"Физика", Пурышева Н.С., Важеевская Н.Е.
Выталкивающая сила действует на тело, погружённое в жидкость, и направлена вверх. В лабораторной работе её измеряют с помощью динамометра: сравнивают вес подвешенного тела в воздухе и в жидкости. Разность показаний показывает, насколько жидкость уменьшает нагрузку на подвес. Такой опыт помогает увидеть действие силы и проверить результат, сравнив его с весом вытесненной жидкости. Для точного измерения тело не должно касаться стенок или дна сосуда.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Выталкивающая сила — сила, с которой жидкость действует на погружённое в неё тело; она направлена вертикально вверх. Её обозначают Fвыт и измеряют в ньютонах. В опыте именно эту силу нужно найти по измерениям.
Вес тела в жидкости — сила, с которой подвешенное и погружённое в жидкость тело действует на подвес. Динамометр показывает эту силу, и его показание обычно меньше, чем в воздухе. Это измерение нужно, чтобы определить, насколько жидкость уменьшила нагрузку на подвес.
Динамометр — прибор для измерения силы. В этой работе им измеряют вес тела сначала в воздухе, а затем в жидкости. Сравнение двух показаний позволяет найти силу, которую нельзя определить по одному измерению.
Архимедова сила — выталкивающая сила, действующая на тело в жидкости или газе. В данной работе её находят как разность показаний динамометра до погружения и после него. Название напоминает, что действие этой силы связано с законом Архимеда.
Сначала тело подвешивают к динамометру и измеряют его вес в воздухе. Это исходное показание важно сохранить: без него нельзя вычислить, насколько изменилась нагрузка после погружения. Динамометр должен висеть свободно, а тело — оставаться неподвижным, чтобы показания не колебались.
Затем тело опускают в жидкость, не снимая с подвеса. Жидкость давит на поверхность тела со всех сторон, но давление внизу больше, чем вверху, поэтому возникает результирующая сила вверх. Она частично уравновешивает направленную вниз силу тяжести, и натяжение подвеса уменьшается. Поэтому динамометр показывает меньше, чем в воздухе.
Выталкивающую силу находят не по показанию прибора в жидкости, а по разности двух показаний: Fвыт = Pвозд − Pжид. Здесь Pвозд — вес тела в воздухе, а Pжид — вес тела в жидкости. Разность показывает, какую часть нагрузки приняла на себя жидкость. Её результат выражают в ньютонах, как и оба показания.
Во время измерения тело не должно касаться дна и стенок сосуда. Иначе сосуд будет дополнительно поддерживать тело или давить на него, а динамометр покажет уже не только действие подвеса и жидкости. Если погружена лишь часть тела, выталкивающая сила относится к этой погружённой части: при расчёте важно не выдавать такой результат за силу при полном погружении.
Полученное значение можно проверить, измерив вес жидкости, вытесненной телом. Для этого собранную вытесненную жидкость взвешивают или определяют её вес другим способом, а затем сравнивают с Fвыт. Сравнение относится к весу, потому что выталкивающая сила — тоже сила. Небольшое несовпадение возможно из-за неточности отсчёта по шкале, колебаний тела или потери части жидкости.
| Этап опыта | Что измеряют или находят | Обозначение | Единица измерения |
|---|---|---|---|
| Вес тела в воздухе | Показание динамометра до погружения | Pвозд | Н |
| Вес тела в жидкости | Показание динамометра при погружении | Pжид | Н |
| Выталкивающая сила как разность показаний | Вес в воздухе минус вес в жидкости | Fвыт | Н |
| Вес вытесненной жидкости для проверки результата | Вес собранной вытесненной жидкости | Pжидкости | Н |
Заполняйте таблицу в порядке выполнения опыта: сначала записывайте оба измерения, затем вычисляйте их разность. В последней строке указывайте результат проверки, а не массу жидкости. Все величины в столбце единиц должны быть выражены в ньютонах.
Показание динамометра при измерении веса тела в воздухе — 3,2 Н, а в воде — 2,4 Н. Требуется найти выталкивающую силу. Нужно использовать оба показания, потому что каждое из них отдельно описывает только вес тела в соответствующей среде.
Ответ: выталкивающая сила равна 0,8 Н. Проверка знака проста: результат должен быть положительным, поскольку вес в воздухе больше веса в воде.
Тело весит в воздухе 5 Н, а при полном погружении в жидкость — 3,5 Н. Нужно найти выталкивающую силу и выяснить, что станет с показанием, если погрузить тело глубже, не меняя объём погружённой части. Сначала определяем разность показаний, а затем учитываем, что глубина сама по себе не меняет объём вытесненной жидкости.
Ответ: выталкивающая сила равна 1,5 Н; при указанных условиях показание не изменится и останется 3,5 Н.
При полном погружении тела динамометр показал 4 Н в воздухе и 3 Н в воде. Вес вытесненной воды равен 0,9 Н. Нужно сравнить два способа оценки силы и объяснить расхождение. Сопоставляем только значения силы, выраженные в одинаковых единицах.
Ответ: по динамометру Fвыт = 1 Н; вес вытесненной воды равен 0,9 Н. Значения близки, а небольшое расхождение можно объяснить погрешностью измерений.
Иногда из веса в жидкости вычитают вес в воздухе. Так получают отрицательный результат, потому что путают порядок величин; проверка простая: показание в воздухе больше, значит из него нужно вычесть меньшее показание в жидкости. Правильная запись: Fвыт = Pвозд − Pжид.
Ещё одна ошибка — считать выталкивающей силой само показание динамометра в жидкости. Прибор показывает уменьшенный вес тела, а не силу, с которой действует жидкость; для самопроверки убедитесь, что использованы оба показания. Их разность и есть выталкивающая сила.
Если тело касается стенки или дна, измерение становится некорректным. Опора сосуда создаёт дополнительное воздействие, которое меняет нагрузку на подвес; перед отсчётом проверьте, что тело свободно висит в жидкости. Оно не должно опираться ни на одну часть сосуда.
Нельзя сравнивать выталкивающую силу с массой вытесненной жидкости. Масса измеряется в килограммах, а сила — в ньютонах, поэтому сопоставлять нужно с весом жидкости; проверьте единицы в записи. Если указаны килограммы, это ещё не значение веса.
Для этой лабораторной работы нужно уметь пользоваться динамометром, считывать его показания и записывать силы в ньютонах. Также пригодятся знания о направлении силы тяжести и равновесии подвешенного тела: когда тело покоится, силы, действующие на него, уравновешиваются. Понимание выталкивающей силы понадобится при изучении закона Архимеда и условий плавания тел. Опыт даёт способ измерить силу, которая объясняет, почему тела могут удерживаться на поверхности жидкости.
Почему показание динамометра уменьшается, когда тело погружают в воду?
На погружённое тело вода действует выталкивающей силой, направленной вверх. Из-за неё натяжение подвеса становится меньше, поэтому динамометр показывает меньший вес.
Как по показаниям динамометра найти выталкивающую силу?
Сначала измеряют вес тела в воздухе, затем — при погружении в жидкость. Из первого показания вычитают второе: Fвыт = Pвозд − Pжид.
Почему тело нельзя опирать на дно сосуда во время измерения?
При касании дна на тело действует дополнительная сила со стороны сосуда. Тогда разность показаний динамометра уже не позволяет правильно определить выталкивающую силу.
Что изменится, если погрузить тело глубже?
Если тело уже полностью погружено и объём его погружённой части не меняется, выталкивающая сила не изменится. Поэтому показание динамометра останется прежним.
С чем сравнивают выталкивающую силу при проверке результата?
Её сравнивают с весом жидкости, вытесненной телом. Сравнивать нужно именно силы в ньютонах, а не массу вытесненной жидкости.
Лабораторная работа № 1 Измерение выталкивающей силы
