Пермякова Юлия
Тема моего проекта «Плавание тел».
Цель работы: изучение закона Архимеда, выяснение условий и особенностей плавания тел, проверка их на опытах.
Скачать:
Предварительный просмотр:
МОУ «ООШ с. Дороговиновка Пугачевского района Саратовской облкасти»
ПРОЕКТ
по физике
на тему «Плавание тел»
Учащегося 7 класса
МОУ ООШ с. Дороговиновка
Пермяковой Юлии Учитель: Коннова И.В.
С. Дороговиновка
2014 год
I. Введение
Тема моего проекта «Плавание тел».
Цель работы : изучение закона Архимеда, выяснение условий и особенностей плавания тел, проверка их на опытах.
Задачи:
- Подобрать и изучить литературу по теме.
- Рассказать об истории открытия закона Архимеда.
- Доказать существование архимедовой силы.
- Проверить условия плавания тел на опытах.
II. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
1. Теоретическая часть
1.1. Об Архимеде
Архимед родился в греческом городе Сиракузы в 287 году до н. э., где и прожил почти всю свою жизнь, и там же занимался научной деятельностью. Учился сначала у своего отца, астронома и математика Фидия, потом в Александрии, где правители Египта собрали лучших греческих ученых и мыслителей, а также основали знаменитую, самую большую в мире библиотеку. Здесь, в Александрии, Архимед познакомился с учениками Эвклида, с которыми всю жизнь поддерживал оживленную переписку. Здесь же он усиленно изучал труды Демокрита, Евдокса и других ученых.
После учебы в Александрии Архимед вновь вернулся в Сиракузы и унаследовал должность своего отца, придворного астронома.
В теоретическом отношении труд этого великого ученого был ослепляюще многогранным. Основные работы Архимеда касались различных практических приложений математики (геометрии), физики, гидростатики и механики. Он был также изобретательным инженером, который использовал свой талант для решения ряда практических проблем.
До нас дошло тринадцать трактатов Архимеда. В самом знаменитом из них - "О шаре и цилиндре" (в двух книгах) Архимед устанавливает, что площадь поверхности шара в 4 раза больше площади наибольшего его сечения. Работы Архимеда состоят из расчетов площадей фигур, ограниченных кривыми, и объемов тел, ограниченных произвольными плоскостями - поэтому Архимед может по справедливости считаться отцом интегрального исчисления, возникшего на два тысячелетия позже.
Говорят, будто важнейшим своим открытием Архимед считал доказательство, что объем шара и описанного вокруг него цилиндра относятся между собой как 2:3. Архимед просил своих друзей поместить это доказательство на его могильной плите.
Архимед пытался также решить проблему квадратуры круга и достиг в этом выдающихся результатов, объединив их в труд «Об измерении круга»:
1. Площадь круга равна площади прямоугольного треугольника с катетами, равными длине и радиусу окружности (πr 2 ).
2. Площадь круга так относится к площади описанного вокруг него квадрата, как 11:14.
3. Отношение длины окружности к диаметру больше и меньше .
Архимед впервые вычислил число «пи» - отношение длины окружности к диаметру - и доказал, что оно одинаково для любого круга.
Архимед нашел также сумму бесконечной геометрической прогрессии со знаменателем . В математике это был первый пример бесконечного ряда.
При исследовании одной задачи, сводящейся к кубическому уравнению, Архимед выяснил роль характеристики, которая позже получила название дискриминанта.
Архимеду принадлежит формула для определения площади треугольника через три его стороны (неправильно именуемая формулой Герона).
Большую роль в развитии математики сыграло его сочинение «Псаммит» - «О числе песчинок», в котором он показывает, как с помощью существовавшей системы счисления можно выражать сколь угодно большие числа. В качестве повода для своих рассуждений он использует задачу о подсчете количества песчинок внутри видимой Вселенной. Тем самым было опровергнуто существовавшее тогда мнение о наличии таинственных «самых больших чисел ». Мы до сих пор пользуемся придуманной Архимедом системой наименования целых чисел.
Перечисленные научные находки - это только небольшая часть творчества Архимеда. Его усердно переводили и комментировали арабы, а потом западноевропейские ученые.
В физике Архимед ввел понятие центра тяжести, установил научные принципы статики и гидростатики, дал образцы применения математических методов в физических исследованиях. Основные положения статики сформулированы в сочинении "О равновесии плоских фигур". Архимед рассматривает сложение параллельных сил, определяет понятие центра тяжести для различных фигур, дает вывод закона рычага. Знаменитый закон гидростатики, вошедший в науку с его именем (закон Архимеда), сформулирован в трактате "О плавающих телах".
Ему приписывают известное выражение: „дайте мне точку опоры, и я сдвину землю". По-видимому, оно было высказано в связи со спуском корабля «Сиракосия» на воду. Рабочие были не в силах сдвинуть с места этот корабль. Им помог Архимед, создавший систему блоков (полиспаст), при помощи которой один человек, сам царь, совершил эту работу.
