Тело находящееся в газе плавает на каком рисунке
Давайте вспомним купание на море или посещение бассейна. Когда вы находитесь в воде, вы можете легко поднимать разные тяжелые предметы: камни, груза, даже своих друзей. А пустая пластиковая бутылка, наоборот, всплывет на поверхность из ваших рук.
Обращали ли вы внимание в какой воде легче плавать: в морской (соленой) или пресной?
На этом уроке мы рассмотрим, как эти явления объясняет физика.
Действие жидкости на погруженное в нее тело
Сначала рассмотрим действие жидкости. Для упрощения возьмем тело, которое будем погружать в жидкость, в форме параллелепипеда. Его основания в нашем примере буду параллельны поверхности жидкости. А теперь рассмотрим все силы, которые действуют на это тело в жидкости (рисунок 1).
Очевидно, что силы, которые действуют на боковые грани, равны друг другу (уравновешивают друг друга). А силы, которые действуют на верхнюю и нижнюю грани неодинаковы.
Верхняя грань: на нее давит столб жидкости высотой $h_1$ с силой $F_1$.
Нижняя грань: на нее давит столб жидкости $h_2$ с силой $F_2$. (по закону Паскаля давление передается в жидкости во все стороны одинаково, поэтому столб жидкости будет давить на тело снизу-вверх).
Из рисунка 1 очевидно, что $h_1$ и $h_2$ не равны. Так как $h_2$ больше $h_1$, модуль силы $F_2$ будет больше модуля силы $F_1$ (силы здесь обуславливаются давлением жидкости, а величина давления жидкости прямо пропорциональна высоте ее столба).
Значит, тело выталкивается из жидкости с определенной силой. Обозначим эту силу как $F_$, которая равна разности сил $F_2-F_1$. То есть:
Расчет выталкивающий силы
Рассчитаем $F_$, для этого найдём силы $F_1$ и $F_2$. Их можно вычислить, зная площади граней $S_1$ и $S_2$ и давление $p_1$ и $p_2$, которое действует на эти грани.
$F_1 = p_1 S_1$,
$F_2=p_2 S_2$.
По известной нам формуле давление также будет равно:
$p_1=\rho g h_1$,
$p_2=\rho g h_2$,
где $\rho$ — плотность жидкости
Грани параллелепипеда равны, поэтому:
$S_1=S_2=S$.
Как найти высоту h?
Мы знаем две формулы: для определения объема ($V = Sh$) и для определения массы жидкости, которая находится в объеме параллелепипеда ($m_ж = \rho_ж V$).
Подставим в формулу для нахождения $F_$:
$F_ = \rho g \cdot \frac = g \cdot m_ж$.
Итак, мы получили, что выталкивающая сила равна весу жидкости в объеме погруженного в него тела.
Рассмотрим опыт, демонстрирующий наличие выталкивающей силы, проиллюстрированный на рисунке 2.
На конце пружины расположена стрелка-указатель, которая отмечает растяжение пружины на штативе (рисунок 2, а).
Когда мы опускаем подвешенный груз в воду, то видим, что пружина сокращается (рисунок 2, б). Значит, если тело находится в жидкости, то на него действует сила, выталкивающая это тело из жидкости.
Действие газа на погруженное в него тело
Как мы знаем, закон Паскаля применим и к жидкостям, и к газам. Значит, на тела, находящиеся в газе, действует сила, которая выталкивает их из газа.
Примером могут служить не только обычные воздушные шарики, которые поднимаются вверх, но и специальные опыты. Рассмотрим опыт, представленный на рисунке 3.
В данном опыте мы будем использовать весы с двумя чашами. К первой чаше подвесим стеклянный шар, который предварительно закроем пробкой. Уравновесим весы.
После этого подставляем под стеклянный шар емкость, полностью окружающую его. Наполняем емкость углекислым газом (плотность углекислого газа больше плотности воздуха). Теперь равновесие весов нарушится: чаша с подвешенным шаром поднимется. Значит, когда шар погружен в углекислый газ, на него действует большая сила чем та, которая действует на него в воздухе.
Теперь мы можем сделать вывод.
Сила, которая выталкивает тело из газа или жидкости, направлена противоположно силе тяжести, которая приложена к этому телу.
Именно поэтому, в воде мы можем поднимать различные тяжелые предметы, а особенно легко это делать в соленой воде, ведь ее плотность больше плотности пресной.
Плотность жидкости там больше где плавающее тело погружено в жидкость меньше
Сила тяжести будет одинаковой так как сила тяжести зависит от массы тела
Fт=m*g
так как тело плавает то
Fт = Fa
значит сила Архимеда тоже будет одинаковой
Потому что Fa=p*g*V
там где плотность больше там будет меньше глубина погружения а сила Архимеда будет одинаковой
Плотность больше у той жидкости, где тело меньше утоплено. Потому что чем больше разность плотностей, тем наиболее выражена плавучесть.
