Тема: "Виштовхувальна сила. Закон Архімеда. Умови плавання тіл."

Про матеріал

Розробка уроку містить матеріал по темі: "Виштовхувальна сила. Закон Архімеда. Умови плавання тіл."

Перегляд файлу

Тема: Виштовхувальна сила. Закон Архімеда. Умови плавання тіл.

Мета:

- з’ясувати причини виникнення виштовхувальної сили в рідинах і газах; пояснити природу виштовхувальної сили і її походження; дати учням знання про умови плавання тіл; встановити співвідношення між густиною тіла й рідини (або газу) необхідне для забезпечення умови плавання тіл;

- з метою розвитку наукового світогляду учнів формувати інтерес до фізичного експерименту у фізиці; розкрити причинно – наслідкові зв’язки в новому матеріалі: рухливість частинок рідини – передача тиску рідиною – тиск усередині рідини на певному рівні – сила тиску на верхню й нижню грані бруска – архімедова сила;

- у виховних цілях ознайомити учнів із практичним використанням умов плавання тіл у житті людини, природі й для підвищення інтересу до досліджуваного матеріалу, розкрити роль Архімеда у фізиці.

Обладнання: акваріум з водою, гумовий м’ячик, камінь, дерев’яний брусок, трубчастий або демонстраційний динамометр, рідинний манометр прилад «відерце Архімеда», прилад для демонстрації умов плавання тіл «Водолаз».

Тип уроку: вивчення нового матеріалу.

План уроку:

1.Актуалізація опорних знань.

2.Вивчення нового матеріалу.

3.Закріплення нового матеріалу.

4.Домашнє завдання.

1.Актуалізація опорних знань.

Усне опитування:

1. Що таке тиск? (Тиск – це фізична величина, яка чисельно дорівнює силі, що діє на одиницю площі поверхні).

2. Як розрахувати тиск? (p = F / S).

3. В яких одиницях вимірюють тиск? (Паскаль (Па)).

4. Від чого залежить ваговий тиск рідини? (Ваговий тиск рідини залежить лише від густини рідини та висоти її стовпа).

5. За якою формулою обчислюється ваговий тиск рідини? (p = ρ_pg h).

6. Сформулюйте закон Паскаля? (Тиск, який діє на рідину або газ, передається ними в усіх напрямках однаково).

7. Що таке сила тяжіння? (Силу, яка діє на кожне тіло з боку Землі, називають силою тяжіння).

8. Як розрахувати силу тяжіння? (F_T = mg).

9. Що таке вага? (Сила, з якою тіло діє на опору або підвіс).

10. Чому дорівнює вага нерухомого тіла? (Вага нерухомого тіла дорівнює силі тяжіння (P = F_T)).

11. Яку силу називають рівнодійною? (Рівнодійна – це сила, дія якої рівнозначна дії кількох сил, прикладених до тіла в даній його точці).

2.Вивчення нового матеріалу

Повернемось в далеке минуле. Багато тисячоліть назад люди могли пересуватись лише по суші. Їх мрією було пересування по воді, у повітрі. Сьогодні ми зрозуміємо, чому можливе плавання суден, підводних човнів, повітряних куль. Це можливо завдяки дії сили, яка називається виштовхувальною силою або силою Архімеда.

Всі ми помічали, що під водою порівняно легко можна підняти досить важкі предмети, які в повітрі підняти важко, а то й зовсім неможливо. Якщо занурити у воду кусок дерева і випустити там його з рук, то він випливе. Гумова куля, наповнена легким газом, якщо її випустити з рук, підніметься вгору.

Давайте пояснимо ці явища провівши наступні досліди.

Дослід 1. В акваріум з водою повністю занурюємо гумовий м’ячик і відпускаємо. М’ячик стрімко спливає. Чому м’яч сплив на поверхню води? На м’ячик, діяла сила з боку рідини вертикально вгору, яка називається виштовхувальною силою.

