Урок по физике "условия плавания тел". Закон Архимеда. Условия плавания тел Архимеда плавание тел

И статики газов.

Энциклопедичный YouTube

• 1 / 5

  Закон Архимеда формулируется следующим образом : на тело, погружённое в жидкость (или газ), действует выталкивающая сила, равная весу жидкости (или газа) в объёме погруженной части тела . Сила называется силой Архимеда :

  F A = ρ g V , {\displaystyle {F}_{A}=\rho {g}V,}

  где ρ {\displaystyle \rho } - плотность жидкости (газа), g {\displaystyle {g}} - ускорение свободного падения , а V {\displaystyle V} - объём погружённой части тела (или часть объёма тела, находящаяся ниже поверхности). Если тело плавает на поверхности (равномерно движется вверх или вниз), то выталкивающая сила (называемая также архимедовой силой) равна по модулю (и противоположна по направлению) силе тяжести, действовавшей на вытесненный телом объём жидкости (газа), и приложена к центру тяжести этого объёма.

  Следует заметить, что тело должно быть полностью окружено жидкостью (либо пересекаться с поверхностью жидкости). Так, например, закон Архимеда нельзя применить к кубику, который лежит на дне резервуара, герметично касаясь дна.

  Что касается тела, которое находится в газе, например в воздухе, то для нахождения подъёмной силы нужно заменить плотность жидкости на плотность газа. Например, шарик с гелием летит вверх из-за того, что плотность гелия меньше, чем плотность воздуха.

  Закон Архимеда можно объяснить при помощи разности гидростатических давлений на примере прямоугольного тела.

  P B − P A = ρ g h {\displaystyle P_{B}-P_{A}=\rho gh} F B − F A = ρ g h S = ρ g V , {\displaystyle F_{B}-F_{A}=\rho ghS=\rho gV,}

  где P A , P B - давления в точках A и B , ρ - плотность жидкости, h - разница уровней между точками A и B , S - площадь горизонтального поперечного сечения тела, V - объём погружённой части тела.

  В теоретической физике также применяют закон Архимеда в интегральной форме:

  F A = ∬ S p d S {\displaystyle {F}_{A}=\iint \limits _{S}{p{dS}}} ,

  где S {\displaystyle S} - площадь поверхности, p {\displaystyle p} - давление в произвольной точке, интегрирование производится по всей поверхности тела.

  В отсутствие гравитационного поля, то есть в состоянии невесомости , закон Архимеда не работает. Космонавты с этим явлением знакомы достаточно хорошо. В частности, в невесомости отсутствует явление (естественной) конвекции , поэтому, например, воздушное охлаждение и вентиляция жилых отсеков космических аппаратов производятся принудительно, вентиляторами .

  Обобщения

  Некий аналог закона Архимеда справедлив также в любом поле сил, которое по-разному действуют на тело и на жидкость (газ), либо в неоднородном поле. Например, это относится к полю сил инерции (например, центробежной силы) - на этом основано центрифугирование . Пример для поля немеханической природы: диамагнетик в вакууме вытесняется из области магнитного поля большей интенсивности в область с меньшей.

  Вывод закона Архимеда для тела произвольной формы

  Гидростатическое давление жидкости на глубине h {\displaystyle h} есть p = ρ g h {\displaystyle p=\rho gh} . При этом считаем ρ {\displaystyle \rho } жидкости и напряжённость гравитационного поля постоянными величинами, а h {\displaystyle h} - параметром. Возьмём тело произвольной формы, имеющее ненулевой объём. Введём правую ортонормированную систему координат O x y z {\displaystyle Oxyz} , причём выберем направление оси z совпадающим с направлением вектора g → {\displaystyle {\vec {g}}} . Ноль по оси z установим на поверхности жидкости. Выделим на поверхности тела элементарную площадку d S {\displaystyle dS} . На неё будет действовать сила давления жидкости направленная внутрь тела, d F → A = − p d S → {\displaystyle d{\vec {F}}_{A}=-pd{\vec {S}}} . Чтобы получить силу, которая будет действовать на тело, возьмём интеграл по поверхности:

