Урок 48 Виштовхувальна сила в рідинах та газах. Закон Архімеда (Урок)

7клас

Урок 48

Виштовхувальна сила в рідинах та газах. Закон Архімеда

Мета уроку:

навчальна:

• сформувати поняття про виштовхувальну силу(архімедову силу);
• ознайомити учнів з законом Архімеда;
• з’ясувати причини виникнення виштовхувальної сили у рідинах і газах;
• формувати вміння застосовувати закон Архімеда під час розв’язування типових задач;

розвивальна:

• розвивати вміння знаходити рівнодійну двох сил, застосовувати закон Паскаля;
• розвивати мислення, вміння будувати алгоритми дій, необхідних для досягнення потрібного результату;
• активізувати самостійність мислення учнів;
• розвивати пізнавальну активність, кмітливість, спостережливість.
• формувати вміння установлювати причинно-наслідкові в спостережуваному явищі;
• ознайомити учнів із практичним застосуванням закону Архімеда;

виховна: виховувати бажання вивчати фізику.

 

Очікувані результати: учні володіють поняттям та знають визначення виштовхувальної сили, формулюють закон Архімеда, застосовують його при розв’язуванні задач та можуть пояснити практичне його застосування.

Тип уроку: вивчення нового

Учні мають:

• зрозуміти зміст закону Архімеда й архімедової сили; уміти обчислювати архімедову силу;
• оволодіти досвідом вирішення проблем і досвідом евристичної діяльності при розв'язку якісних фізичних задач по даній темі;
• оволодіти досвідом дослідницької діяльності в процесі самостійного вивчення залежності сили Архімеда від об'єму тіла й густини рідини під час роботи в групах;
• навчитися використовувати для пізнання навколишнього світу різні методи: спостереження, дослід,  експеримент;
• навчитися проводити спостереження, виконувати досліди, обробляти результати дослідів, представляти результати вимірів за допомогою таблиць, виявляти залежності між фізичними величинами, пояснювати отримані результати й робити висновки;
• навчитися застосовувати теоретичні знання по фізиці на практиці при розв'язувані фізичних задач;

 

Формування ключових компетентностей:

• Математична грамотність.
• Компетентності в природничих науках і технологіях.
• Уміння навчатися впродовж життя.
• Екологічна грамотність і здорове життя.

 

Скажи мені – і я забуду,

покажи мені – і я запам'ятаю,

дай мені зробити самому – і я навчуся.
/Давньокитайська  мудрість./

 

Хід уроку

І. Організаційний момент

Перевірка присутності учнів у класі та їх готовності до уроку.

Налаштування на позитивний настрій учнів на початку уроку

ІІ. Актуалізація опорних знань

1. Перевірка домашнього завдання.
2. Опитування теоретичного матеріалу.

Вправа «Сніжна грудка»: один учень називає фізичну величину, другий формулює її визначення, третій – називає букву, якою позначається, четвертий – записує формулу для обчислення, п’ятий – називає одиниці її вимірювання та прилад, яким можна виміряти дану фізичну величину.

Наприклад,

1. Сила тяжіння.
2. Сила тяжіння – це сила, з якою Земля притягує до себе тіла, що перебувають на її поверхні або поблизу неї.
3. Позначається F_тяж,
4.  Обчислюється за формулою F_тяж=mg,
5. Вимірюється сила тяжіння в ньютонах, динамометром.

ІІІ. Мотивація навчальної діяльності учнів

1)   Чому собака-водолаз легко перетягує потопаючого у воді, однак на березі не може зрушити його з місця? ( відповіді учнів)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2) «Іхтіандр простягає руки нагору й хапає альбатроса за ноги. Переляканий птах розкриває свої потужні крила й піднімається, витягаючи з води Іхтіандра. Але в повітрі Іхтіандр і альбатрос падають на хвилю...» (А.Р.Бєляєв. Людина-Амфібія). Чому альбатрос упав у воду?

 

 

 

(

 

 

 

 

 

 

 

 

Як бачимо, тих знань, що ви засвоїли на попередніх уроках, замало для того, щоб повно й коректно відповісти на поставлені запитання. Таким чином, ми зустрічаємося з необхідністю поповнення багажу наших знань про деяку силу (що виштовхує) і закони, що її описують.