Дослід 2. В акваріум з водою поміщаємо дерев’яний брусок. Він буде плавати на поверхні води. Якщо брусок перебуває в стані спокою на поверхні води, виходить, що сили, які діють на нього зрівноважують одна одну. Одна із них – це спрямована вертикально вниз сила тяжіння, що діє на брусок з боку Землі. Інша сила – спрямована вертикально вгору і діє на брусок з боку води, виштовхуючи його. Це буде виштовхувальна сила, яка ще називається силою Архімеда і позначається F_A.

Дослід 3. В акваріум з водою поміщаємо камінь. Поведінка його у воді повністю відрізняється від поведінки дерев’яного бруска. Камінь буде знаходитись на дні акваріума, тобто потоне у воді. Давайте подумаємо, чи на камінь діє виштовхувальна сила? Щоб дати правильну відповідь, використаємо трубчастий або демонстраційний динамометр. Підвісимо до динамометра камінь і визначимо покази динамометра. Сила з якою камінь розтягує пружину динамометра, буде рівна P₁ = 4 Н (вага його у повітрі). Опустимо цей камінь у воду, динамометр покаже силу з якою камінь у воді розтягує пружину динамометра P₂= 3 Н (вага його у воді). Отже, сила, з якою камінь розтягує пружину динамометра у воді менша ніж у повітрі. Такого результату можна досягти, якщо до каменя прикласти знизу силу, яка діє вгору, числове значення (модуль) якої дорівнює різниці ваги каменя в повітрі і у воді: F_A = P₁ – P₂= 4 Н – 3 Н = 1 Н.

Таким чином, на будь – яке тіло занурене в рідину (або газ) діє виштовхувальна сила вертикально вгору, модуль цієї сили можна визначити як різницю ваги тіла у повітрі і у рідині: F_A = P₁ – P₂.

Виштовхувальна сила діє і на тіла, які плавають у рідині, і на тіла, які тонуть у ній. З’ясуємо причину виникнення виштовхувальної сили. На малюнку ми бачимо тіло у вигляді прямокутного паралелепіпеда повністю зануреного у воду. За допомогою рідинного манометра демонструємо збільшення тиску рідини із збільшенням глибини занурення: p₁= ρ_p g h.

Чому дорівнює сила тиску на верхню грань?

p₁= ρ_p g h₁

F₁= p₁S

F₁= ρ_pg h₁S – напрямлена вниз.

Чому дорівнює сила тиску на нижню грань?

p₂ = ρ_pg h₂

F₂ = p₂S

F₂ = ρ_pg h₂S – напрямлена вгору

Яка із сил більша?

F₂> F_1,бо h₂>h_1..

Як знайти їх рівнодійну?

F = F₂ - F₁;

F_A=ρ_p g h₂ S – ρ_pg h₁S;

F_A= ρ_p g S (h₂– h₁);

h₂– h₁= h;

F_A = ρ_pg S h;

Sh = V_T;

F_A= ρ_pg V_T – напрямлена вгору.

Залежність, виражена формулою F_A= ρ_рg V_Т, називається законом Архімеда.

На тіло, занурене в рідину (газ), діє виштовхувальна сила, яка дорівнює вазі рідини (газу) в об’ємі зануреної частини тіла.

F_A= ρ_рg V_Т.

Дослід 4. Правильність закону Архімеда можна перевірити за допомогою дослідів з відливною посудиною чи «відерцем Архімеда». Для цього на високому штативі підвішуємо динамометр з комплекту відерця, потім до його пружини кріпимо відерце, показавши, що його внутрішній об’єм дорівнює об’єму циліндра. До гачка, який міститься на дні відерця, на довгій нитці підвішуємо циліндр. Покажчиком динамометра відмічаємо розтяг пружини, вказавши додатково, що вага відерця і циліндра зрівноважена силою пружності розтягнутої пружини. Занурюємо циліндр у посудину з водою і спостерігаємо зменшення ваги циліндра. Заливаємо воду у відерце і спостерігаємо за показами динамометра. Як тільки відерце наповниться повністю, стрілка динамометра зупиниться біля покажчика. Робимо висновок, що виштовхувальна сила скомпенсована вагою води в відерці. Враховуючи, що об’єм води дорівнює об’єму циліндра, а вага води дорівнює виштовхувальній силі, одержимо: F_A= ρ_рg V_Т.

