Куда «исчезает» вес предмета в воде?

История и предсказание

Держать небольшой камень на нитке в воздухе труднее, чем под водой. Камень не потерял массу; вода действует на него вверх. Почему именно вверх? Давление воды на нижнюю часть камня больше, чем на верхнюю, потому что нижняя часть глубже. Боковые силы в простой симметричной модели взаимно компенсируются. Получается результирующее действие жидкости вверх.

Перед чтением запишите своё предположение в журнале и объясните его одним предложением. После расчёта вернитесь к предположению: совпадение ответа с ожиданием ещё не подтверждает объяснение. Важно проверить, какие условия были заданы, а какие вы действительно наблюдали.

Слова, которые понадобятся

Вытесненный объём — объём той части предмета, которая заняла место жидкости. Выталкивающая сила Fₐ — итоговая направленная вверх сила жидкости: Fₐ = ρж g Vпогр. Здесь ρж — плотность жидкости, Vпогр — погружённый объём. Это закон Архимеда для покоящейся жидкости; сила равна весу вытесненной жидкости. Показание динамометра у удерживаемого тела уменьшается на Fₐ, но его масса не меняется.

Проверяем модель на числах

Учебный куб объёмом 0,0001 м³ полностью в воде: Fₐ = 1000 × 10 × 0,0001 = 1 Н. Если его вес в воздухе 3 Н и он удерживается неподвижно под водой, динамометр показал бы около 2 Н. При половинном погружении куба вытесненный объём вдвое меньше, значит в этой модели Fₐ ≈ 0,5 Н. Последнее верно при соответствующей геометрии и одинаковой плотности воды.

Безопасное исследование

Положите лёгкую пластиковую крышечку в неглубокую миску с водой и нарисуйте, сколько её объёма под водой. Не привязывайте к ней числа из примера: вы не измеряли объём. Если прибора нет, решите задачу: у полностью погружённого тела вытеснено 0,0002 м³ воды; оцените Fₐ = 2 Н. Запишите, что «легче держать» — ощущение, а 2 Н — расчёт.

Где легко ошибиться

Ловушка: выталкивающая сила всегда равна полному весу предмета. Это верно для свободно плавающего тела в равновесии, но не для удерживаемого под водой куба и не для тонущего предмета.

Опорная карта

Новый случай без подсказки

Закройте разобранный пример. Нарисуйте ситуацию заново, назовите тело и действующие на него силы. Затем измените только одно данное число, пересчитайте результат с единицами и скажите, что осталось неизменным. Если не было измерительного прибора, напишите «расчёт по учебной модели», а не «измерено».

Запись в лабораторный журнал

Сделайте четыре строки: вопрос; предсказание; данные или наблюдение; вывод с оговоркой. Рядом подпишите одну причину, по которой реальный опыт может отличаться от идеального рисунка. Вернитесь к этому листу после следующего урока и исправьте вывод, если новая проверка его изменила.

Следующий урок: Почему стальной корабль плавает, а стальной шар тонет?