Архимедова сила. Условие плавания тел

Архимедова  сила. Условие плавания тел

Закон Архимеда. Природа выталкивающей силы

Существование гидростатического  давления приводит к тому, что на любое тело, находящееся в жидкости или газе, действует выталкивающая  сила. Впервые значение этой силы в  жидкостях определил на опыте  Архимед.Закон Архимеда формулируется так: на тело, погруженное в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, равная весу того количества жидкости или газа, которое вытеснено погруженной частью тела.

Рассмотрим теоретический вывод  закона Архимеда. В сосуд (рис. 56) налита жидкость и погружено тело, имеющее  форму куба. Ребро куба равно l. Верхняя  грань куба находится от поверхности  жидкости на глубине h, а нижняя - на глубине h+l. На все грани куба жидкость оказывает давление. При этом силы давления, действующие на боковые грани куба, взаимно компенсируются. На верхнюю грань куба действует направленная вниз сила давления F₁, модуль которой

F1=r_жghS    (5.6)

где r_ж - плотность жидкости; S - площадь грани куба. На нижнюю грань куба действует направленная вверх сила давления F₂, модуль которой

F₂=r_жg(h+l)S.    (5.7)

Так как h<h+l, то F₁<F₂, т.е. равнодействующая этих двух сил направлена вертикально вверх и представляет собой выталкивающую (архимедову) силу:

F_A=F₂-F₁    (5.8)

Подставив (5.6) и (5.7) в (5.8), найдем, что модуль архимедовой  силы

F_a=r_жg_lS=r_жgV=P_ж    (5.9)

где V - объем куба (т. е. объем жидкости, вытесненной  погруженным телом); P_ж - вес вытесненной жидкости. Следовательно, выталкивающая сила по модулю равна весу жидкости, вытесненной погруженной частью тела.

Архимедова сила F_A приложена к телу в центре масс вытесненной телом жидкости и направлена против силы тяжести, действующей на это тело. (Необходимо помнить, что закон Архимеда справедлив только при наличии тяжести. В условиях невесомости он не выполняется.)

Условие плавания тел

Поведение тела, находящегося в жидкости или газе, зависит от соотношения между модулями силы тяжести F_т и архимедовой силы F_A, которые действуют на это тело. Возможны следующие три случая:

1. F_т>F_A - тело тонет;
2. F_т=F_A - тело плавает в жидкости или газе;
3. F_т<F_A - тело всплывает до тех пор, пока не начнет плавать.

Проверка  справедливости закона Архимеда для  газов

Под колокол вакуумного насоса (рис. 57) помещают равноплечие весы, на которые подвешены пустотелый стеклянный шар большого объема и  гиря, уравновешивающая вес этого  шара в воздухе. Если откачать из-под  колокола воздух, то равновесие нарушится  и коромысло весов, на котором  подвешен шар, опустится вниз. Объясним это явление.

Как отмечалось, вес Р'_ш шара в воздухе был уравновешен весом Р'_ггири в воздухе, т. е. Р'_ш= Р'_г. Но если справедлив закон Архимеда, то и на шар, и на гирю в воздухе действуют выталкивающие силы. Поэтому вес шара в воздухе равен Р'_ш= Р_ш-F_ш, а вес гири в воздухе Р'_г= Р_г-F_г, где Р_г и Р_ш - истинные веса гири и шара, т. е. их веса в пустоте, a F_г и F_ш- архимедовы выталкивающие силы, действующие соответственно на гирю и шар.

Согласно (5.9), F_ш=r_вgV_ш и F_г=r_вgV_г, где r_в - плотность воздуха, V_ш - объем шара, V_г - объем гири. Так как V_ш >>V_г, то выталкивающая сила F_ш, действующая на шар, значительно больше выталкивающей силы V_г, действующей на гирю. Поэтому наблюдаемое в воздухе равновесие шара и гири не означает одинаковости их весов в пустоте. На самом деле истинный вес шара P_ш больше истинного веса гири P_г. Это сразу обнаруживается, когда из-под колокола насоса откачивают воздух. Весы выходят из равновесия, шар опускается вниз. Таким образом, данный опыт наглядно показывает справедливость закона Архимеда и для газов.

На использовании  действия архимедовой силы в газах  основано воздухоплавание - полеты дирижаблей, аэростатов и т. п.

Вопросы для самоконтроля:

·  Как формулируется закон Архимеда?

