Конспект уроку з фізики в 7 класі "Виштовхувальна сила в рідинах і газах. Закон Архімеда."

Тема уроку: Виштовхувальна сила в рідинах і газах . Закон Архімеда.

  Мета уроку: ознайомити учнів з поняттям виштовхувальної сили, встановити причини виникнення цієї сили, пояснити її природу, встановити математичну залежності даної сили від густини і об’єму рідини, витісненої тілом , формувати вміння досліджувати, застосовувати закон Архімеда під час розв'язування задач; розвивати мислення,  пізнавальну активність та здатність аналізувати і робити висновки в ході спостереження фізичних явищ; виховувати допитливість, комунікабельність, віру у власні сили.

  Очікувальні результати: учень наводить приклади проявів виштовхувальної сили, пояснює причини виникнення виштовхувальної сили та її залежність від об'єму тіла та густини рідини, формулює закон Архімеда, застосовує його під час розв'язування задач, оцінює практичне значення виштовхувальної сили в природі і техніці.

  Формування ключових компетентностей: природнича, математична, інформаційна, соціальна, уміння вчитися впродовж життя.

  Завдання:  - вияснити поняття виштовхувальної сили;

•  з'ясувати причини виникнення виштовхувальної сили;
•  навчитись вимірювати виштовхувальну силу;
•  встановити залежність виштовхувальної сили від об'єму тіла, густини  рідини та густини тіла.
•  сформувати закон Архімеда;
•  навчитись застосовувати закон Архімеда при розв'язуванні задач. 

Тип уроку: комбінований.

  Обладнання: терези, динамометр, посудини з водою, олією,  кульки: металева і пластмасова, циліндри рівного об'єму, два тіла різного об'єму з одного матеріалу, тенісний м’ячик.

  Технічні засоби: комп'ютер, телевізор.

Хід уроку.

І.Організаційний етап.

  1. Привітання учнів.

  2. Готовність учнів до уроку, організація робочих місць.

ІІ. Перевірка раніше засвоєних знань. ( Фізичний диктант)

1. Величину, що визначається відношенням значення сили тиску до площі поверхні на яку вона діє називають…

2. Одиницею вимірювання тиску є…

3.  Чому дорівнює одиниця 1 Па?

4. Як можна збільшити тиск при дії незмінної сили тиску?

5. «Тиск, створений на нерухому рідину, передається рідиною однаково в усіх напрямках» - це формулювання…

6. Закінчіть речення: « Тиск рідин, зумовлений силою тяжіння, називають …»

7. Закінчіть речення: «При збільшенні глибини занурення, тиск …»

8. Закінчіть речення: «Тиск, який створює атмосфера на всі тіла, що в ній перебувають, а також на поверхню Землі, називають …»

9.  Хто вперше виміряв атмосферний тиск?

10. За допомогою яких приладів вимірюють тиск атмосфери?

11. Переведіть 1мм.рт.ст. у Паскалі. ( 1 мм. рт. ст. = …)

12. Як встановлюються вільні поверхні однорідної рідини у сполучених посудинах?

Самоперевірка фізичного диктанту.( відповіді на екрані телевізора)

ІІІ. Мотивація навчальної діяльності учнів.

Створення проблемної ситуації.

Демонстрація 1. Спливання тенісної кульки.

(Зануримо кульку у воду і швидко забираємо руку. М’ячик «вискакує» з води.)

Демонстрація 2. Порушення рівноваги терезів при зануренні однієї кульки у воду.    (Підвісимо до коромисла терезів дві однакові кульки, терези перебувають у рівновазі. Підставляємо під одну з куль порожню посудину і наливаємо в неї воду, спостерігаємо порушення рівноваги терезів)

Проблемне питання: Чому кулька «вискакує» з води? Чому камінь у воді легше підняти ніж на березі? Чому порушується рівновага терезів? Чи правда, що у воді тіла перебувають у стані невагомості?

Учні висловлюють свої думки. 

   Висновок: на м’яч подіяла сила.

ІV. Повідомлення теми, мети, завдань уроку.

Сьогодні на уроці ми дізнаємося, чому одні тіла плавають на поверхні рідини, а інші – тонуть, чому плавають кораблі. З’ясуємо причину виникнення виштовхувальної сили і спосіб її знаходження.

Оголошення теми, мети та завдань уроку.

V. Вивчення нового матеріалу.

1. Існування виштовхувальної сили.

Демонстрація 3. Занурюємо у ту саму воду металічний циліндр. Він тоне.

   Питання: Куди поділася виштовхувальна сила? Як за допомогою приладів що є у   вас на партах  перевірити, чи діє виштовхувальна сила на циліндр?

 Учні висловлюють версії, як за допомогою приладів,  ( динамометр, посудина з водою, циліндр ), перевірити, чи діє виштовхувальна сила на циліндр, і виконують дослід.

Висновок: оскільки покази динамометра при зануренні циліндра в воду зменшились,то на всі тіла, занурені в рідину, діє виштовхувальна сила, яка напрямлена вгору.