1.2. Закон Архимеда
По преданию, царь Гиерон поручил Архимеду проверить, из чистого ли золота сделана его корона или же ювелир присвоил часть золота, сплавив его с серебром. Размышляя над этой задачей, Архимед как-то зашел в баню и там, погрузившись в ванну, заметил, что количество воды, переливающейся через край, равно количеству воды, вытесненной его телом. Это наблюдение подсказало Архимеду решение задачи о короне, и он, не медля ни секунды, выскочил из ванны и, как был нагой, бросился домой, крича во весь голос о своем открытии: «Эврика! Эврика!» (греч. «Нашел! Нашел!»)».
Тот факт, что на погруженное в воду тело действует некая сила, всем хорошо известен: тяжелые тела как бы становятся более легкими – например, наше собственное тело при погружении в ванну. Купаясь в речке или в море, можно легко поднимать и передвигать по дну очень тяжелые камни – такие, которые не удается поднять на суше; то же явление наблюдается, когда по каким-либо причинам выброшенным на берегу оказывается кит – вне водной среды животное не может передвигаться – его вес превосходит возможности его мышечной системы. В то же время легкие тела сопротивляются погружению в воду: чтобы утопить мяч размером с небольшой арбуз требуется и сила, и ловкость; погрузить мяч диаметром полметра скорее всего не удастся. Интуитивно ясно, что ответ на вопрос – почему тело плавает (а другое – тонет), тесно связан с действием жидкости на погруженное в нее тело; нельзя удовлетвориться ответом, что легкие тела плавают, а тяжелые – тонут: стальная пластинка, конечно, утонет в воде, но если из нее сделать коробочку, то она может плавать; при этом ее вес не изменится.
Чтобы понять природу силы, действующей со стороны жидкости на погруженное тело, достаточно рассмотреть простой пример (рис. 1).
Кубик погружен в воду, причем и вода, и кубик неподвижны. Известно, что давление в тяжелой жидкости увеличивается пропорционально глубине – очевидно, что более высокий столбик жидкости более сильно давит на основание. Это давление действует не только вниз, но и в стороны, и вверх с той же интенсивностью – это закон Паскаля.
Если рассмотреть силы, действующие на кубик (рис. 1), то в силу очевидной симметрии силы, действующие на противоположные боковые грани, равны и противоположно направлены – они стараются сжать кубик, но не могут влиять на его равновесие или движение. Остаются силы, действующие на верхнюю и нижнюю грани. Так как давление на глубине больше, чем у поверхности жидкости и , а , то > . Так как силы F 2 и F 1 направлены в противоположные стороны, то их равнодействующая равна разности F 2 – F 1 и направлена в сторону большей силы, то есть вверх. Эта равнодействующая и является архимедовой силой, то есть силой, выталкивающей тело из жидкости.
Закон Архимеда
Закон Архимеда формулируется таким образом: тело, находящееся в жидкости (или газе), теряет в своем весе столько, сколько весит жидкость (или газ) в объеме, вытесненном телом.
1.3. От чего зависит выталкивающая сила
Поведение тела, находящегося в жидкости, зависит от соотношения между модулями силы тяжести F т и архимедовой силы F A , которые действуют на это тело. Возможны следующие три случая:
- F т > F A – тело тонет;
- F т = F A – тело плавает в жидкости;
- F т A – тело всплывает до тех пор, пока не начнет плавать на поверхности жидкости.
Также поведение тела, находящегося в жидкости, зависит от соотношения плотностей тела и жидкости. Следовательно, для определения поведения тела в жидкости, можно сравнить плотности тела и жидкости. В данном случае возможны также три ситуации:
- ρ тела > ρ жидкости – тело тонет
- ρ тела = ρ жидкости – тело плавает
- ρ тела жидкости – тело всплывает.
Приведем примеры.
Плотность железа – 7800 кг/м 3 , плотность воды – 1000 кг/м 3 . Значит, кусок железа будет тонуть в воде. Плотность льда – 900 кг/м 3 , плотность воды – 1000 кг/м 3 , поэтому лед в воде не тонет, а если его бросить в воду, то он начнет всплывать, и будет плавать на поверхности.
2. Практическая часть
2.1. Доказательство существования архимедовой силы
Проведем эксперимент: возьмем цилиндр, подвешенный к динамометру, измерим вес этого цилиндра. Погрузим его в сосуд с водой. Снова взвесим. Мы заметили, что вес цилиндра стал меньше.
Повторим эксперимент с другим телом – связкой ключей. Вес связки, погруженной в воду, опять стал меньше.
Вывод: на всякое тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, называемая архимедовой силой.
2.2. Расчет архимедовой силы
Рассчитаем выталкивающую силу.