Сила тяжести действует везде одинаковая, поскольку зависит от массы и ускорения свободного падения.
Архимедова сила меньше там, где тело утопленно больше.
Enjoy!
Новые вопросы в Физика
У якому випадку (мал 2) зображено схему кола, в якому при замиканні ключа 2 дзвінок працює, а лампочка не світить?
ПОЖАЛУЙСТА ДАЙТЕ ОТВЕТ СРОЧНО. Розрахуйте тиск який чинить на поверхню циглина площею 0,03м^2 та масою 3,7 кг
Тело массой 3000г. падает с высоты 15 м. Чему равна потенциальная энергия тела на высоте 15 м? 6 м? Определите скорость тела в момент падения на землю … ?
массы тележек 1 и 0,5 кг а скорости до столкновения равны 2 и 3 м/с соответственно найди скорость которую после столкновения приобрела 2 тележка если … 1 тележка стала двигаться после столкновения со скоростью 1,5 м/с ответ 4,5 м/с пж только не списывайте не откуда отыет должен ровно 4,5
СРОЧНОДощечка размерами 12х5х3 см3 плавает в воде, погрузившись в воду на 3/4 своего объема1) определите архимедову силу, действующую на дощечку2) опр … еделите плотность материала, из которого сделана дощечка3) какой груз можно положить на дощечку так, чтобы она погрузилась на 7/8 своего объема?4) какой массы груз сделанный из железа (р=7800 кг/м3), можно закрепить снизу, чтобы выполнилась такое же условие
артист массой 60 кг находится на высоте 10 м от начала сетки Какова потенциальная энергия артиста относительно сетки? относительно арены цирка? (сетка … натянута на высоте 12 м от уровня Арены)помогите
Доступно для всех учеников 1-11 классов и дошкольников
- Онлайн
формат - Диплом
гособразца - Помощь в трудоустройстве
Контрольная работа « Действие жидкости и газа на погруженное в них тело.
1 вариант
1. На тело, находящееся в газе, действует…
А. Только сила тяжести. Б. Сила тяжести и сила, выталкивающая это тело из газа.
В . Только сила, выталкивающая это тело из газа.
2. На весах уравновешены два шарика, 1 и 2. Нарушится ли равновесие
весов, если убрать сосуд с жидкостью?
А. Шарик 2 перевесит шарик 1. Б. Шарик 1 перевесит шарик 2.
В. Равновесие не нарушится.
3 . Два одинаковых бруска, 1 и 2, находятся в двух сосудах с жидкостью. Сравнить выталкивающие силы, действующие на каждый брусок.
А. F 1> F 2. Б. F 1= F 2. В. F 1 F 2.
4. Сила, выталкивающая целиком погруженное в газ тело, равна…
А. Массе газа в объеме тела. Б. Весу газа в объеме тела. В. Массе тела. Г. Весу тела.
5 . Три одинаковых по размеру шарика, 1, 2, 3, погружены в жидкость. На какой из шариков действует наибольшая выталкивающая сила?
А. На 1–й. Б. На 2–й. В. На 3–й. Г. На все шары действует
одинаковая выталкивающая сила.
6 . Два одинаковых кубика погружены в сосуды с жидкостями. В каком сосуде, 1 или 2, плотность жидкости меньше?
А. В обоих сосудах плотности жидкостей одинаковые. Б. В первом. В. Во втором.
7. На весах уравновешены два тела, 1 и 2. Нарушится ли равновесие,
если их опустить в сосуд с керосином?
А. Тело 1 перевесит тело 2. Б. Тело 2 перевесит тело 1.
В. Равновесие не нарушится.
8. Тело объемом 500 см 3 погружено в воду. Вычислить архимедову силу, действующую на это тело.
А. 20 Н. Б. 5 000 000 Н. В. 0,05 Н. Г. 20 000 Н. Д. 5 Н.
9. Тело, погруженное в жидкость, может находиться в любом месте жидкости, если…
А. Сила Архимеда равна силе тяжести. Б. Сила Архимеда меньше силы тяжести.
В. Сила Архимеда больше силы тяжести.
10. Если плотность сплошного твердого тела больше плотности жидкости, то тело…
А. Остается в равновесии внутри жидкости. Б. Тонет. В. Всплывает.
11. В ртуть опускают золотое кольцо (1) и серебряное кольцо (2). Что при этом с ними будет происходить?
А. Оба тонут. Б. Оба плавают внутри жидкости. В. Оба всплывают на поверхность.
Г. 1 – тонет, 2 – всплывает на поверхность. Д. 1 – всплывает на поверхность, 2 – тонет.
Выберите правильный ответ и поясните его:
1. В воде. 2. В ртути.
3. В морской воде. 4.В бензине.
Выберите правильный ответ и поясните его:
1. 18 м 3 2. 0,0002 м 3
3. 1,8 м 3 4. 0,02 м 3
270 г опущен в спирт. Чему равна действующая на брусок архимедова сила?