   2. Причина виникнення виштовхувальної сили.

  З’ясуємо, чому виникає виштовхувальна сила?

  Розглянемо занурене у рідину тіло, що має форму прямокутного паралелепіпеда. На нього з усіх боків діють сили гідростатичного тиску рідини. Сили тиску  F₃ і F₄ , що діють на бічні грані,  протилежні за напрямком і рівними за значенням, оскільки площі бічних граней однакові і ці грані розташовані на однаковій глибині. Ці сили зрівноважують одна одну.

Суттєву роль відіграють сили, напрямлені вздовж лінії дії сили тяжіння. На верхню грань тіла діє сила тиску F₁:

F₁=р₁S = ρ_рід g h₁S,

де р₁= ρ_рід g h₁ – гідростатичний тиск рідин, S – площа грані.

На нижню грань тіла діє сила F₂:

F₂ = р₂S = ρ_рід g h₂S.

 Оскільки нижня грань перебуває на більшій глибині,ніж верхня ( h₂ > h₁) , тому сила тиску F₂ більша за силу тиску F₁. Рівнодійна цих сил дорівнює їх різниці, напрямлена в бік дії більшої сили, тобто вертикально вгору, і є виштовхувальною силою (цю силу називають також архімедовою силою).

F_в = F₂ – F₁.

 Отже, причиною появи виштовхувальної сили є різниця тисків рідини на нижню і верхню грані.  

  На тіло, занурене в газі, також діє виштовхувальна сила, але вона значно менша, бо густина газу набагато менша від густини рідини. Переглянемо відеоролик https://youtu.be/G6Y1msVaGyQ

  3. Вимірювання виштовхувальної сили.

На досліді ми переконалися, що при зануренні тіла в рідину, покази динамометра зменшились. Щоб практично виміряти виштовхувальну силу потрібно: за допомогою  динамометра виміряти вагу тіла в повітрі Р₁, занурити тіло в рідину і виміряти його «вагу» у рідині ( покази динамометра) F₂, за результатами вимірювань визначити виштовхувальну силу:     F_в = Р₁ -  F₂.

Практичне завдання: Запропонувати учням самостійно за допомогою приладів що є на партах  (динамометр, посудина з водою, циліндр ) провести вимірювання та обчислити виштовхувальну силу, результат записати в зошит. Обговорити отримані значення.

  При зануренні тіла в воду покази динамометра зменшились, здається, що вага тіла зменшилась. Але зменшення ваги тіла не відбувається: вага перерозподіляється між підвісом (пружиною динамометра) і опорою (рідиною).

Навіть якщо архімедова сила ,що діє на тіло, є достатньою, щоб утримувати це тіло і підвіс не буде розтягнутий, то тіло все одно не перебуває в стані невагомості, адже воно тисне на опору – рідину.

4. Дослідження виштовхувальної сили.

Вправа « Дослідники» (робота в групах).

Від чого залежить величина виштовхувальної сили?

Діти висловлюють припущення.  Формулюємо гіпотезу: виштовхувальна сила залежить від маси тіла (густини речовини), його об’єму та густини рідини. Задля експериментально підтвердження чи спростування гіпотези виконуємо ряд завдань.

Завдання 1 ( перша група учнів). Визначте виштовхувальну силу, що діє на два тіла рівного об'єму, але виготовлених з різних речовин. Чи залежить виштовхувальна сила від густини речовини?

 Завдання 2 ( друга група учнів). Визначте виштовхувальну силу, що діє на тіла виготовлених з однакової речовини, але різного об'єму. Чи залежить виштовхувальна сила від об'єму тіла?

Завдання 3 (третя група учнів). Визначте виштовхувальну силу, що діє на тіло у різних рідинах ( воді та олії). Чи залежить виштовхувальна сила від густини рідини?

Учні виконують завдання, встановлюють відповідні залежності, після чого формулюємо висновок.)

Висновок: Виштовхувальна сила залежить від об'єму тіла і густини рідини, та не залежить від густини тіла.

5. Закон Архімеда.

Розрахуємо значення архімедової сили :

Fарх = F2 – F1 = ρ_рідgh2S – ρ_рідgh1S = ρ_рід gS(h2-h1)

Різниця глибин h2 – h1 є висотою h паралелепіпеда. Добуток висоти паралелепіпеда на площу його основи дорівнює об’єму тіла:

                                       V = S (h2 – h1) = Sh.

 Отже,                           Fарх = ρ_рід g V.

Оскільки, ρ_рідV – це маса рідини в об'ємі тіла, а m_рід g = P_рід , то архімедова сила дорівнює вазі рідини в об'ємі тіла:

F_арх = Р_рід.

Отриманий результат  справджується для тіла будь-якої форми і у випадках, коли тіло занурене в рідину частково (для розрахунків потрібно брати об'єм занереної в рідину частини тіла) та при  зануренні тіла в гази.

