Наблюдение за поведением шара в воде

МОУ «Лицей № 43»

(естественно-технический)

Наблюдение за поведением шара в воде

Чибиркин Владимир

10 класс

Саранск

2010

Оглавление:

1.Цель, оборудование и ход работы 3

2.Описание увиденных явлений 4

3.Объяснение увиденных явлений 5

4.Вывод 5

Цель работы: исследовать поведение шарика в воде, описать и объяснить полученные результаты.

Оборудование: шарик для игры в настольный теннис (полый пластмассовый шарик), ванна, заполненная водой, измерительная линейка (с абсолютной погрешностью 0,0005 мм).

Ход работы.

Опыт 1)Наполняем ванну водой на высоту 15 см. На дно ванны помещаем и удерживаем рукой шарик. Отпускаем. Шарик всплывает и выскакивает из воды на высоту около (0,0290 0,0002) м, преодолев силу поверхностного натяжения. Затем он опускается обратно на поверхность воды, после чего совершает колебательные движения. Через некоторое время шарик перестает колебаться. Относительная погрешность измерений высоты подпрыгивания 0,6 % (не верю!).

№ опыта	Высота воды в ванной, м	Высота подпрыгивания мяча(h), м	Средняя высота подпрыгивания, м	Стандартное отклонение	,м	,м	,%
1	0,15	0,029	0,029	0,01186	0	0,0002	0,6
2	0,028	0,001
3	0,029	0
4	0,03	0,001
5	0,029	0

Опыт 2) Уменьшаем глубину воды до 8 см (от центра шара). Отпускаем руку. Движение шарика аналогично его движению в первом опыте, но высота, на которую шарик поднимается над поверхностью воды, равна (0,039 0,001) м. Относительная погрешность измерений высоты подпрыгивания 2,6 %.

№ опыта	Высота воды в ванной, м	Высота подпрыгивания мяча(h), м	Средняя высота подпрыгивания, м	Стандартное отклонение	,м	,м	,%
1	0,08	0,038	0,039	0,01605	0,001	0,001	2,6
2	0,038	0,001
3	0,04	0,001
4	0,041	0,002
5	0,039	0

Погрешности были найдены по следующим формулам:

-формула нахождения абсолютной погрешности, то есть абсолютная погрешность равна разнице между истинным (в нашем случае средним) и измеренным значениями.

-формула нахождения относительной погрешности. Отношение абсолютной погрешности средства измерения к условно принятому значению величины (в нашем случае среднему значению).

Опыт 3)Увеличим высоту столба воды в ванной до 20 см. Поместим шарик на дно. Отпускаем. Шарик всплывает, но не выскакивает из воды, приподнимаясь над поверхностью воды примерно на две трети.

Положение шара в воздухе

 

Описание увиденных явлений.

Движение шара можно разделить на 4 этапа: движение в воде вверх, движение в воздухе вверх, движение в воздухе вниз, колебательные движения на поверхности воды.

1.Движение в воде вверх.

Шарик движется не равноускоренно (из-за силы сопротивления воды). Если FАрхимеда достаточно велика, чтобы преодолеть Fсопр. воды, силу поверхностного натяжения и силу тяжести шарик выскакивает из воды.

2.Движение в воздухе вверх.

Шарик движется равнозамедленно (если пренебречь силой сопротивления воздуха, которая мала из-за малых размеров шарика).

3.Движение в воздухе вниз.

Шарик движется равноускоренно (силой сопротивления воздуха пренебрежем) .

4.Колебательные движения на поверхности воды.

Шарик совершает колебательные движения (они возникают из-за изменения направления векторной суммы сил действующих на шарик, на протяжении некоторого времени (; а ; где Vпогруженной части шара изменяется, что и приводит к колебаниям. Если рассматривать подробней: сила Архимеда пытается вытолкнуть шарик. Достигая высшей точки, в которой Vпогруженной части шара минимальная, шарик начинает двигаться обратно, потому, что сила тяжести в этот момент больше силы Архимеда. Затем шарик достигает точки, в которой сила Архимеда снова становиться больше силы тяжести и движется вверх. Так повторяется несколько раз.).

Объяснение увиденных явлений.

Данные:

m шарика =2 г

Rшара=2 см

воды = 1000 кг/м3

Vшара=33 см3

h(высота столба воды)=15 см

l(расстояние от центра шара до поверхности воды)=13 см

Найдем основные силы:

, формула силы Архимеда.

, формула силы тяжести.

На первом этапе движения, шар движется из-за временного преобладания силы Архимеда над силой тяжести (0,33Н). Движение не равноускоренное. Это происходит потому, что сила сопротивления воды увеличивается вместе с увеличением скорости тела, от чего ускорение постепенно уменьшается. Далее шар выскакивает из воды и под действием силы тяжести (0,02Н) падает обратно на поверхность воды, погружается на небольшую глубину в воду (погружение идет до тех пор пока сила Архимеда не станет по модулю больше силы тяжести (не совсем так!?)). Снова всплывает и производит колебательные движения до тех пор, пока Ек не будет полностью израсходована на работу совершенную против силы сопротивления воды.

Вывод.

1.В ходе этой работы было проведено исследование движения шарика в воде.

2.Была установлена зависимость глубины погружения шара от высоты его выскакивания из воды: чем меньше глубина погружения шара, тем выше выскакивает он из воды.

3. Было выяснено, что сила сопротивления воды увеличивается при увеличении скорости шара и начинает его тормозить (из твоих экспериментов это не следует).

4.Были найдены абсолютная и относительная погрешность измерений (это не вывод).

Оценки: эксперимент – 4, теория – 4, погрешности – 3, выводы – 4, оформление – 4.