Выберите правильный ответ и поясните его:
15. Латунная деталь объёмом 250см 3 погружена в нефть.
А) Чему равна архимедова сила, действующая на деталь.
Б) Вычислите вес этой детали в воздухе.
Тест № 5 Действие жидкости и газа на погруженное в них тело.
Сила Архимеда. Плавание тел.
2 вариант
1. На тело, находящееся в жидкости, действует…
А. Только сила тяжести. Б. Только сила, выталкивающая это тело из жидкости.
В . Сила тяжести и сила, выталкивающая это тело из жидкости.
2. На весах уравновешены два шарика, 1 и 2. Нарушится ли равновесие
весов, если шарик 1 опустить в сосуд с жидкостью?
А. Равновесие не нарушится. Б. Шарик 2 перевесит шарик 1.
В . Шарик 1 перевесит шарик 2.
3. Два одинаковых бруска, 1 и 2, находятся в двух сосудах с жидкостью. Сравнить выталкивающие силы, действующие на каждый брусок.
А. F 1> F 2. Б. F 1= F 2. В. F 1 F 2.
4. На тело, погруженное целиком в жидкость, действует выталкивающая сила, равная…
А. Весу тела. Б. Массе тела. В. Весу жидкости в объеме тела. Г. Массе жидкости в объеме тела.
5 . Три одинаковых по размеру шарика, 1, 2, 3, погружены в жидкость. На какой из шариков действует наименьшая выталкивающая сила?
А. На все шары действует одинаковая выталкивающая сила.
Б . На 1–й. В. На 2–й. Г. На 3–й.
6. Два одинаковых кубика погружены в сосуды с жидкостями. В каком сосуде, 1 или 2, на кубик действует наибольшая выталкивающая сила?
А . В первом. Б Во втором.. В. В обоих сосудах действует одинаковая выталкивающая сила.
7. На весах уравновешены два тела, 1 и 2. Изменится ли равновесие, если тело 1 опустить в воду, а тело 2– в машинное масло?
А. Равновесие не нарушится. Б. Тело 1 перевесит тело 2.
В. Тело 2 перевесит тело 1.
8. Тело объемом 400 см 3 погружено в спирт. Вычислить архимедову силу, действующую на это тело.
А. 3 200 000 Н. Б. 20 Н. В. 5 Н. Г. 3,2 Н. Д. 2 Н.
9. Тело, погруженное в жидкость, будет подниматься из жидкости, если…
А. Сила Архимеда равна силе тяжести. Б. Сила Архимеда меньше силы тяжести.
В. Сила Архимеда больше силы тяжести.
10. Если плотность сплошного твердого тела равна плотности жидкости, то тело…
А. Остается в равновесии внутри жидкости. Б. Тонет. В. Всплывает.
11. Две одинаковые парафиновые свечи опустили: одну (1) в керосин, другую (2) в машинное масло. Что при этом с ними будет происходить?
А. Обе всплывают на поверхность. Б. Обе плавают в жидкости. В. Обе тонут.
Г. 1 – плавает, 2 – тонет. Д. 1 – тонет, 2 – плавает.
12. Водоизмещение катера 2 кН, а его вес равен 500 Н. Чему равен вес груза, находящегося в катер?
А. 502 кН. Б. 498 Н. В. 2 500 Н. Г. 1 500 Н. Д. 2 000 Н.
Тест № 5 Действие жидкости и газа на погруженное в них тело.
Сила Архимеда. Плавание тел.
3 вариант
1. Сила, выталкивающая тело из жидкости или газа, направлена…
А. Противоположно силе тяжести. Б. В ту же сторону, что и сила тяжести.
2 . На весах уравновешены два шарика, 1 и 2. Нарушится ли равновесие
весов, если убрать сосуд с жидкостью?
А. Равновесие не нарушится. Б.Шарик 2 перевесит шарик 1.
В . Шарик 1 перевесит шарик 2.
3. Два одинаковых бруска, 1 и 2, находятся в двух сосудах с жидкостью. Сравнить выталкивающие силы, действующие на каждый брусок.
А. F 1 F 2. Б. F 1= F 2. В. F 1> F 2.
4. Тело, находящееся в газе, теряет в своем весе столько…
А . Сколько весит газ в объеме, вытесненном телом. Б. Сколько весит газ, вытесненный телом. В. Сколько весит тело.
5. Три одинаковых по размеру шарика, 1, 2, 3, погружены в жидкость. На какой из шариков действует наибольшая выталкивающая сила?
А. На все шары действует одинаковая выталкивающая сила.
Б.На 1–й. В.На 2–й. Г. На 3–й.
6. Два одинаковых кубика погружены в сосуды с жидкостями. В каком сосуде, 1 или 2, плотность жидкости больше?
