Разделы 
Дополнительно
Задача по физике - 11685
2019-11-24 
С деревянным шаром и высоким сосудом с водой проводятся четыре опыта: в первом опыте они взвешиваются, когда шарик плавает в сосуде (рис, а), во втором опыте при взве шивании шарик привязан к дну сосуда (рис. б), в третьем опыте шарик удерживается под водой с помощью тонкого стержня (рис. в) и, наконец, в четвертом опыте шарик всплывает во время взвешивання (рис. г). В каком из опытов масса гири, уравновешивающей сосуд с шариком, больше?
Решение:
В первом и во втором опытах ответ очевиден, масса гири должна быть равна массе сисуда с водой и шариком. Во втором опыте уровень воды больше, чем в первом, и, значит, больше сила давления воды на дно сосуда, но зато на дно действует со стороны шарика через нить сила, направленная вверх.
В третьем опыте к силе тяжести, действующей на сосуд, воду и шарик, прибавляется еще и сила, действующая на систему со стороны стержня. Значит, масса гири должна быть больше, чем в первом и втором опытах.
Если погруженный в воду шарик начинает всплывать, то его скорость увеличивается до тех пор, пока сила сопротивления (она зависит от скорости) не станет равна разности архимедовой выталкивающей силы и силы тяжести. После этого шарик будет двигаться равномерно. Рассмотрим вначале последний случай. Так как шарик движется равномерно, то действующие на него силы уравновешены, то есть сила $F$, действующая на шарик со стороны воды, направлена вверх и равна по величине силе тяжести $mg$. Согласно II закону Ньютона это означает, что на воду со сторины шарика действует сила - $F$, равная $mg$. Таким образом, на чашку весов будет действовать сила, по величине равная сумме сил тяжести, действующих на шарик, сосуд и воду. То есть масса гири должна быть такой же, как в первом и втором опытах.
Рассмотрим теперь случай, когда шарик всплывает ускоренно. При этом в тот момент, когда шарик только начинает всплывать и на него не действует сила сопротивления (пропорциональная при малых скоростях скорости шарика), сосуд с шариком весит столько же, сколько и в третьем опыте. Действительно, согласно III закону Ньютона на воду со стороны шарика в этом случае, как в третьем, так и в четвертом опытах, действует только сила $F_{0}$, равная выталкивающей архимедовой силе, действующей на шарик со стороны воды. Она равна $\rho gV$, где $V$ - объем шарика и $\rho$ - плотность воды. Это означает, что в обоих случаях сила давления на чашку весов равна сумме сил тяжести, действующих на воду, сосуд, и силы $F_{0}$.
Когда же ускорение шарика в четвертом опыте уменьшается благодаря сопротивлению воды, уменьшается и сила, действующая на воду со стороны шарика: в этом случае сила равна по величине разности архимедовой силы и силы сопротивления.
С деревянным шаром и высоким сосудом с водой проводятся четыре опыта: в первом опыте они взвешиваются, когда шарик плавает в сосуде (рис, а), во втором опыте при взве шивании шарик привязан к дну сосуда (рис. б), в третьем опыте шарик удерживается под водой с помощью тонкого стержня (рис. в) и, наконец, в четвертом опыте шарик всплывает во время взвешивання (рис. г). В каком из опытов масса гири, уравновешивающей сосуд с шариком, больше?
Решение:
В первом и во втором опытах ответ очевиден, масса гири должна быть равна массе сисуда с водой и шариком. Во втором опыте уровень воды больше, чем в первом, и, значит, больше сила давления воды на дно сосуда, но зато на дно действует со стороны шарика через нить сила, направленная вверх.
В третьем опыте к силе тяжести, действующей на сосуд, воду и шарик, прибавляется еще и сила, действующая на систему со стороны стержня. Значит, масса гири должна быть больше, чем в первом и втором опытах.
Если погруженный в воду шарик начинает всплывать, то его скорость увеличивается до тех пор, пока сила сопротивления (она зависит от скорости) не станет равна разности архимедовой выталкивающей силы и силы тяжести. После этого шарик будет двигаться равномерно. Рассмотрим вначале последний случай. Так как шарик движется равномерно, то действующие на него силы уравновешены, то есть сила $F$, действующая на шарик со стороны воды, направлена вверх и равна по величине силе тяжести $mg$. Согласно II закону Ньютона это означает, что на воду со сторины шарика действует сила - $F$, равная $mg$. Таким образом, на чашку весов будет действовать сила, по величине равная сумме сил тяжести, действующих на шарик, сосуд и воду. То есть масса гири должна быть такой же, как в первом и втором опытах.
Рассмотрим теперь случай, когда шарик всплывает ускоренно. При этом в тот момент, когда шарик только начинает всплывать и на него не действует сила сопротивления (пропорциональная при малых скоростях скорости шарика), сосуд с шариком весит столько же, сколько и в третьем опыте. Действительно, согласно III закону Ньютона на воду со стороны шарика в этом случае, как в третьем, так и в четвертом опытах, действует только сила $F_{0}$, равная выталкивающей архимедовой силе, действующей на шарик со стороны воды. Она равна $\rho gV$, где $V$ - объем шарика и $\rho$ - плотность воды. Это означает, что в обоих случаях сила давления на чашку весов равна сумме сил тяжести, действующих на воду, сосуд, и силы $F_{0}$.
Когда же ускорение шарика в четвертом опыте уменьшается благодаря сопротивлению воды, уменьшается и сила, действующая на воду со стороны шарика: в этом случае сила равна по величине разности архимедовой силы и силы сопротивления.
