Как определить выталкивающую силу, действующую на тело в воде

Обычно говорят, что тело «стало легче в воде», но его масса при этом не изменилась. На погружённое тело действует направленная вверх сила со стороны жидкости. Поэтому динамометру приходится удерживать тело с меньшей силой, чем в воздухе. В школьном опыте удобнее сравнивать именно показания одного прибора, не пытаясь определять выталкивающую силу по виду предмета или по тому, насколько высоко поднялась вода.

Цель и условия измерения

Цель работы — определить выталкивающую силу, действующую на выданное учителем тело в воде, и объяснить, как она получена из двух измерений. Подготовьте динамометр с подходящим пределом измерения, нить, тело и достаточно глубокий сосуд с водой. Если в задании нужно сравнить несколько тел или разные жидкости, добавьте отдельные строки для каждого условия; не объединяйте их показания в одну разность.

Для этого способа тело должно устойчиво висеть на нити и полностью помещаться в воду, не опираясь на дно. Лучше брать образец, который сам по себе не всплывает при обычном подвесе. Если образец пористый, растворимый, содержит полость или заметно удерживает пузырьки воздуха, обсудите с учителем, как это отразится на результате. Работайте с теми предметами и жидкостями, которые предусмотрены школьным заданием.

Проверьте нуль и цену деления динамометра. Зафиксируйте, какие значения шкалы он позволяет читать, и не превышайте предел измерения. Сосуд поставьте устойчиво, чтобы его не приходилось удерживать рукой одновременно со снятием показаний. Так меньше риск задеть тело или изменить положение прибора во время отсчёта.

Первое показание: тело висит в воздухе

Подвесьте тело на динамометре и дождитесь, пока оно перестанет раскачиваться. Считайте показание, держа прибор вертикально, как предусмотрено его устройством. Это показание называют весом тела в воздухе в рамках школьного опыта и обозначают, например, Fвозд. Сила измеряется в ньютонах (Н), поэтому запись «1,6» без единицы неполна.

Нить тоже действует на прибор, но обычно её вклад мал по сравнению с измеряемой силой. Если учитель требует учесть массу подвеса или используется заметно тяжёлый держатель, следуйте заданному порядку тарировки. Главное — измерять до и после погружения одной и той же установкой, не меняя нить и крючок между отсчётами.

Не заменяйте первое показание массой тела в граммах. Динамометр измеряет силу. Чтобы сравнить два значения на одном приборе, оба должны быть записаны в ньютонах. Если в другом задании известна масса и нужен расчёт силы тяжести, это отдельное вычисление; для данной работы достаточно двух прямых отсчётов.

Второе показание: тело в воде

Не снимая тело с нити, медленно опустите его в сосуд. Оно должно уйти под воду полностью, а нить и корпус динамометра — остаться в положении, разрешённом инструкцией к прибору. Следите, чтобы предмет не коснулся дна или боковой стенки. Если он опирается на сосуд, часть его веса воспринимает опора, и показание динамометра уменьшается не только из-за действия воды.

После остановки колебаний снимите второе показание Fводы. Осмотрите тело: приставшие пузырьки воздуха тоже занимают объём и могут увеличить наблюдаемое выталкивание. Если пузырёк заметен, повторите измерение по указанию учителя. Нельзя добиваться «нужного» числа, слегка прижимая образец ко дну или тянув нить под углом.

В таблице сразу подпишите, что второй отсчёт сделан при полном погружении. Если учитель предлагает сравнить частичное и полное погружение, это уже несколько опытов: погружённый объём меняется, поэтому ожидать одинаковую разность показаний не следует. Для каждого положения нужна своя строка.

Как вычислить силу по разности

В покое на тело действуют силы, которые уравновешивают друг друга. В воздухе динамометр удерживает тело почти целиком; в воде часть нагрузки компенсирует выталкивающая сила. Поэтому для описанной установки FА = Fвозд − Fводы. Индекс А напоминает о силе Архимеда, но в отчёте можно пользоваться обозначением учителя, если оно другое.

