Урок "Архімедова сила"

АРХІМЕДОВА СИЛА.  УМОВИ ПЛАВАННЯ ТІЛ

 7 клас

Мета. Вивчити умови плавання тіл на основі поняття про архімедову си­лу; формувати інтерес до експерименту; розвивати вміння спостерігати, глибоко аналізувати, зіставляти, порівнювати, пояснювати явища; сприяти акти­візації творчого мислення учнів, пробуджувати в них пізнавальний інтерес; розкрити практичне використання умов плавання тіл у житті людини, приро­ді; виховувати почуття відповідального і бережливого ставлення до природи.

Тип уроку. Урок засвоєння нових знань.

Обладнання. Посудини з водою, солоною водою, гасом, тіла однакових розмірів з різних матеріалів, парафінова cвічка, пластилін, поплавок,  динамометр, гумова нитка з вантажами, прилад “Відерце Архімеда”, комп’ютер, відеопроектор, екран, магнітна дошка, магніт і стрілки, акумуляторний ареометр та електроліт, спиртівка, таблиці “Підводний човен”, “Батискаф”, “Підйом затонулих суден”, “Архімедова сила”, портрет Архімеда, схема до розрахунку сили Архімеда.

Хід уроку

І. Актуалізація чуттєвого досвіду та опорних знань учнів

На  попередніх уроках ми познайомились з дією рідини на занурені в неї тіла. А тепер перевіримо, як ви засвоїли цей матеріал.

Зміст повторення.

1. Чим викликаний тиск рідини на дно посудини?

2. Від чого залежить ваговий тиск рідини?

3. Чому для дослідження глибин океану виготовляють апарати підвищеної міцності?

4. Чи можна тримати в кімнатному акваріумі глибоководних океанських риб?

5. Чи вірно, що риба, вийнята з води, не зазнає ніякого тиску?

6. Чим зумовлений атмосферний тиск?

7. В якому напрямі діє атмосферний тиск?

  ІІ. Мотивація навчальної діяльності учнів

Отже, ми знаємо, що на всяке тіло, занурене у рідину, діє виштовхувальна   сила. Але чи достатньо ваших знань, щоб пояснити, коли плаває тіло?    (Створюється проблемна ситуація шляхом демонстраційного експерименту.)

   Експеримент 1. У склянку з водою опускається залізний циліндр — він   тоне, опускається дерев'яний   — він спливає.

Експеримент 2. Опускається парафінова кулька у воду — вона спливає, - опускається у гас — тоне.

 Проблемні запитання:

1. Чому одні тіла тонуть у рідині, а інші в тій же рідині плавають?

2. Чому одне й те ж тіло в одній рідині тоне, а в іншій плаває?

Учень. Ще в сиву давнину люди на досвіді переконали­ся, що на поверхні води можуть утримуватися великі навантажені човни і що чим більший ван­таж на човні, тим більшими мають бути розміри корпуса човна. Треба сказати, що стародавні люди були досить вправними кораблебудівниками. Відомий старогрецький історик Геродот, який жив у V ст. до н. е., описував човни зі шкіри, в яких по ріках Тигр і Євфрат перевозили вантажі в кілька тонн. До наших днів дійшов документ XV ст. до н. е., в якому описувалося староєгипетське судно, на якому можна було перевозити кам'яні плити масою тисячі тонн. Проте знання стародавніх людей, їхні спостереження були розрізненими, не завжди точними. Тому, будуючи великі човни, люди керувалися швидше інтуїцією, а не знаннями.

Учень.  

 Архімед (287 – 212 до н.е.) - вершина науко­вої думки  стародавнього світу, видатний інженерний геній, чиє ім'я навічно за­несено в історію фізики.

Його численні відкрит­тя  і  винаходи,  зокрема гвинт, система важелів, бло­ків, поліспастів для піднят­тя великих вантажів, різні метальні та інші  військові машини, були предметом особливого подиву людства.  Збереглися легенди, що Архімед під час оборони рід­ного міста Сіракуз від на­паду римлян використову­вав не тільки сконструйо­вані ним військові машини, а й застосував проти рим­ського флоту угнуті дзер­кала, запалюючи кораблі сфокусованими  сонячними променями.

