Мы знаем, что на любое тело, находящееся в жидкости, действуют две силы, направленные в противоположные стороны: сила тяжести и архимедова сила. Сила тяжести равна весу тела и направлена вниз, архимедова же сила зависит от плотности жидкости и направлена вверх. Как физика объясняет плавание тел , и каковы условия плавания тел на поверхности и в толще воды?

Условие плавания тел

Согласно закону Архимеда условие плавания тел следующее: если сила тяжести равна архимедовой силе, то тело может находиться в равновесии в любом месте жидкости, то есть плавать в ее толще. Если сила тяжести меньше архимедовой силы, то тело будет подниматься из жидкости, то есть всплывать. В случае же, когда вес тела больше выталкивающей его архимедовой силы, то тело будет опускаться на дно, то есть тонуть. Выталкивающая сила зависит от плотности жидкости. А вот будет тело плавать или тонуть зависит от плотности тела , так как его плотность увеличит его вес. Если плотность тела будет выше плотности воды, то тело утонет. Как же быть в таком случае?

Плотность сухого дерева за счет полостей, наполненных воздухом, меньше плотности воды и дерево может плавать на поверхности. А вот железо и многие другие вещества значительно плотнее воды. Как же возможно строить корабли из металла и перевозить различные грузы по воде в таком случае? А для этого человек придумал небольшую хитрость. Корпус корабля, который погружается в воду, делают объемным, а внутри этот корабль имеет большие полости, заполненные воздухом, которые сильно уменьшают общую плотность корабля. Объем вытесняемой кораблем воды, таким образом, сильно увеличивают, увеличивая выталкивающую его силу, а плотность корабля в сумме делают меньше плотности воды, дабы корабль мог плавать на поверхности. Поэтому каждый корабль имеет определенный предел массы грузов, который он может увезти. Это называется водоизмещением судна.

Различают порожнее водоизмещение - это масса самого судна, и полное водоизмещение - это порожнее водоизмещение плюс общая масса экипажа, всей оснастки, запасов, топлива и грузов, которую может нормально увезти данное судно без риска утонуть при относительно спокойной погоде.

Плотность тела у организмов, населяющих водную среду, близка к плотности воды. Благодаря этому они могут находиться в толще воды и плавать благодаря подаренным им природой приспособлениям - ластам, плавникам и пр. В передвижении рыб большую роль играет специальный орган - плавательный пузырь. Рыба может менять объем этого пузыря и количество воздуха в нем, благодаря чему ее суммарная плотность может меняться, и рыба может плавать на различной глубине, не испытывая неудобств.

Плотность человеческого тела немного больше плотности воды. Однако, человек, когда у него в легких содержится некоторое количество воздуха, тоже может спокойно держаться на поверхности воды. Если же ради эксперимента, находясь в воде, вы выдохните весь воздух из легких, вы медленно начнете опускаться на дно. Поэтому всегда помните, что плавать не страшно, опасно наглотаться воды и впустить ее в легкие, что и является наиболее частой причиной трагедий на воде.

Разработки уроков (конспекты уроков)

Линия УМК А. В. Перышкина. Физика (7-9)

Внимание! Администрация сайта сайт не несет ответственности за содержание методических разработок, а также за соответствие разработки ФГОС.

Тема урока: Условия плавания тел.

Цели урока:

• Образовательные: научить анализировать, выделять (главное, существенное),
• приблизить к самостоятельному решению проблемных ситуаций.
• Развивающие: развивать интерес к конкретной деятельности на уроке,
• формировать умение сравнивать, классифицировать, обобщать факты и понятия.
• Воспитательные: создать атмосферу коллективного поиска, эмоциональной приподнятости, радости познания, радости преодоления трудностей.

Место урока в разделе: "Давление твердых тел, жидкостей и газов", после изучения темы "Давление жидкости и газа на погруженное в них тело. Архимедова сила".

Тип урока: Урок повторения предметных знаний.

Основные термины и понятия: масса, объём, плотность вещества, вес тела, сила тяжести, архимедова сила.

Межпредметные связи: математика

Наглядность: демонстрация поведения разных тел, погруженных в воду; условия плавания тела в зависимости от плотности.