  F → A = − ∫ S p d S → = − ∫ S ρ g h d S → = − ρ g ∫ S h d S → = ∗ − ρ g ∫ V g r a d (h) d V = ∗ ∗ − ρ g ∫ V e → z d V = − ρ g e → z ∫ V d V = (ρ g V) (− e → z) {\displaystyle {\vec {F}}_{A}=-\int \limits _{S}{p\,d{\vec {S}}}=-\int \limits _{S}{\rho gh\,d{\vec {S}}}=-\rho g\int \limits _{S}{h\,d{\vec {S}}}=^{*}-\rho g\int \limits _{V}{grad(h)\,dV}=^{**}-\rho g\int \limits _{V}{{\vec {e}}_{z}dV}=-\rho g{\vec {e}}_{z}\int \limits _{V}{dV}=(\rho gV)(-{\vec {e}}_{z})}

  При переходе от интеграла по поверхности к интегралу по объёму пользуемся обобщённой теоремой Остроградского-Гаусса .

  ∗ h (x , y , z) = z ; ∗ ∗ g r a d (h) = ∇ h = e → z {\displaystyle {}^{*}h(x,y,z)=z;\quad ^{**}grad(h)=\nabla h={\vec {e}}_{z}}

  Получаем, что модуль силы Архимеда равен ρ g V {\displaystyle \rho gV} , а направлена она в сторону, противоположную направлению вектора напряжённости гравитационного поля.

  Другая формулировка (где ρ t {\displaystyle \rho _{t}} - плотность тела, ρ s {\displaystyle \rho _{s}} - плотность среды, в которую оно погружено).

  Пермякова Юлия

  Тема моего проекта «Плавание тел».

  Цель работы: изучение закона Архимеда, выяснение условий и особенностей плавания тел, проверка их на опытах.

  Скачать:

  Предварительный просмотр:

  МОУ «ООШ с. Дороговиновка Пугачевского района Саратовской облкасти»

  ПРОЕКТ

  по физике

  на тему «Плавание тел»

  Учащегося 7 класса

  МОУ ООШ с. Дороговиновка

  Пермяковой Юлии Учитель: Коннова И.В.

  С. Дороговиновка

  2014 год

  I. Введение

  Тема моего проекта «Плавание тел».

  Цель работы : изучение закона Архимеда, выяснение условий и особенностей плавания тел, проверка их на опытах.

  Задачи:

  1. Подобрать и изучить литературу по теме.
  2. Рассказать об истории открытия закона Архимеда.
  3. Доказать существование архимедовой силы.
  4. Проверить условия плавания тел на опытах.

  II. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

  1. Теоретическая часть

  1.1. Об Архимеде

  Архимед родился в греческом городе Сиракузы в 287 году до н. э., где и прожил почти всю свою жизнь, и там же занимался научной деятельностью. Учился сначала у своего отца, астронома и математика Фидия, потом в Александрии, где правители Египта собрали лучших греческих ученых и мыслителей, а также основали знаменитую, самую большую в мире библиотеку. Здесь, в Александрии, Архимед познакомился с учениками Эвклида, с которыми всю жизнь поддерживал оживленную переписку. Здесь же он усиленно изучал труды Демокрита, Евдокса и других ученых.

  После учебы в Александрии Архимед вновь вернулся в Сиракузы и унаследовал должность своего отца, придворного астронома.

  В теоретическом отношении труд этого великого ученого был ослепляюще многогранным. Основные работы Архимеда касались различных практических приложений математики (геометрии), физики, гидростатики и механики. Он был также изобретательным инженером, который использовал свой талант для решения ряда практических проблем.

  До нас дошло тринадцать трактатов Архимеда. В самом знаменитом из них - "О шаре и цилиндре" (в двух книгах) Архимед устанавливает, что площадь поверхности шара в 4 раза больше площади наибольшего его сечения. Работы Архимеда состоят из расчетов площадей фигур, ограниченных кривыми, и объемов тел, ограниченных произвольными плоскостями - поэтому Архимед может по справедливости считаться отцом интегрального исчисления, возникшего на два тысячелетия позже.

  Говорят, будто важнейшим своим открытием Архимед считал доказательство, что объем шара и описанного вокруг него цилиндра относятся между собой как 2:3. Архимед просил своих друзей поместить это доказательство на его могильной плите.