Для того щоб ми могли повноцінно плідно працювати, нам необхідно сформулювати мету нашого сьогоднішнього уроку. Будь ласка… (учні за бажанням, з допомогою учителя, формулюють мету уроку)

Отже, наша мета полягає в з’ясуванні причини виникнення сили, що діє на тіло в рідині, її якісному й кількісному описі, а також у з’ясуванні області застосування отриманих знань і вмінь на практиці.

 

ІV. Вивчення нового матеріалу

Сьогодні на уроці ми зрозуміємо, чому можливе плавання величезних океанських судів, підводних човнів, повітряних куль, чому м’яч, який занурили у воду і відпустили, вискакує над поверхнею води, чому важкий камінь, який на суходолі не можна посунути з місця, легко підняти під водою.

Для доведення існування виштовхувальної сили проводимо фронтальний експеримент. Прикріплюємо циліндр до динамометра і, обережно занурюючи тягарці у воду, спостерігаємо за пружиною динамометра. Проведемо ще один дослід. Підвісимо до коромисла  терезів дві однакові кулі. Маси куль є рівними, отже, терези будуть зрівноважені. Підставимо під праву кулю порожню посудину. Наллємо в посудину воду і побачимо, що рівновага терезів порушиться. Отже, якась сила намагається виштовхнути, тіло занурене в воду.

Щоб розібратися, розглянемо занурений у рідину кубик. На нього з усіх боків діють сили гідростатичного тиску рідини.

Сили гідростатичного тиску, що діють на бічні грані кубика, є протилежними за напрямом і рівними за значенням, оскільки площі бічних граней однакові і ці грані розташовані на однаковій глибині. Такі сили зрівноважують одна одну.

А от сили гідростатичного тиску F₁ і F₂, що відповідно діють на верхню і нижню грані кубика, одна одну не зрівноважують.

На верхню грань кубика діє сила тиску F₁:

F₁=p₁ S=ρ_рід g h₁ S,

де p₁= ρ_рід  g h₁ – гідростатичний тиск рідини, S – площа грані.

Аналогічно на нижню грань кубика діє сила тиску F₂:

 F₂ = p₂ S= ρ_рід g h₂ S

Нижня грань перебуває на більшій глибині, ніж верхня (), тому сила тиску F₂ більша за силу тиску F₁. Рівнодійна цих сил дорівнює різниці значень F₂ і F₁ і напрямлена в бік більшої сили, тобто вертикально вгору.

По вертикалі вгору на кубик, занурений у рідину, діє сила, зумовлена різницею тисків на його верхню і нижню грані, - виштовхувальна сила:

F_вишт =F₂ – F₁.

На тіло, розташоване в газі, також діє виштовхувальна сила, але значно менша від виштовхувальної сили, що діє на те саме тіло в рідині, адже густина газу набагато менша від густини рідини. Виштовхувальну силу ще називають архімедовою силою.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

«Легенда про Архімеда»

Існує легенда про те, як Архімед прийшов до відкриття, що сила, що виштовхує, дорівнює вазі рідини в об'ємі тіла. Він міркував над завданням, заданим йому сіракузьким царем Гієроном (250 років до н.е.).

Цар Гієрон доручив йому перевірити чесність майстра, що виготовив золоту корону. Хоча корона важила стільки, скільки й було відпущено на неї золота, цар запідозрив, що вона виготовлена зі сплаву золота з іншими, більш дешевими металами. Архімеду було доручено довідатися, не ламаючи корони, є в ній домішка чи ні.

Вірогідно невідомо, яким методом користувався Архімед, але можна припустити наступне. Спочатку він знайшов, що шматок чистого золота в 19,3 рази важчий такого ж об'єму води. Інакше кажучи, густина золота в 19,3 рази більша за густину води.

Архімеду треба було знайти густину речовини корони. Якщо ця густина виявилася б більшою густини води не в 19,3 рази, а в менше число раз, то корона була виготовлена не із чистого золота.

Зважити корону було завдання легке, але як знайти її об'єм? От що бентежило Архімеда, адже корона була дуже складної форми. Багато днів мучило Архімеда це завдання. І от одного разу, коли він, перебуваючи в лазні, стрибнув у наповнену водою ванну, його раптово осінила думка, що дала розв'язок задачі. Радісний і збуджений своїм відкриттям, Архімед закричав:  «Еврика!  Еврика!», що  значить: «Знайшов! Знайшов!».