А. В первом. Б. Во втором. В. В обоих сосудах плотности жидкостей одинаковые.
7 . На весах уравновешены два тела, 1 и 2. Нарушится ли равновесие, если их опустить в сосуд с водой?
А. Равновесие не нарушится. Б. Тело 1 перевесит тело 2.
В. Тело 2 перевесит тело 1.
8. Тело объемом 180 см 3 погружено в машинное масло. Вычислить архимедову силу, действующую на это тело.
А. 50 Н. Б. 162 Н. В. 2 Н. Г. 0,5 Н. Д. 1,62 Н.
9. Тело, погруженное в жидкость, будет опускаться на дно, если…
А. Сила Архимеда равна силе тяжести. Б. Сила Архимеда меньше силы тяжести. В. Сила Архимеда больше силы тяжести.
10. Если плотность сплошного твердого тела меньше плотности жидкости, то тело…
А. Остается в равновесии внутри жидкости. Б. Тонет. В. Всплывает.
11. В морскую воду опустили стеклянный (1) и деревянный (2) кубики. Что при этом с ними будет происходить?
А. 1 – всплывает, 2 – тонет. Б. 1 – тонет, 2 – всплывает. В. Оба тонут. Г.Оба всплывают на поверхность. Д. Оба плавают внутри жидкости.
12. Водоизмещение парома 100 000 Н, а его вес 25 кН. Чему равен вес груза, перевозимого на пароме?
А. 75 000 Н. Б. 100 000 Н. В. 125 000 Н. Г. 99 975 Н. Д. 100 025 Н.
Тест № 5 Действие жидкости и газа на погруженное в них тело.
Сила Архимеда. Плавание тел.
4 вариант
1. На тело, находящееся в жидкости, действует…
А. Сила тяжести и сила, выталкивающая это тело из жидкости.
Б. Только сила, выталкивающая это тело из жидкости. В. Только сила тяжести.
2. На весах уравновешены два шарика, 1 и 2. Нарушится ли равновесие
весов, если шарик 2 опустить в сосуд с жидкостью?
А. Равновесие не нарушится. Б. Шарик 1 перевесит шарик 2.
В. Шарик 2 перевесит шарик 1.
3 . Два одинаковых бруска, 1 и 2, находятся в двух сосудах с жидкостью. Сравнить выталкивающие силы, действующие на каждый брусок.
А. F 1 F 2. Б. F 1> F 2. В. F 1= F 2.
4. Сила, выталкивающая целиком погруженное в жидкость тело, равна…
А. Массе тела. Б. Весу тела. В. Массе жидкости в объеме тела. Г. Весу жидкости в объеме тела.
5. Три одинаковых по размеру шарика, 1, 2, 3, погружены в жидкость. На какой из шариков действует наибольшая выталкивающая сила?
А. На все шары действует одинаковая выталкивающая сила.
Б . На 1–й. В. На 2–й. Г. На 3–й.
6. Два одинаковых кубика погружены в сосуды с жидкостями. В каком сосуде, 1 или 2, на кубик действует наименьшая выталкивающая сила?
А . В первом. Б Во втором.. В. В обоих сосудах действует одинаковая выталкивающая сила.
7. На весах уравновешены два тела, 1 и 2. Изменится ли равновесие, если тело 1 опустить в керосин, а тело 2– в машинное масло?
А. Равновесие не нарушится. Б. Тело 1 перевесит тело 2.
В. Тело 2 перевесит тело 1.
8. Тело объемом 250 см 3 погружено в воду. Вычислить архимедову силу, действующую на это тело.
А. 2,5 Н. Б. 40 Н. В. 2 500 000 Н. Г. 4 Н. Д. 0,25 Н.
9. Если сила тяжести равна архимедовой силе, действующей на погруженное в жидкость тело, то тело…
А. Находится в равновесии в любом месте жидкости. Б. Всплывает. В. Тонет.
10. Тело тонет, если плотность жидкости…
А. Равна плотности твердого тела. Б. Больше плотности твердого тела. В. Меньше плотности твердого тела.
11. Два одинаковых стеклянных шарика опустили: один (1) в воду, другой (2) в серную кислоту. Что при этом с ними будет происходить?
А. Оба тонут. Б. 1 – всплывает, 2 – тонет. В. Оба всплывают на поверхность. Г. 1 – тонет, 2 – плавает внутри жидкости. Д. Оба плавают внутри жидкости.
12. Водоизмещение катера 2 кН, а его вес равен 500 Н. Чему равен вес груза, находящегося в катер?
А. 502 кН. Б. 498 Н. В. 2 500 Н. Г. 1 500 Н. Д. 2 000 Н.
Тест № 5 Действие жидкости и газа на погруженное в них тело.
Сила Архимеда. Плавание тел.
5 вариант
1. На тело, находящееся в газе, действует…
А. Только сила тяжести. Б. Только сила, выталкивающая это тело из газа.