  Архимед пытался также решить проблему квадратуры круга и достиг в этом выдающихся результатов, объединив их в труд «Об измерении круга»:

  1. Площадь круга равна площади прямоугольного треугольника с катетами, равными длине и радиусу окружности (πr 2 ).

  2. Площадь круга так относится к площади описанного вокруг него квадрата, как 11:14.

  3. Отношение длины окружности к диаметру больше и меньше .

  Архимед впервые вычислил число «пи» - отношение длины окружности к диаметру - и доказал, что оно одинаково для любого круга.

  Архимед нашел также сумму бесконечной геометрической прогрессии со знаменателем . В математике это был первый пример бесконечного ряда.

  При исследовании одной задачи, сводящейся к кубическому уравнению, Архимед выяснил роль характеристики, которая позже получила название дискриминанта.

  Архимеду принадлежит формула для определения площади треугольника через три его стороны (неправильно именуемая формулой Герона).

  Большую роль в развитии математики сыграло его сочинение «Псаммит» - «О числе песчинок», в котором он показывает, как с помощью существовавшей системы счисления можно выражать сколь угодно большие числа. В качестве повода для своих рассуждений он использует задачу о подсчете количества песчинок внутри видимой Вселенной. Тем самым было опровергнуто существовавшее тогда мнение о наличии таинственных «самых больших чисел ». Мы до сих пор пользуемся придуманной Архимедом системой наименования целых чисел.

  Перечисленные научные находки - это только небольшая часть творчества Архимеда. Его усердно переводили и комментировали арабы, а потом западноевропейские ученые.

  В физике Архимед ввел понятие центра тяжести, установил научные принципы статики и гидростатики, дал образцы применения математических методов в физических исследованиях. Основные положения статики сформулированы в сочинении "О равновесии плоских фигур". Архимед рассматривает сложение параллельных сил, определяет понятие центра тяжести для различных фигур, дает вывод закона рычага. Знаменитый закон гидростатики, вошедший в науку с его именем (закон Архимеда), сформулирован в трактате "О плавающих телах".

  Ему приписывают известное выражение: „дайте мне точку опоры, и я сдвину землю". По-видимому, оно было высказано в связи со спуском корабля «Сиракосия» на воду. Рабочие были не в силах сдвинуть с места этот корабль. Им помог Архимед, создавший систему блоков (полиспаст), при помощи которой один человек, сам царь, совершил эту работу.

  1.2. Закон Архимеда

  По преданию, царь Гиерон поручил Архимеду проверить, из чистого ли золота сделана его корона или же ювелир присвоил часть золота, сплавив его с серебром. Размышляя над этой задачей, Архимед как-то зашел в баню и там, погрузившись в ванну, заметил, что количество воды, переливающейся через край, равно количеству воды, вытесненной его телом. Это наблюдение подсказало Архимеду решение задачи о короне, и он, не медля ни секунды, выскочил из ванны и, как был нагой, бросился домой, крича во весь голос о своем открытии: «Эврика! Эврика!» (греч. «Нашел! Нашел!»)».

  Тот факт, что на погруженное в воду тело действует некая сила, всем хорошо известен: тяжелые тела как бы становятся более легкими – например, наше собственное тело при погружении в ванну. Купаясь в речке или в море, можно легко поднимать и передвигать по дну очень тяжелые камни – такие, которые не удается поднять на суше; то же явление наблюдается, когда по каким-либо причинам выброшенным на берегу оказывается кит – вне водной среды животное не может передвигаться – его вес превосходит возможности его мышечной системы. В то же время легкие тела сопротивляются погружению в воду: чтобы утопить мяч размером с небольшой арбуз требуется и сила, и ловкость; погрузить мяч диаметром полметра скорее всего не удастся. Интуитивно ясно, что ответ на вопрос – почему тело плавает (а другое – тонет), тесно связан с действием жидкости на погруженное в нее тело; нельзя удовлетвориться ответом, что легкие тела плавают, а тяжелые – тонут: стальная пластинка, конечно, утонет в воде, но если из нее сделать коробочку, то она может плавать; при этом ее вес не изменится.

  Чтобы понять природу силы, действующей со стороны жидкости на погруженное тело, достаточно рассмотреть простой пример (рис. 1).

