выталкивающая сила равна весу жидкости, вытесненной телом: FА = ρж·g·Vпогр, где ρж — плотность жидкости, Vпогр — объём погружённой части тела, g ≈ 9,8 Н/кг. Значит, выталкивающая сила тем больше, чем больше погружённый объём и чем плотнее жидкость. Если тело погружено частично, в формулу подставляют объём только погружённой части.
Выталкивающая сила не зависит от массы и плотности самого тела: тела одинакового объёма из алюминия и стали в воде выталкиваются одинаково. Когда тело уже целиком под водой, сила не меняется при опускании глубже. Единица силы — ньютон (Н), объём в формуле берут в кубических метрах.
Виртуальный опыт
В симуляции «Механическая лаборатория» выберите режим «Жидкости», затем «Динамометр в жидкости». Выберите тело и жидкость и постепенно меняйте глубину погружения — какая часть тела находится в жидкости, от 0 до 100 %. Записывайте показание динамометра при каждом погружении, вычисляйте FА = P − P₁, а потом повторите опыт с другой жидкостью или телом другого объёма.
Ещё одна симуляция по теме: Закон Архимеда: плавание тел
Таблица измерений
Лабораторная работа №6 · Физика, 7 класс. Изучение закона Архимеда
Фамилия, имя, класс: ____________________ Дата: __________
| № опыта | Жидкость | Погружённая часть тела | Вес в воздухе P, Н | Показание в жидкости P₁, Н | Выталкивающая сила FА = P − P₁, Н |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | |||||
| 2 | |||||
| 3 | |||||
| 4 |
Расчёт и вывод
Выталкивающая сила по опыту: FА = P − P₁.
Например, алюминиевый цилиндр объёмом 50 см³ весит в воздухе P = 1,32 Н, а целиком в воде динамометр показывает P₁ = 0,83 Н. Тогда FА = 1,32 − 0,83 = 0,49 Н.
По закону Архимеда: FА = ρж·g·V = 1000 кг/м³ · 9,8 Н/кг · 50·10⁻⁶ м³ = 0,49 Н — совпадает с опытом.
Например, при погружении наполовину FА ≈ 0,25 Н — в 2 раза меньше, потому что погружённый объём в 2 раза меньше.
Погрешность FА складывается из погрешностей двух показаний динамометра: при цене деления 0,1 Н это примерно ±0,1 Н.
Шаблон вывода: В ходе работы я определил(а) выталкивающую силу. При полном погружении в воду FА = … Н, в солёную воду — … Н. При уменьшении погружённого объёма в … раза выталкивающая сила … . На глубину погружения целиком погружённого тела сила … . Вес вытесненной воды равен … Н, значит закон Архимеда … .
Контрольные вопросы
Почему на тело в жидкости действует выталкивающая сила?
Показать ответ
Давление жидкости растёт с глубиной, поэтому снизу на тело жидкость давит сильнее, чем сверху. Разность этих сил и есть выталкивающая сила.
Как измерить выталкивающую силу динамометром?
Показать ответ
Взвесить тело в воздухе и в жидкости и найти разность показаний: FА = P − P₁.
От чего зависит выталкивающая сила?
Показать ответ
От объёма погружённой части тела и от плотности жидкости. От массы тела и от глубины погружения целиком погружённого тела она не зависит.
Почему в солёной воде выталкивающая сила больше, чем в пресной?
Показать ответ
Плотность солёной воды больше, поэтому тот же объём вытесненной жидкости весит больше.
На два тела одинакового объёма — из стали и из алюминия — в воде действует одинаковая выталкивающая сила. Почему?
Показать ответ
Выталкивающая сила равна весу вытесненной жидкости, а объём вытесненной жидкости у них одинаковый.
Техника безопасности
- Не опускайте в воду сам динамометр — только тело на нити.
- Проверьте, что нить прочная и тело не сорвётся в стакан: стекло может разбиться.
- Перед каждым взвешиванием в воздухе вытирайте тело салфеткой.
- Солёную воду не пробуйте на вкус, после работы вымойте руки.
- Пролитую воду сразу вытрите, держите стаканы подальше от края стола.
Учителю
ҚМЖ и СОР по теме этой работы ИИ собирает в кабинете Bilim Plus Ұстаз по кодам целей обучения. Симуляцию можно выдать классу или вывести на доску.
Вопросы
- Можно ли сделать работу без оборудования?
- Да, есть виртуальная лабораторная: симуляция «Механическая лаборатория», режим «Жидкости», пункт «Динамометр в жидкости». Её можно выполнить на компьютере или телефоне, а оформлять результат в журнал — по требованию учителя.
- Как записать вывод?
- Приведите значения выталкивающей силы для разных опытов, напишите, от чего она зависит и от чего нет, и сравните её с весом вытесненной жидкости.
- Почему тело не должно касаться дна стакана?
- Дно будет поддерживать тело, показание динамометра уменьшится ещё сильнее, и выталкивающая сила получится завышенной.