УМОВИ ПЛАВАННЯ ТІЛ
РОЗДІЛ 3 ВЗАЄМОДІЯ ТІЛ. СИЛА
ЧАСТИНА ІІ. ТИСК. ЗАКОН АРХІМЕДА. ПЛАВАННЯ ТІЛ
& 28. УМОВИ ПЛАВАННЯ ТІЛ
У побуті для приготування розчину солі певної густини господині користуються таким прийомом. Вони занурюють у розчин сире яйце: якщо густина розчину замала, то яйце тоне, якщо достатня – спливає. так само під час консервації визначають і густину цукрового сиропу. Сьогодні ви дізнаєтесь, коли тіло плаває в рідині чи газі, коли спливає і коли тоне.
1. Обгрунтовуємо умови плавання тіл
Ви, звісно, можете навести скільки завгодно
Проведемо дослід. Візьмемо невелику посудину з водою та декілька кульок, виготовлених із різних матеріалів. Будемо по черзі занурювати тіла у воду, а потім відпускати їх без початкової швидкості. Далі залежно від густини тіла можливі різні варіанти (див. таблицю).
Варіант 1. Занурення. Тіло починає тонути і врешті опускається на дно посудини. З’ясуємо, чому це відбувається.
1) сила тяжіння Fтяж = mтg = pтVтg (оскільки mт = ртVт), напрямлена вертикально вниз;
2) виштовхувальна сила Fapx = ррідgVT, напрямлена вертикально вгору.
Тіло занурюється, а це означає, що сила, напрямлена вниз, є більшою:
Fтяж > Fарх.
Оскільки Fтяж = pтFтg, а Fapx = ррідgVт, то pтVтg >ррідgVт. Після скорочення на gVт маємо:
Рт > ррід
Тіло тоне в рідині або газі, якщо густина тіла є більшою за густину рідини або газу.
Варіант 2. Плавання всередині рідини. Тіло не тоне і не спливає, а залишається плавати в товщі рідини.
Спробуйте довести, що в цьому випадку густина тіла дорівнює густині рідини:
Рт = ррід
Тіло плаває в товщі рідини або газу, якщо густина тіла дорівнює густині рідини або газу.
Варіант 3. Спливання. Тіло починає спливати і врешті зупиняється на поверхні рідини, занурившись у рідину частково.
Зрозуміло, що поки тіло спливає, архімедова сила є більшою за силу тяжіння:
Fтяж < Fapx => pтgVт <ррідgVт, або: рт < ррід
Після того як тіло зупиниться на поверхні рідини, архімедова сила і сила тяжіння будуть зрівноважені:
Fтяж = Fарх.
Тіло спливає в рідині чи газі або плаває на поверхні рідини, якщо густина тіла є меншою, ніж густина рідини або газу.
2. Спостерігаємо плавання тіл у живій природі
Тіла мешканців морів і річок містять у своєму складі багато води, тому їхня середня густина близька до густини води. Щоб вільно рухатися в рідині, вони мають “керувати” середньою густиною свого тіла. Для цього водні мешканці використовують різні “прийоми”. Наведемо приклади.
У риб із плавальним міхуром таке керування відбувається за рахунок зміни об’єму міхура (рис. 28.1).
Молюск наутилус (рис. 28.2), який живе в тропічних морях, може швидко спливати і знову опускатися на дно завдяки тому, що здатний змінювати об’єм внутрішніх порожнин у своєму організмі (молюск живе в закрученій спіраллю мушлі).
Поширений у Європі водяний павук (рис. 28.3) несе із собою в глибину повітряну оболонку на черевці – саме вона дає йому запас плавучості й допомагає повернутися на поверхню.
Рис. 28.1. Змінюючи об’єм плавального міхура, риба може занурюватися, спливати, плавати всередині рідини
Рис. 28.2. Молюск наутилус плаває завдяки здатності змінювати об’єм внутрішніх порожнин у своєму організмі
Рис. 28.3. Повітряна оболонка на черевці дозволяє водяному павукові підніматися з глибини на поверхню
3. Учимося розв’язувати задачі
Задача. Чи буде плавати у воді мідна куля масою 445 г, усередині якої є порожнина об’ємом 450 см3?