  Кубик погружен в воду, причем и вода, и кубик неподвижны. Известно, что давление в тяжелой жидкости увеличивается пропорционально глубине – очевидно, что более высокий столбик жидкости более сильно давит на основание. Это давление действует не только вниз, но и в стороны, и вверх с той же интенсивностью – это закон Паскаля.

  Если рассмотреть силы, действующие на кубик (рис. 1), то в силу очевидной симметрии силы, действующие на противоположные боковые грани, равны и противоположно направлены – они стараются сжать кубик, но не могут влиять на его равновесие или движение. Остаются силы, действующие на верхнюю и нижнюю грани. Так как давление на глубине больше, чем у поверхности жидкости и , а , то > . Так как силы F 2 и F 1 направлены в противоположные стороны, то их равнодействующая равна разности F 2 – F 1 и направлена в сторону большей силы, то есть вверх. Эта равнодействующая и является архимедовой силой, то есть силой, выталкивающей тело из жидкости.

  Закон Архимеда

  Закон Архимеда формулируется таким образом: тело, находящееся в жидкости (или газе), теряет в своем весе столько, сколько весит жидкость (или газ) в объеме, вытесненном телом.

  1.3. От чего зависит выталкивающая сила

  Поведение тела, находящегося в жидкости, 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;
  3. F т A – тело всплывает до тех пор, пока не начнет плавать на поверхности жидкости.

  Также поведение тела, находящегося в жидкости, зависит от соотношения плотностей тела и жидкости. Следовательно, для определения поведения тела в жидкости, можно сравнить плотности тела и жидкости. В данном случае возможны также три ситуации:

  1. ρ тела > ρ жидкости – тело тонет
  2. ρ тела = ρ жидкости – тело плавает
  3. ρ тела жидкости – тело всплывает.

  Приведем примеры.

  Плотность железа – 7800 кг/м 3 , плотность воды – 1000 кг/м 3 . Значит, кусок железа будет тонуть в воде. Плотность льда – 900 кг/м 3 , плотность воды – 1000 кг/м 3 , поэтому лед в воде не тонет, а если его бросить в воду, то он начнет всплывать, и будет плавать на поверхности.

  2. Практическая часть

  2.1. Доказательство существования архимедовой силы

  Проведем эксперимент: возьмем цилиндр, подвешенный к динамометру, измерим вес этого цилиндра. Погрузим его в сосуд с водой. Снова взвесим. Мы заметили, что вес цилиндра стал меньше.

  Повторим эксперимент с другим телом – связкой ключей. Вес связки, погруженной в воду, опять стал меньше.

  Вывод: на всякое тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, называемая архимедовой силой.

  2.2. Расчет архимедовой силы

  Рассчитаем выталкивающую силу.

  Для этого измерим вес тела в воздухе, затем измерим вес этого же тела, но полностью погруженного в воду. Разность этих сил и будет значением архимедовой силы.

  F А = P в возд. – P в воде.

  Иначе, архимедову силу можно вычислить, зная плотность жидкости и объем тела, погруженного в эту жидкость, по формуле:

  F А = g ρ ж V т

  2.3. Сравнение силы тяжести и архимедовой силы

  Проведем эксперимент.

  Возьмем тело – пузырек с некоторым количеством песка. Определим силу тяжести и архимедову силу, действующую на это тело. Сравним их. Мы видим, что, если:

  F т > F A – тело тонет;

  F т = F A – тело плавает в жидкости;

  F т A – тело всплывает

  Вывод: поведение тела, находящегося в жидкости, зависит от соотношения между модулями силы тяжести F т и архимедовой силы F A , которые действуют на это тело.

  2.4 Сравнение плотностей жидкости и тела

  Проведем еще один эксперимент. Возьмем тела, плотности которых меньше или больше плотности воды. Погрузим их в воду. Мы увидим, что «тела, которые тяжелее жидкости, будучи опущены в неё, погружаются всё глубже, пока не достигают дна, и, пребывая в жидкости, теряют в своём весе столько, сколько весит жидкость, взятая в объёме тел», – как говорил Архимед.

  Вывод: поведение тела, находящегося в жидкости, зависит от соотношения плотностей тела и жидкости.

