Почему плавают на поверхности воды тяжелые корабли? Почему мы можем лежать на поверхности моря, выставив нос к солнцу и не опускаясь на дно?
Наверное, существует какая-то сила, которая выталкивает нас и кораблики, то есть, все тела из воды и позволяет плавать на поверхности или в ее толще. Сила эта называется в физике архимедовой силой и изучается в курсе седьмого класса.
Архимедова сила в физике
На уроках действие архимедовой силы демонстрируется и объясняется путем проведения различных опытов. Мы же с вами можем просто представить себе тихое утреннее озерцо, пение птиц, лодочку у бережка. И вот мы, полные чудесных эмоций, садимся в лодочку и что происходит? Лодочка под нашим весом погружается глубже.
Если в простую деревянную лодочку сядут двое влюбленных покататься, то все будет, скорее всего, прекрасно, и признание в любви прозвучит просто волшебно на фоне рассвета и соловьев. Но если в лодку набьется полтора десятка любителей романтики, то лодочка, не успев отплыть от берега, замечательным образом опустится на дно вместе со всеми злополучными пассажирами.
СИЛА АРХИМЕДА. ЕГЭ Физика. Николай Ньютон. Техноскул
И тогда вместо любования природой им придется дружно доставать лодку со дна и сушить вещи у костерка, что тоже, безусловно, не лишено некоторой доли романтики.
Формула архимедовой силы
Что же мы можем извлечь полезного из данного опыта? Когда увеличивался вес лодки, то мы видели, что лодка ниже опускалась в воду. То есть, вес тела увеличивал давление на воду, а выталкивающая сила оставалась прежней.
Когда же вес тела превысил величину выталкивающей силы, то лодка под действием этой силы погрузилась на дно. То есть, существует выталкивающая сила, одинаковая для конкретного тела, но разная для различных тел.
Топор, как всем известно, пойдет на дно в любом случае, а вот деревянная доска не только будет плавать на поверхности, но и может еще удержать пару пассажиров. Сила эта и называется архимедовой силой и выражается формулой:
F_выт = g*m_ж = g* ρ_ж * V_ж = P_ж,
где m_ж – это масса жидкости,
а P_ж – вес вытесненной телом жидкости.
А так как масса у нас равна: m_ж = ρ_ж * V_ж, то из формулы архимедовой силы мы видим, что она не зависит от плотности погруженного тела, а только от объема и плотности вытесненной телом жидкости, например, воды.
Тело же, погруженное в жидкость, теряет в своем весе ровно столько, сколько весит вытесненная им вода. Поэтому, естественно предположить, что если вес тела меньше веса воды такого же объема, то оно будет плавать на поверхности, а если больше – то утонет.
Если же вес тела и воды будет равен, то тело может замечательно плавать в толще воды, как и поступают все водные обитатели.
Источник: nado5.ru
Условия плавания тел
Используемые технологии: Традиционная.
Цель урока: Выяснить условия плавания тел в зависимости от плотности жидкости и тела, усвоить их на уровне понимания и применения, с использованием логики научного познания.
Галилео. Эксперимент. Закон Архимеда
Задачи:
- установить теоретически и экспериментально соотношение между плотностью тела и жидкости, необходимое для обеспечения условия плавания тел;
- развитие умений наблюдать, анализировать, сопоставлять, обобщать;
- воспитание интереса к предмету;
- воспитание культуры в организации учебного труда.
Предполагаемые результаты:
Знать: Условия плавания тел.
Уметь: Экспериментально выяснять условия плавания тел.
Оборудование: таблица плотностей, исследуемые материалы, два сосуда (с водой и маслом), деревянный и пенопластовый, железный бруски, обернутые фольгой, картофелины, пластилин, нож.
Ход урока
Активизация знаний
Учитель: На предыдущих уроках мы рассмотрели действие жидкости и газа на погруженное в них тело, изучили закон Архимеда.
Учитель: Прежде, чем приступить к решению задач, ответим на несколько вопросов. Какая сила возникает при погружении тела в жидкость?
Учащиеся: Архимедова сила.
Учитель: Куда направлена эта сила?
Учащиеся: Она направлена вертикально вверх.
Учитель: Какие существуют способы для определения выталкивающей силы?
Учащиеся: Эксперимент, как на лабораторной работе. Сначала мы определили вес тела в воздухе, потом сняли показания динамометра с телом, полностью опущенным в воду. Разность показала нам значение выталкивающей силы.
Архимедову силу можно еще определить по формуле, не выполняя эксперимент.