Архімед зважив корону спочатку в повітрі, потім у воді. За різницею у вазі він розрахував силу, що виштовхує, рівну вагу води в об'ємі корони. Визначивши потім об'єм корони, він зміг уже обчислити її густину, а знаючи густину, можна дати відповідь на запитання царя: чи немає домішок дешевих металів у золотій короні?

Легенда говорить, що густина речовини корони виявилася меншою густини чистого золота. Тим самим майстер був викритий в обмані, а наука збагатилася чудовим відкриттям.

Історики розповідають, що завдання по золотій короні спонукало Архімеда зайнятися питанням про плавання тіл. Результатом цього була поява чудового твору «Про плаваючі тіла», який дійшов і до нас.

Закон Архімеда використовують і для повітроплавання. Уперше повітряну кулю в 1783 році створили брати Монгольф’є. У 1852 році француз Жиффар створив дирижабль — керований аеростат з повітряним рулем та гвинтом.

                     

 

Визначимо значення архімедової сили для кубика, зануреного в рідину. Отже, 

F_арх =F₂ – F₁,

де   F₁=p₁ S=ρ_рід g h₁ S,– сила тиску рідини, що діє на верхню грань кубика, 

      F₂ = p₂ S= ρ_рід g h₂ S – сила тиску рідини на нижню грань кубика.

Знаючи F₂ і F₁, знайдемо виштовхувальну силу:

F_арх = ρ_рід g h₂ S – ρ_рід g h₁ S = ρ_рід g S (h₂ – h₁)

Різниця глибин  h₂ – h_1, на яких перебувають нижня і верхня грані кубика, є висотою h кубика, отже, F_арх = ρ_рід g h S. 

   V=S h

F_арх = ρ_рід g V

Тут ρ_рід V – це маса рідини в об’ємі кубика, тобто маса рідини, об’єм якої дорівнює об’єму кубика. Оскільки    ρ_рід V = m_рід ,  то

  F_арх = m_рід g = P_рід

Архімедова сила дорівнює вазі рідини в об’ємі кубика.

Ми розглянули випадок із кубиком, який був повністю занурений у рідину. Проте отриманий результат справджується для тіла будь-якої форми і у випадках, коли тіло занурене в рідину частково, - для розрахунків лише потрібно брати об’єм зануреної в рідину частини тіла. Крім того, результат справджується і для газів.

Закон Архімеда: на тіло, занурене в рідину або газ, діє виштовхувальна сила, яка дорівнює вазі рідини або газу в об’ємі зануреної частини тіла:

   F_арх = ρ_рід g V_зан,

де F_арх – архімедова сила, ρ_{рід (газу)} – густина рідини або газу,

  V_зан – об’єм зануреної частини тіла.

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

Для пояснення дії виштовхувальної сили пропоную учням переглянути відео https://www.youtube.com/watch?v=G6Y1msVaGyQ.

Отже, від чого залежить і не залежить архімедова сила?

	Архімедова сила
	Залежить	Не залежить
Від маси тіла
Від форми тіла
Від об'єму тіла
Від густини  рідини
Від глибини занурення тіла

 

ВИСНОВОК: архімедова  сила залежить від густини рідини й об’єму тіла, не залежить від маси й форми тіла, глибини занурення тіла.

 

 

V. Закріплення вивченого матеріалу

Розв’язування задач

Тестові завдання 

 1. Вага картоплини в повітрі дорівнює 3,5 Н, а у воді 0,5 Н. Чому дорівнює архімедова сила?

   А) 4 Н;   Б) 0,3 Н;    В) 3 Н;    Г) 2,7 Н.

2.  Залізну і дерев'яну кулі рівних об'ємів кинули у воду. Чи рівні виштовхувальні сили, що діють на ці кулі?

     А) На залізну кулю діє більша виштовхувальна сила;

     Б) Більша виштовхувальна сила діє на дерев’яну кулю;

     В) На обидві кулі діють однакові виштовхувальні сили.

3. До пружинного динамометра підвішене металеве тіло. У якому випадку показання динамометра будуть більшими: якщо тіло занурити у воду або в гас?

