Закон Архимеда, или Как распознать ложь?

История открытия

В древних Сиракузах жил инженер, математик и физик по имени Архимед. Образование он получил отличное, изобретения его ценились и в средствах он не нуждался. И периодически к нему обращались сильные мира для решения всяких сложных задач. И одной из таких задач было определить подлинность короны царя Гиерона. 

Казалось бы, что в этом сложного?

Используй формулу

ρ_т = m_т / V_т             (1).

Раздели m_т массу слитка, что был выдан ювелиру на объем короны V_т, получишь плотность короны ρ_т. Сравни полученный результат с известной плотностью золота, и дело в шляпе. А ювелир получит либо плату за работу, либо близкое знакомство с придворным палачом.

Однако эта формула хорошо работает с объектами простой формы: шар, куб, параллелепипед. А мы то помним, что исследуем корону, у которой множество зубцов, выпуклостей и ажурных плетений.

Как можно определить объем предмета столь сложной формы? Не знаете? Вот и Архимед тоже не знал.

Долгое время ученый думал над задачей, и в один из дней, в задумчивости опускаясь в наполненную водой ванну, обратил внимание, что часть воды выплеснулась через край. Современники рассказывают, что именно в этот момент Архимед закричал: «Эврика!», что по-гречески значит «Нашел!» и, даже не одеваясь, побежал в царский дворец.

Еще пару дней понадобилось исследователю, чтобы изобрести прибор, с помощью которого он мог бы измерить объем воды, вылившейся при погружении короны. Этот прибор, названный впоследствии ведерком Архимеда, можно увидеть на странице 145 учебника «Физика 7 класс» под редакцией А.В.Перышкина.

Затем, с помощью опытов с золотыми и серебряными слитками, доказать, что объем жидкости равен объему слитка, а следовательно будет равен и объему короны. И последним этапом определить плотность короны.

Говорят, что царь был прав в своих подозрениях, и ювелир был нечист на руку. А всю плату, что причиталась за корону мастеру, получил Архимед.

Действие жидкости и газа на погруженное в них тело

Что же открыл Архимед благодаря своим опытам?

Ученый определил некую силу, которая действую в обратном направлении силе притяжения и позволяет предметам плавать в воде и воздухе. Эту силу по праву назвали силой Архимеда или выталкивающей силой.

Определение закона Архимеда: тело погруженное в жидкость, теряет в своем весе столько, сколько весит вытесненная им жидкость.

Формулы

На планете Земля на все предметы действует сила земного притяжения. Для объектов на земной поверхности силу притяжения можно рассчитать по формуле:

F_т = m_тg,                  (2)

где m_т — масса тела, а g — ускорение свободного падения, равное 9,8 м/с².

Когда же объект погружается в жидкость или газ, на него начинает действовать выталкивающая сила или сила Архимеда, которая рассчитывается по формуле:

F_А = m_жg,                 (3)

где m_ж — масса жидкости, вытесненной целым объектом или его частью, находящейся в жидкости.

Массу вытесненной жидкости в свою очередь можно определить используя формулу:

m_ж = ρ_жV_ж,               (4)

и соответственно преобразовать формулу закона Архимеда:

F_А = ρ_жV_жg.              (5)

Как же соотносятся между собой сила тяжести и сила выталкивания. Все просто:

• если сила притяжения больше силы выталкивания, предмет утонет;

• если силы примерно равны — предмет будет плавать в толще жидкости или газа;

• а если сила выталкивания больше силы притяжения, предмет всплывет.

Многочисленные опыты, благодаря которым мы можем пользоваться формулами силы выталкивания, подробно разобраны в § 50 учебника «Физика 7 класс» под редакцией А.В.Перышкина.

Несмотря на то, что Архимед впервые открыл силу выталкивания в воде, сила Архимеда характерна также и для газов, и именно благодаря ей смог подняться в воздух первый воздушный шар, а вдохновленный и восхищенный этим событием писатель Жюль Верн написал свой роман «Вокруг света за 80 дней».

А теперь давайте поможем царю решить его задачу с короной.

Предположим, что корона царя Гиерона в воздухе весит 22 Н, а в воде 19,75 Н, вычислите плотность вещества короны.