Учитель: От чего зависит выталкивающая сила?
Учащиеся: Архимедова сила зависит от объёма тела и от плотности жидкости или газа, в которые погружено тело.
Учитель: А если тело не полностью погружено в жидкость, то как определяется архимедова сила?
Учащиеся: Тогда для подсчета архимедовой силы надо использовать формулу FA = ρжgV, где V – объем той части тела, которая погружена в жидкость.
Учитель: Давайте решим задачи, представленные на слайдах (Берем задания 2-6)
Учитель: Итак, мы знаем, что на всякое тело, погруженное в жидкость, действует архимедова сила. А ещё, какая сила действует на любое тело?
Учащиеся: Сила тяжести.
Учитель: Изобразите на доске сосуд с телом и расставьте силы (В процессе беседы попросить расписать массу тела через объем тела и плотность тела. Выполняет задание ученик у доски).
Учитель: Формулы похожи, но есть и отличия. Проанализируем, чем отличаются эти формулы?
Ученики: в первой формуле плотность жидкости, а во второй – плотность тела
Учитель: а теперь продемонстрируем эксперимент: у меня в руках три бруска одинакового объема. Я бросаю их в сосуд с водой и что наблюдаем?
Ученики: одно тело утонуло, другое погрузилось в воду, а третье практически плавает на поверхности.
Учитель: на всех ли действует выталкивающая сила?
Ученики: да
Учитель: а по величине какова эта сила?
Ученики: объем одинаков, жидкость одна и та же, но тела ведут себя по-разному, плавают по-разному
Учитель: значит, что мы сегодня будем изучать на уроке?
Ученики: когда тело плавает, а когда тонет
Учитель: Давайте сегодня на уроке вместе решим проблему: Выясним: Каковы условия плавания тел в жидкости.
Запишите в тетради тему урока – “Условия плавания тел”.
Учитель: Ребята, а вы знаете, какой учёный изучал плавание тел?
Учащиеся: Архимед.
Учитель: Итак, на любое тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила или сила Архимеда направленная вертикально вверх, и сила тяжести, направленная вниз.
Давайте посмотрим на рисунок. Поведение тела зависит от соотношения этих сил. Возможны три случая: (Зарисовываем и записываем в тетрадь!)
- FA< mg . Равнодействующая этих сил направлена вниз, в результате тело тонет. Если тело сплошное, то это будет при условии, когда плотность тела больше плотности жидкости:
- FA = mg. Тело плавает внутри жидкости на любой глубине (безразличное равновесие): ρж = ρт
- mg< FA. Равнодействующая этих сил направлена вверх, и тело начинает всплывать. Пока тело не достигнет свободной поверхности жидкости, выталкивающая сила не будет изменяться. При дальнейшем подъеме объем погруженной части тела уменьшается, следовательно выталкивающая сила начнет уменьшаться и, когда она станет равной по модулю силе тяжести, тело остановится, и будет плавать на поверхности. Всплывшее тело будет, таким образом, частично выступать над поверхностью жидкости. Чем ближе плотность тела к плотности жидкости, тем большая часть тела погружена в жидкость. (Пример с айсбергом)
Итак, чем меньше плотность тела по сравнению с плотностью жидкости, тем меньшая часть тела погружена в жидкость.
В тетради должны появится элементы конспекта в виде:
Для того чтобы тело плавало, необходимо, чтобы действующая на него сила тяжести уравновешивалась архимедовой (выталкивающей) силой.
Запись в тетради.
1. Если ρвещества > ρжидкости, то тела тонут.
2. Если ρвещества < ρжидкости, то тела всплывают на поверхность жидкости.
3. Если ρвещества = ρжидкости, то тело плавает.
Учитель: Теперь выясним, можно ли заставить плавать тела, которые в обычных условиях тонут в воде, например картофелину или пластилин. Посмотрим опыт. Бросим эти тела в воду. Что вы наблюдаете?
Ученики: Они тонут в воде.
Учитель: А в этом сосуде картофелина в воде плавает. В чем же дело?
Ученики: Чтобы заставить картофелину плавать, вы насыпали в воду больше соли.
Учитель: Что же произошло?
Ученики: У соленой воды увеличилась плотность, и она стала сильнее выталкивать картофелину. Плотность воды возросла, и архимедова сила стала больше.
Учитель: Правильно. А если соли не будет. Каким образом добиться, чтобы картофелина плавала в воде?
Ученики: Сделать из картофелины лодочку. Она имеет большой объем и поэтому плавает.