А) Більше у воді; 

Б) Більше в гасі;

В) Однакові.

 

Якісні завдання

Завдання 1. На яку з опущених у воду сталевих куль діє найбільша виштовхувальна сила?

Завдання 2. Однакового об'єму тіла - скляне й сталеве - опущені у воду. Чи однакові виштовхувальні сили діють на них?

 

Завдання 3.Чи однакові виштовхувальні сили будуть діяти на дане тіло в рідині при зануренні його на різну глибину?

Задача

Об’єм шматка заліза дорівнює 0,2 дм³. Визначте виштовхувальну силу, що діє на нього під час повного занурення у воду.

Дано:

V=0,2дм³ =0,0002м³        F_A = ρ_p g V_т
       F_A =1000кг/м³ ·10Н/кг×

                                                                        ×0,0002м³ =2Н

ρ = 1000 кг/м³

F_A — ?

 

Відповідь: 2 Н.

 

 

 

VІ. Підсумок уроку

Наш  урок підходить до логічного завершення. Підведемо підсумки уроку.

1.               Що нового ви дізналися, зрозуміли?
2.               Що навчилися робити?
3.               Що сподобалося найбільше на уроці?
4.               Які труднощі виникали? І чому?
5.               Чи досягнули поставленої мети?

(Проводиться порівняння із запропонованими на початку уроку гіпотезами.)

Тепер ви зможете мені пояснити, чому альбатрос з Іхтіандром впав у воду, чому собака-водолаз легко може тягти людину по воді, але тільки до берега.

(Вага людини на березі збільшується.)

А маса?

(Залишилася сталою.)

У якій воді легше навчитися плавати – у річковий або морський?

(У морський, у ній виштовхувальна сила більша.)

Сьогодні на уроці ви одержали додатковий життєвий досвід. Сподіваюся, що знання й уміння, отримані на уроці, допоможуть вам краще орієнтуватися в навколишньому світі, а фізичні явища стануть для вас більш зрозумілими й привабливими.

 

Інтерактивна вправа «Результат»


На столах учнів лежать конверти. Учні повинні продовжити речення.

 

Під час сьогоднішнього уроку я:

— дізнався (дізналася) …

— зрозумів (зрозуміла) …

— навчився (навчилася) …

— я не вмів (на вміла), а тепер умію …

— надалі я хочу …

 

VIІ. Домашнє завдання

1. Вивчити параграф 27, виконати вправу 27 (3,5).

2. Творче завдання: проведіть досвід, перевірте, як поводиться яйце у чистій воді й у розчині солі.

 

 

 

Експериментальні дослідження

Дослід 1.

Збирання олії з поверхні води Обладнання: пробірка, пластилін, посудина з водою, 20—25 мл соняшникової олії. Пояснення явища Густина олії менша за густину води, тому виштовхувальна сила, що діє на неї, більша за силу тяжіння. Олія піднімається вгору, а вода опускається донизу. Нафтове забруднення Світового океану, безсумнівно, є поширеним явищем. Від 2% до 4% водяної поверхні Тихого й Атлантичного океанів постійно вкрито нафтовою плівкою. Тому, на мою думку, це явище можна використати для очищення водойм від плям нафти.

Дослід 2.

Водяний свічник
 Обладнання: свічка, невеликий важок (гайка), посудина з водою. Пояснення явища Спочатку здається, що свічка горітиме доти, доки не вигорить частина, що виступає над водою. Але вона згоряє майже наполовину. Під час плавання свічки сила тяжіння, що діє на неї, дорівнює виштовхувальній силі. У процесі горіння маса свічки, а отже, й сила тяжіння, поступово зменшується. Для рівноваги свічки виштовхувальна сила повинна теж зменшуватися, а це можливо лише за умови піднімання свічки відносно рівня води.

 

Скарбничка цікавих фактів

Парадокс Архімеда

Сила Архімеда, що діє на корабель, дорівнює вазі витісненої ним води. Але кількість води, у якій корабель плаває, може бути значно меншою, ніж кількість води, яку він повинен витіснити, щоб плавати. Дослід, який пояснює цей парадокс зображено на мал.1. Подібна ситуація трапляється, коли корабель перебуває в шлюзі (мал.2).

Мал. 1. Парадокс Архімеда: корабель може плавати в малій кількості води.

