ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА N 2
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТИ ТВЕРДОГО ТЕЛА МЕТОДОМ
ГИДРОСТАТИЧЕСКОГО ВЗВЕШИВАНИЯ
Цель работы: Определить плотность твердого тела методом гидростатического взвешивания.
Литература: 1. Архангельский М.М. Курс физики. Механика. М., Просвещение, 1975, гл.XII;5; гл.Х $2.
2. Физический практикум. Механика и молекулярная физика. Под редакцией профессора В.И.Ивероновой, М., Наука, 1967, с. 77-78
3. Попко Ю.М., Князева Л.А. Руководство к практикуму по физике. М.:Учпедгиз, 1959, c. 68-70.
Приборы и принадлежности:
1. Технические весы Т-200. 2. Набор разновесов (гири).
3. П-образная подставка. 4. Вода.
5. Лабораторный стакан. 6. Тонкая проволочка.
7. Исследуемое тело. 8. Термометр.
ТЕОРИЯ МЕТОДА
При точном взвешивании необходимо учитывать, что объем взвешиваемого тела в воздухе, вообще говоря, отличается от объема уравновешивающих его гирек. Поэтому различны действующие на тело и гирьки архимедовы силы. Найдем условие равновесия корамысла рычажных весов с учетом указанных сил Архимеда.
На рис.1 схематически изображены коромысло весов К, грань опорной призмы О, чашки весов Ч, исследуемое тело Т, подвешенное на проволочке к серьге левой чашки весов и гири Г.
рис.1
Как известно, коромысло будет находиться в покое, если сумма моментов внешних сил, действующих на него, равна нулю.
Если весы отрегулированы точно, то в положении равновесия сумма моментов силы тяжести и силы реакции опоры, действующих на коромысло (эти силы на рис.1 не изображены), равна нулю и поэтому в положении равновесия будет равна нулю и сумма моментов сил 
и 
. Так как коромысло является равноплечным рычагом, то имеет место 
. Каждая из этих сил является весом, обусловленным элементами весов (серьги, чашки и подвес) и силами, действующими на тело
и гири 
.
Если весы не нагружены и находятся в положении равновесия, то по-прежнему 
, но сейчас эти силы обусловлены только элементами весов.
Если же весы нагружены телом и гирями, то создаются дополнительные силы 
, которые в случае равновесия нагруженных весов, также равны между собой.
Эти дополнительные силы (см. рис.2 и 3) находятся из соотношений
. Так как тело и гири находятся в покое, то имеем:
,
И в итоге получаем, учитывая, что 
:
(1).
В этой формуле 
- истинные массы тела и гирь, т.е. массы, определенные в вакууме.
Истинная плотность материала тела (аналогично для гирь):
(2).
Сила Архимеда находится по формуле:
рис. 2 рис. 3
(3),
где 
- плотность вещества, в которое это тело погружено полностью.
Подставив (3) и (2) в (1), имеем:
(4), 
(5),
Формула (4) соответствует взвешиванию тела в воздухе, (5) - взвешиванию тела, полностью погруженного в воду.
Вычтем (5) и (4). Разделив на (4) полученное равенство, получим расчетную формулу для определения истинной плотности тела (без учета массы проволочки):
(6)
МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Перед взвешиванием убедитесь, что весы установлены правильно: колонка должна занимать вертикальное положение (устанавливается по отвесу), а коромысло - равноплечный рычаг (достигается перемещением
гаек на концах коромысла).
2. С помощью проволочки подвесьте тело к крючку серьги и взвести его в воздухе: 
.
3. Поставьте над чашкой весов П - образную подставку, на которую поставьте сосуд с водой. Воды должно быть столько, чтобы тело было полностью погружено и не касалось ни дна, ни стенок сосуда.
4. Взвесьте тело в воде и запишите его массу: 
.
5. Снимите показания комнатного термометра (t).
6. Определите из таблицы плотность воды 
и плотность воздуха 
при комнатной температуре.
7. По формуле (6) определите плотность материала, из которого сделано тело.
8. По ранеевыведенной формуле рассчитайте абсолютную погрешность измерения плотности материала.
9. Сделайте вывод о его наименовании.
ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ
1. Подготовьте рабочую тетрадь в соответствии правилами оформления рабочей тетради и вышеизложенной методикой выполнения работы.
Примечания: 1) Определение масс должно быть оформлено в соответствии с ранее выполненной работой "Определение массы техническими весами".
2) В работе нет необходимости в таблицах для занесения результатов прямых измерений.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.Что такое плотность вещества, в каких единицах она измеряется?
2. Сформулируйте закон Архимеда.
3. Сформулируйте закон Паскаля.
4. Какие силы действуют на тело, помещенное на чашку весов?
6. Какие силы действуют на коромысло весов, нагруженных телом и гирями?
7. Какие силы действуют на тело, погруженное в жидкость?
8. Выведите формулу для силы Архимеда (3).
9. Выведите рабочую формулу (6).
10.Выведите формулу для вычисления абсолютной погрешности измерения плотности