Как мы узнали в начале статьи, плотность вещества находится по формуле:

ρ_т = m_т/V_т.                     (1)

Глядя на формулу, понимаем, что для решения задачи нам не известны ни масса короны, ни ее объем.

Из предыдущего курса физики (§ 27 учебника «Физика 7 класс» под редакцией А.В.Перышкина.), помним, что для неподвижного тела вес P равен силе тяжести F_т и рассчитывается по формуле:

P = F_т = m_тg,                   (2)

где g — ускорение свободного падения и его значение равно g = 9,8 Н/кг. Однако, если не требуется большая точность в расчетах, значение можно округлить до 10 Н/кг

1. Зная вес короны в воздухе, мы используя формулу (2) можем найти массу короны.

P_т = F_т = m_тg,

2. Мы также знаем, что вес тела в воде отличается от веса тела в воздухе на силу Архимеда.

F_A = 22 — 19,75 Н = 2,25 Н

3. Согласно формуле (5) сила Архимеда равна F_А = ρ_жV_жg

где ρ_ж = ρ_воды = 1000 кг/м³

Из нее находим объем вытесненной жидкости и соответственно объем короны

4. Остается финальный штрих: рассчитать плотность.

ρ_т = m_т/V_т

ρ_т = 2,2 кг / 0,000225 м³ = 9778 кг/м³ или 9,8 г/см³

Зная, что плотность золота 19,3 г/см³ или 19 300 кг/м³, можем сказать, что корона царя Гиерона сделана из какого-то сплава, но не из чистого золота. Увы, царь был прав, подозревая мастера в нечестности. И мне даже немного жаль нерадивого ювелира. Ведь никто не любит, когда воруют его собственность, а цари особенно.

Теперь попробуйте самостоятельно решить задачу № 5 на странице 147 учебника «Физика 7 класс» под редакцией А.В.Перышкина.

Методические советы

Тест «Закон Архимеда»

1. Сила Архимеда это:

• сила, с которой Архимед передвигал ванну;

• сила, которая поднимает вверх тело находящееся в жидкости или газе; (+)

• сила мышц Архимеда;

• сила, с которой твердое тело действует на поверхность.

2. Сила Архимеда действует:

• на тела погруженные только в газ;

• на тела погруженные только в жидкость;

• на тела погруженные в газ или в жидкость; (+)

• на тела находящиеся в невесомости.

3. Чему равно ускорение свободного падения g?

• 9,8 м/с3;

• 9,8 Н/кг; +

• 9,8 км/ч;

• 8,9 м/с2.

4. К пружине подвешено некое тело. Если тело погрузить в емкость с жидкостью, что произойдет с пружиной?

• растянется больше;

• сожмется; (+)

• не изменится;

• зависит от веса тела.

5. Два друга пошли плавать в реке. Один из них при погружении вытесняет объем 60 дм³, второй 40 дм³. На кого из ребят будет действовать большая сила Архимеда?

• на того, кто лучше умеет плавать;

• на того, кто вытеснил больше воды; (+)

• на того, то не умеет плавать;

• на того, кто вытеснил меньше воды.

6. Формула силы выталкивания это:

• F_А = ρ_жV_жg; (+)

• F_А = ρ_тV_жg;

• F_А = ρ_жV_тg;

• F_А = m_тg.

7. Если сила тяжести больше силы Архимеда, тело:

• взлетит;

• всплывет;

• утонет; (+)

• поплывет.

8. 4 одинаковых стальных шарика погрузили в 4 разные жидкости: чистая вода, вода мертвого моря, бензин, оливковое масло. В какой жидкости сила выталкивания будет наименьшей?

Плотность масла 915 кг/м³, плотность бензина 750 кг/м³.

• бензин; (+)

• вода Мертвого моря;

• оливковое масло;

• чистая вода.

9. Сила тяжести зависит:

• от плотности жидкости;

• от вытесненного объема жидкости;

• от массы тела; +

• от времени нахождения тела в жидкости.

10. В двух емкостях плавают два шарика равного объема. Одинакова ли сила выталкивания?

• одинакова, т.к. объем шариков одинаков;

• сила выталкивания больше в емкости с керосином, потому что плотность меньше воды;

• сила выталкивания больше в емкости с водой, потому что ее плотность больше керосина. (+)