Давайте подумаємо,чи сила Архімеда діє і на тіло поміщене в газ?

Дослід 5. Скляну колбу закриту гумовий корком, зрівноважуємо на одному з плечей важільних терезів і опускаємо в широку скляну посудину, на дні якої знаходиться невелика кількість розчину сірчаної кислоти. Обережно вкинувши в кислоту шматочки вапняку чи крейди, спостерігаємо реакцію виділення вуглекислого газу і порушення рівноваги терезів, коромисло яких опускається в бік шальки з важками.

Таким чином, в нерухомому відносно землі газі (газ має вагу) на занурене тіло діє теж виштовхувальна сила, яка обчислюється за формулою: F_A= ρ_гg V_т.

Якщо тіло не повністю занурене у рідину, то потрібно брати лише об’єм зануреної в рідину частини тіла. Сила Архімеда напрямлена вертикально вгору і прикладена до центра зануреної частини тіла.

Архімед (287 – 212 рр. до н.е.) – давньогрецький математик, фізик, інженер, винахідник та астроном. Він вважається одним з найвидатніших науковців античності.

Згідно з легендою, Архімед використав свій закон гідростатики, щоб визначити, чи не менша густина золотої корони Гієрона II, ніж у чистого золота.

Відома оповідь про те, як Архімед зумів визначити, чи зроблена корона сіракузького тирана Гієрона II з чистого золота або ж ювелір підмішав значну кількість срібла. Густина золота на той час вже була відомою, але складність полягала в тому, щоб точно визначити об'єм корони, адже вона мала неправильну форму. Архімед довгий час розмірковував над цим завданням. Зрештою, коли він приймав ванну, йому в голову прийшла блискуча ідея: занурюючи корону у воду, можна визначити її об'єм, вимірявши об'єм витісненої нею води.

Згідно з легендою, Архімед вискочив голий на вулицю з криком «Еврика!», що означало буквально «Знайшов!». Так науковець відкрив основний закон гідростатики, нині відомий як закон Архімеда.

Залежність архімедової сили від густини рідини і об’єму тіла можна проілюструвати графічно:

Давайте сформулюємо умови плавання тіл:

На тіло занурене в рідину або газ діють дві сили: сила тяжіння (F_T = m_Tg = ρ_Tg V_Т)) і сила Архімеда (F_A= ρ_рg V_Т). В залежності від того, куди буде напрямлена рівнодійна цих сил, тіло спливатиме на поверхню, тонутиме або буде плавати у товщі рідини (газу).

1. Якщо сила тяжіння більша за архімедову силу (густина тіла більша за густину рідини), то тіло тоне:

F_т > F_A

ρ_T> ρ_p

2. Якщо сила тяжіння менша за архімедову силу (густина тіла менша за густину рідини), то тіло спливає:

F_т < F_A

ρ_T< ρ_p

3. Якщо сила тяжіння дорівнює архімедовій силі (густина тіла дорівнює густині рідини), то тіло плаває в товщі рідини:

F_т = F_A

ρ_T= ρ_p

Дослід 6. Умови плавання тіл пояснюємо за допомогою приладу «Водолаз». У циліндричну посудину висотою 30 см, діаметром 6 см, заповнену водою до висоти 23 см, поміщаємо маленьку пляшечку закриту корком. Всередині корка знаходиться тонка трубка, через яку може набиратися вода. Зверху циліндричну посудину закриваємо гумовою плівкою. Натискаємо рукою на плівку. За законом Паскаля, тиск, який діє на газ або рідину, передається ними в усіх напрямках однаково. Тому об’єм води у пляшечці буде збільшуватись, а значить і маса її, і сила тяжіння, що діє на неї. Регулюючи зовнішню дію на плівку, демонструємо три умови плавання тіл і аналізуємо таблицю: