Лабораторные работы. Механика / Физика. Мех. ЛР. Определение плотности твердых тел и жидкостей гидростатическим взвешиванием

Приборы и принадлежности: весы, набор разновесок, скамеечка к весам, исследуемое твёрдое тело, исследуемая жидкость, дистиллированная вода, проволочка для подвешивания тела к коромыслу весов, стеклянный стаканчик- 2 шт.

Цель работы:

• Определить плотность твёрдого тела.

• Определить плотность жидкости.

ХОД РАБОТЫ:

1. Составим таблицу для внесения в неё значений полученных величин.

Температура окружающего воздуха равна 22° C.

Таблица 1.

m, г	m1, г	, г/см3	m2, г	m ж', г	ж', г/см3
37,1	32,4	7,878	33,2	3,9	0,828

2. 

   При помощи тонкой проволочки (рис. 1) подвесим исследуемое тело (А) к левому коромыслу весов, уравновесим гирями и определим m₁ – массу тела вместе с проволокой.Подвешивание тела произведём с таким расчётом, чтобы после того, как над чашкой весов будет установлена скамеечка со стаканом жидкости, тело не касалось дна и стенок стакана. Тело и проволочка при этом должны быть сухими и чистыми.

1. Установим над чашкой весов скамеечку (В), поставим на неё стакан и нальём дистиллированную воду до такого уровня, чтобы тело при качаниях коромысла весов оставалось полностью погруженным в воду, а проволочка была погружена на глубину около 1 см.

Приведём весы в равновесие и определим m₁ - массу гирь, уравновешивающих вес тела с проволочкой, погруженных в воду, плотность которой при данной температуре обозначим _ж.

2. По данным таблицы вычислим плотность исследуемого твёрдого тела:

.

Исходя из полученного значения плотности вещества и температуры окружающей среды можно сделать вывод, что исследуемое тело изготовлено из стали.

3. Заменив стакан с дистиллированной водой стаканом с исследуемой жидкостью, прежним способом погрузим в него тело, которое использовалось в предыдущем задании, предварительно осушив его и проволочку фильтровальной бумагой.

4. Уравновесим весы и определим таким же способом массу гирь m₂ для исследуемой жидкости. Результаты измерений занесём в таблицу 1.

5. определим плотность жидкости:

Исходя из полученного значения плотности вещества и температуры окружающей среды можно сделать вывод, что исследуемое вещество керосин.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ:

В настоящей работе каждое измерение проводится по одному разу, поэтому определение случайных погрешностей теряет смысл. Здесь можно оценить лишь систематическую погрешность, связанную с точностью приборов.

Величина определяется классом точности весов. Чувствительность лабораторных весов составляет порядка 10 мг, поэтому абсолютная погрешность определения массы имеет тот же порядок.

Оценим погрешность определения плотности:

.

.

ВЫВОД:

В данной лабораторной работе мы экспериментальным путём определили плотность твёрдого тела и жидкости методом гидростатического взвешивания и материала, из которого они состоят. Полученные результаты по точности измерений удовлетворяют требованиям.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Докажите закон Архимеда.

Заменим мысленно погруженное в жидкость тело этой же жидкостью, которая отвердела, сохранив свою плотность. На это тело будет действовать такая же сила Архимеда, что и на данное тело: ведь его поверхность совпадает с поверхностью выделенного объема жидкости, а силы давления на различные участки поверхности остались такими же.

Выделенный объем жидкости, «плавая» внутри той же жидкости, находится в равновесии. Значит, действующие на него сила тяжести F_т и сила Архимеда F_A уравновешивают друг друга, то есть равны по модулю и направлены противоположно. Для покоящегося тела сила тяжести равна весу — значит, сила Архимеда равна весу выделенного объема жидкости. А это и есть объем погруженной части тела.

2. Можно ли методом гидростатического взвешивания определить плотность дерева? Почему? Что получится в результате такого измерения?

Плотность дерева можно определить способом гидростатического взвешивания, при условии, что плотность используемой жидкости меньше плотности исследуемого тела.

Дерево	pд, г/см3		Жидкость	pж, г/см3
Хурма эбеновая	1,08		Ацетон	0,792
Квебрахо	1,21		Бензин	0,68-0,72
Гваякум (бакаут)	1,28		Пентан	0,626
Железное дерево	1,35		Нефть	0,55-1,05
			Жидкий водород	0,07

3. Плотность железа приблизительно в 8 раз больше плотности воды. Почему же корабли, корпуса которых изготовлены из стали, не тонут?

Корабля, изготовленные из сталей и другим материалов, чья плотность больше плотности воды не тонут потому, что сила тяжести, воздействующая на воду со стороны корабля, уравновешивается с выталкивающей силой, воздействующей на корабль со стороны воды. Для удержания корабля на плаву необходимо, чтобы объём вытесненной воды превосходил объём железа в 8 раз.

4. На чашке весов стоит стакан с водой. В стакан опускают тело, удерживая его на нити так, что оно не касается ни дна, ни стенок стакана. Изменятся ли показания весов?

При условии, что груз находится над поверхностью воды в стакане, показания весов не изменятся, т. к. груз не будет оказывать никакого воздействия ни на стакан, ни на воду в ней.

При условии, что тело не вытесняет из стакана через край в воду, вес оказываемый системой "Стакан+вода+груз" будет равен весу системы "Стакан+вода" и системы "Вода, вытесняемая грузом".

При условии, что груз вытеснит воду в через край в объёме равном объёму погружённой части груза, равновесие весов не изменится.