Для этого измерим вес тела в воздухе, затем измерим вес этого же тела, но полностью погруженного в воду. Разность этих сил и будет значением архимедовой силы.
F А = P в возд. – P в воде.
Иначе, архимедову силу можно вычислить, зная плотность жидкости и объем тела, погруженного в эту жидкость, по формуле:
F А = g ρ ж V т
2.3. Сравнение силы тяжести и архимедовой силы
Проведем эксперимент.
Возьмем тело – пузырек с некоторым количеством песка. Определим силу тяжести и архимедову силу, действующую на это тело. Сравним их. Мы видим, что, если:
F т > F A – тело тонет;
F т = F A – тело плавает в жидкости;
F т A – тело всплывает
Вывод: поведение тела, находящегося в жидкости, зависит от соотношения между модулями силы тяжести F т и архимедовой силы F A , которые действуют на это тело.
2.4 Сравнение плотностей жидкости и тела
Проведем еще один эксперимент. Возьмем тела, плотности которых меньше или больше плотности воды. Погрузим их в воду. Мы увидим, что «тела, которые тяжелее жидкости, будучи опущены в неё, погружаются всё глубже, пока не достигают дна, и, пребывая в жидкости, теряют в своём весе столько, сколько весит жидкость, взятая в объёме тел», – как говорил Архимед.
Вывод: поведение тела, находящегося в жидкости, зависит от соотношения плотностей тела и жидкости.
2.5 Сравнение архимедовой силы, действующей на тело в разных по плотности жидкостях
Проведем эксперимент: возьмем две жидкости, различных по плотности: шампунь и пресную воду, и кусок пластилина. Определим выталкивающую силу, действующую на пластилин со стороны каждой из жидкостей. Мы увидим, что архимедова сила оказалась разной: у жидкости с большей плотностью (шампуня) она больше, чем у жидкости с меньшей плотностью (пресной воды).
Разработки уроков (конспекты уроков)
Линия УМК А. В. Перышкина. Физика (7-9)
Внимание! Администрация сайта сайт не несет ответственности за содержание методических разработок, а также за соответствие разработки ФГОС.
Тема урока: Условия плавания тел.
Цели урока:
- Образовательные: научить анализировать, выделять (главное, существенное),
- приблизить к самостоятельному решению проблемных ситуаций.
- Развивающие: развивать интерес к конкретной деятельности на уроке,
- формировать умение сравнивать, классифицировать, обобщать факты и понятия.
- Воспитательные: создать атмосферу коллективного поиска, эмоциональной приподнятости, радости познания, радости преодоления трудностей.
Место урока в разделе: "Давление твердых тел, жидкостей и газов", после изучения темы "Давление жидкости и газа на погруженное в них тело. Архимедова сила".
Тип урока: Урок повторения предметных знаний.
Основные термины и понятия: масса, объём, плотность вещества, вес тела, сила тяжести, архимедова сила.
Межпредметные связи: математика
Наглядность: демонстрация поведения разных тел, погруженных в воду; условия плавания тела в зависимости от плотности.
Оборудование:
а) для демонстрации
- пластиковая банка c водой, три предмета на нити: алюминиевый цилиндр, пластиковый шарик, герметически закрытый пузырёк с водой (заранее приготовленный учителем), который может находиться в равновесии в любом месте жидкости;
- ванночка c водой, пластина алюминиевой фольги, пассатижи.
б) для фронтальной работы
- Весы с разновесами, измерительный цилиндр (мензурка), капсула-поплавок с крышкой (по 3), сухой песок, нитки, фильтровальная бумага, изолента, инструкции по выполнению заданий фронтального эксперимента, тетради для лабораторных работ.
Формы работы на уроке: фронтальная в парах, индивидуальная.
План урока
- Организационный момент;
- Первичная проверка понимания изученного ранее материала;
- Практическая работа по проверке полученных выводов;
- Рефлексия;
- Домашнее задание.
Ход занятия
I. Организационный момент
Сегодня на уроке мы продолжим изучение поведения тел, погруженных в воду. Посмотрим несколько опытов, часть опытов вы будете проводить самостоятельно c выполнением некоторых расчетов.
II. Первичная проверка понимания изученного ранее материала
Опыт 1
Опускаем в воду последовательно алюминиевый цилиндр, шарик и пузырёк с водой. Наблюдаем поведение тел.
Результат: цилиндр тонет, шарик всплывает, пузырек плавает, погрузившись в воду полностью.
Проблемная ситуация: Почему? – (Соотношение сил, действующих на тело).
– На все тела в воде действуют две силы: сила тяжести, направленная вниз и выталкивающая сила (сила Архимеда), направленная вверх.
– Из правила сложения сил, действующих на тело вдоль одной прямой, следует: тонет, если F т ˃ F А; всплывает, если F т ˂ F А; плавает, если F т = F А.