Оборудование:

а) для демонстрации

• пластиковая банка c водой, три предмета на нити: алюминиевый цилиндр, пластиковый шарик, герметически закрытый пузырёк с водой (заранее приготовленный учителем), который может находиться в равновесии в любом месте жидкости;
• ванночка c водой, пластина алюминиевой фольги, пассатижи.

б) для фронтальной работы

• Весы с разновесами, измерительный цилиндр (мензурка), капсула-поплавок с крышкой (по 3), сухой песок, нитки, фильтровальная бумага, изолента, инструкции по выполнению заданий фронтального эксперимента, тетради для лабораторных работ.

Формы работы на уроке: фронтальная в парах, индивидуальная.

План урока

1. Организационный момент;
2. Первичная проверка понимания изученного ранее материала;
3. Практическая работа по проверке полученных выводов;
4. Рефлексия;
5. Домашнее задание.

Ход занятия

I. Организационный момент

Сегодня на уроке мы продолжим изучение поведения тел, погруженных в воду. Посмотрим несколько опытов, часть опытов вы будете проводить самостоятельно c выполнением некоторых расчетов.

II. Первичная проверка понимания изученного ранее материала

Опыт 1

Опускаем в воду последовательно алюминиевый цилиндр, шарик и пузырёк с водой. Наблюдаем поведение тел.

Результат: цилиндр тонет, шарик всплывает, пузырек плавает, погрузившись в воду полностью.

Проблемная ситуация: Почему? – (Соотношение сил, действующих на тело).

– На все тела в воде действуют две силы: сила тяжести, направленная вниз и выталкивающая сила (сила Архимеда), направленная вверх.

– Из правила сложения сил, действующих на тело вдоль одной прямой, следует: тонет, если F т ˃ F А; всплывает, если F т ˂ F А; плавает, если F т = F А.

III. Практическая работа по проверке полученных выводов

Проделаем эксперимент и проверим соотношение между силой тяжести и выталкивающей силой. (За основу берется лабораторная работа "Выяснение условий плавания тел в жидкости" – стр. 211 учебника).

Задание 1.

1. Наполните капсулу на 1/4 часть песком, определите на весах его массу в граммах. Переведите значение массы в кг и запишите в таблицу.
2. Опустите капсулу в воду и определите объём вытесненной воды в см3. Для этого отметьте уровни воды в мензурке до и после погружения капсулы в воду. Запишите значение объёма в м3 в таблицу.

Р = F тяж = mg и F А = ρ ж gV т

Задание 2.

1. Наполните капсулу полностью песком, определите на весах его массу в граммах. Переведите значение массы в кг и запишите в таблицу.
2. Опустите капсулу в воду и определите объём вытесненной воды в см 3 . Для этого отметьте уровни воды в мензурке до и после погружения капсулы в воду. Запишите значение объёма в м 3 в таблицу.
3. Рассчитайте силу тяжести и архимедову силу по формулам:

Р = F тяж = mg и F А = ρ ж gV

Сравните архимедову силу с силой тяжести. Результаты вычислений занесите в таблицу и отметьте: капсула тонет или всплывает.

	Масса тела, m , кг	Сила тяжести, F тяж, Н	Объем вытес-ненной воды, V , м 3	Архимедова сила, F А, Н	Сравнение F тяж и F А	Поведение капсулы в воде
						всплывает

Задание 3.

1. Определите при каком соотношении силы тяжести и архимедовой силы капсула будет плавать в любом месте жидкости, полностью погрузившись в неё? Какое значение при этом будет иметь объём вытесненной капсулой воды?
2. Определите массу для плавающего тела (без вычисления).
3. Заполните капсулу песком до необходимой массы, затем опустите в воду и убедитесь на опыте в правильности ваших рассуждений.
4. Сделайте вывод об условии плавания тела в жидкости.

Опыт 2

Проверим условия плавания в зависимости от плотности вещества, из которого сделаны тела, и плотности жидкости. Для этого у нас есть ванночка c водой, пластина алюминиевой фольги, пассатижи.

