Поплавок в трубке

Приборы и материалы: секундомер с памятью этапов, штатив, трубка стеклянная со шкалой, гибкий силиконовый шланг с зажимом, набор из 4 пластиковых трубочек, пластилин, линейка, стакан, финишный гвоздь, пластилин, салфетки.

Штангенциркуль электронный – 5 ш. на класс.

Плотность воды \(\rho_{0} = 1{,}0\frac{\text{г}}{\text{см}^{3}}\);

К секундомеру прилагается Инструкция по его использованию, при необходимости обращайтесь к организаторам за помощью.}

В данном задании исследуется медленное движение пластикового поплавка в узкой вертикальной трубке.

Установка: Стеклянная трубка 1 вертикально устанавливается в штативе; к узкой части трубки прикреплен гибкий силиконовый шланг 2 с зажимом 3; внутри трубки может двигаться пластиковый поплавок 4, частично заполненный пластилином. С одной стороны трубки нанесена равномерная шкала, с помощью которой можно определять положения поплавка. В качестве единицы длины можно использовать деления шкалы.

С помощью шланга вы можете заполнять трубку водой, всасывая ее ртом через шланг, после заполнения трубки водой перекройте шланг с помощью зажима. Для извлечения поплавка можно выдуть его в стакан вместе с водой.

Используйте санитарную (дезинфицирующую) салфетку для протирки конца силиконового шлага, прежде чем брать его в рот!}

Тонкую пластиковую трубочку, которая служит поплавком необходимо частично заправлять пластилином с помощью небольшого гвоздика. Большая часть пластилина должна находиться с одной стороны, с другой просто закройте трубку пластилином. Общая длина пластилинового столбика складывается из суммы длин столбиков с каждой стороны. В трубке этот поплавок должен располагаться так, чтобы его центр масс находился ниже середины трубочки.

В зависимости от количества пластилина внутри трубки она может, как всплывать, так и тонуть в вертикальной стеклянной трубке.

Рекомендуем трубочку заполнять пластилином последовательно. Используйте для этого гвоздик, плотно набивайте пластилин, без полостей внутри него.

Часть 1. Движение вверх

В этой части Вам необходимо исследовать движение поплавка вверх. Помещайте его в трубку снизу, подталкивая, пока он не начнет всплывать. Измерения времен движения проводите в верхней оцифрованной части трубки после того, как движения поплавка установится. Используйте все 10 этапов памяти секундомера. Проведите измерения законов движения поплавка при суммарной длине столбика пластилина в нем в диапазоне от 10 до 25 мм (не менее 5 значений).

1.1 Измерьте законы движения поплавка при различных длинах столбиков пластилина внутри. Результаты измерений занесите в Таблицу 1.

1.2 Постройте графики законов движения для каждого значения длины столбика пластилина \(t(x)\).

Пояснение: вы непосредственно должны измерять времена прохождения поплавка через отметки на шкале. Поэтому для более корректной обработки результатов следует строить зависимости \(t(x)\), а не наоборот.

1.3 Укажите, можно ли считать движение поплавка равномерным, ответ кратко обоснуйте.

1.4 Для каждой длины столбика пластилина рассчитайте средние скорости движения поплавка по всему участку измерений. Укажите, каким способом Вы рассчитывали эти скорости. Результаты измерений занесите в Таблицу 1.

1.5 Для минимального и максимального столбиков оцените погрешности измерения скорости движения. Результаты занесите в Таблицу 1.

1.6 Постройте график зависимости скорости всплытия поплавка от длины столбика пластилина в нем.

Часть 2. Движение вниз

В этой части Вам необходимо исследовать движение трубочек, полностью заполненных пластилином (такие трубочки тонут). Стеклянную трубку надо перевернуть и помещать пластиковые трубочки в нее сверху.

2.1 Исследуйте закон движения трубочек разной длины. Результаты измерений занесите в Таблицу 2.

2.2 Постройте графики законов движения всех трубочек \(t(x)\). Рассчитайте средние скорости их движения.

2.3 Постройте график зависимости скорости движения трубочек от их длины.

2.4 Качественно объясните характер полученной зависимости. Достаточно объяснить возрастание или убывание этой скорости при увеличении длины трубочки.

Часть 3. «Суперзадание»

Используя полученные результаты по изучению законов движения, Вам необходимо рассчитать плотность пластилина.

Подсказка. Плотность полиэтилена, из которого изготовлена трубочка, примерно равна плотности воды.

3.1 Постройте теоретическую модель, позволяющую рассчитать плотность пластилина, используя результаты изучения законов движения. Приведите формулу, по которой можно рассчитать плотность пластилина.

3.2 Приведите полученное численное значение плотности пластилина.

Примечание. Традиционные способы измерения плотности (по измерению массы и объема; использованию закона Архимеда и т.д.) оцениваться не будут.}