Визначною працею Архімеда був його твір «Про пла­ваючі тіла», в якому описав відкритий ним основний за­кон  гідростатики — закон Архімеда.

У цій самій праці розглянув умови рів­новаги тіл, що плавають у рі­дині.

ІІІ. Повідомлення теми, мети і завдань уроку

1. На сьогоднішньому уроці ми розглянемо  дуже важливий і тисячоліттями відомий закон Архімеда.  Знання цього закону дасть вам можливість уже не інтуїтивно, як стародавнім єгиптянам, а математично точно з’ясовувати умови плавання тіл, тобто ми  дізнаємося, за яких умов тіла тонуть, спливають, плавають усередині рідини.  І ви зможете відповісти на запитання:

Чому залізний цвях тоне у воді, а судна, виготовлені з металу, плава­ють?

Чому риби плавають всередині рідини, а водоплавна птиця — на поверхні води?

Як піднімається і занурюється підводний човен?

Запишіть в зошити тему сьогоднішнього уроку: “Архімедова сила. Плавання тіл”.

2. Проводяться експерименти із зануренням:

А)   тіла, підвішеного на гумовій нитці. Робиться висновок про наявність виштовхувальної сили.

Б)  тіла, підвішеного на динамометрі. Робиться висновок про вимірюваність виштовхувальної сили.

В)  внутрішнього циліндра “відерця Архімеда” ,  підвішеного на динамометрі. Порівнюється вага циліндра, зміна його ваги при зануренні і вага витісненої води.

Робиться висновок:

1. З повним зануренням у рідину тіло втрачає у вазі стільки, скільки важить рідина

в об'ємі цього тіла. (Запис у зошитах)

Якщо описаний вище дослід повторити так, щоб кулька частково занурилася у воду, то одержимо аналогічний результат.

Робиться висновок:

2) З частковим зануренням у рідину тіло втра­чає у вазі стільки, скільки важить рідина в об'ємі зануреної частини тіла.(Запис у зошитах)

3. Як же обчислити величину Архімедової сили?

                                                               p=F:S,    F=p·S

                                              h                     F₁=ρ_pgHS

        H                                                          F₂=ρ_pghS

                               H-h                                F_A=F₁-F₂=ρ_pgHS-ρ_pghS=ρ_pgS(H-h)=ρ_pgV_т

                                                                                                        F_A=ρ_pgV_т

Узагальнюючи результати дослідів і спосте­режень, можна зробити висновок:

на тіло, занурене в рідину або газ, діє ви­штовхувальна сила, яка дорівнює вазі рідини або газу в об'ємі цього тіла.

Це твердження називають законом Архіме­да.

Закон Архімеда діє тільки в умовах, коли рідина має вагу. У невагомості закон Архі­меда не діє.

4. Розв’язування розрахункових задач. 

    Обчисліть виштовхувальну силу, що діє на гранітну брилу, яка при повному зануренні  виштовхує 0,8м³ води.

g=9,8 Н/кг           F_A=ρ_pgV_т      F_A= 9,8*1000*0,8= 7840(Н)

ρ_р=1000 кг/м³

V_т=0,8 м³                                           Відповідь: 7840 Н.

    F_A-?

    Чому дорівнює архімедова сила, яка діє у воді на тіла об'ємом 125 см³, виготовлені зі скла, корка, алюмінію, свинцю?

g=9,8 Н/кг           F_A=ρ_pgV_т      F_A= 9,8*1000*0,125= 1225(Н)

ρ_р=1000 кг/м³

V_т=0,125 м³                                           Відповідь: 1225 Н незалежно від матеріалу        

    F_A-?                                                                      зануреного тіла.

IV. Осмислення і засвоєння учнями нового матеріалу

Які сили діють на тіло, коли воно знаходиться у рідині? Як напрямлені ці сили?

Які співвідношення можливі між цими силами?