  2.5 Сравнение архимедовой силы, действующей на тело в разных по плотности жидкостях

  Проведем эксперимент: возьмем две жидкости, различных по плотности: шампунь и пресную воду, и кусок пластилина. Определим выталкивающую силу, действующую на пластилин со стороны каждой из жидкостей. Мы увидим, что архимедова сила оказалась разной: у жидкости с большей плотностью (шампуня) она больше, чем у жидкости с меньшей плотностью (пресной воды).

  Разрывающей силе давления жидкости противодействует сила сопротивления материала стенки М :

  М=2σ р δ L,

  где σр – напряжение материала на разрыв, δ – толщина стенки, L – длина трубы, 2 – сила сопротивления действует с двух сторон.

  При условии, что система находится в равновесии, приравняем силы давления жидкости, и сопротивления материала стенки P x =М получим:

  P Ld=2σ р δ L

  P δ=2σр δ, отсюда

  P=2σ р δ/ d.

  Рис. 3.15. Давление жидкости на внутренние стенки трубы

  3.8. Закон Архимеда и условия плавания тел

  Тело, полностью или частично погруженное в жидкость, испытывает со стороны жидкости суммарное давление, направленное снизу вверх и равное весу жидкости в объеме погруженной части тела:

  P = ρgWт .

  Иначе говоря, на тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, равная весу жидкости в объеме этого тела. Такая сила называется Архимедовой силой, а ее определение – законом Архимеда.

  

  Рис. 3.17. Центр тяжести С и центр водоизмещения d судна

  Для однородного тела плавающего на поверхности справедливо соотношение:

  Wж /Wт = ρm / ρ,

  где W т – объем плавающего тела; ρm – плотность тела. Отношение плотности плавающего тела и жидкости обратно пропорционально отношению объема тела и объема вытесненной им жидкости.

  В теории плавания тел используются два понятия: плавучесть и остойчивость.

  Плавучесть – это способность тела плавать в полупогруженном состоянии.

  Остойчивость – способность плавающего тела восстанавливать нарушенное равновесие после устранения внешних сил (например, ветра или крутого поворота), вызывающих крен.

  Вес жидкости, судна взятой в объеме погруженной части судна называют водоизмещением , а точку приложения равнодействующей давления (т.е. центр давления) –

  центром водоизмещения.

  На законе Архимеда основана теория плавания тел. Центр водоизмещения не всегда совпадает с центром тяжести тела С. Если он выше центра тяжести, то судно не опрокидывается. При нормальном положении судна центр тяжести С и центр водоизмещения d лежат на одной вертикальной прямой O"-O" , представляющей ось симметрии судна и называемой осью плавания (рис. 3.17).

  Пусть под влиянием внешних сил судно наклонилось на некоторый угол α, часть судна KLM вышла из жидкости, а часть K"L"M" , наоборот, погрузилось в нее. При этом получаем новое положение центра водоизмещения – d" . Приложим к точке d" подъемную силу P и линию ее действия продолжим до пересечения с осью симметрии O"-O" . Полученная точка m называется метацентром , а отрезок mC = h

  называется метацентрической высотой . Будем считать h

  положительным, если точка m лежит выше точки C , и отрицательным – в противном случае.

  Теперь рассмотрим условия равновесия судна: если h > 0, то судно возвращается в первоначальное положение; если h =0, то это случай

  Условия плавания тел

  Цель урока: выяснение условия плавания тел в зависимости от плотности вещества и жидкости.

  Обучающие:

  знакомство учащимися с понятиями: условие плавания тел

  формирование целостного восприятие научной картины мира

  Развивающие:

  развитие операционного стиля мышления учащихся;

  развитие синтетического мышления учащихся;

  развитие умения и навыка проведения эксперимента;

  продолжение работы над развитием интеллектуальных умений и навыков: выделение главного, анализ, умение делать выводы, конкретизация;

  Воспитывающие:

  формирование интереса учащихся к изучению физики;

  воспитание аккуратности, умения и навыка рационального использования своего времени, планирования своей деятельности.

  Оборудование к уроку:

  Пробирка с пробкой, шарик из картофеля, пластилин, вода, насыщенный раствор соли, сосуд, динамометр, весы с разновесами

  1. Вступление. Актуализация знаний.