Допустим, в условном учебном примере динамометр показал 1,6 Н в воздухе и 1,1 Н при полном погружении. Тогда FА = 1,6 Н − 1,1 Н = 0,5 Н. Это разность сил, а не масс и не объёмов. Придуманные числа показывают порядок расчёта; их нельзя переносить в отчёт, если прибор дал другие показания.

Если в своих данных получилось отрицательное значение, перепроверьте порядок вычитания и подписи показаний. В обычной установке при полном погружении динамометр должен показывать меньше, чем в воздухе. Если разность почти нулевая и сравнима с ценой деления, нельзя уверенно заключить, что сила отсутствует: прибор мог быть слишком грубым для данного образца.

Почему возникает эта сила и от чего она зависит

Жидкость давит на погружённое тело со всех сторон. Давление на нижние участки тела обычно больше, чем на верхние, поэтому равнодействующая сил давления направлена вверх. Для тела, полностью или частично погружённого в жидкость, выталкивающая сила равна весу вытесненной им жидкости. В школьной записи это можно выразить как FА = ρж · g · Vпогр, где ρж — плотность жидкости, а Vпогр — объём погружённой части тела.

Эта формула помогает понять результат опыта. Если тело погрузили лишь наполовину, объём вытесненной воды меньше и выталкивающая сила может быть меньше. При одинаковом погружённом объёме в жидкости другой плотности сила тоже изменится. А вот материал самого образца не входит в формулу напрямую: при одинаковом внешнем объёме и полном погружении в одну и ту же жидкость выталкивающая сила не определяется тем, сделано тело из стали или другого вещества. Масса материала влияет на то, будет ли предмет тонуть или плавать, но это другой вопрос.

Сравнение двух способов определения силы — по динамометру и по весу вытесненной воды — возможно, если такое задание дал учитель и есть нужное оборудование. Не подставляйте в формулу объём всего сосуда или всего налитого в него количества воды: нужен объём жидкости, вытесненной погружённой частью тела.

Что может исказить результат

Наиболее частая ошибка — касание дна. Динамометр тогда показывает часть нагрузки, а часть воспринимает сосуд; вычисленная разность может оказаться слишком большой. При касании стенки показание тоже становится ненадёжным. Другая ошибка — неполное погружение, если в выводе утверждается, что измерена сила для всего тела под водой. Если предмет всплывает, обычный опыт с подвесом и простым вычитанием требует другой схемы; не записывайте нулевое или отрицательное натяжение как готовый ответ.

У прибора есть цена деления, поэтому два близких показания нельзя вычитать с произвольной точностью. При измерении разности учитывают неопределённость обоих отсчётов. Не пишите 0,500 Н, если оба значения были считаны лишь до десятых ньютона. При небольших колебаниях стрелки дождитесь устойчивого положения или повторите попытку и укажите, что показания немного различались.

В федеральной рабочей программе по физике для 7–9 классов выталкивающая сила и её экспериментальное определение относятся к школьным темам. Конкретную форму таблицы, обозначения и правила оценки погрешности берите из своего задания.

Как записать вывод

Для условного примера вывод может быть таким: «При подвешивании тела динамометр показал 1,6 Н в воздухе и 1,1 Н при полном погружении в воду. Разность показаний составляет 0,5 Н; это оценка выталкивающей силы для данного тела в воде. Точность результата ограничена отсчётом по шкале и тем, удалось ли удержать тело свободно, без касания сосуда». Свой вывод составьте по своим числам и наблюдениям.

Перед сдачей проверьте, что оба показания подписаны в ньютонах, тело при втором отсчёте не опиралось на сосуд, формула вычитания записана в правильном порядке, а вывод не приписывает результату лишней точности. Соседние темы об измерении сил и плавании тел собраны в навигаторе лабораторных работ по физике для 7 класса.