1. Опишите опыт, изображённый на рисунке 154. Что он доказывает?
В этом опыте проверяется вывод о том, что выталкивающая сила равна весу жидкости в объёме погружённого тела. Вначале подвешивают ведёрко и металлический цилиндр одинакового объёма, отмечая положение стрелки-указателя. Затем цилиндр полностью погружают в сосуд с водой, из-за чего часть воды выливается. При этом вес цилиндра уменьшается, а стрелка-указатель поднимается. Далее эту вылитую воду переливают в ведёрко, и стрелка возвращается в исходное положение. Это доказывает, что потеря веса цилиндра в воде равна весу вытесненной жидкости.
2. Какую силу называют архимедовой?
Архимедова сила — это сила, направленная вверх, которая действует на тело, погружённое в жидкость или газ. Она равна весу вытесненной жидкости или газа.
3. По какой формуле можно рассчитать архимедову силу?
F = ρ * g * V
где:
ρ — плотность жидкости, g — ускорение свободного падения, V — объём вытесненной жидкости.
4. От каких величин и как зависит архимедова сила?
Выталкивающая сила зависит от плотности жидкости (чем плотнее жидкость, тем больше сила), ускорения свободного падения (на Луне будет меньше, чем на Земле) и объёма погружённого тела (чем больше объём, тем больше сила).
Как изменится выталкивающая сила (см. пример), если аналогичный эксперимент провести в космическом корабле, находящемся на поверхности Луны?
На Луне ускорение свободного падения меньше примерно в 6 раз, поэтому архимедова сила тоже уменьшится в 6 раз.
1. К одной чаше весов подвешен цилиндр из алюминия, а к другой — оловянный такой же массы. Весы находятся в равновесии. Оба цилиндра одновременно погрузили в воду. Равновесие весов нарушилось. Объясните почему. Какая чаша весов перевесит?
Алюминий имеет меньшую плотность, чем олово, поэтому его цилиндр при той же массе имеет больший объём. Соответственно, он вытеснит больше воды, и на него будет действовать большая архимедова сила. Это уменьшит его вес сильнее, чем вес оловянного цилиндра, и чаша с оловом перевесит.
2. К коромыслу весов подвешены два железных шарика одинакового объёма. Нарушится ли равновесие весов, если один шарик погрузить в воду, другой — в керосин? Ответ обоснуйте.
Равновесие нарушится, потому что архимедова сила зависит от плотности жидкости. Плотность керосина меньше плотности воды, поэтому шарик, погружённый в керосин, испытает меньшую выталкивающую силу, чем шарик в воде. Следовательно, он будет казаться тяжелее, и его сторона весов опустится.
3. Какую силу нужно приложить, чтобы кусок гранита объёмом 40 дм3 удержать в воде; в воздухе?
В воздухе нужно приложить силу, равную весу гранита: F = ρ * g * V = 2700 * 9.8 * 40 * 0.001 = 1058.4 Н
В воде действует архимедова сила: F_арх = ρ_воды * g * V = 1000 * 9.8 * 40 * 0.001 = 392 Н
Тогда сила для удержания гранита в воде: F_в воде = F - F_арх = 1058.4 - 392 = 666.4 Н
4. В какой воде, пресной или морской, на человека действует большая выталкивающая сила?
В морской воде, потому что её плотность выше, чем у пресной. Чем больше плотность жидкости, тем сильнее архимедова сила.
5*. Одинаковая ли сила потребуется для того, чтобы удержать пустое ведро в воздухе и это же ведро, но наполненное водой, в воде? Ответ поясните.
Нет, разная. В воздухе вес ведра не компенсируется никакой значительной выталкивающей силой, поэтому его удержание требует приложения силы, равной его весу. В воде на ведро с водой действует архимедова сила, равная весу вытесненной воды. Если ведро полностью погружено, то эта сила практически компенсирует его вес, и для удержания потребуется гораздо меньшая сила.
Измерьте выталкивающую силу, действующую на банку с водой, когда она погружена в воду наполовину; целиком. Выясните зависимость выталкивающей силы от глубины погружения тела в жидкость.
Выталкивающая сила, или архимедова сила, зависит от объёма вытесненной жидкости, но не зависит от глубины погружения, если плотность жидкости остаётся неизменной.
Если банку с водой погрузить в воду наполовину, то объём вытесненной жидкости будет равен половине объёма банки. Тогда выталкивающая сила вычисляется по формуле:
F_арх = ρ * g * V_выт
Где: ρ — плотность воды (1000 кг/м³), g — ускорение свободного падения (9,8 м/с²), V_выт — объём вытесненной воды.
При полном погружении банки объём вытесненной воды равен полному объёму банки, и выталкивающая сила увеличивается.
Зависимость выталкивающей силы от глубины погружения:
Если тело частично погружено, сила растёт пропорционально объёму вытесненной жидкости. При полном погружении архимедова сила остаётся постоянной, так как больше жидкости вытеснить невозможно. Глубина сама по себе не влияет на выталкивающую силу, только объём погруженной части.