  Сегодня урок начнет ученик вашего класса. Итак внимательно слушаем

  У синего кита язык весит 3 т, печень -1т, сердце - 600-700 кг, крови у него - 10 т, диаметр спинной артерии - 40 см, в желудке - 1-2 т. пищи; пасть кита - комната площадью 24 м2. В ыброшенный на берег, практически мгновенно гибнет .

  Интересное растение живет в Тихом океане –это макроцистис. Его длина достигает 57 метров, а масса -100 килограммов. Эту водоросль называют пузырчаткой. Возле каждой пластины листа находится пузырь величиной с крупное яблоко. Оболочка толстая, не проколешь! Надут он туго, туго каким-то газом, который вырабатывает сама водоросль. Это растение очень полезное.

  Л ебеди и утки, тяжелые и неуклюжие на берегу, но такие легкие и грациозные в воде.

  Г воздь из железа тонет, а корабль, сделанный из железа плавает

  2. Сформулируйте тему урока???

  Условия плавания тел

  Задачи урока:

  Научиться выводить формулы условия плавания тел.

  Научиться работать с приборами, наблюдать, анализировать и сравнивать результаты опытов, делать выводы.

  Выяснить условие, при котором тело в жидкости тонет, и условие всплывания тел, полностью погруженных в жидкость.

  3.Опыт:

  – У меня в руках несколько брусочков и шариков одинакового объема. Одинаковыми ли будут выталкивающие силы этих тел при погружении их в воду? (одинаковыми)

  – Попробуем опустить их в воду. Что мы видим? Одни тела утонули, другие плавают. Почему? Что еще мы не учли, когда говорили о погружении тел в жидкость?

  Вывод из опыта:

  Значит, тонет тело или нет, зависит не только от силы Архимеда, но и от силы тяжести.

  4. Повторим материал прошлого урока

  Какую силу называют архимедовой?

  От каких величин она зависит?

  По какой формуле её вычисляют?

  Как еще можно определить выталкивающую силу

  В каких единицах её измеряют?

  Как направлена архимедова сила?

  Как определить силу тяжести

  Как направлена сила тяжести?

  Что называется равнодействующей силой?

  Как находится равнодействующая двух сил, направленных по одной прямой в одну сторону? В разные стороны?

  Как будет вести себя тело под действием двух равных, но противоположно направленных сил?

  5. Изложение нового материала. Первичное закрепление.

  Разберем различные ситуации

  (Fт >FА) (Fт =FА) (Fт < FА)

  Выдвинем предположения (гипотезу)

  если сила тяжести больше силы Архимеда (Fт >FА) --Тело тонет

  если сила тяжести равна силе Архимеда (Fт =FА) – Тело плавает,

  если сила тяжести меньше силы Архимеда (Fт < FА) ---Тело всплывает

  Предположение необходимо проверить на опыте.

  Перед вами различные тела и приборы.

  Какими материалами необходимо воспользоваться чтобы доказать наши предположения

  (динамометр, жидкость, тело)

  Какие произвести измерения.(определить силу архимеда и силу тяжести и сравнить их между собой) или расчитать по формулам.

  Заполняют таблицу

  А= ρ ж V g =

  F т = mg =

  вывод(соотношение сил тяжести и архимедовой силы определяет способности тела: плавать, тонуть или всплывать)

  Соотношение сил тяжести и архимедовой силы определяет способности тела: плавать, тонуть или всплывать.

  Демонстрации: 1. Тело из пробирки плавает в воде. 2. Шарик из картофеля тонет в воде. 3. Тот же картофельный шарик всплывает в соленой воде. 4. Шарик из пластилина тонет в воде 5. Лодочка из пластилина плавает в воде

  Для того чтобы тело плавало, необходимо, чтобы действующая на него сила тяжести уравновешивалась архимедовой (выталкивающей) силой.

  F т = F a (1)

  Архимедова сила: F a = ρ ж V ж g (2)

  Сила тяжести: F т = mg = ρVg (3)

  Подставим выражения (2) и (3) в равенство (1): ρVg = ρ ж V ж g

  Разделив обе части этого равенства на g, получим условие плавания тел в новой форме:

  ρV = ρ ж V ж

  Чтобы тело плавало, частично выступая над поверхностью жидкости, плотность тела должна быть меньше плотности жидкости. При плотности тела, больше плотности жидкости, тело тонет, т.к. сила тяжести превышает архимедову силу.

