Лабораторная работа № 21 «От чего зависит выталкивающая (архимедова) сила?»

Определения и обозначения

Выталкивающая сила — сила, с которой жидкость или газ действуют на погружённое в них тело вверх. Например, вода поддерживает руку, опущенную в таз, и рука кажется легче. Понимание направления этой силы помогает объяснить, почему тела в жидкости легче удерживать.

Архимедова сила — другое название выталкивающей силы; её обозначают буквой Fₐ. Это не отдельная сила, а привычное название того же действия жидкости или газа на тело. Обозначение удобно, когда нужно записать измерение или сравнить результаты нескольких опытов.

Объём погружённой части тела — объём той части тела, которая находится в жидкости. Если тело погружено наполовину, учитывают только эту половину, а не весь объём тела. Это понятие нужно, чтобы проверить, изменится ли выталкивающая сила при погружении большей или меньшей части.

Вытесненная жидкость — жидкость, объём которой равен объёму погружённой части тела. Опущенное в наполненный сосуд тело занимает место, и часть жидкости вытесняется. Сравнение этого объёма помогает понять, почему увеличение погружённой части приводит к увеличению выталкивающей силы.

Как это устроено

Чтобы измерить выталкивающую силу, сначала подвешивают тело к динамометру и записывают его показание в воздухе. Затем, не касаясь дна и стенок сосуда, полностью погружают тело в жидкость и снова смотрят на шкалу. Показание становится меньше, потому что жидкость действует на тело вверх и часть его веса уравновешивает. Разность двух показаний показывает силу этого действия: сила тяжести тела в обоих случаях одна и та же, а меняется поддержка со стороны жидкости.

Зависимость от объёма проверяют на одном теле и в одной жидкости, меняя только то, насколько глубоко тело погружено, пока часть его ещё остаётся снаружи. Например, сначала можно погрузить небольшую часть, а затем большую, каждый раз записывая показания динамометра. Если менять одновременно жидкость или само тело, будет непонятно, что вызвало разницу. При большем погружённом объёме вытесняется больше жидкости, поэтому выталкивающая сила возрастает.

Чтобы проверить влияние жидкости, берут одно и то же тело и погружают в разные жидкости на одинаковый объём. В каждом опыте его держат так, чтобы оно не касалось сосуда, и измеряют показание динамометра. Затем для каждой жидкости находят разность между показанием в воздухе и показанием при погружении. Более плотная жидкость сильнее действует на одинаковый объём тела, поэтому разность показаний в ней будет больше.

Результаты этих опытов показывают две зависимости: сила растёт вместе с объёмом погружённой части, а при равном объёме зависит от жидкости. Плотность показывает, насколько много вещества содержится в данном объёме; поэтому одинаковый объём разных жидкостей может иметь разную массу. Более плотная жидкость оказывает большее выталкивающее действие. Чтобы сравнение было справедливым, в опыте с жидкостями важно сохранить одинаковыми тело и его погружённый объём.

Влияние глубины проверяют иначе: полностью погружённое тело удерживают сначала на одной глубине, затем на другой, не меняя жидкость и положение тела относительно динамометра. В обоих случаях записывают показания и сравнивают их с показанием в воздухе. Если тело полностью погружено, его погружённый объём остаётся одинаковым, поэтому перемещение глубже само по себе не увеличивает выталкивающую силу. Изменение показаний может появиться, если тело коснулось дна или стенки либо изменились другие условия опыта.

От чего зависит выталкивающая сила

В таблице показано, какое условие меняют в каждом сравнении и какой вывод можно сделать по результатам.

Сначала выбери строку с нужным вопросом и проверь, какие условия в опыте должны оставаться неизменными. Затем сравни результаты измерений: меняют только указанный параметр, чтобы установить его влияние. Если изменились сразу несколько условий, таблица не поможет определить, какое из них стало причиной результата.

Разбор задач

Задача 1

Динамометр показывает 3 Н для тела в воздухе и 2 Н для полностью погружённого в воду. Нужно найти выталкивающую силу. Показание в жидкости — это сила натяжения динамометра, а не сама выталкивающая сила. Поэтому сравним два показания и найдём, насколько уменьшилось натяжение.