1. Сгибая уголки, сделаем из пластины коробочку. Опустим на поверхность воды. Наблюдаем плавание коробочки на поверхности воды.
2. Вытащим коробочку из воды, вернём пластине плоский вид. сложим пластину вдвое, вчетверо и т.д. Пассатижами сожмём фольгу и опустим в воду.

Результат: пластина в виде коробочки плавает, в сжатом виде – тонет.

Проблемная ситуация: Почему? – (Соотношение плотностей тела и воды).

• плотность коробочки из алюминиевой фольги меньше плотности воды, а плотность сжатого комочка фольги больше плотности воды.
• Условия плавания тел: тонет, если ρ т ˃ ρ воды; всплывает, если ρ т ˂ ρ воды; плавает, если ρ т = ρ воды. (ρ алюм = 2700 кг/м 3 ; ρ воды = 1000 кг/м 3).

IV. Рефлексия

Опыт 3. Посмотрите и объясните действие прибора, изготовленного учеником по заданию к §52 (с.55 учебника). "Картезианский водолаз". Вместо прозрачного пузырька ученик использовал обычную пипетку.

Прибор позволяет продемонстрировать законы плавания тел.

V. Домашнее задание

§52; упр 27(3,5,6).

Самоанализ урока

Тема урока физики в 7 классе "Условия плавания тел". В классе 20 учеников. Из них основная часть имеет хорошую математическую подготовку. Ребята любознательные, активные. Хорошо работают в коллективе. Участвуют в подготовке оборудования к уроку.

Цель урока: заинтересовать учащихся, приблизить к самостоятельному решению проблемных ситуаций. В ходе урока ребята учатся самостоятельно планировать пути достижения целей, в том числе альтернативные, осознанно выбирать наиболее эффективные способы решения проблемы.

Тип урока – урок повторения предметных знаний – позволяет проверить полученные на предыдущем уроке знания и подготовиться к решению задач по теме на следующем уроке.

Выбранные этапы урока логически между собой связаны, происходит плавный переход от одного к другому. В течение урока учитель только направляет, корректирует действия учащихся, которые практически весь урок работают самостоятельно. Для экономии времени при выполнении практической части, учащиеся на дополнительных занятиях приготовили по две капсулы с песком, заполненные полностью и частично (задания 1 и 2), третья оставалась пустой. На уроке ребята научились делать выводы из эксперимента, активно обсуждали решение проблемных ситуаций. На завершающем этапе было ещё раз акцентировано внимание ребят на теме урока. Учителем прокомментировано домашнее задание и выставлены оценки за устные ответы, после урока проверены тетради по лабораторным работам.

Считаю, что цели урока достигнуты: ребята научились анализировать, выделять (главное, существенное), сравнивать, классифицировать, обобщать факты и понятия, находили решение проблемных ситуаций. На уроке была создана атмосфера коллективного поиска, эмоциональной приподнятости, радости познания, радости преодоления трудностей.

Плавание - это способность тела удерживаться на поверхности жидкости или на определённом уровне внутри жидкости.

Мы знаем, что на любое тело, находящееся в жидкости, действуют две силы, направленные в противоположные стороны: сила тяжести и архимедова сила.

Сила тяжести равна весу тела и направлена вниз, архимедова же сила зависит от плотности жидкости и направлена вверх. Как физика объясняет плавание тел, и каковы условия плавания тел на поверхности и в толще воды?

Архимедова сила выражается формулой:

Fвыт = 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.

Архимедова сила - это векторная величина. Причина существования выталкивающей силы – разница в давлении на верхнюю и нижнюю часть тела.Указанное на рисунке давление P 2 > P 1 из-за большей глубины. Для возникновения силы Архимеда достаточно того, чтобы тело было погружено в жидкость хотя бы частично.

Так, если тело плывёт по поверхности жидкости, значит выталкивающая сила, действующая на погружённую в жидкость часть этого тела равна силе тяжести всего тела. (Fа = Р)

Если сила тяжести меньше архимедовой силы (Fа > Р), то тело будет подниматься из жидкости, то есть всплывать.

