Лабораторная работа № 20 «Измерение выталкивающей силы»

Определения и обозначения

Выталкивающая сила — сила, с которой жидкость действует на погружённое в неё тело, выталкивая его вверх. Она помогает объяснить, почему подвешенное в воде тело легче удерживать, чем в воздухе. В опыте эту силу не измеряют отдельно, а находят по двум показаниям динамометра. Её обозначают Fвыт.

Вес тела в воздухе — показание динамометра, когда тело подвешено и не погружено в жидкость. Чтобы получить его, тело удерживают неподвижно и смотрят на шкалу прибора. Это первое значение, с которым затем сравнивают показание в жидкости. В формуле его обозначают Pвозд.

Вес тела в жидкости — показание динамометра при погружении тела в жидкость; оно меньше показания в воздухе. Так называют именно показание прибора, а не выталкивающую силу. Оно нужно для сравнения с весом в воздухе. В формуле его обозначают Pжидк.

Динамометр — прибор для измерения силы, показания которого используют при определении выталкивающей силы. Тело подвешивают к крючку прибора, а значение силы считывают по шкале. Один и тот же динамометр применяют и в воздухе, и в жидкости. Тогда результаты можно сравнить и найти их разность.

Как это устроено

Перед опытом закрепи тело на динамометре и проверь, что оно висит свободно. Сними показание в воздухе, удерживая тело неподвижно, потому что движущийся груз заставляет шкалу колебаться. Запиши значение вместе с единицей измерения — ньютоном, Н. Это будет начальное показание для сравнения. Без него нельзя определить, насколько уменьшилась сила, которую показывает прибор.

Затем осторожно опусти тело в жидкость и погрузи его полностью, если это требуется условием опыта. Оно должно оставаться на нити и не касаться ни дна, ни стенок сосуда. При касании опора сосуда тоже действует на тело, а динамометр перестаёт показывать только изменение, связанное с жидкостью. Подожди, пока тело и жидкость успокоятся, иначе показание будет трудно снять точно.

В жидкости на тело действует направленная вверх выталкивающая сила. Поэтому часть действия силы тяжести уравновешивается жидкостью, а нить натягивается слабее. Динамометр реагирует на это уменьшение натяжения и показывает меньше, чем в воздухе. Значит, разница в показаниях связана с действием жидкости, а не с тем, что масса тела изменилась.

Чтобы найти выталкивающую силу, вычти показание в жидкости из показания в воздухе: Fвыт = Pвозд − Pжидк. Например, если прибор показывал 3 Н, а после погружения — 2 Н, разность равна 1 Н. Сложение здесь не подходит: требуется узнать, на сколько уменьшилось показание. У результата должна быть та же единица, что и у измеренных сил, — ньютон.

Запиши оба измерения и вычисление, чтобы было понятно, откуда взялся ответ. Если показание колеблется, дождись покоя и повтори измерение: случайное движение может изменить отсчёт. При повторе сохраняй одинаковые условия, особенно положение тела и степень его погружения. Сравнение нескольких результатов помогает заметить неточность и проверить опыт.

Измерение выталкивающей силы

В таблице собраны этапы опыта и то, что означает каждый результат. Сначала заполни показание для тела в воздухе, затем — для тела в жидкости, не меняя динамометр. В строке расчёта запиши разность двух показаний, а в последней строке укажи единицу силы — ньютон (Н).

Разбор задач

Задача 1. Динамометр показывает 3 Н при подвешенном в воздухе теле и 2 Н, когда тело погружено в воду. Найди выталкивающую силу. Сначала определи, какое значение относится к воздуху, а какое — к жидкости. Затем используй разность показаний, потому что именно на столько динамометр стал показывать меньше.

1. Запиши данные: Pвозд = 3 Н, Pжидк = 2 Н. Так мы не перепутаем порядок чисел в формуле.
2. Подставь значения: Fвыт = Pвозд − Pжидк = 3 Н − 2 Н = 1 Н. Вычитай показание в жидкости из показания в воздухе.
3. Проверь, что ответ выражен в ньютонах. Полученная сила положительна, поскольку показание в жидкости меньше.

Ответ: 1 Н.