  Разбор упражнения:

  – Какие вещества (лед, стеарин, воск, резина, кирпич) будут всплывать в воде, молоке, ртути?

  – Пользуясь таблицей, определите, какие металлы тонут в ртути? (осмий, иридий, платина, золото)

  – Какие вещества будут всплывать в керосине? (пробка, сосна, дуб)

  4. Применение условий плавания тел

  А) Плавание кораблей

  – А сейчас мы должны объяснить, почему стальной гвоздь тонет, а корабль из стали плавает?

  – Возьмем пластилин. Если его опустить в воду, то он тонет. Как сделать так, чтобы он не тонул?

  Б) Плавание рыб и китов

  Как рыбы и киты могут менять глубину погружения? (рыбы за счет изменения объема плавательного пузыря, киты за счет изменения объема легких, значит за счет силы Архимеда)

  Плотность живых организмов, населяющих водную среду, очень мало отличается от плотности воды, поэтому их вес почти полностью уравновешивается архимедовой силой. Рыба может менять объём своего тела, сжимая плавательный пузырь усилиями грудных и брюшных мышц, меняя тем самым среднюю плотность своего тела, благодаря чему она может регулировать глубину своего погружения.

  Плавательный пузырь рыбы легко меняет свой объём. Когда рыба с помощью мышц опускается на большую глубину и давление воды на неё увеличивается, пузырь сжимается, объём тела рыбы уменьшается и она плавает в глубине. При подъёме плавательный пузырь и объём рыбы увеличивается и она всплывает. Так рыба регулирует глубину своего погружения. Плавательный пузырь рыбы Это интересно

  Киты регулируют глубину погружения за счёт увеличения и уменьшения объёма лёгких. Это интересно

  Средняя плотность живых организмов, населяющих водную среду, мало отличается от плотности воды, поэтому их вес почти полностью уравновешивается архимедовой силой. Благодаря этому водные животные не нуждаются в прочных и массивных скелетах. По этой же причине эластичны стволы водных растений.

  У птиц есть толстый, не пропускающий воды, слой перьев и пуха, в котором содержится значительное количество воздуха, благодаря чему средняя плотность их тела оказывается очень малой, поэтому утки мало погружаются в воду при плавании.

  В) Плавание подводных лодок

  – За счет чего подводные лодки могут подниматься и опускаться на различные глубины? (за счет изменения своей массы, а значит силы тяжести)

  Г) Плавание человека в пресной воде и в соленой воде

  Средняя плотность тела человека равна 1030 кг/м. Будет ли плавать человек или тонуть в реке и в соленом озере?

  Плавание тел

  203. Лежащий на воде неподвижно на спине пловец делает глубокие вдох и выдох. Как изменяется при этом положение тела пловца по отношению к поверхности воды? Почему?

  204. Одинаковы ли выталкивающие силы, действующие на один и тот же деревянный брусок, плавающий сначала в воде, а потом в керосине?

  205. Почему тарелка, положенная на поверхность воды плашмя, плавает, а опущенная в воду ребром тонет?

  206. Может ли спасательный круг удержать любое число ухватившихся за него людей?

  207. На груди и на спине водолаза помещают тяжелые свинцовые пластинки, а к башмакам приделывают свинцовые подошвы. Зачем это делают?

  208. В сосуд с водой опущен кусок дерева. Изменится ли от этого давление на дно сосуда, если вода из сосуда не выливается?

  209. Стакан до краев наполнен водой. В него помещают кусок дерева так, что он свободно плавает. Изменится ли вес стакана, если вода по-прежнему наполняет его до краев?

  Ответы:203. При вдохе пловец всплывает, при выдохе погружается глубже в воду, так как при дыхании меняется объем грудной клетки и соответственно меняется архимедова сила.

  (При вдохе пловец всплывает, при выдохе погружается глубже в воду, так как при дыхании меняется объем грудной клетки, а масса тела остается практически постоянной. Поэтому общий объем тела при вдохе возрастает, при выдохе убывает, а объем части тела, погруженной в воду, не меняется.)

