Решение.
Дано:
V=0,02 см3=0,02⋅10−6 м3=2⋅10−8 м3
Q=12,42 мДж=12,42⋅10−3 Дж
ρсв=11300 кг/м3 (плотность свинца)
ρв=1000 кг/м3 (плотность воды)
g=10 м/с2
v=const (движение равномерное)
Найти:
h−?
Анализ и формулы:
1. При равномерном движении шарика вниз его кинетическая энергия не меняется (Ek=const). Согласно закону сохранения и превращения энергии, изменение полной механической энергии системы равно работе сил неконсервативных сил (в данном случае — силы сопротивления воды). Выделившееся количество теплоты Q равно работе силы сопротивления Aсопр, которая, в свою очередь, равна убыли потенциальной энергии шарика в поле тяжести с учётом действия выталкивающей силы (силы Архимеда).
2. На шарик при движении в воде действуют три силы: сила тяжести Fт=mg, направленная вниз; выталкивающая сила FА=ρвgV, направленная вверх; и сила сопротивления среды Fсопр, направленная вверх.
3. Так как шарик движется равномерно, сумма сил, действующих на него, равна нулю (первый закон Ньютона):
Fт−FА−Fсопр=0, откуда Fсопр=Fт−FА.
4. Работа силы сопротивления по модулю равна количеству теплоты:
Q=Fсопр⋅h.
Подставим выражение для силы сопротивления:
Q=(Fт−FА)⋅h.
5. Распишем силу тяжести через плотность свинца и объём: Fт=ρсвVg.
Тогда формула примет вид:
Q=(ρсвVg−ρвVg)⋅h=Vgh(ρсв−ρв).
6. Выразим искомую глубину h:
h=Vg(ρсв−ρв)Q.
Вычисления:
Подставим числовые значения в СИ:
h=2⋅10−8⋅10⋅(11300−1000)12,42⋅10−3
h=2⋅10−7⋅1030012,42⋅10−3
h=2,06⋅10−312,42⋅10−3
h=2,0612,42≈6,029...≈6 м.
Проверим размерность:
[h]=м3⋅с2м⋅м3кгДж=кг⋅с2мН⋅м=НН⋅м=м.
Ответ: h=6 м.
Источник: ФИПИ