Учитель: Итак, чтобы заставить плавать обычно тонущие тела, можно изменить плотность жидкости или объем погруженной части тела. При этом изменяется и архимедова сила, действующая на тело.
Значит, условия тел можно сформулировать двумя способами: сравнивая архимедову силу и силу тяжести или сравнивая плотности жидкости и находящегося в ней вещества.
В судостроении используется тот факт, что путем изменения объема можно придать плавучесть практически любому телу.
А учитывается ли как-нибудь связь условий плавания тел с изменением плотности жидкости? Да, при переходе из моря в реку меняется глубина осадки судов.
Но подробнее мы поговорим об этом на следующих уроках.
Учитель: Мы говорили об условии плавания твёрдых тел в жидкости. А может ли одна жидкость плавать на поверхности другой?
Наблюдение всплытия масляного пятна, под действием выталкивающей силы воды.
Учитель: Снова вернёмся к таблице плотности веществ. Объясним, почему на воде образуется масляная плёнка.
Итак, проблема решена, значит, жидкости, как и твёрдые тела, подчиняются условиям плавания тел.
А теперь давайте посмотрим, как вы усвоили материал урока (использовать один из двух ресурсов, представленных ниже)
Учитель: давайте познакомимся еще с одним изобретением людей — ареометром.
Ареометр — прибор для измерения плотности жидкостей и твёрдых тел, принцип работы которого основан на Законе Архимеда. Считается, что ареометр изобрела Гипатия.
Обычно представляет собой стеклянную трубку, нижняя часть которой при калибровке заполняется дробью или ртутью для достижения необходимой массы. В верхней, узкой части находится шкала, которая проградуирована в значениях плотности раствора или концентрации растворенного вещества. Плотность раствора равняется отношению массы ареометра к объёму, на который он погружается в жидкость. Соответственно, различают ареометры постоянного объёма и ареометры постоянной массы.
- Для измерения плотности жидкости ареометром постоянной массы сухой и чистый ареометр помещают в сосуд с этой жидкостью так, чтобы он свободно плавал в нём. Значения плотности считывают по шкале ареометра, по нижнему краю мениска.
- Для измерения ареометром постоянного объёма изменяют его массу, достигая его погружения до определённой метки. Плотность определяется по массе груза (например, гирек) и объёму вытесненной жидкости.
Учитель: Теперь давайте подведем итоги. (РЕФЛЕКСИЯ)
Итак, сегодня мы выяснили при каких условиях плавают тела. От чего зависит плавание тел? (проходим по записям на доске условия плавания тел).
Учитель: домашнее задание: параграф 52, упражнение 27+ тест
Источник: rosuchebnik.ru
ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ ПО ТЕМЕ «АРХИМЕДОВА СИЛА» Начальный уровень
1. На какое из двух одинаковых тел действует большая архимедова сила (см. рисунок)? Выберите правильное утверждение.
А. На первое тело.
Б. На второе тело.
В На оба тела одинаковая.
2. К коромыслу весов подвешены два медных цилиндра одинакового объема. Нарушится ли равновесие весов, если один цилиндр поместить в воду, а другой — в спирт? Выберите правильное утверждение.
А. Перевесит цилиндр, помещенный в воду.
Б. Перевесит цилиндр, помещенный в спирт.
Медный шарик, подвешенный к динамометру, погрузили сначала в воду, а затем в керосин (см. рисунок). Выберите правильное утверждение.
А. Архимедова сила действует на шарик только в воде.
Б. В обоих случаях объем вытесненной жидкости одинаков.
В. При погружении шарика в любую жидкость показание динамометра увеличивается.
4. В воду погружены три сплошных стальных шарика на нитях (см. рисунок). Выберите правильное утверждение.
А. Архимедова сила действует только на шарик 1.
Б. В случае обрыва нити любой из шариков утонет.
В. Архимедова сила, действующая на каждый шарик, меньше веса вытесненной этим шариком воды.
5. В воду погружены три одинаковых сплошных стальных шарика на нитях. Выберите правильное утверждение.
А. Если обрезать нити, шарики всплывут.
Б. На все три шарика действуют одинаковые архимедовы
В.Шарик в воде тяжелее, чем в воздухе.
6. Два шарика, свинцовый и железный, равной массы подвешены к коромыслу весов. Нарушится ли равновесие весов, если шарики опустить в воду? Выберите правильное утверждение.
А. Перетянет железный шарик.
Б. Равновесие не нарушится.
В. Перетянет свинцовый шарик.
1. а) Первоклассник и десятиклассник нырнули в воду. Кого вода выталкивает сильнее? Почему?