В . Сила тяжести и сила, выталкивающая это тело из газа.
2. На весах уравновешены два шарика, 1 и 2. Нарушится ли равновесие
весов, если убрать сосуд с жидкостью?
А. Шарик 2 перевесит шарик 1. Б. Шарик 1 перевесит шарик 2.
В. Равновесие не нарушится.
3 . Два одинаковых бруска, 1 и 2, находятся в двух сосудах с жидкостью. Сравнить выталкивающие силы, действующие на каждый брусок.
А. F 1= F 2. Б. F 1> F 2. В. F 1 F 2.
4. На тело, погруженное целиком в газ тело, действует выталкивающая сила, равная…
А. Массе газа в объеме тела. Б. Весу газа в объеме тела. В. Весу тела. Г. Массе тела.
5 . Три одинаковых по размеру шарика, 1, 2, 3, погружены в жидкость. На какой из шариков действует наименьшая выталкивающая сила?
А. На все шары действует одинаковая выталкивающая сила.
Б. На 1–й. В. На 2–й. Г. На 3–й.
6. Два одинаковых кубика погружены в сосуды с жидкостями. В каком сосуде, 1 или 2, плотность жидкости больше?
А . В обоих сосудах плотности жидкостей одинаковые. Б. В первом. В. Во втором.
7. На весах уравновешены два тела, 1 и 2. Нарушится ли равновесие, если их опустить в сосуд с машинным маслом?
А. Тело 1 перевесит тело 2. Б. Тело 2 перевесит тело 1.
В. Равновесие не нарушится.
8. Тело объемом 200 см 3 погружено в спирт. Вычислить архимедову силу, действующую на это тело.
А. 40 Н. Б. 2,5 Н. В. 1,6 Н. Г. 4 Н. Д. 1 600 000 Н.
9. Если сила тяжести меньше архимедовой силе, действующей на погруженное в жидкость тело, то тело…
А. Находится в равновесии в любом месте жидкости. Б. Всплывает. В. Тонет.
10. Тело остается в равновесии внутри жидкости, если плотность жидкости…
А. Равна плотности твердого тела. Б. Больше плотности твердого тела. В. Меньше плотности твердого тела.
11. В мед опустили алюминиевую ложку (1) и ложку из оргстекла (2). Что при этом с ними будет происходить?
А. Обе всплывают на поверхность. Б. Обе плавают внутри жидкости. В. Обе тонут.
Г. 1 – всплывает, 2 – тонет. Д. 1 – тонет, 2 – всплывает.
12. Водоизмещение лодки 500 Н, а ее вес 0,1 кН. Чему равен вес груза, находящегося в лодке?
А. 500,1 Н. Б. 499,9 Н. В. 400 Н. Г. 500 Н. Д. 600 Н.
Тест № 5 Действие жидкости и газа на погруженное в них тело.
Сила Архимеда. Плавание тел.
6 вариант
1. Сила, выталкивающая тело из жидкости или газа, направлена…
А . В ту же сторону, что и сила тяжести. Б. Противоположно силе тяжести.
2. На весах уравновешены два шарика, 1 и 2. Нарушится ли равновесие
весов, если шарик 2 опустить в сосуд с жидкостью?
А. Шарик 2 перевесит шарик 1. Б. Равновесие не нарушится.
В. Шарик 1 перевесит шарик 2.
3 . Два одинаковых бруска, 1 и 2, находятся в двух сосудах с жидкостью. Сравнить выталкивающие силы, действующие на каждый брусок.
А. F 1= F 2. Б. F 1> F 2. В. F 1 F 2.
4. Тело, находящееся в жидкости, теряет в своем весе столько…
А . Сколько весит тело. Б. Сколько весит жидкость, вытесненная телом. В. Сколько весит жидкость в объеме, вытесненном телом.
5. Три одинаковых по размеру шарика, 1, 2, 3, погружены в жидкость.
На какой из шариков действует наибольшая выталкивающая сила?
А. На все шары действует одинаковая выталкивающая сила.
Б.На 1–й. В.На 2–й. Г. На 3–й.
6. Два одинаковых кубика погружены в сосуды с жидкостями. В каком сосуде, 1 или 2, на кубик действует наименьшая выталкивающая сила?
А . В первом. Б. Во втором. В. В обоих сосудах действует одинаковая выталкивающая сила.
7. На весах уравновешены два тела, 1 и 2. Нарушится ли равновесие, если тело 1 опустить в воду, а тело 2– в керосин?
А. Равновесие не нарушится. Б. Тело 1 перевесит тело 2.
В. Тело 2 перевесит тело 1.
8. Тело объемом 450 см 3 погружено в машинное масло. Вычислить архимедову силу, действующую на это тело.
А. 4 050 000 Н. Б. 20 Н. В. 5 Н. Г. 4,05 Н. Д. 0,2 Н.