III. Практическая работа по проверке полученных выводов
Проделаем эксперимент и проверим соотношение между силой тяжести и выталкивающей силой. (За основу берется лабораторная работа "Выяснение условий плавания тел в жидкости" – стр. 211 учебника).
Задание 1.
- Наполните капсулу на 1/4 часть песком, определите на весах его массу в граммах. Переведите значение массы в кг и запишите в таблицу.
- Опустите капсулу в воду и определите объём вытесненной воды в см3. Для этого отметьте уровни воды в мензурке до и после погружения капсулы в воду. Запишите значение объёма в м3 в таблицу.
Р = F тяж = mg и F А = ρ ж gV т
Задание 2.
- Наполните капсулу полностью песком, определите на весах его массу в граммах. Переведите значение массы в кг и запишите в таблицу.
- Опустите капсулу в воду и определите объём вытесненной воды в см 3 . Для этого отметьте уровни воды в мензурке до и после погружения капсулы в воду. Запишите значение объёма в м 3 в таблицу.
- Рассчитайте силу тяжести и архимедову силу по формулам:
Р = F тяж = mg и F А = ρ ж gV
Сравните архимедову силу с силой тяжести. Результаты вычислений занесите в таблицу и отметьте: капсула тонет или всплывает.
|
Масса тела, |
Сила тяжести, |
Объем вытес-ненной воды, |
Архимедова сила, |
Сравнение F тяж и F А |
Поведение капсулы в воде |
|
|
всплывает |
||||||
Задание 3.
- Определите при каком соотношении силы тяжести и архимедовой силы капсула будет плавать в любом месте жидкости, полностью погрузившись в неё? Какое значение при этом будет иметь объём вытесненной капсулой воды?
- Определите массу для плавающего тела (без вычисления).
- Заполните капсулу песком до необходимой массы, затем опустите в воду и убедитесь на опыте в правильности ваших рассуждений.
- Сделайте вывод об условии плавания тела в жидкости.
Опыт 2
Проверим условия плавания в зависимости от плотности вещества, из которого сделаны тела, и плотности жидкости. Для этого у нас есть ванночка c водой, пластина алюминиевой фольги, пассатижи.
- Сгибая уголки, сделаем из пластины коробочку. Опустим на поверхность воды. Наблюдаем плавание коробочки на поверхности воды.
- Вытащим коробочку из воды, вернём пластине плоский вид. сложим пластину вдвое, вчетверо и т.д. Пассатижами сожмём фольгу и опустим в воду.
Результат: пластина в виде коробочки плавает, в сжатом виде – тонет.
Проблемная ситуация: Почему? – (Соотношение плотностей тела и воды).
- плотность коробочки из алюминиевой фольги меньше плотности воды, а плотность сжатого комочка фольги больше плотности воды.
- Условия плавания тел: тонет, если ρ т ˃ ρ воды; всплывает, если ρ т ˂ ρ воды; плавает, если ρ т = ρ воды. (ρ алюм = 2700 кг/м 3 ; ρ воды = 1000 кг/м 3).
IV. Рефлексия
Опыт 3. Посмотрите и объясните действие прибора, изготовленного учеником по заданию к §52 (с.55 учебника). "Картезианский водолаз". Вместо прозрачного пузырька ученик использовал обычную пипетку.
Прибор позволяет продемонстрировать законы плавания тел.
V. Домашнее задание
§52; упр 27(3,5,6).
Самоанализ урока
Тема урока физики в 7 классе "Условия плавания тел". В классе 20 учеников. Из них основная часть имеет хорошую математическую подготовку. Ребята любознательные, активные. Хорошо работают в коллективе. Участвуют в подготовке оборудования к уроку.
Цель урока: заинтересовать учащихся, приблизить к самостоятельному решению проблемных ситуаций. В ходе урока ребята учатся самостоятельно планировать пути достижения целей, в том числе альтернативные, осознанно выбирать наиболее эффективные способы решения проблемы.
Тип урока – урок повторения предметных знаний – позволяет проверить полученные на предыдущем уроке знания и подготовиться к решению задач по теме на следующем уроке.
Выбранные этапы урока логически между собой связаны, происходит плавный переход от одного к другому. В течение урока учитель только направляет, корректирует действия учащихся, которые практически весь урок работают самостоятельно. Для экономии времени при выполнении практической части, учащиеся на дополнительных занятиях приготовили по две капсулы с песком, заполненные полностью и частично (задания 1 и 2), третья оставалась пустой. На уроке ребята научились делать выводы из эксперимента, активно обсуждали решение проблемных ситуаций. На завершающем этапе было ещё раз акцентировано внимание ребят на теме урока. Учителем прокомментировано домашнее задание и выставлены оценки за устные ответы, после урока проверены тетради по лабораторным работам.
Считаю, что цели урока достигнуты: ребята научились анализировать, выделять (главное, существенное), сравнивать, классифицировать, обобщать факты и понятия, находили решение проблемных ситуаций. На уроке была создана атмосфера коллективного поиска, эмоциональной приподнятости, радости познания, радости преодоления трудностей.
Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение города Ульяновска "Средняя школа №75"
Творческая работа
"Закон Архимеда.
Плавание тел"
Выполнила: ученица 7 Б класса
Симендеева Диана
Руководитель: учитель физики
Захарова Галина Михайловна
г. Ульяновск
2017г.
Содержание
1Введение: стр.2
1.1 Цели и гипотезы. стр. 3
2. Основное содержание. стр.4
2.1. Биография Архимеда. стр.4,5
2.2 Закон Архимеда стр.5
2.3.Условие плавания тел. стр.5
2.4 стр.5
3. Порядок выполнения работы. стр.6
3.1.Часть I
3.2.Часть II
4. Выводы
5. Приложения
6. Литература
1.1 Цели и гипотезы.
Цели:
Изучить биографию Архимеда
Выяснить условия плавания тел
Исследовать как зависит F A от плотности и объема жидкости
Гипотезы:
Зависит ли F A от ρ ж и v т
Зависят условия плавания от ρ ж и mg
2.Основная часть
2.1.Биография Архимеда.
Архимед(рис.1) родился в 287 году до нашей эры в городе Сиракузы, расположенном на острове Сицилия. Отец Архимеда, Фидий, был математиком и астрономом.. Для получения образования Архимед отправился в духовный и научный центр той эпохи – Александрию Египетскую.
В Александрии Архимед получает основы научных знаний и знакомится с выдающимися учеными своего времени, с астрономом Кононом Самосским, и Эратосфеном Киренским. Архимед состоял с ними в дружеской переписке до конца жизни. Надо полагать, именно в Александрии, прилежно посещая ее знаменитую библиотеку, Архимед познакомился с трудами знаменитых философов и геометров прошлого – Евдокса, Демокрита и многих других.
Закончив обучение в Александрии Египетской, Архимед вернулся в Сиракузы. Уже при его жизни об Архимеде складывали легенды.
Одним из самых известных сюжетов легенд об Архимеде можно назвать «Корона царя Гиерона». Согласно этой легенде, Архимеду поручено было определить, сделана ли эта корона из чистого золота, либо же во время ее изготовления к золоту было добавлено серебро. Решение этой задачи пришло к Архимеду в то время, когда он принимал ванну: погружая корону в воду, можно по вытесненному объему жидкости узнать ее удельный вес; у золотой короны и короны «с примесью» он будет разным. С криком «Эврика!» Архимед выскочил из ванны и нагим пробежал по улицам Сиракуз. Решение задачи с короной положило начало науке гидростатике, родоначальником которой стал Архимед, изложивший ее основы в своем труде «О плавании тел». Сила, выталкивающая любое тело из воды, и в наши дни называется архимедовой силой.
Еще одна легенда повествует о том, что Архимеду удалось сдвинуть с места одним движением руки тяжелый многопалубный корабль «Сиракузия» благодаря разработанной им системе блоков, так называемому полиспасту.
«Дайте мне точку опоры, и я переверну мир», - по легенде, произнес Архимед в связи с этим событием. Использование рычага для увеличения
силы применяется сейчас во всех механических системах. К изобретениям Архимеда относится архимедов винт, или шнек, предназначенный для вычерпывания воды; он и сегодня применяется в Египте .
Главной наукой, которой посвятил себя Архимед была математика. Работы Архимеда показывают, что он был превосходно знаком с математикой и астрономией своего времени. Ряд работ Архимеда в области математики имеет вид посланий к его друзьям и коллегам. Ему принадлежат исследования по всем областям математики его времени: арифметике, алгебре, геометрии.
Основной проблематикой математических работ Архимеда являются задачи на нахождение площадей поверхностей и объемов, которые сейчас могут быть отнесены к области математического анализа. В результате исследований Архимед нашел общую формулу для вычисления площадей и объемов, основанную на методе исчерпывания своего предшественника, математика Евдокса Книдского. До Архимеда ни один ученый не мог найти алгоритм для вычисления площади поверхности и объема шара. Это исследование, изложенное в труде «О шаре и цилиндре» сам Архимед считал вершиной своих научных изысканий. По легенде, он просил высечь изображение шара и цилиндра на своем надгробном камне.
К заслугам Архимеда в области астрономии относится строительство «планетария» для наблюдения за движением пяти планет Солнечной системы, восходом Солнца и Луны. Архимед пытался вычислить расстояния до планет; его ошибкой было распространенное в то время геоцентрическое мировоззрение. В честь Архимеда, памятуя о его астрономических исследованиях, названы кратер и горная цепь на Луне, а также один из астероидов. В родном городе Архимеда, Сиракузах, его имя носит одна из площадей.
