Лабораторная работа 1

Лабораторная работа 1

Определение выталкивающей силы, действующей на погруженное в жидкость тело

Цель работы: изучение параметров, от которых зависит сила Архимеда, действующая на погруженное в жидкость тело.

Введение

На тело, погруженное в жидкость или газ, действует выталкивающая сила (архимедова сила). Согласно закону Архимеда выталкивающая сила F_А направлена вертикально вверх и численно равна весу вытесненной телом жидкости (или газа). Математически закон Архимеда выражается формулой

F_А = gV,

где  — плотность жидкости; g — ускорение свободного падения; V — объем погруженной в жидкость (или газ) части тела. В состоянии невесомости архимедова сила не действует.

За счет выталкивающей силы вес любого тела, находящегося в жидкости, оказывается меньше, чем в воздухе. Если вес тела в воздухе Р₁, а в жидкости Р₂, то значение архимедовой силы, действующей на это тело при его погружении в жидкость, можно найти как разность Р₁ и Р₂, т. е.

F_А = Р₂ – Р₁.

Описание эксперимента

В этой работе вам предлагается измерить выталкивающую силу, действующую на погруженное в жидкость тело, а также исследовать зависимость выталкивающей силы от объема тела и от его массы.

Измерение архимедовой силы будет проведено с помощью датчика силы: сначала тело будет взвешено в воздухе и в жидкости, а затем будет вычислена разность полученных значений.

Оборудование и материалы

№	Наименование	Количество оборудования на одну бригаду
1	УИОД	1
2	ПО LabQuest App	1
3	Датчик силы	1
4	Штатив универсальный с муфтой и лапкой	1
5	Мерный цилиндр (мензурка)	1
6	Набор тел разной массы и одинакового объема (с крючками, 20–30 см3)
7	Бечевка длиной 20 см	1

Задачи

1. Измерить вес тел в воздухе и в воде.

2. Определить выталкивающую силу, действующую на погруженные в воду тела.

3. Исследовать зависимость выталкивающей силы от объема тела.

4. Исследовать зависимость выталкивающей силы от объема погруженной части тела.

5. Исследовать зависимость выталкивающей силы от массы тела.

6. Проанализировать полученные данные.

7. Сделать выводы.

Выполнение эксперимента

1. Ознакомьтесь с общими правилами техники безопасности проведения практических работ в кабинете физики.

2. Перед началом работы вам необходимо проверить подключение и работу датчика силы. Подключите датчик к УИОД. Выберите в меню Файл пункт Новый. Датчик должен определиться автоматически, тогда на экране устройства вы увидите изображение, показанное на рисунке 1.

Рис. 1

3. Для проведения эксперимента вы должны изменить Частоту замеров датчика на 1 Гц и Время эксперимента на 10 с.

4. Далее соберите экспериментальную установку (рис. 2). Для этого к штативу подвесьте датчик силы. Перед началом эксперимента обнулите показания датчика, выбрав в меню Датчики пункт Обнулить.

I часть: проверка зависимости выталкивающей силы от объема тела

1. Подвесьте тело к датчику силы. Далее определите вес тела в воздухе и занесите результаты взвешивания и среднее значение веса в таблицу. Измерения значения веса проведите несколько раз (3—5).

2. Затем подставьте под тело мензурку с водой и погрузите все тело в воду, как показано на рисунке 2. При этом вы должны следить за показаниями датчика силы. Вес тела в воде также необходимо определить 3—5 раз. Таким образом, вы определите вес тела в воде и занесете результаты взвешивания и среднее значение веса в таблицу.

Рис. 2

3. Затем вычислите и занесите в таблицу значение выталкивающей силы, действующей на тело. Для подсчета используйте средние значения веса тела в воздухе и в воде.

4. Выполните пп. 1—3 с телом другого объема.

Результаты многократного взвешивания этого тела вы также должны занести в таблицу отчета.

II часть: проверка зависимости выталкивающей силы от объема погруженной части тела

1. Подвесьте к датчику силы металлический цилиндр из набора тел разной массы и одинакового объема.