  204. Одинаковы. Брусок плавает в обеих жидкостях, значит, выталкивающая сила в каждой из них равна действующей на него силе тяжести.

  206. Нет, так как подъемная сила (разность между максимальной архимедовой силой и силой тяжести) круга имеет ограниченную величину.

  207. Чтобы увеличить силу тяжести и сделать ее больше архимедовой силы, иначе водолаз не погрузится на необходимую глубину.

  208. Давление увеличится, так как повысится уровень воды в сосуде.

  209. Не изменится, так как вес куска дерева равен весу вытесненной им (и вылившейся из стакана) воды.

  6. Экспериментальное задание.

  Определите массу тела: m=

  Определите F т по формуле и с помощью динамометра, заполните таблицу.

  Определите F А по формуле и с помощью динамометра, заполните таблицу.

  Сформулируйте вывод(соотношение сил тяжести и архимедовой силы определяет способности тела: плавать, тонуть или всплывать)

  Заполняют таблицу

  А= ρ ж V g =

  F т = mg =

  вывод(на основе эксперимента)

  вывод(по факту)

  F т =

  7. Задание на дом:

  8.Заключение: с ейчас время нашего урока подходит к концу. И пусть мы не решили всех проблем, но ведь и наше путешествие по дорогам физики не заканчивается!

  Плавание тел — состояние равновесия твердого тела, частично или полностью погруженного в жидкость (или газ).

  Основная задача теории плавания тел — определение равновесия тела, погруженного в жид-кость, выяснение условий устойчивости равновесия. На простейшие условия плавания тел указы-вает закон Архимеда . Рассмотрим эти условия.

  Как известно, на все тела, погруженные в жидкость, действует сила Архимеда F A (выталки-вающая сила), направленная вертикально вверх, однако всплывают далеко не все. Чтобы понять, почему одни тела всплывают, а другие тонут, необходимо учесть еще одну силу, действующую на все тела, — силу тяжести Fт которая направлена вертикально вниз, т. е. противоположно F A . Если тело оставить внутри жидкости в состоянии покоя, то оно начнет двигаться в сторону, в ко-торую направлена большая из сил. При этом возможны следующие случаи:

  1. если архимедова сила меньше силы тяжести (F A < F т ), то тело опустится на дно, т. е. утонет (рис. а );
  2. если архимедова сила больше силы тяжести (F A > F т ), то тело всплывет (рис. б );

  Если эта сила окажется больше силы тяжести, действующей на тело, то тело взлетит. На этом основано воздухоплавание.

  Летательные аппараты, применяемые в воздухоплавании, называют аэростатами (от греч. aer — воздух, status — стоящий). Неуправляемые аэростаты свободного полета с оболочкой, име-ющей форму шара, называют воздушными шарами . Для исследования верхних слоев атмосферы (стратосферы) еще не так давно применялись огромные воздушные шары — стратостаты . Уп-равляемые аэростаты (имеющие двигатель и воздушные винты) называют дирижаблями .

  Воздушный шар не только сам поднимается вверх, но может поднять и некоторый груз: каби-ну, людей, приборы. Для того, чтобы определить, какой груз способен поднять воздушный тар, следует знать его подъемную силу. Подъемная сила воздушного шара равна разности между ар-химедовой силой и действующей на шар силой тяжести:

  F = F A - F т.

  Чем меньше плотность газа, наполняющего воздушный шар данного объема, тем меньше дейс-твующая на него сила тяжести и тем больше возникающая подъемная сила. Воздушные шары можно наполнять гелием, водородом или нагретым воздухом. Хотя у водорода меньше плотность, чем у гелия, все же чаще в целях безопасности применяют гелий (водород — горючий газ).

  Гораздо проще осуществить подъем и спуск шара, наполненного горячим воздухом. Для этого под отверстием, находящимся в нижней части шара, располагают горелку. Она позволяет регули-ровать температуру воздуха, а значит, и его плотность и подъемную силу.

  Можно подобрать такую температуру шара , при которой вес шара и кабины будет равен вы-талкивающей силе. Тогда шар повиснет в воздухе, и с него будет легко проводить наблюдения.