2.2 Закон Архимеда
Закон Архимеда формулируется следующим образом:
на тело, погружённое в жидкость (или газ), действует выталкивающая сила, равная весу жидкости (или газа) в объёме погруженной части тела .
F A= рg V
{\displaystyle {F}_{A}=\rho {g}V,} где р {\displaystyle \rho } - плотность жидкости (газа), {\displaystyle {g}} g - ускорение свободного падения, а {\displaystyle V} V - объём погружённой части тела (или часть объёма тела, находящаяся ниже поверхности). Если тело плавает на поверхности (равномерно движется вверх или вниз), то выталкивающая равна по модулю (и противоположна по направлению) силе тяжести, действовавшей на вытесненный телом объём жидкости (газа), и приложена к центру тяжести этого объёма.
2.3.Условие плавания тел.
На твердое тело, погруженное в жидкость, действуют архимедова сила F A и сила тяжести mg. В зависимости от соотношения сил mg и F A тело может тонуть, плавать и всплывать. Если mg > F A , тело тонет; если mg = F A , то тело плавает внутри жидкости или на ее поверхности; если mg < F A , то тело всплывает до тех пор, пока архимедова сила и сила тяжести не сравняются по модулю.Тело плавает на поверхности, если р ж = р т ; тело тонет, если р т > р ж ; тело всплывает, если р т < р ж.
2.4 .От чего зависит выталкивающая сила?
Выталкивающая сила зависит: от Vт, от плотности жидкости, глубины погружения, от формы предмета при равном объёме.
3. Порядок выполнения работы.
3.1. Эксперимент с яйцом.
Цель работы :
Исследовать поведение сырого яйца в жидкостях разного вида.
Доказать зависимость выталкивающей силы от плотности жидкости. Ход работы :
1.Взять сырое яйцо и жидкости разного вида:
чистая вода,
насыщенный, соленый раствор,
2.Определить силу тяжести, действующую на яйцо в воздухе и в жидкостях разного рода поочередно.
Результаты исследований :
Результирующая сила, действующая на яйца в воздухе, оказалась больше, чем в жидкости.
Результирующая сила, действующая на яйца в жидкостях разного рода, оказалась разной
Вывод
3.2. Эксперимент с картофелем.
Цель работы :
Исследовать поведение картофеля в жидкостях разного вида.
Доказать зависимость выталкивающей силы от плотности жидкости.
Ход работы :
1.Взять картофель и жидкости разного вида.
чистая вода,
насыщенный, соленый раствор,
2.Определить силу тяжести, действующую в жидкостях разного рода.
Результаты исследования:
Результирующая сила, действующая на картофель в воздухе, оказалась больше, чем в жидкости.
Результирующая сила, действующая на картофель в жидкостях разного вида, оказалась разной
(чем больше плотность жидкости, тем результирующая сила меньше)
Вывод
На эксперименте показано, что выталкивающая сила зависит от объёма тела и плотности жидкости. Результирующая сила, которая определяет поведение тела в жидкости, зависит от массы, объёма тела и плотности жидкости.
5. Список литературы
1.Интернет-ресурсы
2. Физика 7 класс А.В. Пёрышкин, Издательство «ДРОФА»
6. Приложения
(рис.1)
На тело, погруженное в жидкость, кроме силы тяжести, действует выталкивающая сила - сила Архимеда. Жидкость давит на все грани тела, но давление это неодинаков. Ведь нижняя грань тела погружена в жидкость больше, чем верхняя, а давление с глубиной возрастает. То есть сила, действующая на нижнюю грань тела, будет больше, чем сила, действующая на верхнюю грань. Поэтому возникает сила, которая пытается вытолкнуть тело из жидкости.
Значение архимедовой силы зависит от плотности жидкости и объема той части тела, которая находится непосредственно в жидкости. Сила Архимеда действует не только в жидкостях, но и в газах.
Закон Архимеда : на тело, погруженное в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, равная весу жидкости или газа в объеме тела. Для того чтобы рассчитать силу Архимеда, необходимо перемножить плотность жидкости, объем части тела, погруженное в жидкость, и постоянную величину g.
На тело, которое находится внутри жидкости, действуют две силы: сила тяжести и сила Архимеда. Под действием этих сил тело может двигаться. Существует три условия плавания тел:
Если сила тяжести больше архимедовой силы, тело будет тонуть, опускаться на дно.
Если сила тяжести равна силе Архимеда, то тело может находиться в равновесии в любой точке жидкости, тело плавает внутри жидкости.
Если сила тяжести меньше архимедовой силы, тело будет всплывать, подниматься вверх.
Плавание тел на поверхности жидкости
В надводном положении на плавающее тело по оси OZ действуют две силы (рис.1.1).Это сила тяжести тела G и выталкивающая архимедова сила P z .