9. Если сила тяжести больше архимедовой силе, действующей на погруженное в жидкость тело, то тело…
А. Находится в равновесии в любом месте жидкости. Б. Всплывает. В. Тонет.
10. Тело всплывает, если плотность жидкости…
А. Равна плотности твердого тела. Б. Больше плотности твердого тела. В. Меньше плотности твердого тела.
11. Два одинаковых кубика из льда опустили: один (1) в керосин, другой (2) в машинное масло. Что при этом с ними будет происходить?
А. Оба плавают внутри жидкости. Б. 1 – плавает внутри жидкости, 2 – тонет. В. 1 – тонет, 2 – плавает внутри жидкости. Г. Оба тонут. Д. Оба всплывают на поверхность.
12. Водоизмещение парома 100 000 Н, а его вес 25 кН. Чему равен вес груза, перевозимого на пароме?
А. 75 000 Н. Б. 100 000 Н. В. 125 000 Н. Г. 99 975 Н. Д. 100 025 Н.
На уроке мы узнаем, на каком законе основано плавание различных тел и живых организмов. Выясним, в каких случаях тело тонет, плавает внутри или плавает на поверхности жидкости.
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобретя в каталоге.
Получите невероятные возможности
Конспект урока "Плавание тел"
Плавание тел
«Человек должен верить, что непостижимое
Иоганн Гёте
В данной теме разговор будет идти о плавании тел.
Ранее говорилось о том, что на погруженное в жидкость или газ тело, действует выталкивающая сила, называемая силой Архимеда.
А также сформулировали закон Архимеда, согласно которому, на тело, погруженное в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, равная весу жидкости или газа в объеме погруженной части тела, направленная вертикально вверх и приложенная в центре давления.
Но помимо силы Архимеда, на тело, находящееся внутри жидкости, действует еще и сила тяжести, направленная вертикально вниз. Рассмотрим, что будет происходить с телом под действием этих двух сил. Для этого обратимся к следующему опыты. Возьмем стакан с насыщенным раствором соли в воде. Теперь опустим в стакан три однородных кубика одинакового объема — из сырого картофеля, пенопласта и пластилина. Пластилиновый кубик тут же опустится на дно стакана. Кубик из картофеля погрузится в жидкость и будит плавать внутри нее. А пенопластовый кубик будет плавать на поверхности, лишь частично погрузившись в воду.
Так по какому признаку можно определить, как будет вести себя тело в жидкости? Объемы кубиков одинаковы, но плотности вещества, из которых они изготовлены, — разные: у пластилина примерно 1,6 г/см 3 , у картофеля — 1,1 г/см 3 , а у пенопласта около 0,2 г/см 3 . Плотность же соленый воды составляет 1,1 г/см 3 . Сравним теперь плотности вещества кубиков и плотности жидкости, в которую они погружены.
Плотность пластилина больше плотности воды. Таким образом, если плотность вещества тела больше плотности жидкости rтела > rж, то тело в жидкости тонет.
Плотность картофеля и плотность воды одинакова. Если плотность вещества тела равна плотности жидкости rтела = rж, то тело плавает внутри жидкости.
Плотность пенопласта меньше плотности воды. Если плотность вещества тела меньше плотности жидкости rтела rж, то тело плавает на поверхности жидкости, лишь частично погрузившись в нее.
Аналогичные рассуждения можно провести, сравнивая силу Архимеда, действующую на погруженное в жидкость тело, и силу тяжести, действующую на это же тело.
Так, если сила тяжести будет больше силы Архимеда Fтяж > FА, то тело будет опускаться на дно.
Если сила тяжести равна силе Архимеда Fтяж = FА, то тело может плавать внутри жидкости на любой глубине.
А если сила тяжести будет меньше силы Архимеда Fтяж FА, то тело будет всплывать.
Рассмотрим последний случай более подробно. Когда тело, погруженное в жидкость, начинает всплывать, сила Архимеда, действующая на него, начинает уменьшаться. И в тот момент, когда сила Архимеда станет равна силе тяжести, тело остановиться и будет плавать на поверхности жидкости, частично погрузившись в нее. А архимедова сила будет равна весу жидкости в объеме погруженной в нее части тела.
Проверим это на опыте. Возьмем отливной сосуд, заполненный водой, и тело, которое может плавать на поверхности воды. Взвесим это тело в воздухе.
После этого, погрузим наше тело в отливной сосуд — оно вытеснит объем воды, который равен объему погруженной в нее части тела.
Теперь взвесим эту воду.
Из рисунка видно, что вес воды, а, следовательно, и сила Архимеда, равна силе тяжести, которая действует на плавающее тело.
Так же можно показать, что чем меньше плотность тела по сравнению с плотностью жидкости, тем меньшая его часть погружена в жидкость.
А как в сосуде будут располагаться несмешивающиеся жидкости?