В случае же, когда вес тела больше выталкивающей его архимедовой силы (Fа

Из полученного соотношения можно сделать важные выводы:

Выталкивающая сила зависит от плотности жидкости. А будет тело тонуть или плавать в жидкости, зависит от плотности тела.

Тело плавает, будучи полностью погруженным в жидкость, если плотность тела равна плотности жидкости

Тело плавает, частично выступая над поверхностью жидкости, если плотность тела меньше плотности жидкости

- если плотность тела больше плотности жидкости, плавание невозможно.

Лодки рыбаков изготовлены из сухого дерева, плотность которого меньше плотности воды.

Почему же плавают корабли?

Корпус корабля, который погружается в воду, делают объемным, а внутри этот корабль имеет большие полости, заполненные воздухом, которые сильно уменьшают общую плотность корабля. Объем вытесняемой кораблем воды, таким образом, сильно увеличивают, увеличивая выталкивающую его силу, а плотность корабля в сумме делают меньше плотности воды, дабы корабль мог плавать на поверхности. Поэтому каждый корабль имеет определенный предел массы грузов, который он может увезти. Это называется водоизмещением судна.

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение города Ульяновска "Средняя школа №75"

Творческая работа

"Закон Архимеда.

Плавание тел"

Выполнила: ученица 7 Б класса

Симендеева Диана

Руководитель: учитель физики

Захарова Галина Михайловна

г. Ульяновск

2017г.

Содержание

1Введение: стр.2

1.1 Цели и гипотезы. стр. 3

2. Основное содержание. стр.4

2.1. Биография Архимеда. стр.4,5

2.2 Закон Архимеда стр.5

2.3.Условие плавания тел. стр.5

2.4 стр.5

3. Порядок выполнения работы. стр.6

3.1.Часть I

3.2.Часть II

4. Выводы

5. Приложения

6. Литература

1.1 Цели и гипотезы.

Цели:

Изучить биографию Архимеда

Выяснить условия плавания тел

Исследовать как зависит F A от плотности и объема жидкости

Гипотезы:

Зависит ли F A от ρ ж и v т

Зависят условия плавания от ρ ж и mg

2.Основная часть

2.1.Биография Архимеда.

Архимед(рис.1) родился в 287 году до нашей эры в городе Сиракузы, расположенном на острове Сицилия. Отец Архимеда, Фидий, был математиком и астрономом.. Для получения образования Архимед отправился в духовный и научный центр той эпохи – Александрию Египетскую.

В Александрии Архимед получает основы научных знаний и знакомится с выдающимися учеными своего времени, с астрономом Кононом Самосским, и Эратосфеном Киренским. Архимед состоял с ними в дружеской переписке до конца жизни. Надо полагать, именно в Александрии, прилежно посещая ее знаменитую библиотеку, Архимед познакомился с трудами знаменитых философов и геометров прошлого – Евдокса, Демокрита и многих других.
Закончив обучение в Александрии Египетской, Архимед вернулся в Сиракузы. Уже при его жизни об Архимеде складывали легенды.

Одним из самых известных сюжетов легенд об Архимеде можно назвать «Корона царя Гиерона». Согласно этой легенде, Архимеду поручено было определить, сделана ли эта корона из чистого золота, либо же во время ее изготовления к золоту было добавлено серебро. Решение этой задачи пришло к Архимеду в то время, когда он принимал ванну: погружая корону в воду, можно по вытесненному объему жидкости узнать ее удельный вес; у золотой короны и короны «с примесью» он будет разным. С криком «Эврика!» Архимед выскочил из ванны и нагим пробежал по улицам Сиракуз. Решение задачи с короной положило начало науке гидростатике, родоначальником которой стал Архимед, изложивший ее основы в своем труде «О плавании тел». Сила, выталкивающая любое тело из воды, и в наши дни называется архимедовой силой.

Еще одна легенда повествует о том, что Архимеду удалось сдвинуть с места одним движением руки тяжелый многопалубный корабль «Сиракузия» благодаря разработанной им системе блоков, так называемому полиспасту.