Закон Архімеда:  На тіло занерене в рідину або газ, діє виштовхувальна сила, яка дорівнює вазі рідини або газу в об'ємі зануреної частини тіла:

Fарх = ρ_{рід (газу)} g V_зан ,

де Fарх – архімедова сила;   ρ_{рід (газу)} – густина рідини або газу;   g – стала величини ; V_зан  -  об'єм зануреної частини тіла.

 Архімедова сила прикладена до центра зануреної частини тіла і напрямлена вертикально вгору.

Історична довідка: Легенда про Архімеда (півідомлення учня).

Історичні відомості. Про видатного давньогрецького вченого та винахідника Архімеда складали легенди ще за його життя. Згідно з однією з них цар Сіракуз наказав своєму придворному ювеліру зробити корону з чистого золота. Але коли ювелір приніс царю виготовлену ним корону, той запідозрив, що ювелір підмішав у золото срібла, і попросив Архімеда перевірити, чи це дійсно так. Архімед довго міркував над цим завданням: корона мала надзвичайно складну форму і тому знайти об’єм її за допомогою вимірювання  розмірів та обчислення неможливо. Одного дня, приймаючи ванну, учений раптом усвідомив, що внаслідок занурення у воду його тіло стає «легшим». І тут у Архімеда сяйнула думка: адже за «втратою ваги» тіла при зануренні його у воду можна визначити об’єм тіла будь-якої форми!

    Вискочивши з ванни , Архімед помчав вулицями Сіракуз, у захваті волаючи «Еврика!», що в перекладі з грецької означає «Знайшов!». Відтоді слово «еврика» стало в багатьох мовах символом відкриття, осяяння.

Згідно з цим варіантом легенди про Архімеда він, по суті, винайшов спосіб гідростатичного зважування.

Є також інший варіант легенди про Архімеда, згідно з яким він, занурившись у наповнену доверху ванну, здогадався, що об’єм тіла довільної форми можна визначити просто за об’ємом витісненої цим тілом води.

Свої міркування Архімед виклав у книзі «Про плавання тіл».

Легенда про Архімеда розкриє образ мислення вченого: у «життєвій справі» він міг розпізнати   цікаву наукову проблему

6. Чи завжди архімедова сила допомагає.

Архімедова сила допомагає піднімати у воді важкі камені або інші предмети, допомагає масивним китам, акулам, крокодилам підніматися і рухатись у воді. Чи завжди вода допомагає підняти тіло?

Ні, це трапляється, коли тіло лежить на дні й щільно до нього прилягає. Вода не може потрапити під нижню поверхню тіла і допомогти своїм тиском підняти його. Щоб відірвати тіло від дна, слід подолати силу тяжіння, яка діє на тіло, а також силу тиску води на верхню поверхню тіла, тому так важко піднімати затонулі судна. Слід зауважити, що зазначене явище може призвести й до трагедії: якщо підводний човен опуститься на глинисте дно і витіснить із під себе воду, самотужки спливти він не зможе.

VІ. Узагальнення вивченого матеріалу.

 Питання до класу: Яку нову силу ми сьогодні вивчили? Який напрямок має ця сила?

 Від чого залежить виштовхувальна сила? Як можна виміряти виштовхувальну силу?  Сформулюйте закон Архімеда. Яка формула виражає закон Архімеда?

VІІ. Закріплення вивченого матеріалу.

1. Алюмінієвий і мідний бруски мають однакові маси. Який з них легше підняти у воді?   ( Відповідь: алюмінієвий.)

2. За малюнком визначте виштовхувальну силу, що діє на камінець. Відповідь: 3Н.

3. На  занурену у воду латунну кульку діє виштовхувальна сила 2Н. Яка маса кульки?

Розв’язання.

    m -  ?                  З таблиці густин знаходимо густину                                                                      

                               густину води та латуні.  

 F_А = 2H                  m = ρ_лат V    

 ρ_лат = 8500кг/м³    F_А=ρ_водиgV => V=F_A/ ρ_води g

 ρ_води = 1000кг/м³   Підставимо формулу для об'єму

 g = 10 Н/кг             у формулу для маси:                   

                                                  m = F_A ρ_лат / ρ_води g.

                                 m   = ( Н кг/м³)/ (кг/м³)(Н/кг)=кг

                                  m = 2 ^. 8500 / 1000 ^. 10 = 1,7 кг.

                                Відповідь 1,7 кг.

VІІ. Підсумки уроку.

Про що ви дізнались та що навчились робити на уроці?

Що для вас було найцікавіше на цьому уроці?

Чи хочете ви поглибити свої знання з даної теми на наступних уроках?

ІХ. Домашнє завдання.

Опрацювати § 27 підручника, виконайте вправу № 27(задача 3)(ст.179 підручника).

Додаткове завдання: проведіть спостереження за парафіновою свічкою, в яку знизу вставили цвях (як вантаж) для того, щоб вона плавала занурена у воду. ( Здається, що свічка повинна швидко погаснути, але вона згоряє практично до кінця.) Поясніть  чому?