Для учеников 7 класса

Архимедова сила. Условие плавания тел

Закон Архимеда. Природа выталкивающей силы

Существование гидростатического давления приводит к тому, что на любое тело, находящееся в жидкости или газе, действует выталкивающая сила. Впервые значение этой силы в жидкостях определил на опыте Архимед. Закон Архимеда формулируется так: на тело, погруженное в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, равная весу того количества жидкости или газа, которое вытеснено погруженной частью тела.

Рассмотрим теоретический вывод закона Архимеда. В сосуд  налита жидкость и погружено тело, имеющее форму куба. Площадь нижней и верхней граней обозначим через S. Ребро куба обозначим H.  Верхняя грань куба находится от поверхности жидкости на глубине h1, а нижняя - на глубине h2. На все грани куба жидкость оказывает давление. При этом силы давления, действующие на боковые грани куба, взаимно компенсируются. На верхнюю грань куба действует направленная вниз сила давления F1, модуль которой

F1=pжS   

F1=жgh1S    (1)

где ж - плотность жидкости; S - площадь грани куба. На нижнюю грань куба действует направленная вверх сила давления F2, модуль которой

                                                  F1=pжS   

                                                  F2=жgh2S.   (2)

Так как h2>hl, то F2 > F1, т.е. равнодействующая этих двух сил направлена вертикально вверх и представляет собой выталкивающую (архимедову) силу:

FA=F2-F1    (3)

Подставив (1) и (2) в (3), найдем, что модуль архимедовой силы

FА=жgh2S - жgh1S =жgS (h2 - h1)      

(h2 - h1) – это высота самого куба, тогда

 FА= жgSH, т.к. произведение  SH это объем тела Vтела, тогда

FА=жg Vтела = mжg = Pж    (4)

Vтела (т. е. объем жидкости, вытесненной погруженным телом); Pж - вес вытесненной жидкости. Следовательно, выталкивающая сила по модулю равна весу жидкости, вытесненной погруженной частью тела.

Архимедова сила FA приложена к телу в центре масс вытесненной телом жидкости и направлена против силы тяжести, действующей на это тело. (Необходимо помнить, что закон Архимеда справедлив только при наличии тяжести. В условиях невесомости он не выполняется.)

Условие плавания тел

Поведение тела, находящегося в жидкости или газе, зависит от соотношения между модулями силы тяжести Fт и архимедовой силы FA, которые действуют на это тело. Возможны следующие три случая:

1. Fт>FA - тело тонет;
2. Fт=FA - тело плавает в жидкости или газе;
3. FтA - тело всплывает до тех пор, пока не начнет плавать.

Проверка справедливости закона Архимеда для газов

Под колокол вакуумного насоса помещают равноплечие весы, на которые подвешены пустотелый стеклянный шар большого объема и гиря, уравновешивающая вес этого шара в воздухе. Если откачать из-под колокола воздух, то равновесие нарушится и коромысло весов, на котором подвешен шар, опустится вниз. Объясним это явление.

Как отмечалось, вес Р'ш шара в воздухе был уравновешен весом Р'г гири в воздухе, т. е. Р'ш= Р'г. Но если справедлив закон Архимеда, то и на шар, и на гирю в воздухе действуют выталкивающие силы. Поэтому вес шара в воздухе равен Р'ш= Рш-Fш, а вес гири в воздухе Р'г= Рг-Fг, где Рг и Рш - истинные веса гири и шара, т. е. их веса в пустоте, a Fг и Fш - архимедовы выталкивающие силы, действующие соответственно на гирю и шар.

Fш=вgVш и Fг=вgVг, где в - плотность воздуха, Vш - объем шара, Vг - объем гири. Так как Vш >>Vг, то выталкивающая сила Fш, действующая на шар, значительно больше выталкивающей силы Vг, действующей на гирю. Поэтому наблюдаемое в воздухе равновесие шара и гири не означает одинаковости их весов в пустоте. На самом деле истинный вес шара Pш больше истинного веса гири Pг. Это сразу обнаруживается, когда из-под колокола насоса откачивают воздух. Весы выходят из равновесия, шар опускается вниз. Таким образом, данный опыт наглядно показывает справедливость закона Архимеда и для газов.

На использовании действия архимедовой силы в газах основано воздухоплавание - полеты дирижаблей, аэростатов и т. п.

Вопросы для самоконтроля:

  Как формулируется закон Архимеда?

  Сделав пояснительный рисунок, выведите формулу, определяющую значение архимедовой силы. В какой точке тела она приложена?

  Какова природа архимедовой силы, т. е. какова причина ее возникновения?

  Выполняется ли закон Архимеда в условиях невесомости?

  Объясните, в чем состоит условие плавания тел.

  Сделав пояснительный рисунок, опишите эксперимент, доказывающий справедливость закона Архимеда для газов.

Примеры решения задач.

Задачи для самостоятельного решения.

Зачет по физике

для 7 класса.

I часть

Теоретические вопросы

1. Что изучает физика? Физические явления, термины, наблюдения и опыты.
2. Физические величины. Их измерение. Цена деления. Десятичные приставки.
3. Механическое движение. Тело отсчета. Материальная точка. Траектория. Путь.
4. Виды движения. Скорость. Средняя скорость. График движения.
5. Инерция. Движение по инерции. График движения.
6. Взаимодействие тел. Масса и вес тела.
7. Объем. Плотность вещества. Связь плотности, массы и объема.
8. Сила. Сила тяжести. Ускорение свободного падения.
9. Сила упругости. Закон Гука.
10. Деформация. Динамометр. Упругие деформации.
11. Сила трения. Виды сил трения. Формула для расчета. Трение в природе и технике.
12. Механическая работа. Мощность.
13. Рычаг. Правило моментов. Применение рычагов.
14. Простые механизмы.  Разновидности механизмов. Блоки.
15. Коэффициент полезного действия. Золотое правило механики.
16. Строение вещества. Диффузия. Взаимодействие молекул.
17. Смачивание и капиллярность. Три агрегатных строения вещества.
18. Давление. Сила давления. Давление в природе и технике. Изменение давления.
19. Давление газа. Применение сжатого воздуха.
20. Закон Паскаля. Гидростатическое давление.
21. Сообщающиеся сосуды. Закон сообщающихся сосудов. Примеры.
22. Атмосферное давление. Опыт Торричелли.
23. Приборы для измерения давления.
24. Гидравлический пресс. Поршневой жидкостный насос. Применение.
25. Выталкивающая сила. Закон Архимеда.
26. Плавание тел. Условия плавания тел. Плавание судов. Воздухоплавание.
27. Равнодействующая сил
28. Энергия. Виды энергии. Превращение энергии.