2. Взвесьте цилиндр в воздухе и занесите значение в таблицу. В этой части работы в силу ограниченности времени занятия рекомендуем проведение однократных измерений веса.

3. Далее вы должны нанести линии, отмечающие условно деление цилиндра на четыре равных части. Эти линии удобно нанести на боковую поверхность цилиндра цветным карандашом контрастного цвета. Рекомендуем сначала отмерить половину высоты цилиндра и провести линию, затем каждую половину разделить пополам еще раз. Таким образом, цилиндр будет иметь на своем боку четко нанесенные линии, условно делящие его на четыре части.

4. Затем вы должны погрузить в жидкость сначала ¼, затем ½, ¾ части объема цилиндра, потом погрузить его целиком и произвести взвешивание в каждом случае. Для каждого значения объема погруженной в воду части цилиндра вы должны определить вес тела в воде и занести это значение в таблицу.

5. Вычислите и занесите в таблицу значения выталкивающей силы, действующей на тело в каждом случае.

III часть: проверка зависимости выталкивающей силы от массы тела

1. Определите вес в воздухе и в воде для двух цилиндров из набора тел разной массы и одинакового объема при полном погружении их в воду и занесите полученные данные в таблицу. Измерения проведите несколько раз (3—5).

2. Вычислите и занесите в таблицу значения выталкивающих сил, действующих на цилиндры. Проанализируйте полученные данные и ответьте на контрольные вопросы.

3. Сделайте развернутый вывод после выполнения лабораторной работы. Напоминаем, что вывод нужно сделать, опираясь на цели работы, и задачи поставленные в ней.

Обработка результатов эксперимента

I. Заполните таблицу для первой части работы.

Таблица 1. Результаты измерений веса тел различного объема при взвешивании в воздухе и в воде

Предмет опыта	№ опыта	Р1, Н Вес тела в воздухе	Р2, Н Вес тела в воде	(Р1–Р2), Н Значение силы Архимеда
Тело №1	1
	2
	3
Средние значения
Тело №2	1
	2
	3
Средние значения

II. Заполните таблицу для второй части работы.

Таблица 2. Результаты измерений веса тела в зависимости от части объема тела, погруженного в воду. Вес тела при взвешивании в воздухе Р₁ =…., Н

№ опыта	Часть объема тела	Сила Т, Н	Сила Архимеда (Р1–Т), Н
1 2 3 4 5	0 0,25 0,5 0,75 1,0

III. Заполните таблицу для третьей части работы.

Таблица 3. Результаты взвешивания тел разной массы, но одинакового объема

Предмет опыта	№ опыта	Р1, Н Вес тела в воздухе	Р2, Н Вес тела в воде	(Р1–Р2), Н Значение силы Архимеда
Тело №1	1
	2
	3
Средние значения
Тело №2	1
	2
	3
Средние значения

Контрольные вопросы

1. Зависит ли выталкивающая сила, действующая на погруженное в жидкость тело, от его объема?

2. Одинаковы ли выталкивающие силы, действующие на брусок, плавающий сначала в воде, а потом в керосине?

3. Что уменьшается при погружении тела в жидкость–вес тела или сила тяжести?

4. В стакане, до краев наполненном водой, плавает кусок льда. Перельется ли вода через край, если лед растает?

Дополнительные задания.

1. Рассчитайте значение силы Архимеда по выбору для первой части или для третьей части эксперимента с учетом погрешностей. При расчете погрешностей считайте приборную относительную погрешность датчика силы равной δР = 3%.

2. Предложите способ определения объема полости внутри тела. Считайте, что плотность материала, их которого сделано тело, известна.

3. Проведите работу по изучению зависимости веса тела от плотности жидкости, в которую его погружают. Для этого погружайте разные по массе тела, но имеющие одинаковый объем, в соленую воду. Сравните полученные результаты с результатами, полученными при погружении тел в чистую воду.

4. Проверьте на опыте, зависит ли выталкивающая сила от глубины погружения тела в жидкость.