Несмешивающиеся жидкости также будут располагаться в сосуде в соответствии со своими плотностями. Например, если в сосуд налить мед, воду, растительное масло и спирт, то более плотный мед расположится в нижней части сосуда, затем вода и растительное масло, а сверху — наиболее легкий спирт.
А как плавают живые организмы в воде? Все очень просто. Их средняя плотность почти не отличается от плотности воды, поэтому их вес практически полностью уравновешивается силой Архимеда. У большинства рыб есть так называемый плавательный пузырь, в который по мере погружения закачивается газ. Делают это рыбы двумя способами: либо заглатывая с поверхности воды, либо через жабры из воды. Благодаря этому в пузыре создаётся давление, противостоящее наружному. И рыба может сохранять положение равновесия на определённой глубине. Выталкивающая сила при этом уравновешивает силу тяжести. Чтобы всплыть, рыбы сбрасывают часть газа. Иначе при меньшем давлении пузырь будет растягиваться.
Плавучесть глубоководных рыб обеспечивается ещё и их жиром, который практически несжимаем.
Как могут плавать в воде огромные металлические суда и при этом еще перевозить огромное количество грузов? Ведь у них нет ни легких, как у млекопитающих, ни плавательного пузыря? Их плавание также основано на законе Архимеда. Корабли, яхты, подводные лодки и другие плавающие средства конструируются так, чтобы их средняя плотность была меньше плотности воды и могла изменяться.
Что такое средняя плотность? Например, плотность куска глины определяется отношением массы куска глины к ее объему.
Если из этого куска глины вылепить домик, с воздушной полостью внутри, то его масса будет равна массе куска глины, а вот плотность нет — она будет равна отношению массы глины к объему домика.
Очевидно, что объем домика будет больше, чем изначальный объем куска глины, а, следовательно, средняя плотность домика будет меньше.
Чем больше будет объем полости, тем меньше будет средняя плотность. Поэтому суда имеют много воздушных водонепроницаемых резервуаров и их средняя плотность меньше плотности воды.
В целях безопасности плавания судно может погружаться только до определенной глубины, которую называют предельной осадкой судна и отмечают на его борту красной линией — ватерлинией.
Например, современные танкеры, перевозящие нефть, имеют грузоподъемность от 500000 тонн и выше.
Особый вид морского судна представляет подводная лодка. Она устроена так, что можно очень быстро увеличить ее среднюю плотность и тем самым опустить ко дну или уменьшить среднюю плотность, значит, поднять лодку к поверхности воды. Соответственно при равенстве средней плотности судна и плотности воды, она будет плыть под ее поверхностью. Так как объем лодки остается во всех случаях постоянным, а значит, постоянна выталкивающая сила, то при маневрах лодки под водой следует менять массу лодки. Для этих целей в корпусе лодки имеется ряд балластных отсеков, которые заполняются водой, при этом масса лодки увеличивается и лодка погружается.
Если вода из отсеков вытесняется сжатым воздухом, то лодка всплывает на поверхность. Конечно, трудно подобрать такую массу воды, чтобы выталкивающая сила в точности была равна силе тяжести. Поэтому для сохранения заданной глубины нужно все время изменять количество балласта либо все время двигаться, маневрируя рулями глубины.
Задача 1. Определите максимальную массу человека, который может находиться на плоской льдине толщиной 40 см и площадью поверхности основания 2 м 2 . Коэффициент g примите равным 10 Н/кг.
Задача 2. Определите в процентном соотношении, какая часть айсберга, по отношению ко всему его объёму, находится под водой. Плотность льда 930 кг/м 3 , плотность морской воды 1030 кг/м 3 .
Основные выводы:
– Плавание судов основано на законе Архимеда.
– Тело тонет в жидкости, если плотность вещества тела больше плотности жидкости, плавает внутри жидкости, если плотности вещества тела и жидкости равны, и плавает, частично погрузившись в жидкость, если плотность вещества тела меньше плотности жидкости.
– Красная линия на борту судна называется ватерлинией, которая показывает предельную осадку судна.
– Масса воды в погруженном до ватерлинии объеме называется водоизмещением судна.
– Разность между водоизмещением и массой не нагруженного судна есть грузоподъемность судна.
В прошлых уроках мы познакомились с архимедовой силой, узнали о том, какие силы действуют в жидкости на погруженное в нее тело (архимедова сила и сила тяжести). Но разные тела ведут себя в жидкости по-разному: некоторые тонут, некоторые всплывают. Почему так происходит?
Какие условия провоцируют плавание? На этом уроке мы дополним свои знания о поведении тел, погруженных в жидкость.
Условия плавания тел
Рассмотрим ситуацию: мы полностью погружаем в жидкость тело и отпускаем его. Теперь на него действуют две противоположно направленные силы: сила тяжести и архимедова сила. Возможны три случая (рисунок 1).
Первый случай:
если силы тяжести $F_$ больше архимедовой силы $F_A$, то тело будет двигаться ко дну – тонуть.