Розглянемо співвідношення між силою тяжіння і архімедовою силою, які діють на тіло, що знаходиться у воді.

   (Використовується відеофрагмент   або відповідна наочність: на магнітній дошці за допомогою магніту прикріплюється рисунок, на якому зображено посудину з водою. Магніт одночасно є тілом, що знаходиться у воді. Прикладаються до тіла паперові стрілки (вектори сили тяжіння і архімедової сили) і закріплюються тим самим магнітом.)

Розглядаємо три можливі випадки:

а) якщо F_т > F_А, рівнодійна сил напрямлена вниз, то тіло тоне ;

б) якщо F_т = F_А, рівнодійна сил дорівнює нулю, то тіло плаває всередині  рідини;

в) якщо F_т < F_А, рівнодійна сил напрямлена вгору, то тіло спливає.

   Перевіряється за допомогою експерименту правильність висновків, зроб­лених учнями.  Для цього використовуються тіла рівного об’єму, виготовлені з різних матеріалів.

   Експеримент. Повністю занурюю дерев'яний брусок у воду. Під дією архімедової сили він спливає.

Підводжу учнів до міркувань: якщо тіло показалося з води і далі спливає, то об'єм зануреної частини зменшується, зменшується вага води, яку витіс­няє тіло, тобто зменшується архімедова сила, що діє на тіло.

Доки тіло спливатиме? Доти, доки сила Архімеда не дорівнюватиме за

модулем силі тяжіння.

Учні роблять висновок. Якщо тіло плаває на поверхні рідини, то вага виті­сненої ним рідини дорівнює вазі цього тіла в повітрі.

V. Осмислення одержаних знань

1. Користуючись таблицею густин, назвіть метали, які можуть плавати у

ртуті.

2. Чи на однакову глибину зануриться дерев'яний брусок у воду і гас? Пояснити результат.

      3. Чи можна гасити палаючий гас, заливаючи його водою?

Учень. Найдавніша згадка про плавання.

Судноплавство в Україні існує від найдавніших часів. Слов'яни здавна споруджу­вали собі річкові човни. Грецький імператор Костянтин Багрянородний оповідав, що у сере- дині Х ст. дуже поширеними були однодеревні човни на Дніп­рі: "Підвладні Русі слов'яни, що звуться кривичі і лучани, та інші слов'яни вирубують за зими де­рево на човни, обробляють і як прийде час, коли розтане лід, спускають їх у близькі озера, потім у Дніпро, і приходять до Києва, витягають човни і про­дають їх. А Русь купує, розби­ває однодеревні, бере з них весла та інший припас і опоря­джує нові".

Учень. Найдавніше судно.

 В Центральному військово-історичному музеї в Санкт-Петербурзі зберігаєтьси дубовий каркас човна, знайденого на дні р. Буг, поблизу с.Сабатинівка Кіровоградської області. Цей старовинний корабель виготовлено близько 2,5 тис. років тому. Зазвичай такі судна випалювали з величезних дубів, а потім "вдосконалювали" примітивними кам'яними і кістяними інструментами.

  У київських князів морсь­ких кораблів не було, але вони будували, за свідченням візан­тійських літописців, моноксили, тобто човни, видовбані зі стов­бура липи або дуба з прибити­ми до них дошками для ство­рення надводного борту. На цих човнах завдовжки близько 20 м могли поміститися 20—30 чол., а іноді - й до 40. Слов'яни спус­калися Дніпром до порогів, пере­тягували їх волоком, виходили в Чорне море, а потім за допомо­гою весел і вітрил прямували до грецьких колоній або вздовж чор­номорського узбережжя, обмина­ючи гирло Дунаю, до Візантії.

( Під час цих повідомлень на екрані  демонструються зображення стародавніх і сучасних  суден та підводного човна)

Учень. Перші підводні човни.

