Загальна інформація
Застосування (1/2)
Рис. 1: схема досліду
За принципом Архімеда густину твердих і рідких речовин можна визначити через виштовхувальну силу.
Цей принцип використано, наприклад, в ареометрі. Ареометр - це прилад для визначення густини або питомої ваги рідин. Він працює за принципом Архімеда: тіло занурюється в рідину настільки, доки сила тяжіння витісненої рідини не зрівняється із силою тяжіння зануреного тіла.
Застосування (2/2)
Звідси випливають два наслідки:
- Що менша густина рідини, то глибше занурюється в неї тіло однакової ваги. (шкальний ареометр)
- Якщо тіло має занурюватися до певної позначки в рідинах різної густини чи різної питомої ваги, то його вагу треба штучно збільшувати настільки, наскільки зростає густина. (ваговий ареометр)
Інша інформація (1/2)
Попередні знання
Учні мають попередньо знати про "принцип Архімеда" і виштовхувальну силу.
Принцип
Треба показати, як за принципом Архімеда визначити густину твердих і рідких речовин через вимірювання виштовхувальної сили.
Інша інформація (2/2)
Навчальна мета
Цим дослідом учні мають навчитися визначати густину вимірюванням виштовхувальної сили і глибше зрозуміти принцип Архімеда.
Завдання
Учні мають визначити густину твердих і рідких речовин вимірюванням виштовхувальної сили. Крім того, за одержаною густиною ( ) вони можуть встановити речовину.
Правила безпеки
Для цього досліду діють загальні правила безпечного експериментування на уроках природничих наук.
Теорія (1/2)
Густину однорідної речовини означено як відношення її маси до її об'єму :
Перш ніж визначати густину ( ), треба знати її масу ( ) і її об'єм ( ).
Теорія (1/2)
Дослід 1: визначення густини твердих речовин
Масу ( ) можна дізнатися через виштовхувальну силу. Коли тіло плаває, на нього діє, з одного боку, сила тяжіння ( ) , яка тягне його вниз, а з другого - напрямлена вгору виштовхувальна сила ( ). Тобто тіло занурюється в рідину лише настільки, доки обидві сили не скомпенсуються.
отже, справджується:
Об'єм можна встановити за масою витісненої води.
Теорія (2/2)
Дослід 2: визначення густини рідких речовин
Об'єм ( ) відомий. А масу ( ) можна визначити через виштовхувальну силу, бо за принципом Архімеда на тіло, повністю або частково занурене в рідину чи газ, діє напрямлена вгору сила, яка дорівнює вазі витісненої ним рідини чи газу.
Обладнання
| Позиція | Обладнання | Артикул | Кількість |
|---|---|---|---|
| 1 | Магнітна демонстраційна дошка PHYWE зі штативом, демо з фізики | 02150-00 | 1 |
| 2 | Торсійний динамометр, 2 Н/4 Н | 03069-03 | 1 |
| 3 | Опорна площадка, магнітна | 02155-00 | 1 |
| 4 | Занурювальне тіло, алюміній | 03903-01 | 1 |
| 5 | Лабораторний стакан, боросилікатне скло, висока форма, 600 мл | 46029-00 | 1 |
| 6 | Гліцерин, 250 мл | 30084-25 | 2 |
| 7 | Струбцина | 02014-01 | 2 |
Складання та виконання
Складання та виконання (1/2)
Рис. 2
Дослід 1
- Установи торсійний динамометр біля верхнього краю демонстраційної дошки.
- Підвісь занурювальне тіло, виміряй і запиши його силу тяжіння в повітрі ( ).
- Постав опорну площадку під занурювальним тілом біля нижнього краю дошки і постав на неї лабораторний стакан приблизно з 400 мл води (рис. 2).
- Опускай динамометр із занурювальним тілом, доки воно повністю не зануриться у воду.
- Виміряй силу , з якою занурювальне тіло тепер тягне динамометр, і запиши .
Складання та виконання (2/2)
Рис. 3
Дослід 2
- Залиш установку такою, як у досліді 1, і налий тепер у лабораторний стакан замість води денатурат.
- Опускай торсійний динамометр із підвішеним занурювальним тілом, доки воно повністю не зануриться в денатурат.
- Виміряй силу , з якою занурювальне тіло тягне динамометр, і запиши .
- Налий у лабораторний стакан замість денатурату гліцерин і так само визнач силу .
Опрацювання результатів
Спостереження
Дослід 1
Дослід 2
Опрацювання результатів (1/3)
Дослід 1
Виштовхувальна сила, що діє на занурювальне тіло, становить
за законом Архімеда дорівнює силі тяжіння води, витісненої занурювальним тілом. Отже, маса витісненої води (1^ N = 102 g), а її об'єм . Тобто занурювальне тіло має об'єм і, через , масу .
Звідси для шуканої густини алюмінію дістаємо:
Це відповідає табличному значенню.
Опрацювання результатів (2/3)
| Рідина | m/g | |||
| Вода | 82 | 0,80 | 82 | 1,00 |
| Денатурат | 82 | 0,68 | 69 | 0,84 |
| Гліцерин | 82 | 0,96 | 98 | 1,20 |
Табл. 1
Виміряне в досліді 1 значення і обчислене значення об'єму беруть як готові результати. Тепер для денатурату і для гліцерину обчислюють виштовхувальну силу , із неї - масу витісненої в кожному випадку рідини і, нарешті, її густину.
Усі результати дослідів 1 і 2 доцільно звести в таблицю (див. таблицю 1):
,
Опрацювання результатів (3/3)
Результати в межах точності вимірювання добре узгоджуються з табличними значеннями густин:
,
.
Зауваження (1/2)
Дослід 1
Спрощено і в межах точності вимірювання можна вважати, що 1 Н відповідає силі тяжіння, яка діє на тіло масою ; це полегшує опрацювання результатів:
;
;
.
Якщо учні не знають, що занурювальне тіло зроблене з алюмінію, дослід можна використати не лише для визначення , а й для того, щоб установити речовину, з якої може бути зроблене занурювальне тіло. Тоді перед дослідом позначку на занурювальному тілі варто заклеїти.
Зауваження (2/2)
Дослід 2
Як зазначено в зауваженнях 1, у межах і без того наявної похибки вимірювання результати можна опрацювати спрощено. Дістаємо
для денатурату:
і для гліцерину: .
Якщо дослід 2 треба провести незалежно від досліду 1, об'єм зануреного тіла визначають вимірюванням і обчисленням, коли воно має правильну форму; інакше його визначають методом витіснення (різницевим або переливним).