«Дайте мне точку опоры, и я переверну мир», - по легенде, произнес Архимед в связи с этим событием. Использование рычага для увеличения

силы применяется сейчас во всех механических системах. К изобретениям Архимеда относится архимедов винт, или шнек, предназначенный для вычерпывания воды; он и сегодня применяется в Египте .

Главной наукой, которой посвятил себя Архимед была математика. Работы Архимеда показывают, что он был превосходно знаком с математикой и астрономией своего времени. Ряд работ Архимеда в области математики имеет вид посланий к его друзьям и коллегам. Ему принадлежат исследования по всем областям математики его времени: арифметике, алгебре, геометрии.
Основной проблематикой математических работ Архимеда являются задачи на нахождение площадей поверхностей и объемов, которые сейчас могут быть отнесены к области математического анализа. В результате исследований Архимед нашел общую формулу для вычисления площадей и объемов, основанную на методе исчерпывания своего предшественника, математика Евдокса Книдского. До Архимеда ни один ученый не мог найти алгоритм для вычисления площади поверхности и объема шара. Это исследование, изложенное в труде «О шаре и цилиндре» сам Архимед считал вершиной своих научных изысканий. По легенде, он просил высечь изображение шара и цилиндра на своем надгробном камне.
К заслугам Архимеда в области астрономии относится строительство «планетария» для наблюдения за движением пяти планет Солнечной системы, восходом Солнца и Луны. Архимед пытался вычислить расстояния до планет; его ошибкой было распространенное в то время геоцентрическое мировоззрение. В честь Архимеда, памятуя о его астрономических исследованиях, названы кратер и горная цепь на Луне, а также один из астероидов. В родном городе Архимеда, Сиракузах, его имя носит одна из площадей.

2.2 Закон Архимеда

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 .

F A= рg V

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

2.3.Условие плавания тел.

На твердое тело, погруженное в жидкость, действуют архимедова сила F A и сила тяжести mg. В зависимости от соотношения сил mg и F A тело может тонуть, плавать и всплывать. Если mg > F A , тело тонет; если mg = F A , то тело плавает внутри жидкости или на ее поверхности; если mg < F A , то тело всплывает до тех пор, пока архимедова сила и сила тяжести не сравняются по модулю.Тело плавает на поверхности, если р ж = р т ; тело тонет, если р т > р ж ; тело всплывает, если р т < р ж.

2.4 .От чего зависит выталкивающая сила?

Выталкивающая сила зависит: от Vт, от плотности жидкости, глубины погружения, от формы предмета при равном объёме.

3. Порядок выполнения работы.

3.1. Эксперимент с яйцом.

Цель работы :

Исследовать поведение сырого яйца в жидкостях разного вида.

Доказать зависимость выталкивающей силы от плотности жидкости. Ход работы :

1.Взять сырое яйцо и жидкости разного вида:

чистая вода,

насыщенный, соленый раствор,

2.Определить силу тяжести, действующую на яйцо в воздухе и в жидкостях разного рода поочередно.

Результаты исследований :

Результирующая сила, действующая на яйца в воздухе, оказалась больше, чем в жидкости.

Результирующая сила, действующая на яйца в жидкостях разного рода, оказалась разной

Вывод

3.2. Эксперимент с картофелем.

Цель работы :

Исследовать поведение картофеля в жидкостях разного вида.

Доказать зависимость выталкивающей силы от плотности жидкости.

Ход работы :

1.Взять картофель и жидкости разного вида.

чистая вода,

насыщенный, соленый раствор,

2.Определить силу тяжести, действующую в жидкостях разного рода.

Результаты исследования:

Результирующая сила, действующая на картофель в воздухе, оказалась больше, чем в жидкости.

Результирующая сила, действующая на картофель в жидкостях разного вида, оказалась разной

(чем больше плотность жидкости, тем результирующая сила меньше)

Вывод

На эксперименте показано, что выталкивающая сила зависит от объёма тела и плотности жидкости. Результирующая сила, которая определяет поведение тела в жидкости, зависит от массы, объёма тела и плотности жидкости.

5. Список литературы

1.Интернет-ресурсы

2. Физика 7 класс А.В. Пёрышкин, Издательство «ДРОФА»

6. Приложения

(рис.1)

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