1. Запишем показание в воздухе: 3 Н.
2. Запишем показание в воде: 2 Н.
3. Вычтем меньшее показание из большего: 3 Н − 2 Н = 1 Н.

Разность показывает силу, с которой вода действует вверх на тело. Ответ: выталкивающая сила равна 1 Н.

Задача 2

Тело погрузили в воду сначала наполовину, а затем полностью. Нужно определить, как изменятся показания динамометра и выталкивающая сила. При полном погружении объём части тела в воде больше, чем при погружении наполовину. Значит, тело вытесняет больше воды, а вода действует на него вверх сильнее.

1. Сравним погружённые объёмы: при полном погружении он больше.
2. Большей выталкивающей силе соответствует большая разность между показанием в воздухе и показанием в воде.
3. Так как показание в воздухе не меняется, при полном погружении показание в воде станет меньше.

Точное изменение в ньютонах нельзя назвать без измерений. Ответ: при полном погружении выталкивающая сила увеличится, а показание динамометра уменьшится.

Задача 3

Одинаковое тело погрузили на один и тот же объём в воду и в более плотную жидкость. Нужно выяснить, где выталкивающая сила больше и как это проверить. В обоих случаях объём тела под жидкостью одинаков, поэтому сравнение показывает влияние именно жидкости. Для этого нужны показания динамометра, а не только наблюдение за тем, насколько тело кажется лёгким.

1. Измерим показание динамометра для тела в воздухе.
2. Погрузим тело в воду на заданный объём и запишем показание; вычтем его из показания в воздухе.
3. Повторим измерение в более плотной жидкости, сохранив тот же погружённый объём.
4. Сравним полученные разности: большая разность означает большую выталкивающую силу.

В более плотной жидкости сила будет больше, поэтому разность показаний там больше. Ответ: выталкивающая сила больше в более плотной жидкости; это проверяют сравнением разностей показаний.

Типичные ошибки

Ошибка: считать показание динамометра в жидкости выталкивающей силой. Оно показывает натяжение прибора, которое уменьшается из-за действия жидкости вверх. Так путают два разных действия на тело. Проверь себя: вычти показание в жидкости из показания в воздухе, а результат запиши в ньютонах.

Ошибка: одновременно менять объём погружённой части и саму жидкость. Тогда нельзя понять, какое изменение повлияло на результат, хотя оба условия могли изменить силу. Такая ошибка появляется, когда хочется сравнить опыты быстрее. Проверь, что за один опыт изменено только одно условие, а остальные одинаковы.

Ошибка: считать, что чем глубже тело погружено, тем всегда больше выталкивающая сила. Для полностью погружённого тела объём погружённой части уже не меняется, поэтому одна только глубина силу не увеличивает. Кажется, что глубже означает сильнее, но это не подтверждается сравнением показаний. Проверь, что тело не касается сосуда и в обоих опытах полностью находится в жидкости.

Ошибка: путать массу вытесненной жидкости с выталкивающей силой. Масса измеряется в килограммах, а сила — в ньютонах, поэтому эти величины нельзя называть друг другом. Их связь может сбивать с толку, потому что обе относятся к вытесненной жидкости. Проверь единицы измерения: показание динамометра и выталкивающую силу записывают в ньютонах.

Связь с другими темами

Для лабораторной работы нужно знать, что такое сила, как пользоваться динамометром и как считывать его показания. Динамометр помогает сравнить натяжение до погружения и после него. Понятия плотности вещества и объёма тела нужны, чтобы объяснить результаты опытов с разными жидкостями.

Сравнивая жидкости, важно учитывать их плотность и сохранять одинаковый объём погружённой части тела. Это позволяет увидеть, как меняется выталкивающая сила именно из-за жидкости. Далее изучение закона Архимеда поможет рассчитывать эту силу и объяснять, почему одни тела плавают, а другие тонут.

Что запомнить

• Выталкивающая сила направлена вверх.
• Её можно определить по разности показаний динамометра в воздухе и в жидкости.
• Сила увеличивается при увеличении объёма погружённой части тела.
• При одинаковом погружённом объёме сила зависит от жидкости.
• В более плотной жидкости выталкивающая сила больше.
• Для полностью погружённого тела при неизменных условиях глубина сама по себе не меняет выталкивающую силу.