плавании, т.е. в погруженном состоянии 
. К основным понятиям теории плавания относятся следующие:
- плоскость плавания (I-I) - пересекающая тело плоскость свободной поверхности жидкости;
- ватерлиния – линия пересечения поверхности тела и плоскости плавания;
- осадка (y) – глубина погружения низшей точки тела. Наибольшая допустимая осадка судна отмечается на нём красной ватерлинией;
- водоизмещение – вес воды, вытесненный судном. Водоизмещение судна при полной нагрузке является его основной технической характеристикой;
Центр водоизмещения (точ. D, рис. 1.1) – центр тяжести водоизмещения, через который проходит линия действия выталкивающей архимедовой силы;
Ось плавания (О О ") – линия проходящая через центр тяжести С и центр водоизмещения D при равновесии тела.
Для сохранения равновесия ось плавления должна быть вертикальна. Если на плавающее судно в поперечном направлении действует внешняя сила, например сила давления ветра, то судно накренится, ось плавания повернётся относительно точки С и возникнет крутящий момент М к, вращающий судно относительно продольной оси против часовой стрелки (рис.1.2)
Остойчивость плавающего тела зависит от взаимного положения точек С и D. Если центр тяжести С находится ниже центра водоизмещения D, то при надводном плавании тело всегда остойчиво, так как возникающий при крене крутящий момент М к всегда направлен в сторону противоположную крену.
Если точка С находится выше точки D (рис.1.3), то плавающее тело может быть остойчивым и неостойчивым. Рассмотрим эти случаи подробнее.
При крене центр водоизмещения D смещается по горизонтали в сторону крена, так как один борт судна вытесняет больший объём воды, чем другой.
Тогда линия действия выталкивающей архимедовой силы P z пройдёт через новый центр водоизмещения D" и пересечётся с осью плавания ОО" в точке M, называемой метацентром. Для формулирования условия остойчивости обозначаем отрезок
M D 1 = b ,аСD 1 =∆ , где b - метацентрический радиус ; ∆- эксцентриситет .
Условие остойчивости: тело остойчиво, если его метацентрический радиус больше эксцентриситета, т.е. b > ∆.
Графическая интерпретация условия остойчивости представлена на рис. 1.3, из которого видно, что в случае а) b > ∆ и возникший крутящий момент направлен в сторону противоположную крену, а в случае б) имеем: b < ∆ и момент М к вращает тело в сторону крена, т.е. тело не остойчиво.
Водоизмещение корабля (судна) - количество воды, вытесненной подводной частью корпуса корабля (судна). Вес этого количества жидкости равен весу всего корабля, независимо от его размера, материала и формы.
Различают объёмное и массовое стандартное , нормальное , полное , наибольшее , порожнее водоизмещение.
Объёмное водоизмещение Ватерли́ния (нидерл. waterlinie ) - линия соприкосновения спокойной поверхности воды с корпусом плавающего судна. Также - в теории корабля элемент теоретического чертежа: сечение корпуса горизонтальной плоскостью.
Массовое водоизмещение
Стандартное водоизмещение
Нормальное водоизмещение
Полное водоизмещение
Наибольшее водоизмещение
Водоизмещение порожнем
Подводное водоизмещение
Надводное водоизмещение
Остойчивость плавающих тел
Остойчивостью плавающих тел называется их способность возвращаться в исходное положение после того, как они были выведены из этого положения вследствие воздействия каких-либо внешних сил.
Для придания плавающему телу остойчивости необходимо, чтобы при отклонении его из положения равновесия создавалась пара сил, которая и возвратит тело в первоначальное положение. Такая пара сил может создаваться только силами G и P п. Возможны три различных варианта взаимного расположения этих сил (рис.5.3).
Рис. 5.3. Остойчивость полупогруженных тел при взаимном расположении центра тяжести и центра водоизмещения а и б – остойчивое равновесие
Центр масс расположен ниже центра водоизмещения .При крене центр водоизмещения перемещается как за счет изменения положения тела, так и из-за изменения формы вытесненного объема. При этом возникает пара сил, стремящихся вернуть тело в первоначальное положение. Следовательно, тело имеет положительную остойчивость.
Центр масс совпадает с центром водоизмещения – тело будет иметь также положительную остойчивость вследствие смещения центра водоизмещения за счет изменения формы вытесненного объема.
Центр масс находится выше центра водоизмещения .Здесь имеются два основных варианта (рис. 5.4):
1) точка пересечения подъемной силы с осью плавания M (метацентр) лежит ниже центра масс – равновесие будет неостойчивым (рис. 5.4,а );
2) метацентр лежит выше центра масс – равновесие будет остойчивым (рис. 5.4,б ). Расстояние от метацентра до центра масс называетсяметацентрической высотой . Метацентр – точка пересечения подъемной силы с осью плавания. Если точка М лежит выше точки С , то метацентрическая высота считается положительной, если лежит ниже точки С – то она считается отрицательной.
