Конспект уроку з фізики "Виштовхувальна сила. Закон Архімеда"

Дата _____________

Тема. Виштовхувальна сила. Закон Архімеда

Мета уроку:

• Навчальна: формувати поняття про Архімедову силу, вивести закон Архімеда.

• Виховна: підвищувати пізнавальний інтерес до  вивчення фізики.
• Розвиваюча: розвивати творчі здібності учнів.

Основні поняття: Виштовхувальна сила, закон Архімеда.

Обладнання: терези, дві кульки однакової маси, мензурки, тягарець, динамометр,вода, сіль.

Тип уроку: вивчення нового матеріалу.

Хід уроку

І. Організаційний момент

ІІ. Актуалізація опорних знань

Методом фронтального опитування з’ясувати уміння учнів пояснювати причину виникнення тиску в твердих тілах, рідинах та газах; вміння пояснити, від чого і чому залежить збільшення чи зменшення тиску; перевірити вміння розрізняти тиск від сили тиску; перевірити практичні навички визначати тиск та силу тиску для твердих тіл. Перевірити знання законів Паскаля, сполучених посудин.

ІІІ. Оголошення теми та мети уроку

Чому важко занурити м’яч у воду, і чому, як тільки ми його відпустимо, він вистрибує з води? Чому в морі легше плавати, ніж в озері? Чому у воді ми можемо підняти камінь, а у повітрі ні? (Відповіді учнів.)

ІV. Формування нових знань

Підвісимо до пружини динамометра тіло. У зв’язку з тим, що на тіло діє сила тяжіння, пружина розтягнеться. Тіло перебуватиме  в рівновазі, тому що сила тяжіння і сила пружності, які діють на тіло, рівні за значенням, але протилежні за напрямком. Зануримо це тіло у воду. Видовження пружини зменшиться. Маса тіла на змінилася, відтак сила тяжіння, що діє на тіло теж не змінилася. Отже зменшилася сила пружності.

Можна зробити висновок, що з боку рідини на тіло діє сила, яка його виштовхує з води. Цю силу називають виштовхувальною силою.

Цим самим можна пояснити, чому ми під водою можемо легко підняти камінь, який з великим зусиллям утримуємо і повітрі. Якщо занурити м’яч під воду, о він вистрибне з води.

Гази багато в чому подібні до рідин. На тіла, розміщенні в газах, також діє виштовхувальна сила. Саме під дією цієї сили повітряні кулі, мете реологічні зонди,дитячі кульки, наповненні воднем, піднімаються в гору.

Інтерактивна вправа «Мозковий штурм».

Від чого залежить виштовхувала сила?

Учні відповідають на запропоноване запитання. Відповіді учнів записують на дошці. Після обговорення із запропонованих відповідей вибирають найймовірніші.

Два тіла різного об’єму, але однакової маси, зануримо повністю в одну й ту ж рідину (воду). Ми побачимо, що тіло більшого об’єму виштовхується з рідини з більшою силою.

Зануримо два тіла однакового об’єму і маси в різні речовини, наприклад воду і гас (солону воду, олію).  Порушення рівноваги в цьому випадку свідчить, що у воді на тіло діє більша виштовхувальна сила, це можна пов’язати з тим, що вода має більшу густину, ніж гас.

Узагальнюючи результати спостереження і дослідів можна зробити висновок. На тіло, занурене в рідину (гас), діє виштовхувальна сила, яка дорівнює вазі рідини (газу), витиснутої цим тілом. Це твердження називають законом Архімеда,давньогрецького вченого, який його відкрив і , за легендою, успішно застосував для розв’язування практичної задачі: визначив, чи містить золота корона царя Гієрона домішки срібла. Силу, що виштовхує тіло з рідини або газу, називають ще Архімедовою силою.

На основі закону Архімеда можна зразу написати формулу для обчислення виштовхувальної сили, але, щоб краще зрозуміти її зміст виконаємо нескладні розрахунки. Для цього розглянемо тіло у формі прямокутного бруска, зануреного в рідину таким чином, що його верхня і нижня грані розташовані паралельно поверхні рідини.