Второй случай:
если силы тяжести $F_$ равна архимедовой силе $F_A$, то тело будет находиться в равновесии в любом месте жидкости.
Третий случай:
если силы тяжести $F_$ меньше архимедовой силы $F_A$, то тело будет двигать вверх в жидкости — всплывать.
Рассмотрим подробнее третий случай и проведем опыт: в сосуд с трубкой для отлива (отливной сосуд) нальем воду до уровня трубки. Возьмем плавающее тело, взвесим его в воздухе, и погрузим его в воду (рисунок 2).
После этого из трубки выльется вода, объем которой равен объему погруженной части тела. Мы можем взвесить эту воду, и увидим, что ее вес равен весу тела в воздухе.
Вес этой воды будет эквивалентен архимедовой силе, а вес тела в воздухе – силе тяжести. Точно такой же эксперимент можно провести в разных жидкостях – результат мы получаем одинаковый.
При последующем подъеме архимедова сила будет уменьшаться, потому что будет постепенно уменьшаться объем той части тела, которая погружена в воду.
Когда же будет выполнено условие $F_=F_A$, то тело перестанет всплывать и будет держаться (плавать) на поверхности воды, частично погрузившись в нее.
Делаем вывод: если тело плавает в жидкости, то вес вытесненной им жидкости будет равен весу этого тела в воздухе.
Условие плавания тел и плотность жидкости
Рассмотрим простой опыт, изображенный на рисунке 3.
Сначала опустим железную гирю в сосуд с водой (рисунок 3, а). Гиря тонет. А теперь опустим железную гирю в сосуд со ртутью (рисунок 3, б) – гиря всплыла. Это произошло, потому что плотность железа больше плотности воды, но меньше плотности ртути.
- Когда плотность твердого тела больше плотности жидкости, в которую его погружают, то тело тонет.
- Когда плотность твердого тела меньше плотности этой жидкости, то оно всплывает:
- Когда плотность твердого тела равна плотности жидкости, то тело остается в равновесии внутри жидкости:
Если $\rho_т=\rho_ж$, то тело плавает.
Теперь взглянем на следующий опыт, представленный на рисунке 4.
Здесь мы погрузили в воду два одинаковых шарика: пробковый и парафиновый. Видно, что часть пробкового шарика, погруженная в воду, меньше той же части парафинового.
Известно, что плотность пробки меньше плотности парафина. Можно сказать, что чем меньше плотность тела по сравнению с плотностью жидкости, тем меньшая часть тела погружена в жидкость.
Несмешивающиеся жидкости также будут находиться в одном сосуде в соответствии со своими плотностями: в нижней части сосуда более плотные, в верхней – более легкие (рисунок 5).
Плавание тел в природе
В живой природе вес морских организмов почти полностью уравновешивается архимедовой силой, так как их плотность почти не отличается от плотности окружающей среды. Поэтому у морских животных легкие и гибкие скелеты, а у морских растений – эластичные стволы.
Каким образом рыбы могут менять глубину своего плавания и оставаться на ней? У каждой рыбы имеется плавательный (воздушный) пузырь (рисунок 6).
Пузырь легко сжимается и расширяется: при увеличении глубины за счет мышечных усилий увеличивается давление воды на рыбу. Плавательный пузырь сжимается, и объем тела рыбы уменьшается, уменьшается величина архимедовой силы, и рыба может спокойно оставаться на выбранной глубине. То же самое происходит при уменьшении глубины, но в обратную сторону: пузырь расширяется, объем всего тела рыбы увеличивается. Киты и другие морские млекопитающие используют для изменения глубины собственные легкие подобно плавательному пузырю у рыб.
Айсберг – это большой кусок льда, который свободно плавает в океане, так как плотность льда меньше плотности соленой воды (рисунок 7).
Задача
Представим, что объем погруженной в воду части айсберга составляет $100 м^3$. Плотность льда равна $900 \frac$, плотность соленой воды равна $1030 \frac$. Найдите весь объем айсберга и его массу.
Дано:
$V_1 = 100 \space м^3$
$\rho_л = 900 \frac$
$\rho_в = 1030 \frac$
Посмотреть решение и ответ
Решение:
Отметим на рисунке силы, действующие на айсберг: $F_A$ и $F_т$.
Сила $F_A$ приложена к центру погруженной в воду части айсберга и направлена вверх.
Сила $F_т$ приложена к центру тела айсберга и направлена вниз.
Так как айсберг плавает (не тонет и не всплывает до конца), он находится в состоянии равновесия:
$F_A = F_т$
$F_A = \rho_gV_1$
$F_т = mg$
$\rho_gV_1 = mg$
Отсюда найдем массу айсберга:
$m = \rho_V_1$,
$m = 1030 \frac \cdot 100 \space м^3 = 103 \space 000 \space кг = 103 \space т$.
Читайте также: