Урок 21. Выталкивающая сила

Определения и обозначения

Выталкивающая сила – это сила, с которой жидкость или газ действуют на тело, погруженное в них. Представь, что ты пытаешься утопить мяч в воде – ты чувствуешь, как вода сопротивляется! Это и есть выталкивающая сила. Она возникает потому, что на нижнюю часть тела, погруженного в жидкость, давление больше, чем на верхнюю.

Архимедова сила – это просто другое название выталкивающей силы, в честь древнегреческого ученого Архимеда, который первым подробно эту силу описал и объяснил, почему предметы могут плавать. Он формулирует тот же принцип, что и выталкивающая сила.

Вес тела – это сила, с которой Земля притягивает это тело. Вес измеряется в ньютонах (Н). Чтобы узнать вес тела, нужно знать его массу и ускорение свободного падения. Вес – это сила, а масса – это количество вещества в теле.

Плотность вещества – это важная характеристика, показывающая, насколько плотно упаковано вещество. Она определяется как отношение массы вещества к его объему и обозначается греческой буквой ρ (ро). Измеряется в килограммах на кубический метр (кг/м³). Чем больше плотность, тем тяжелее вещество при одинаковом объеме.

Как это устроено

Когда ты погружаешь предмет в воду, на него, помимо веса, начинает действовать выталкивающая сила, направленная вверх. Эта сила возникает из-за того, что давление воды на нижнюю часть предмета больше, чем на верхнюю. Представь: чем глубже ты погружаешься, тем сильнее вода давит на тебя. Разница в давлении и создает силу, толкающую предмет вверх.

Величина выталкивающей силы прямо пропорциональна весу жидкости (или газа), которую вытеснил предмет. То есть, чем больше объема жидкости вытеснено, тем больше выталкивающая сила. Это значит, что даже если предмет кажется маленьким, но он вытесняет много воды, выталкивающая сила будет большой.

Если выталкивающая сила равна весу тела, то тело будет находиться в равновесии и плавать в толще жидкости. Если выталкивающая сила меньше веса, то тело утонет, и наоборот. Именно поэтому корабли, хоть и очень тяжелые, могут плавать – они вытесняют огромное количество воды.

Выталкивающая сила в разных жидкостях и газах будет разной. Все зависит от плотности среды. Чем плотнее жидкость или газ, тем больше выталкивающая сила при одинаковом объеме вытесненной среды. Поэтому плавать легче в соленой воде (она плотнее пресной), чем в пресной.

Сравнение выталкивающей силы и веса тела

Эта таблица наглядно показывает, как соотношение между выталкивающей силой и весом тела влияет на его плавучесть. Ее можно использовать, чтобы определить, утонет ли предмет или будет плавать.

Разбор задач

Задача 1: Какую силу выталкивания оказывает вода на кусок камня объемом 200 см³, если плотность воды 1000 кг/м³?

1. Переведем объем в метры кубические: 200 см³ = 200 * 10⁻⁶ м³ = 0.0002 м³
2. Выталкивающая сила равна весу вытесненной воды: Fв = ρ * V * g, где ρ – плотность воды, V – объем камня (равный объему вытесненной воды), а g – ускорение свободного падения (приблизительно 10 Н/кг).
3. Подставим значения: Fв = 1000 кг/м³ * 0.0002 м³ * 10 Н/кг = 2 Н

Ответ: Сила выталкивания, оказываемая водой на камень, равна 2 Н.

Задача 2: Деревянный брусок объемом 300 см³ плавает в воде. Определите вес бруска.

1. По условию плавания: вес бруска равен выталкивающей силе.
2. Выталкивающая сила равна весу вытесненной воды: Fв = ρ * V * g.
3. Переведем объем в метры кубические: 300 см³ = 300 * 10⁻⁶ м³ = 0.0003 м³.
4. Подставим значения: Fв = 1000 кг/м³ * 0.0003 м³ * 10 Н/кг = 3 Н

Ответ: Вес деревянного бруска равен 3 Н.

Задача 3: На сколько изменится показание динамометра, если железный шар объемом 100 см³ полностью погрузят в воду? Плотность железа 7800 кг/м³, плотность воды 1000 кг/м³.

1. Найдем вес шара: Fт = ρ * V * g. Переведем объем в м³: 100 см³ = 0.0001 м³. Fт = 7800 кг/м³ * 0.0001 м³ * 10 Н/кг = 7.8 Н
2. Вычислим выталкивающую силу: Fв = ρ воды * V * g. Fв = 1000 кг/м³ * 0.0001 м³ * 10 Н/кг = 1 Н
3. Найдем изменение показания динамометра: ΔF = Fт - Fв = 7.8 Н - 1 Н = 6.8 Н

Ответ: Показание динамометра изменится на 6.8 Н.

Типичные ошибки

Неправильное определение объема тела: Часто ученики забывают перевести сантиметры кубические в метры кубические, что приводит к неверным расчетам. Всегда проверяйте единицы измерения!

Использование неправильной единицы измерения плотности: Важно помнить, что плотность вещества измеряется в килограммах на кубический метр (кг/м³). Если плотность задана в других единицах, ее нужно привести к нужной.

Перепутывание понятий веса и массы: Вес – это сила, с которой Земля притягивает тело, а масса – это количество вещества в теле. Не путай эти понятия, так как они разные характеристики тела.

Неправильное применение формулы выталкивающей силы: Запомните, что выталкивающая сила действует на объем жидкости (или газа), вытесненный телом, а не на объем самого тела (если тело не полностью погружено). Это особенно важно учитывать при решении задач.

Связь с другими темами

Для понимания темы выталкивающей силы необходимо знать понятие плотности вещества и уметь переводить единицы измерения объема (например, см³ в м³).

Знания о выталкивающей силе пригодятся при изучении строения кораблей и подводных лодок, а также в расчетах сил, действующих на тела, погруженные в жидкости и газы. Это важная тема для понимания многих явлений, которые мы наблюдаем в повседневной жизни.

Что запомнить

• Выталкивающая сила направлена вверх.
• Выталкивающая сила равна весу вытесненной жидкости (или газа).
• Тело плавает, если его вес равен выталкивающей силе.
• Плотность вещества влияет на величину выталкивающей силы.
• Архимедова сила – это выталкивающая сила.
• Чем больше объем тела, тем больше выталкивающая сила.
• Выталкивающая сила всегда есть, даже если тело тонет.