б) На какое из трех одинаковых тел действует большая архи медова сила?
2. а) Почему камень в воде легче поднимать, чем в воздухе? б) Одинаковая ли архимедова сила действует на оба тела?
3. а) Приведите примеры, которые подтверждают существование выталкивающей силы, действующей на тела, погруженные в жидкость или газ.
б) На какое из тел (1 или 2) действует большая архимедова сила?
4. а) Изменяется ли выталкивающая сила, действующая на подводную лодку при ее погружении? Плотность воды считать одинаковой на разной глубине.
б) На какое из тел (1 или 2) действует большая архимедова сила?
5. а) Действует ли архимедова сила на тело, которое лишь частично погружено в жидкость?
6. а) Какие известные вам из жизни явления указывают на существование выталкивающей силы?
б) Одинаковая ли архимедова сила действует на эти тела?
а) Почему выталкивающая сила, действующая на одно и то же тело, в газах во много раз меньше, чем в жидкостях?
б) Железобетонная плита размером 3,5 х 1,5 х 0,2 м полностью погружена в воду. Вычислите архимедову силу, действующую на плиту.
а) Одинаковая ли сила потребуется для того, что бы удержать пустое ведро в воздухе или это же ведро, но наполненное водой в— воде? б) Вычислите выталкивающую силу, действующую на гранитную глыбу, если она при полном погружении в воду вытесняет 0,8 м 3 воды. а) В воду опущен медный кубик массой 10 г и тонкая медная пластина массой 10 г. Одинакова ли выталкивающая сила в обоих случаях?
б) Определите объем куска алюминия, на который в керосине действует архимедова сила величиной 120 Н. а) Кусок мрамора весит столько, сколько весит медная гиря. Какое из этих тел легче удержать в воде?
б) Камень объемом 0,006 м 3 имеет массу 15 кг. Какая сила потребуется, чтобы удержать погруженный целиком в воду камень?
а) К чашкам весов подвешены две гири — фарфоровая и железная — равной массы. Нарушится ли равновесие весов, если гири опустить в сосуд с водой? б) Кусок мрамора объемом 0,11 м 3 надо поднять со дна озера. Какая для этого потребуется сила, если масса этого куска 300 кг? в. а) Действуют ли на искусственном спутнике Земли закон Паскаля и архимедова сила?
б) При полном погружении в жидкость на тело объемом 4 дм 3 действует выталкивающая сила 40 Н. Какая это жидкость?
а) Сплошные шары — алюминиевый и железный — уравновешены на рычаге. Нарушится ли равновесие, если оба шара погрузить в воду? Рассмотрите случай, когда шары имеют одинаковую массу.
б) Какую силу надо приложить к пробковому кубу с ребром 0,5 м, чтобы удержать его под водой?
а) Сплошные шары — алюминиевый и железный — уравновешены на рычаге. Нарушится ли равновесие, если оба шара погрузить в воду? Рассмотрите случай, когда шары имеют одинаковый объем.
б) Цинковый шар весит 3,6 Н в воздухе, а при погружении в воду — 2,8 Н. Сплошной ли этот шар или имеет полость? Если не сплошной, то определите объем полости. а) На одной чашке весов лежит кусок стекла массой 2,5 кг, на другой — кусок серебра массой 2,1 кг. Какая чашка перетянет, если взвешивание производить в воздухе?
б) Задача Архимеда: из чистого ли золота изготовлена царская корона, если ее вес в воздухе равен 28,2 Н, а в воде — 26,4 Н? а) На одной чашке весов лежит кусок стекла массой 2,5 кг, на другой — кусок серебра массой 2,1 кг. Какая чашка перетянет, если взвешивание производить в воде?
б) Медный шарик в воздухе весит 5,34 Н, а в воде — 4,34 Н. Сплошной ли этот шар или имеет полость? Если не сплошной, то определите объем полости.
а) Два алюминиевых шарика имеют одинаковый объем, но один из них полый, а другой — сплошной. Можно ли, используя знания об архимедовой силе, определить, какой из них полый, а какой сплошной? Как это сделать?
б) Кусок металла в воздухе весит 7,8 Н, в воде — 6,8 Н, в жидкости А — 7 Н, а в жидкости В — 7,1 Н. Определите плотности жидкостей А и В. 6. а) Почему подводным лодкам запрещается ложиться на дно, если оно песчаное или илистое?
б) Какая архимедова сила действует на полностью погруженный в воду полый медный шар массой 890 г, если объем полости 40 см 3 ?
Источник: studbooks.net