Задание №5 — МЕХАНИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ

Решение.

Для того чтобы ответить на вопрос задачи, проанализируем условия равновесия тел на рычажных весах в реальной воздушной среде.

1. Физическое явление. Любое тело, находящееся в газообразной или жидкой среде, испытывает на себе действие выталкивающей силы (силы Архимеда). Согласно закону Архимеда, эта сила направлена вертикально вверх и равна весу вытесненного телом газа или жидкости. Формула силы Архимеда: $F_{A} = \rho_{возд} \cdot g \cdot V_{тела}$, где $\rho_{возд}$ — плотность воздуха, $g$ — ускорение свободного падения, $V_{тела}$ — объём тела.

2. Анализ ситуации. На весах уравновешены медная пластинка и кусок пробки. Плотность меди значительно больше плотности пробки ($\rho_{меди} \approx 8900 \text{ кг/м}^3$, $\rho_{пробки} \approx 240 \text{ кг/м}^3$). Это означает, что при одинаковой массе объём пробки будет во много раз больше объёма медной пластинки ($V = \frac{m}{\rho}$).

3. Влияние выталкивающей силы. Так как объём пробки намного больше, то и выталкивающая сила воздуха, действующая на пробку, значительно больше, чем сила, действующая на медь. Эта сила «помогает» весам удерживать пробку, уменьшая её вес (силу, с которой она давит на чашу весов). Если весы находятся в равновесии в воздухе, это значит, что сила тяжести пробки на самом деле больше силы тяжести меди, чтобы скомпенсировать большую выталкивающую силу. Следовательно, истинная масса меди меньше истинной массы пробки.

4. Вывод. Учитель имел в виду именно выталкивающую силу воздуха, которая в обычных задачах часто не учитывается из-за малой плотности воздуха, но на высокоточных весах её влияние становится заметным.

Рассмотрим предложенные варианты:
1) Сила тяготения — это и есть основа силы тяжести, она учитывается изначально.
2) Сила сопротивления возникает только при движении тел, а весы находятся в покое.
3) Сила реакции опоры — это сила, с которой чаша весов действует на тело, она является следствием равновесия, а не внешней причиной разницы масс.
4) Выталкивающая сила — верно, именно она зависит от объёма тела и среды.

Ответ: 4

Источник: ФИПИ