22

Решение: Сила натяжения нити

ЕГЭ · Физика · Задание 22 · Давление и плавание тел
ПовышеннаяФИПИ328102Развёрнутое решение≈ 8 минутРазбор в 5 шагов
Условие

Деревянный шар привязан нитью ко дну цилиндрического сосуда с площадью дна $S = 100\ \text{см}^2$. В сосуд наливают воду так, что шар полностью погружается в жидкость, при этом нить натягивается и действует на шар с силой $T$. Если нить перерезать, то шар всплывёт, а уровень воды изменится на $h = 5\ \text{см}$. Найдите силу натяжения нити $T$.

Открыть задачу и решить самому
Дальше ответЕсли ещё решаете — начните с подсказок: они ведут к ответу, но не выдают его.
К подсказкам

Решение по шагам

5 шагов
1

Пусть $V$ — объём шара, а $V_2$ — объём части шара, погружённой в воду после всплытия. При перерезании нити уровень воды понижается на $h$, поэтому разность объёмов вытесненной воды равна объёму, на который уменьшилась погружённая часть шара:

$$\Delta V = V - V_2 = Sh$$
2

В состоянии, когда шар привязан ко дну и полностью погружён, на него действуют сила Архимеда вверх, а также сила тяжести и сила натяжения нити вниз. Условие равновесия имеет вид:

$$F_{\text{A1}} = mg + T$$
3

После перерезания нити шар плавает, поэтому сила Архимеда уравновешивает силу тяжести:

$$F_{\text{A2}} = mg$$
4

Вычитая второе равенство из первого, получаем силу натяжения через изменение силы Архимеда:

$$T = F_{\text{A1}} - F_{\text{A2}} = \rho g(V - V_2) = \rho gSh$$

Переведём величины в единицы СИ: $S = 100\ \text{см}^2 = 0{,}01\ \text{м}^2$, $h = 5\ \text{см} = 0{,}05\ \text{м}$. Для воды $\rho = 1000\ \text{кг/м}^3$.

$$T = 1000 \cdot 10 \cdot 0{,}01 \cdot 0{,}05 = 5\ \text{Н}$$
Ответ

$T = 5\ \text{Н}$

Этот ответ получен в разборе, но не сверен с официальным ключом из банка — проверьте выкладки, прежде чем заучивать результат.

Где здесь ошибаются

Используют объём всего шара как объём вытесненной воды после всплытия.

Забывают, что при всплытии уровень воды понижается, и берут разность объёмов со знаком наоборот.

Не переводят площадь $100\ \text{см}^2$ и высоту $5\ \text{см}$ в единицы СИ.

Считают, что сила натяжения равна силе Архимеда, не учитывая силу тяжести.

Закрепить приёмВ теме «Давление и плавание тел» ещё 95 задач — с ответом и таким же разбором.
Тренироваться

Как решать задание 22 ЕГЭ, физика

Разбор этой задачи разложен на 5 шагов: видно, откуда берётся каждое число и где теряется балл. Ответ приведён рядом с выкладками, а не вместо них.

Задача из темы «Давление и плавание тел»: в ней 96 задач, и у каждой есть такой же разбор. Регистрация не нужна.