Лабораторна робота №10

Тема. Вивчення умов плавання тіл

Мета роботи: установити співвідношення між густиною тіла й рідини, необхідне для забезпечення умов плавання тіл, ідентифікувати їх з умовами плавання тіл залежно від сили тяжіння й архімедової сили, дослідним шляхом переконатися у справедливості розрахунків зануреної частини плаваючих тіл.

Прилади та матеріали: учнівська лінійка, посудина з водою і набір тіл: залізний болт (гайка або інше тіло),  невеликі брусочки дерева, шматочки фольги, пінопласту, корка, пластмасові тіла, пластилін, парафін (свічка), яйце, картоплина, яблуко, інші предмети (за вашим вибором), рослинна олія (приблизно 1 мл), сіль (100г), медичний спирт (приблизно 10 мл), таблиця густин (підручник,ресурси Інтернету).

ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

На тіло занурене у рідину або газ, діє виштовхувальна сила (архімедова сила), яка дорівнює вазі рідини або газу в об’ємі зануреної частини тіла та напрямлена вертикально вгору:  F_арх = ρ_{рід(газу)}gV_зан , де F_арх – архімедова сила; ρ_{рід(газу)} – густина рідини або газу; V_зан – об’єм зануреної частини тіла та сила тяжіння.  Сила тяжіння F_тяж – це сила, з якою Земля притягує до себе тіла, що перебувають на її поверхні або поблизу неї. Сила тяжіння прикладена до тіла, яке притягується Землею, і напрямлена вертикально вниз до центра Землі. Сила тяжіння, яка діє на тіло, прямо пропорційна масі цього тіла: F_тяж = mg, де m – маса тіла; g – коефіцієнт пропорційності, який називають прискоренням вільного падіння.

Під дією цих сил тіло рухатиметься в бік більшої сили. Тому тіло занурене у рідину або газ може:

1) тонути і опускатися на дно посудини;

2) плавати в товщі рідини або газу;

3) Спливати в рідині чи газі (плавати на поверхні рідини).

Оскільки, маса тіла пов’язана з густиною та об’ємом  співвідношенням  m=ρ_тV, можна припустити, що тіла , виготовлені з різних речовин, по різному поводять себе у рідині (газі). Тому постає завдання експериментально дослідити поведінку різних тіл певної густини у рідині. Якщо у тілі є порожнини або воно складається з різних речовин, то мають на увазі середню густину тіла.

Цікавим випадком є спливання тіл на поверхню води, які залишаються частково зануреними у рідину. Це відбувається при урівноваженні сил тяжіння та Архімеда:

F_тяж = F_арх

mg = ρ_вgV_зан

m= ρ_вV_зан . Масу тіла можна виразити через його густину та об’єм m= ρ_тV_т, отримаємо ρ_тV_т = ρ_вV_зан або відношення об’єму зануреної частини тіла у рідину до об’єму всього тіла рівне:

= , враховуючи, що V=Sh:

= . Тобто, частина об'єму тіла зануреного у рідину рівна відношенню густини плаваючого тіла до густини рідини.

Під час виконання роботи будьте обережні, не використовуйте гострі предмети, скляні посудини з дефектами, розміщуйте матеріали на робочій поверхні компактно, не розливайте рідини.

ХІД РОБОТИ:

Завдання 1:

1.Візьміть посудину з водою, почергово акуратно опускайте у воду всі тверді тіла, які ви знайшли вдома.

2. Спостерігайте, які із запропонованих тіл тонуть, і які плавають у воді.

3. Знайдіть в таблиці густини відповідних речовин тіл і порівняйте з густиною води.

4.Результати оформіть у вигляді таблиці:

5. Зробіть висновок про умови плавання тіл у залежності від густин.

Завдання 2:

1.Візьміть посудину з водою, додайте кухонної солі та розмішуючи сіль, приготуйте насичений розчин, почергово акуратно опускайте у нього всі тверді тіла (ті що у досліді до завдання 1).

2. Спостерігайте, які із запропонованих тіл тонуть, і які плавають у розчині.

3. Результати оформіть у вигляді таблиці:

4. Зробіть висновок на основі аналізу дослідів завдання 1 та 2. Опишіть, які тіла змінили своє положення у посудині. Поясніть результати.

Завдання 3:

1. Опустіть шматок пластиліну у воду (або розчин солі) та переконайтеся, що він опускається на дно.

2. Виготовте з пластиліну кульку, що має порожнину всередині (бічна поверхня кульки  має бути без отворів, щоб не пропускала рідину всередину) та знову опустіть її у рідину. Як поводить себе кулька?

3. Змінюючи об’єм повітря всередині кульки та опускаючи її у рідину, досягніть різних результатів (плаває у середині рідини, спливає). Поясніть результати дослідів.

4. Виготовте власноруч невеличкий човник з пластиліну, опустіть його на поверхню води та переконайтеся, що він може плавати.

5. Зробіть висновок про плавання тіл з пластиліну.

Завдання 4:

1. Налийте спирт у невеличку посудину та акуратно влийте на його поверхню трішки олії.

2. Зобразіть на малюнку отриманий результат досліду та опишіть його.

3. Порівняйте густини цих рідин та зробіть висновок.

Завдання 5:

1. Підготуйте  по 2 шматки пінопласту, дерева, парафіну (свічки) різних за об’ємом (масою), що мають паралельні верхні та нижні грані. Вони можуть мати однакову товщину. Наприклад такі:

2. З допомогою лінійки визначте товщину тіл.

3. Візьміть посудину з водою, акуратно опустіть тіла почергово у воду. Переконайтесь, що тіла спливають на поверхню без повертань на іншу грань та  залишаються частково зануреними у рідину.

4. З допомогою лінійки визначте висоту надводної частини тіла h_н.в, глибину занурення тіл у воду можна знайти як h_зан = h – h_н.в.

5. Результати експерименту занесіть до таблиці, обчисліть та порівняйте співвідношення :

6. Перевірте справедливість виведеного співвідношення = .

7. Зробіть висновок, від чого залежить частина об'єму плаваючого тіла, що занурена у рідину. Чи залежить вона від об’єму (маси) тіл?

Контрольні запитання:

1.  В якій рідині плаватиме лід: у гасі, воді, спирті?

2.  Як поводять себе вареники у воді під час їх приготування? Поясніть явище.

3. Відомо, що малі та великі за площею поверхні основи шматки криги частково занурені у воду на однакову глибину. Чи однакову силу необхідно прикласти, щоб повністю занурити їх у воду?Чому?

4. Поясніть завдяки чому живі мешканці морів та океанів можу плавати на різній глибині і навіть спливати на поверхню води.