Мал. 2. Корабель у шлюзі.

Криголам чи «кригодав»?

Криголам не завжди розколює лід своїм носом. Це можливо лише для тонких крижин. Найчастіше він тисне на крижину носовою частиною. Коли ніс «вилазить» на крижину, вага його збільшується (у цей момент сила Архімеда вже не діє на нього) і лід тріскається.

 

Чому корабель не тоне?

Металевий корабель витісняє об’єм води, набагато більший, ніж об’єм металу, що пішов на його виготовлення. Адже внутрішня частина корабля заповнена повітрям. І якщо вона заповниться водою в результаті аварії, то корабель потоне. Щоб цього не відбулося, внутрішній простір розділяють сталевими перебірками на водонепроникні відсіки, які перешкоджають повному затопленню корабля водою у разі аварії.

Особливі випадки

1. Траплялися випадки, коли підводний човен опускався на глинисте дно і більше не міг піднятися, в результаті чого гинув екіпаж. Так ставалося через те, що при відсутності дії сили тиску води на дно тіла, виштовхувальна сила не виникає. Навпаки, сили тиску в такому випадку притискають тіло до дна (мал.3).

2. Якщо тіло прилипло до стінки посудини, то виштовхувальна сила вже не діє вертикально вгору (в такій ситуації перебувають равлики що повзають по стінці акваріуму).

Мал.3. Особливі випадки.

Архімедова сила й кити. 

Особливості поведінки тварин у воді пов’язані з малим тертям і наявністю виштовхувальної (архімедової) сили. Ідеально пристосоване для життя у воді тіло найбільшої тварини на Землі — кита. Найбільшими є сині кити.

 Розміри синього кита

 

Маса синього кита досягає 130 т. Рисунок 4 дає уявлення про те, у скільки разів розміри синього кита більші за розміри людини. Довжина цього кита — 33 м, він майже на 10 м довший, ніж пасажирський вагон.
Найбільший із китів, пійманий людиною, мав масу 150 000 кг, а найбільша наземна тварина — слон — має масу від 3 000 до 6 000 кг (як язик деяких китів!).

Рисунок 4

 

Задача 1

           Тіло плаває у воді, якщо виштовхувальна (архімедова) сила, що діє на нього, і сила тяжіння рівні між собою. Спробуймо розрахувати архімедову силу, що діє на синього кита, і порівняти її із силою тяжіння.
            Визначмо діаметр нашого кита — це буде середнє арифметичне діаметра тіла кита.
            Використовуючи рисунок 4, виміряємо діаметр кита в десяти різних місцях.
            Знайдемо середнє арифметичне цих значень. Враховуючи масштаб рисунка, знайдемо дійсний діаметр кита. Результати вимірювань та обчислень занесемо до таблиці 1.

 

таблиця 1

№ з/п	d,м	d на рисунку,м	Масштаб рисунка	Дійсний діаметр кита, м
1	0,005	0,0083	1:400
2	0,007
3	0,009
4	0,01
5	0,01			0,0083×400=3,32
6	0,01
7	0,01
8	0,009
9	0,007
10	0,006

 

Обчислимо дійсну довжину кита таблиця 2

 

таблиця 2

Довжина кита на рисунку, м	Масштаб рисунка	Дійсна довжина кита, м
7,5см=0,075м	1:400	0,075м×400=30м
Vтіла=πd2h/4=3,14·(3,32м)2·30м/4=260м3
Знайдемо значення архімедової сили тяжіння: Fа= ρрідVтілаg=1030кг/м3·260м3·10Н/кг = 2678000Н
Fтяж = mg = 150000кг ·10Н/кг = =1500000Н

 

 

Висновок. Архімедова сила, що діє на кита, дорівнює 2 678 000 Н, а сила тяжіння — 1 500 000 Н. Саме архімедова сила, більша за силу тяжіння, утримує тіло кита в рівновазі. Зрозуміло, що кит не може перебувати на суходолі. Величезна сила тяжіння притискає його до землі. Кістяк кита не пристосований до того, щоб витримати таку масу, навіть дихати на суходолі кит не може, оскільки для вдихання він повинен розширити легені, підняти м’язи навколо грудної клітки, а в повітрі ці м’язи мають вагу кілька десятків тисяч ньютонів.