Исследование зависимости архимедовой силы

Цель работы: исследовать зависимость архимедовой силы от объёма погружённой в жидкость части тела.

Для выполнения этой работы нам предлагают использовать комплект оборудования № 1, а именно: пластиковый цилиндр со шкалой вдоль образующей, стакан или мензурка с водой и динамометр с пределом измерения 1 Н.

Прежде чем приступить к выполнению работы давайте с вами вспомним, что сила Архимеда — это сила, действующая на тело, погружённое в жидкость (газ), со стороны жидкости (газа) и направленная вертикально вверх. Она определяется произведением плотности жидкости, ускорения свободного падения и объёма погружённой в жидкость части тела:

А единицей измерения архимедовой силы в СИ:

Как видно из формулы, сила Архимеда линейно зависит от объёма погружённой в жидкость части тела. Именно это мы с вами и должны проверить. Однако для выполнения данной работы эта формула нам не подходит. А, судя по предложенному оборудованию, выталкивающую силу мы будем определять по разнице веса цилиндра в воздухе и в воде.

Начнём выполнять задания по порядку. Итак, первое, что нам нужно сделать, — это сделать рисунок экспериментальной установки. Поэтому мы сначала рисуем (схематически) динамометр с подвешенным грузом — так мы измеряем вес тела в воздухе. А рядом нарисуем динамометр с цилиндром, частично погружённым в воду. Обратите внимание, что во втором случае мы изобразили пружину динамометра немного сжатой, тем самым показав, что вес тела в жидкости уменьшился.

Далее нам с вами необходимо записать формулу, по которой мы будем определять выталкивающую силу. Как мы уже вспоминали, архимедова сила будет равна разности веса тела в воздухе и его веса в жидкости:

Так как по условию задания нам необходимо провести несколько измерений, то целесообразно оформить их в виде таблицы. В её первую колонку мы занесём глубину погружения цилиндра в воду, которая нам дана в условии. Во второй колонке мы укажем вес цилиндра в воздухе. В третьей — вес цилиндра при его погружениях в воду. И, наконец, последнюю колонку отведём для силы Архимеда.

Давайте определим вес цилиндра в воздухе, для чего подвесим его к крючку динамометра. Снимем показания с динамометра и занесём значения веса в таблицу с учётом погрешности измерения.

Теперь аккуратно опустим подвешенный на динамометре цилиндр в стакан с водой так, чтобы цилиндр погрузился в воду на 2 см. Динамометр показывает вес примерно в 0,54 Н. Заносим это значение в таблицу.

Погружаем теперь цилиндр в воду на 4 см. Динамометр фиксирует уменьшение веса цилиндра до 0,42 Н.

При погружении цилиндра до отметки 6 см его вес уменьшается до 0,30 Н.

И, наконец, на отметке 8 см вес цилиндра оказывается равным 0,18 Н. Не пугайтесь, если ваши показания будут слегка искажены. Это обусловлено материалом, из которого изготовлен наш цилиндр.

Теперь, чтобы определить выталкивающую силу, мы должны вычесть из веса цилиндра в воздухе его вес в воде для каждого из четырёх случаев:

Из таблицы уже видно, что выталкивающая сила линейно зависит от объёма погруженной части тела. Однако для полной уверенности (и убеждения проверяющих) можно построить график зависимости силы Архимеда от глубины погружения.

Как видим, все четыре точки легли на прямую линию. Значит вывод можно написать так: архимедова сила линейно увеличивается при увеличении объёма погружённой части тела в жидкость.

Теперь исследуем зависимость архимедовой силы от плотности жидкости.

Из оборудования нам понадобятся: цилиндр, номер которого будет указан в работе, стакан с водой, динамометр с пределом измерения 5 Н и поваренная соль с палочкой для перемешивания.

Приступим к выполнению. Итак, первое, что нам нужно сделать, — это сделать рисунок экспериментальной установки. Поэтому мы сначала покажем, как мы измерим вес тела в воздухе. Рядом нарисуем динамометр с цилиндром, полностью погружённым в воду. И, наконец, нарисуем практически такой же рисунок, но укажем что в качестве жидкости у нас выступает насыщенный раствор соли.

Далее нам с вами необходимо записать формулу, по которой мы будем определять выталкивающую силу. Как мы уже вспоминали, архимедова сила будет равна разности веса тела в воздухе и его веса в жидкости:

Так как по условию задания нам необходимо провести несколько измерений, то как и в предыдущей работе, оформим их в виде таблицы. В её первую колонку мы занесём вес цилиндра в воздухе. Во второй укажем вес этого цилиндра в жидкости. А в третьей — силу Архимеда.

Итак, в начале мы определяем вес данного нам цилиндра в воздухе. Снимем показания с динамометра и занесём значения веса в таблицу с учётом погрешности измерения.

Теперь аккуратно опустим подвешенный на динамометре цилиндр в стакан с водой так, чтобы цилиндр полностью погрузился в воду, но не касался дна стакана. Показания динамометра — это вес нашего цилиндра в воде. Результат измерения, как и в прошлом случае, записываем в таблицу с учётом погрешности измерения:

Теперь, чтобы определить выталкивающую силу, мы должны вычесть из веса цилиндра в воздухе его вес в воде:

Теперь мы с вами должны в стакан с водой добавить поваренную соль и тщательно перемешать. Тем самым мы увеличим плотность жидкости.

После того, как соль практически вся растворится, мы должны определить вес нашего цилиндра в полученном солевом растворе. Результат измерения записываем в таблицу с учётом погрешности:

Далее определяем выталкивающую силу, действующую на цилиндр:

Глядя на результаты легко увидеть, что чем больше плотность жидкости, тем большая выталкивающая сила действует на погружённое в эту жидкость тело.

И, наконец, исследуем зависимость архимедовой силы от массы тела.

Для этой работы нам понадобятся: два цилиндра одинакового объёма, но разной массы, стакан с водой и динамометр с пределом измерения 5 Н.

Приступаем к выполнению задания. Как всегда, начинаем со схематического рисунка нашей установки. Он у нас практически полностью совпадает с рисунком для предыдущей работы. Единственное отличие будет заключаться в том, что во втором и третьем рисунке мы подпишем цилиндры, а не жидкости.

Далее мы запишем, что выталкивающая сила равна разности веса тела в воздухе и его веса в жидкости:

Теперь определим вес первого и второго цилиндра в воздухе с помощью динамометра. Результаты измерения записываем с учётом погрешности.

Далее поочерёдно опустим цилиндры на динамометре в стакан с водой так, чтобы они полностью погрузились в воду, но не касались дна стакана. Результаты измерения веса тел в воде записываем с учётом погрешности измерения:

После этого мы определяем выталкивающую силу для двух случаев.

Результаты наших опытов показывают, что выталкивающая сила, действующая на погружённое в жидкость тело, не зависит от массы этого тела.