Відповідно до закону Паскаля горизонтальні сили F₃ і F₄ що діють на симетричні бічні поверхні бруска, попарно рівні за значенням і протилежні за напрямком. Вони не виштовхують брусок вгору, а тільки стискають його з боків. Розглянемо сили гідростатичного тиску на верхню і нижню грані бруска. Нехай верхня грань площею S розташована на глибині h₁, тоді сила тиску на неї дорівнюватиме ,

де - густина рідини.

Нижня грань бруска площею S розташована на  більшій глибині h₂, тоді сила тиску на неї  буде більшою і дорівнюватиме ,

Обидві сили діють уздовж вертикалі, їхня рівнодійна і буде силою Архімеда, яка напрямлена вгору вбік більшої сили, а її значення дорівнюватиме різниці сил:

= = .

Оскільки різниця є висотою бруска, то добуток дорівнює об’єму тіла V_Т і ми отримаємо формулу, яка є математичним виразом закону Архімеда: .

Дійсно, оскільки рідина не стискається, то об’єм витісненої тілом рідини дорівнює об’єму цього тіла і добуток дорівнює масі рідини m_р в об’ємі тіла V_Т. У свою чергу, добуток є вагою рідини.

Із наведеного розрахунку видно, що виштовхувальна сила виникає внаслідок того, що значення гідростатичного тиску на різних глибинах не однакові й зростають з глибиною.

Одного разу в імператора Цао-Цао, який правив в Китаї понад 2000 років назад, виникла думка важити слона. Як не метушилися сановники, ніхто з них не  міг нічого придумати, адже ніде не було таких гігантських терезів, що на них можна було зважити слона. Коли всі сановники визнали свою безпорадність, прийшов чоловік на ім’я Чао Чун і сказав,що він може зважити слона. Він поросив: «Накажіть поставити слона у великий човен, після того позначте рівень занурення човна у воду, потім зніміть слона, а човна наповніть камінням так, щоб він занурився до позначки. Вага каміння дорівнюватиме вазі слона». Талановитий самородок який на багато років випередив великого Архімеда, дістав за свою пропозицію «щедру» винагороду – прихильний кивок імператора.

V. Закріплення вивченого матеріалу

Розв’язування якісних та розрахункових задач:

1. В якій воді і чому легше плавати: морській чи річковій?
2. До шальок терезів підвішені дві однакові кульки. Чи порушиться рівновага, якщо кульки опустити в рідину: першу у воду, другу у гас?
3. У посудину налито три рідини, які не змішуються між собою: вода, гас і ртуть. В якій послідовності вони розміщенні?
4. Чому не можна гасити палаючий гас, заливаючи його водою?
5. Обчисліть виштовхувальну силу, яка діє на гранітну брилу, якщо вона при повному зануренні виштовхує 0,8м³ води.
6. Залізобетонна плита занурена у воду. Обчисліть Архімедову сила, яка діє на плиту, якщо розміри плити 3,5м:1,5м:0,2м.
7. Дерев’яний брусок, який плаває у воді, виштовхує 0,72м³ води, а занурюючись у воду повністю, - 0,9м³. Визначте виштовхувальні сили, які діють на брусок. Поясніть чому ці сили будуть різними.
8. Яка Архімедова сила діє на суцільний брусок масою 540г, якщо він повністю занурений у воду?
9. Алюмінієвий і мідний бруски мають однакові маси. Який з них легше підняти у воді?
10. Визначити покази динамометра, якщо тіла об’ємом 100см³ з алюмінію, заліза, свинцю зважують у гасі.
11. Яку силу необхідно прикласти, щоб підняти під водою камінь масою 30кг, об’єм якого 0,012м³?

VІ. Підсумок уроку

Інтерактивна вправа «Коло знань».

Учитель починає речення, учень закінчує і продовжує ланцюжок. «Архімедова сила…»

VІІ. Домашнє завдання

Опрацювати:

• § 23 П-1,
• § 30 П-2,
• § 15 (п.1,2) П-3,
• § 37 П-4.

Розв’язати вправу:

Визначити покази динамометра, якщо тіла об’ємом 500см³ з алюмінію, заліза, свинцю зважують у ртуті.

Творче завдання:

Підготувати повідомлення про повітроплавання, судноплавство.