·  Сделав пояснительный рисунок, выведите формулу, определяющую значение архимедовой силы. В какой точке тела она приложена?

·  Какова природа архимедовой силы, т. е. какова причина ее возникновения?  

·  Выполняется ли закон Архимеда в условиях невесомости?

·  Объясните, в чем состоит условие плавания тел.

·  Сделав пояснительный рисунок, опишите эксперимент, доказывающий справедливость закона Архимеда для газов.

 

 

 

Характеристики урока (занятия)

Уровень образования:  

среднее (полное) общее образование

Целевая аудитория:  

Учитель (преподаватель)

Класс(ы):  

7 класс

Предмет(ы):  

Физика

Цель урока:  

 

• отработка практических навыков  при решении задач;
• применять теоретические положения и законы при решении задач;
• развитие самостоятельности учащихся в процессе решения задач и индивидуальной работы.

Тип урока:  

Урок закрепления знаний

Учащихся в классе (аудитории):  

25

Используемые учебники и учебные  пособия:  

учебник Физики 7 класса автор А. В. Перышкин

Сборник вопросов и задач по физике 7-9 класс автор В. И. Лукашик

Используемое оборудование:  

• весы учебные без чашек, 2 сосуда с водой, сосуд с растительным маслом или керосином (ацетоном) 2 груза массой по 100г или цилиндра, гиря массой 100г.

Оснащение урока:

• мультимедиа проектор, компьютер, экран.
• презентация (используется в течение всего урока.

Краткое описание:  

Урок решения задач.

Урок решения  задач по теме "Архимедова сила. Плавание тел"

Цели урока:

• отработка практических навыков при решении задач;
• применять теоретические положения и законы при решении задач;
• развитие самостоятельности учащихся в процессе решения задач и индивидуальной работы.

Задачи урока:

• Обучающая: закрепление у обучающихся навыков решения расчетных, качественных и экспериментальных задач, нахождение ответов на вопросы в нестандартных ситуациях;
• Воспитательная: формирование навыков коллективной работы в сочетании с самостоятельностью обучающихся;
• Развивающая: научить обучающихся применять знания в новой ситуации, развить умение объяснять окружающие явления, развивать эмоции обучающихся посредством создания ситуаций удивления, занимательности, парадоксальности.

Тип урока: решение задач.

Оборудование: 

• весы учебные без чашек, 2 сосуда с водой, сосуд с растительным маслом или керосином (ацетоном) 2 груза массой по 100г или цилиндра, гиря массой 100г.

Оснащение урока:

• мультимедиа проектор, компьютер, экран.
• презентация (используется в течение всего урока)(Приложения).

 

 

Эпиграфы урока: Я мыслю, следовательно, я существую.

Декарт

(французский философ и  математик , 1596-1650 г.)

Не стыдно не знать, стыдно не учиться.

(русская пословица)

Ход урока

I. Организационный момент.

Учитель:  Здравствуйте. Садитесь. Прежде  чем  мы  приступим  к  уроку,  я  хотела  бы,  чтобы  каждый  из  вас  настроился  на  рабочий  лад.  Просто  расслабьтесь  и  скажите  себе:  « Я  нахожусь  сейчас  на  уроке  физики.  А  обо  всём  остальном  я  не  буду  думать  сейчас,  я  подумаю  об  этом  потом».  Настроились?  Прекрасно! 

А  теперь  давайте  приступим  к  работе. (слайд 1)

Цель нашего урока совершенствовать навыки решения задач различного типа.

При решении любой задачи мы рассуждаем, думаем. (слайд 2) Поэтому и эпиграф к уроку:

«Я мыслю, следовательно, я существую.»

И помните: «Не стыдно не знать, стыдно не учиться.»

II. Повторение изученного  материала.

Сейчас я хочу вам предложить ответить на вопросы (слайд 3)

1) Фронтальный опрос.

1. Опишите действие жидкости  или газа на тело, находящееся  в них.

При погружении тела в жидкость на него со всех сторон начинает действовать  давление. Т.к. давление зависит от высоты столба жидкости, то на точки тела, находящиеся  на большей глубине давление больше, т.е. преобладает сила давления, направленная вверх.

2. Как называют силу, которая  выталкивает тела, погруженные в  жидкости или газы? Выталкивающая сила, или Архимедова сила.

3. Какими способами можно  определить архимедову силу?

1. по формуле FA = ρЖgVпчт
2. опытным путем FА = Рвозд – Рж

4. От каких величин зависит архимедова сила? От каких величин она не зависит?