Таким образом, можно сделать следующие выводы:
остойчивость тела в полупогруженном состоянии зависит от относительного расположения точек М и С (от метацентрической высоты);
тело будет остойчивым, если метацентрическая высота будет положительной, т.е. метацентр расположен выше центра тяжести. Практически все военные плавающие машины строятся с метацентрической высотой 0,3-1,5м.
Рис. 5.4. Остойчивость полупогруженных тел при взаимном расположении центра тяжести и метацентра:
а – неостойчивое равновесие; б – остойчивое равновесие
Водоизмещение корабля (судна) - количество воды, вытесненной подводной частью корпуса корабля (судна). Масса этого количества жидкости равна массе всего корабля, независимо от его размера, материала и формы.
Различают объёмное и массовое водоизмещение. По состоянию нагрузки корабля различают стандартное , нормальное , полное , наибольшее , порожнее водоизмещение.
Для подводных лодок различают подводное водоизмещение и надводное водоизмещение.
Объёмное водоизмещение
водоизмещение, равное объёму подводной части корабля (судна) до ватерлинии.
Массовое водоизмещение
водоизмещение, равное массе корабля (судна).
Стандартное водоизмещение
водоизмещение полностью укомплектованного корабля (судна) с экипажем, но без запасов топлива, смазочных материалов и питьевой воды в цистернах.
Нормальное водоизмещение
водоизмещение, равное стандартному водоизмещению плюс половинный запас топлива, смазочных материалов и питьевой воды в цистернах.
Полное водоизмещение
водоизмещение, равное стандартному водоизмещению плюс полные запасы топлива, смазочных материалов, питьевой воды в цистернах, груза.
Наибольшее водоизмещение
водоизмещение, равное стандартному водоизмещению плюс максимальные запасы топлива, смазочных материалов, питьевой воды в цистернах, грузов.
Водоизмещение порожнем)
водоизмещение порожнего корабля (судна), то есть корабля (судна) без экипажа, топлива, запасов и т. д.
Подводное водоизмещение
водоизмещение подводной лодки (батискафа) и иных подводных судов в подводном положении. Превышает надводное водоизмещение на массу воды, принимаемой при погружении в цистерны главного балласта.
Надводное водоизмещение
водоизмещение подводной лодки (батискафа) и иных подводных судов в положении на поверхности воды до погружения либо после всплытия.
Плавание - это способность тела удерживаться на поверхности жидкости или на определённом уровне внутри жидкости.
Мы знаем, что на любое тело, находящееся в жидкости, действуют две силы, направленные в противоположные стороны: сила тяжести и архимедова сила.
Сила тяжести равна весу тела и направлена вниз, архимедова же сила зависит от плотности жидкости и направлена вверх. Как физика объясняет плавание тел, и каковы условия плавания тел на поверхности и в толще воды?
Архимедова сила выражается формулой:
Fвыт = g*m ж = g* ρ ж * V ж = P ж,
где m ж – это масса жидкости,
а P ж – вес вытесненной телом жидкости.
А так как масса у нас равна: m ж = ρ ж * V ж, то из формулы архимедовой силы мы видим, что она не зависит от плотности погруженного тела, а только от объема и плотности вытесненной телом жидкости.
Архимедова сила - это векторная величина. Причина существования выталкивающей силы – разница в давлении на верхнюю и нижнюю часть тела.Указанное на рисунке давление P 2 > P 1 из-за большей глубины. Для возникновения силы Архимеда достаточно того, чтобы тело было погружено в жидкость хотя бы частично.
Так, если тело плывёт по поверхности жидкости, значит выталкивающая сила, действующая на погружённую в жидкость часть этого тела равна силе тяжести всего тела. (Fа = Р)
Если сила тяжести меньше архимедовой силы (Fа > Р), то тело будет подниматься из жидкости, то есть всплывать.
В случае же, когда вес тела больше выталкивающей его архимедовой силы (Fа
Из полученного соотношения можно сделать важные выводы:
Выталкивающая сила зависит от плотности жидкости. А будет тело тонуть или плавать в жидкости, зависит от плотности тела.
Тело плавает, будучи полностью погруженным в жидкость, если плотность тела равна плотности жидкости
Тело плавает, частично выступая над поверхностью жидкости, если плотность тела меньше плотности жидкости
- если плотность тела больше плотности жидкости, плавание невозможно.
Лодки рыбаков изготовлены из сухого дерева, плотность которого меньше плотности воды.
Почему же плавают корабли?
Корпус корабля, который погружается в воду, делают объемным, а внутри этот корабль имеет большие полости, заполненные воздухом, которые сильно уменьшают общую плотность корабля. Объем вытесняемой кораблем воды, таким образом, сильно увеличивают, увеличивая выталкивающую его силу, а плотность корабля в сумме делают меньше плотности воды, дабы корабль мог плавать на поверхности. Поэтому каждый корабль имеет определенный предел массы грузов, который он может увезти. Это называется водоизмещением судна.
