Архимедова сила
1. Постановка задачи
Древнегреческий ученый Архимед прославился многочисленными открытиями. Именно он первым обнаружил, объяснил и сумел рассчитать выталкивающую силу. На прошлом уроке мы выяснили, что эта сила действует на любое тело, погруженное в жидкость или газ. В честь Архимеда эта сила называется также архимедовой силой. Расчетным путем мы получили формулу для вычисления этой силы. На данном уроке мы воспользуемся экспериментальным методом, чтобы выяснить, от каких факторов зависит выталкивающая сила, а от каких факторов она не зависит.
2. Эксперимент №1
Для проведения эксперимента мы будем использовать тела различного объема, сосуд с жидкостью и динамометр.
Прикрепим груз меньшего объема к динамометру и измерим вес этого груза сначала в воздухе, а затем, опустив груз в жидкость. При этом можно заметить, что величина деформации пружины после опускания груза в жидкость практически не изменилась. Это говорит о том, что выталкивающая сила, действующая на груз, невелика.
Теперь прикрепим к пружине динамометра груз большего объема и погрузим его в жидкость. Мы увидим, что деформация пружины заметно уменьшилась. Это произошло благодаря тому, что величина выталкивающей силы стала намного больше.
Рис 1. По изменению показаний динамометра можно определить значение выталкивающей силы
По результату данного эксперимента можно сделать промежуточный вывод.
Чем больше объем погруженной в жидкость части тела, тем больше выталкивающая сила, действующая на тело.
3. Эксперимент №2
Возьмем два тела в одинакового объема, но изготовленные из разных материалов. Это значит, что у них различная плотность. Подвесим к динамометру сначала один груз и опустим его в жидкость. По изменению показаний динамометра найдем выталкивающую силу.
Затем такую же операцию проведем со вторым грузом. Хотя вес первого и второго груза разные, но при погружении в жидкость показания динамометра уменьшатся на одну и ту же величину. Это означает, что в обоих случаях значение выталкивающей силы одно и то же, хотя грузы выполнены из разного материала.
Рис 2. При погружении в жидкость тел одного объема величина выталкивающей силы одинакова, хотя материалы тел имеют различную плотность
Таким образом, можно сделать еще один промежуточный вывод.
Величина выталкивающей силы не зависит от плотности тел, погруженных в жидкость.
4. Эксперимент №3
Прикрепим груз к пружине динамометра и опустим его в воду таким образом, чтобы он был полностью погружен в жидкость. Отметим показания динамометра. Теперь будем медленно подливать жидкость в сосуд. Мы заметим, что показания динамометра практически не изменяются. А значит, не меняется и выталкивающая сила.
Рис 3. Выталкивающая сила не зависит от высоты столба жидкости над погруженным телом
Третий промежуточный вывод.
Величина выталкивающей силы не зависит от высоты столба жидкости над уровнем погруженного в жидкость тела.
5. Эксперимент №4
Прикрепим груз к пружине динамометра. Заметив показания динамометра, когда тело находится в воздухе, погрузим тело сначала в воду, а затем в масло. По изменению показаний динамометра можно судить, что выталкивающая сила, действующая на тело в воде, больше, чем выталкивающая сила, действующая на то же самое тело в масле.
Рис 4. Выталкивающая сила зависит от плотности жидкости, в которую погружено тело
Отметим, что плотность воды равна 1000 кг/м3, а плотность масла меньше и составляет только 930 кг/м3. Это приводит к следующему выводу.
Чем больше плотность жидкости, в которую погружено тело, тем больше выталкивающая сила, действующая на тело со стороны данной жидкости.
6. Выводы
Итак, обобщив результаты проделанных экспериментов, можно заключить, что величина выталкивающей силы
ЗАВИСИТ:
1. От плотности жидкости ρж.
2. От объема погруженной части тела Vт.
НЕ ЗАВИСИТ
1. От плотности тела.
2. От формы тела.
3. От высоты столба жидкости над телом.
Полученные результаты находятся в полном соответствии с формулой для величины выталкивающей силы, полученной на предыдущем уроке:
В эту формулу, кроме ускорения свободного падения, входят только две величины, описывающие условия проведенных экспериментов: плотность жидкости и объем погруженной части тела.