Зависит от ρж и от Vпчт 
не зависит от массы тела, глубины погружения, формы тела, плотности тела.

5. Опишите поведение твердых  тел в жидкости.

Твердые тела в жидкости могут  тонуть, плавать в жидкости и на ее поверхности, всплывать.

6. При каком условии  тело, находящееся в жидкости  тонет? Плавает? Всплывает?

Тело тонет, если Fт > Fж или ρт > ρж 
Тело плавает, если Fт = Fж или ρт = ρж 
Тело всплывает, если Fт < Fж или ρт < ρж

7. Сформулируйте закон  Архимеда.

На тело, погруженное в  жидкость или газ, действует выталкивающая  сила, направленная снизу вверх и  равная весу жидкости в объеме погруженного в нее тела.

2) Решение качественных  задач. (слайд 4 – 7)

1. В сосуд погружены три железных шарика равных объемов. Одинаковы ли силы, выталкивающие шарики? (Плотность жидкости вследствие ничтожно малой сжимаемости на любой глубине примерно одинаковой).

 
Рис. 1

2. На поверхности воды плавают бруски из дерева, пробки и льда. Укажите, какой брусок из пробки, т.е. пробковый, а какой изо льда? Какая существует зависимость между плотностью тела и объемом этого тела над водой?

 
Рис. 2

3. Деревянный шар плавает в воде. Назовите силы, действующие на шар. Изобразите эти силы графически. Определите плотность данного деревянного шара.

Рис. 3

4. К весам подвешены два груза массой по 100г, имеющие разные объемы. Нарушится ли равновесие весов, если оба груза опустить в стаканы с водой?

Оборудование: Весы учебные без чашек, 2 сосуда с водой, гиря массой 100 г, груза массой по 100 г.

5. К весам подвешены два груза одинаковой массы и объема. Нарушится ли равновесие весов, если один из грузов опустить в стакан с водой, а другой в стакан с растительным маслом (керосином или ацетоном)

Оборудование: весы учебные без чашек, сосуд с водой, сосуд с растительным маслом или керосином (ацетоном) 2 груза массой по 100г или цилиндра.

Вывод: задачи еще раз нам доказали, что

1. архимедова сила зависит от объема погруженной части тела и плотности жидкости;
2. чем больше объем погруженной части тела, тем больше архимедова сила;
3. чем больше плотность жидкости, тем больше архимедова сила.

III. Решение задач (слайд 8 – 12)

№ 1. В каком порядке расположатся в одном сосуде три не смешивающиеся между собой жидкости: вода, керосин, ртуть. Сделайте соответствующий рисунок. Как в этом сосуде расположатся три сплошных шарика: 1 пробковый, 2 парафиновый, 3 стальной. Ответ обоснуйте. Сделайте рисунок.

Керосин 800 кг/м3  Вода 1000 кг/м3  Ртуть 13600 кг/м3

пробка 240 кг/м3  парафин 900 кг/м3  сталь 7800 кг/м3

 

 

№ 2. Мальчик, масса тела которого 40 кг, держится на воде. Та часть тела, которая находится над поверхностью воды, имеет объем 2 дм3. Определите объем всего тела мальчика.

№ 3. Какую силу надо приложить, чтобы поднять под водой камень массой 30 кг, объем которого 0,012 м3.

Анализ задачи.

Какие силы действуют на тело, погруженное в жидкость? Куда они  направлены?

Где находится камень?

Что можно сказать о  силах тяжести и Архимеда в  этом случае?

Что необходимо сделать с  камнем?

Куда будет направлена сила, которую необходимо приложить  к камню, для того чтобы его  поднять?

Как же ее найти? Чему равна  равнодействующая двух сил, направленных по одной в противоположные стороны?

Запись задачи.

IV. Тестирование (слайд 13)

На партах листы контроля,где выполняется тест.

Взаимопроверка и оценка: без ошибки – "5"                                             

 Одна, две ошибки –  "4"                                              

 Три или четыре ошибки  – "3", более – "2"

ТЕСТ по теме «Архимедова  сила, плавание тел»  в двух вариантах  

V. Домашнее задание: (Слайд 14)

Листы с задания раздаются  каждому ученику

VI. Рефлексия: (слайд 15)

Проанализируйте, пожалуйста, «движение» своих мыслей, чувств, ощущений, которые возникли у вас в течение урока. В листах контроля ученики обводят смайлики.