 Найдавніший випадок використан­ня підводних дерев'яних човнів датується 1595 р., коли за гетьма­нування Федора Полоуса запо­різькі козаки невеликими сила­ми

здобули Синоп. Вартові на му­рах фортеці здивувалися, що до гавані нанесло так

багато дере­в'яних колод, але знехтували цим. А коли колоди пристали до берега, вони розпалися навпіл, з них вихопилися козаки і вдер­лися до міста... Такий човен

ви­готовляли з суцільного стовбура. У ньому робилося подвійне дно зі стулками, а

для баласту на спід човна насипали пісок. При по­требі нижні стулки другого дна розчинялися, баласт висипався, і човен випливав на поверхню. Щоб у середину човна надходило повітря, видо­вбувався отвір і в нього встав­лялася очеретяна трубка. Для руху човна використовувалися весла, вставлені у спеціальні отвори, які ущільнювалися шкірою.

Демонструються відеофрагменти про підводний човен та батискаф.

Учні пояснюють плавання цих плавзасобів з допомогою таблиць.

  Розповідь учителя: «У м. Солотвино Закарпатської обла­сті є, на перший погляд, дивне озеро. З давніх часів люди вважали, що на йо­го дні живе чаклун, який нікому не дозволяє заходити у його володіння. На­магався селянин викупати свого коня в озері, не встиг він ступити в нього, як втратив рівновагу і впав. Предмети, кинуті у воду, не тонули, а підтримувались незрозумілою для людей силою. Про це озеро складали сумні легенди... І вода, і земля тут «прокляті» Богом».

Запитання:

А. Що ж це за диво-вода у цьому озері, у якому не тонуть предмети?

Б. Чи можна примусити плавати тіло, яке у звичайних умовах тоне у воді ?

   Демонструється експеримент. Опускаємо це скляне тіло в рідину. Що ви спостерігаєте? Воно плаває. Доливаємо ще рідини. Тіло тоне. Чому?  Складно відповісти? Доливаємо ще рідини. Тіло знову спливає. Яка ж причина?

Розгадка тут проста. Ареометр, який ви бачите, призначений для  вимірювання густини акумуляторного електроліту, і спочатку він плавав, бо електроліт не  був розбавлений. Я долив води, яка теж немає кольору. Чому ареометр потонув? Вірно, вода має меншу густину і зменшила густину розчину. А долив вдруге я не воду, а електроліт, і ареометр знову сплив.

(Якщо залишається час)

Діти, якщо я відпущу цей лекий пластиковий пакетик, як він себе поведе? Так, упаде. Але як можна це назвати по-іншому?. Дійсно, він потоне, бо як і ми, перебуває в повітряному океані і мае густину більшу, ніж у повітря. А як примусити його влавати у повітрі?

Учень.  Виникнення повітроплавання.

Виникнення і перше практичне застосування повітроплавання почалося у Франції в кінці XVIII ст. В 1783 р. брати Жозеф і Етьєн Монгольф`є винайшли кулю з нагрітим повітрям, а в тому ж році Жак Шарль і брати Робери сконструювали повітряну кулю, наповнену воднем. Саме водневі аеростати стали в XIX ст. основним видом літальних апаратів. Передумовами цього винаходу були досягнення в області хімічної технології. Це, по-перше, освоєння виробництва в значних кількостях водню  шляхом дії сірчаної кислоти на залізну стружку, а по-друге, застосування каучуку для просочення тафти, з якої виготовлялася оболонка повітряних куль.

(Демонструються відеозображення   повітряних  куль)

Експеримент з використанням пальника. Подивіться. Я прикріплюю на нитках пакетик і спробую наповнити його теплим повітрям. Гарячий газ піднімається вгору і заповнює пакетик. Кілька секунд почекаємо... Ура! Я це зробив! Я – найкращий! Повітряна куля летить!

V. Підсумок уроку.

1. Отже, діти, якою була тема нашого уроку?

2. Про що ви сьогодні довідалися?

3. Чому величезні кораблі, виготовлені з тисяч тон металу, плавають по річках і океанах?

4. Від чого залежить виштовхувальна сила, що діє на занурені тіла?

5. Як обчислити силу Архімеда?

VІ. Завдання додому.

(В залежності від наявних підручників)