Задача 2. Вес тела в воздухе равен 4 Н, а при полном погружении в жидкость динамометр показывает 2,5 Н. Определи выталкивающую силу и объясни изменение показаний. В условии уже даны оба значения, поэтому сначала выдели показание в воздухе и показание в жидкости. После расчёта свяжи разность с действием силы, направленной вверх.

1. Запиши данные: Pвозд = 4 Н, Pжидк = 2,5 Н. Оба значения относятся к силе и измерены в ньютонах.
2. Вычисли разность: Fвыт = 4 Н − 2,5 Н = 1,5 Н. Это уменьшение показания динамометра после погружения.
3. Объясни результат: жидкость поддерживает тело своей направленной вверх силой. Из-за этого нить натянута слабее, и динамометр показывает меньше.

Ответ: выталкивающая сила равна 1,5 Н; показание уменьшилось из-за действия силы жидкости вверх.

Задача 3. В воздухе динамометр показывает 3,6 Н, а в жидкости — 2,4 Н. Ученик записал выталкивающую силу как 6 Н. Найди правильный результат и укажи, как проверить опыт. Число 6 Н получилось при сложении, но сумма не показывает уменьшение показаний. Нужно вычесть меньшее значение из большего и проверить, что измерения проведены без касания сосуда.

1. Запиши значения: Pвозд = 3,6 Н, Pжидк = 2,4 Н. Для выталкивающей силы используй разность, а не сумму.
2. Выполни расчёт: Fвыт = 3,6 Н − 2,4 Н = 1,2 Н. Единица остаётся ньютоном, так как вычитаются силы.
3. Проверь условия опыта: тело не должно касаться дна или стенок, а показания должны быть сняты после прекращения колебаний. Убедись также, что числа записаны в ньютонах и вычитание выполнено в правильном порядке.

Ответ: 1,2 Н; для проверки нужно повторить измерение без касания сосуда и сравнить показания.

Типичные ошибки

Первая ошибка — складывать показания вместо вычитания. Так бывает, если ученик видит два числа и сразу выполняет привычное действие, не связывая его с опытом. Но выталкивающая сила показывает, насколько уменьшилось показание, поэтому нужна разность Pвозд − Pжидк. Проверь себя: ответ должен быть меньше показания в воздухе и равен его уменьшению.

Вторая ошибка — считать вес тела в жидкости самой выталкивающей силой. Показание в жидкости действительно меняется, но оно остаётся показанием динамометра, а не искомой силой. Силу находят сравнением с показанием в воздухе. Проверь, что в записи есть оба измерения и их разность.

Третья ошибка — позволить телу коснуться дна или стенки сосуда. Такое касание может казаться безобидным, но сосуд начинает дополнительно действовать на тело, и результат уже нельзя связывать только с жидкостью. Удерживай тело на нити свободно и смотри, чтобы вокруг него оставалось пространство. Если касание произошло, повтори измерение после того, как тело перестанет соприкасаться с сосудом.

Четвёртая ошибка — записывать ответ без единицы измерения или в единицах массы, например в граммах. Выталкивающая сила измеряется в ньютонах, потому что это сила, а не масса тела. Иногда единицу забывают при переписывании числового ответа или путают понятия. Проверь запись: после числа должно стоять Н, а вычисление должно быть разностью двух показаний в ньютонах.

Связь с другими темами

Для опыта нужно уметь пользоваться динамометром, измерять силу и записывать её в ньютонах. Эти умения помогают правильно снять показание и не перепутать силу с массой. Навык сравнивать измерения тоже важен: результат появляется не из одного числа, а из разности двух показаний. Если прибор колеблется, отсчёт снимают после того, как движение прекратится.

Опыт показывает, как жидкость действует на погружённое в неё тело: она выталкивает его вверх. Это наблюдение связано с законом Архимеда, который изучают при рассмотрении выталкивающей силы. Лабораторное измерение позволяет увидеть эффект и выразить его числом. Чтобы объяснить, от чего зависит сила, одних показаний динамометра недостаточно — нужны дальнейшие знания о действии жидкости.

Что запомнить

• Выталкивающая сила направлена вверх.
• Погружённое тело действует на динамометр слабее, чем тело в воздухе.
• Для опыта сравнивают два показания одного и того же динамометра.
• Выталкивающая сила равна разности веса тела в воздухе и его веса в жидкости.
• Тело при измерении не должно касаться дна и стенок сосуда.
• Силу записывают в ньютонах.