Аналіз фізичної проблеми. Щоб визначити, як поводитиметься куля
У воді, потрібно густину кулі (ркулі) порівняти з густиною води (рводи).
Для обчислення середньої густини кулі слід визначити її об’єм та масу. Маса повітря в кулі є незначною порівняно з масою міді, тому mкулі = mміді. Об’єм кулі складається з об’єму мідної оболонки Vміді та об’єму порожнини Vпорожн. Об’єм мідної оболонки можна визначити, знаючи масу та густину міді.
Про густини міді та води дізнаємось із таблиць густин (с. 249). Задачу доцільно розв’язувати в поданих одиницях.
Дано:
Mміді = mкулі = 445 г
Vпорожн = 450 см3
Рміді = 8,9 
Рводи = 1
Знайти:
Ркулі – ?
Пошук математичної моделі, розв’язання. За означенням густини:
Ркулі = 
.
Об’єм кулі. Vкулі = Vміді + Vпорожн, де Vміді = 
– об’єм мідної оболонки.
Таким чином, Vкулі = + Vпорожн.
Розв’яжемо задачу по діях. 1. Визначимо об’єм кулі:
Vкулі = 
+ 450 см3 = 50 см3 + 450 см3 = 500 см3.
2. Знаючи об’єм і масу кулі, визначимо її середню густину:
Ркулі = 
= 0,89
Аналіз результату: густина кулі менша від густини води, тому куля буде плавати на поверхні води.
Відповідь: так, куля буде плавати на поверхні води.
Підбиваємо підсумки
Тіло тоне в рідині або газі, якщо густина тіла є більшою за густину рідини або газу (рт > рpід). Тіло плаває в товщі рідини або газу, якщо густина тіла дорівнює густині рідини або газу (pт = ррід). Тіло спливає в рідині та газі або плаває на поверхні рідини, якщо густина тіла є меншою за густину рідини або газу (рт <ррід).
Контрольні запитання
1. За якої умови тіло тонутиме в рідині або газі? Наведіть приклади.
2. Яку умову потрібно виконати, щоб тіло плавало в товщі рідини або газу? Наведіть приклади таких тіл. 3. Сформулюйте умову спливання тіла в рідині або газі. Наведіть приклади. 4. За якої умови тіло плаватиме на поверхні рідини? 5. Для чого і як мешканці морів і річок змінюють власну густину?
Вправа № 28
1. Чи буде суцільний свинцевий брусок плавати в ртуті? у воді? в олії?
2. Розташуйте кульки, зображені на рис. 1, у порядку збільшення густини.
Рис. 1
3. Чи буде брусок масою 120 г і об’ємом 150 см3 плавати у воді?
4. За рис. 2 поясніть, як підводний човен здійснює занурення та підняття на поверхню.
Рис. 2
5. Тіло плаває в гасі, повністю занурившись. Визначте масу тіла, якщо його об’єм становить 250 см3.
6. У посудину налили три рідини, які не змішуються, – ртуть, воду, гас (рис. 3). Потім у посудину опустили три кульки: сталеву, пінопластову та дубову. Як розташувалися шари рідин у посудині? Визначте, де яка кулька. Відповіді поясніть.
Рис. 3
7. Визначте об’єм зануреної у воду частини машини-амфібії та масу машини, якщо на неї діє архімедова сила 140 кН.
8. Складіть задачу, обернену до задачі, розглянутої в параграфі, та розв’яжіть її.
9. Установіть відповідність між густиною тіла, яке плаває у воді, і частиною цього тіла, що перебуває над поверхнею води.
А рт = 400 кг/м3 1 0
Б рт = 600 кг/м3 2 0,1
В рт = 900 кг/м3 3 0,4
Г рт = 1000 кг/м3 4 0,6
5 0,9
10. Прилад для вимірювання густини рідин називається ареометром. Скориставшись додатковими джерелами інформації, дізнайтесь про будову ареометра та принцип його дії. Напишіть інструкцію, як користуватись ареометром.
11. Заповніть таблицю. Вважайте, що в кожному випадку тіло повністю занурене в рідину.
