Ареометр, погружённый в жидкость, совершает малые вертикальные гармонические колебания с частотой 0,2 Гц (рис. 13.2). Площадь сечения трубки ареометра 10 мм2, его масса 50 г. Пренебрегая сопротивлением жидкости, найдите её плотность.
от

1 Ответ

Дано:  
массa ареометра m = 50 г = 0.05 кг  
площадь сечения S = 10 мм² = 10 * 10^(-6) м²  
частота колебаний f = 0.2 Гц  

Найти:  
плотность жидкости ρ.

Решение:

1. Найдем период колебаний T:  
T = 1 / f = 1 / 0.2 = 5 с.

2. Используем формулу для периода колебаний ареометра, погруженного в жидкость:  
T = 2π * sqrt(m / F,  
где F – сила Архимеда.

3. Сила Архимеда F равна весу вытесненной жидкости:  
F = V * ρ * g,  
где V – объем вытесненной жидкости, ρ – плотность жидкости, g – ускорение свободного падения.

4. Объем V равен S * h, где h – высота погруженной части ареометра. В равновесии:  
m * g = V * ρ * g.  
Отсюда:  
m = V * ρ.

5. Подставим V = S * h в уравнение:  
m = S * h * ρ.

6. Из уравнения для периода имеем:  
T = 2π * sqrt(m / (S * h * ρ * g)).

7. Подставим h = m / (S * ρ) в уравнение:  
T = 2π * sqrt(m / (S * (m / (S * ρ)) * ρ * g)) = 2π * sqrt(m / (m * g / ρ)) = 2π * sqrt(ρ / g).

8. Из этого уравнения выразим плотность ρ:  
ρ = (T / (2π))² * g.

9. Подставим известные значения:  
g = 9.81 м/с², T = 5 с:  
ρ = (5 / (2π))² * 9.81.

10. Рассчитаем:  
(5 / (2π))² = (5² / (4 * π²)) = 25 / (4 * π²) ≈ 0.1989.  
Теперь подставим это в уравнение:  
ρ ≈ 0.1989 * 9.81 ≈ 1.95 кг/м³.

Ответ:  
Плотность жидкости ρ ≈ 1.95 кг/м³.
от