Урок "Виштовхувальна сила в рідинах та газах. Закон Архімеда"

Тема. Виштовхувальна сила в рідинах та газах. Закон Архімеда

Мета: сформувати поняття про виштовхувальну силу, розвивати вміння знаходити рівнодійну двох сил, застосовувати закон Паскаля, формувати вміння установлювати причинно-наслідкові в спостережуваному явищі, ознайомити учнів із практичним застосуванням закону Архімеда.

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

Хід уроку

І. Організаційний момент

Перевірка присутності учнів у класі та їх готовності до 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. 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:

,

де – гідростатичний тиск рідини, S – площа грані.

Аналогічно на нижню грань кубика діє сила тиску F₂:

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.

Для визначення архімедової сили пропоную учням переглянути відео https://www.youtube.com/watch?v=KV8bSIAGPdk.

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

F_арх =F₂ – F₁,

де – сила тиску рідини, що діє на верхню грань кубика, – сила тиску рідини на нижню грань кубика.

Знаючи F₂ і F₁, знайдемо виштовхувальну силу:

F_арх=.

Різниця глибин , на яких перебувають нижня і верхня грані кубика, є висотою h кубика, отже, F_арх.

F_арх

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

F_арх.

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,

де F_арх – архімедова сила, – густина рідини або газу, – 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.

IV. Закріплення вивченого матеріалу

Розв’язування задач

Вправа 27 (1 – 4) ст. 179

V. Підсумок уроку

Рефлексація

Працюючи на уроці я:

- дізнався про …

- зрозумів …

- навчився …

Найбільше мені сподобалися…

На занятті у мене найкраще виходило…

Я мав складнощі з…

Я хотів би ще дізнатися про…

Оцінювання учнів

VI. Домашнє завдання

Вивчити параграф 27, виконати вправу 27 (5 - 7).