Фізичні величини | Формули для розрахунку шуканих величин | |||
Маса тіла | Об’єм тіла | Густина тіла | Густина рідини | Архімедова сила |
20 кг | 0,008 м3 | 1000 кг/м3 | ||
4000 кг/м3 | 900 кг/м3 | 180 Н | ||
100 г | 0,4 г/см3 | 2 Н |
Експериментальне завдання
“Картезіанський водолаз”. Зробіть фізичну іграшку, ідею якої придумав французький вчений Рене Декарт. У пластикову банку, яка щільно закривається кришкою, налийте воду і помістіть туди отвором донизу невелику мензурку (або маленьку склянку з-під ліків), частково заповнену водою (див. Малюнок). Води в мензурці має бути стільки, щоб мензурка ледь піднімалася над поверхнею води в банці. Щільно закрийте банку і натисніть на її бічні стінки. Прослідкуйте за поведінкою мензурки. Поясніть дію цього пристрою.
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 10
Тема. З’ясування умов плавання тіл.
Мета: дослідним шляхом визначити, за яких умов тіло плаває на поверхні рідини;
Плаває всередині рідини; за яких умов тіло тоне в рідині.
Обладнання: пробірка (або невелика склянка з-під ліків) з корком; нитка (або дротинка) завдовжки 20-25 см; посудина із сухим піском; вимірювальний циліндр, до половини наповнений водою; терези з важками; паперові серветки.
ВКАЗІВКИ ДО РОБОТИ
Підготовка до експерименту
1. Перед тим як виконувати роботу, переконайтеся, що ви знаєте відповіді на такі запитання.
1) Які сили діють на тіло, занурене в рідину?
2) За якою формулою визначають силу тяжіння?
3) За якою формулою визначають архімедову силу?
4) За якою формулою визначають середню густину тіла?
2. Визначте ціну поділки шкали вимірювального циліндра.
3. Закріпіть пробірку на нитці так, щоб, тримаючи за нитку, можна було занурити пробірку у вимірювальний циліндр, а потім витягти її.
4. Згадайте правила роботи з терезами та підготуйте терези до роботи.
Експеримент
Суворо дотримуйтесь інструкції з безпеки (див. форзац підручника). Результати вимірювань відразу заносьте до таблиці.
Дослід 1. З’ясування умов, за яких тіло тоне в рідині.
1) Виміряйте об’єм води V1 у вимірювальному циліндрі.
2) Наповніть пробірку піском. Закрийте корок.
3) Опустіть пробірку у вимірювальний циліндр. У результаті ваших дій пробірка має опинитися на дні.
4) Виміряйте об’єм V2 води і пробірки; визначте об’єм пробірки:
V = V2 – V1.
5) Витягніть пробірку, протріть її серветкою.
6) Покладіть пробірку на терези та виміряйте її масу з точністю до 0,5 г.
Дослід 2. З’ясування умов, за яких тіло плаває всередині рідини.
1) Відсипаючи пісок із пробірки, доможіться того, щоб пробірка вільно плавала всередині рідини.
2) Повторіть дії, описані в пп. 5-6 досліду 1.
Дослід 3. З’ясування умов, за яких тіло плаває на поверхні рідини.
1) Відсипте з пробірки ще деяку кількість піску. Переконайтеся, що після повного занурення пробірки з піском у рідину вона спливає на поверхню рідини.
2) Повторіть дії, описані в пп. 5-6 досліду 1.
Опрацювання результатів експерименту
1. Для кожного досліду:
1) виконайте схематичне креслення, на якому зазначте сили, що діють на пробірку;
2) визначте середню густину пробірки з піском.
2. Занесіть до таблиці результати обчислень, закінчіть її заповнення.
Аналіз експерименту та його результатів
Проаналізувавши результати, зробіть висновок, у якому зазначте, за якої умови: 1) тіло тоне в рідині; 2) тіло плаває всередині рідини; 3) тіло плаває на поверхні рідини.
Творче завдання
Запропонуйте два способи визначення середньої густини яйця. Запишіть план проведення кожного досліду.
(3 votes, average: 2.67 out of 5)
Loading...