Плавание тел по физике. Физика. Плавание тел

Физика Учитель: Орел Алла Евгеньевна МСКОУ школа - интернат II вида № 12 г.Челябинска Плавание тел Цель урока: выяснить условия плавания тел в зависимости от плотности вещества и жидкости. Задачи урока: 1. Научиться выводить формулы условия плавания тел. 2. Научиться доказывать условие плавания тел, полностью погруженных в жидкость. 3. Научиться доказывать условие плавания тел, частично погруженных в жидкость. 4. Уяснить условие, при котором тело в жидкости тонет, и условие всплывания тел, полностью погруженных в жидкость. Ответьте на вопросы: Какие силы действуют на тело, погруженное в жидкость? Как направлены эти силы? Как найти их равнодействующую? При каком условии тело тонет, всплывает и плавает? До каких пор продолжается всплывание тела? Как доказать, что вес воды, вытесненной плавающим телом, равен весу тела? Вопрос: Если в сосуд налить три жидкости: воду, подсолнечное масло и бензин, то как они расположатся? Внизу - вода, сверху - бензин, подсолнечное масло - между водой и бензином. Вопрос: Опустим в сосуд с водой три шарика: парафиновый, железный и пробковый. Как они расположатся в данном цилиндре? Железный шарик утонет, парафиновый и пробковый шарики всплывут. Вычислим силу тяжести металлического шарика и архимедову силу Вещество Плотн ость, кг/м 3 Вода Бензин Ртуть Железо Парафин Пробка 1000 710 13600 7800 900 240 Пусть объем шарика 5 см 3 , тогда его масса равна 39г Сила тяжести: F т = 0,039 кг. 10 Н/кг = 0,39 Н Архимедова сила: в воде: F a = 0,05 Н в бензине: F a = 0,355 Н в ртути: F a = 0,68 Н Производим сравнение величины сил, действующих на шарик, а также плотности вещества тела и соответствующей жидкости. Железный шарик тонет в воде F т > F a ρ тела > ρ ж Железный шарик всплывает в ртути F т < F a ρ тела < ρ ж Вещество Плотность, кг/м 3 Вода Бензин Ртуть Железо Парафин Пробка 1000 710 13600 7800 900 240 а) если плотность вещества, из которого состоит тело, больше плотности жидкости, то тело тонет; б) если плотность вещества, из которого состоит тело, меньше плотности жидкости, то тело плавает. Вывод: Условие плавания тел 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 = ρ Vg (3) Подставим выражения (2) и (3) в равенство (1) : ρ Vg = ρ ж V ж g Разделив обе части этого равенства на g , получим условие плавания тел в новой форме: ρ V = ρ ж V ж Из полученного соотношения можно вывести следствия 1 и 2. На рисунке изображено одно и то же тело, плавающее в двух разных жидкостях. Плотность какой жидкости больше? Почему? Определите, какой из этих брусков изготовлен из парафина, какой – из сосны, какой – из пробки Вещество Плотность, кг/м 3 Парафин Сосна Пробка 900 400 240 Ответьте на вопросы: Как расположатся в воде бруски из дуба и льда. Начертите в тетради. Каким должен быть стеклянный шар, чтобы он не утонул в воде? При каком условии тело будет парить в воздухе? Домашнее задание: На оценку «3» п. 48, вопросы 1, 2, 3,4 ,5 ,6 к параграфу. На оценку «4» 1) п. 48, вопросы 1, 2, 3, 4, 5, 6 к параграфу; 2) объяснять как зависит глубина погружения плавающего тела от его плотности; 3) решить задачу № 102 (с.146). Дополнительный вопрос На оценку «5» Кусок пластилина бросили в сосуд с водой. Пластилин утонул. Каким образом добиться, чтобы этот пластилин плавал на поверхности воды, частично погрузившись в нее? Проверьте свой ответ на опыте. Х Следствие 1 Для того чтобы тело плавало, будучи полностью погруженным в жидкость, необходимо, чтобы плотность тела была равна плотности жидкости. Доказательство. Если тело полностью погружено в жидкость, то объем вытесняемой телом жидкости будет равен объему всего тела: V ж = V . Значит, эти объемы в в формуле ρ V = ρ ж V ж можно сократить. Останется ρ = ρ ж, что и требовалось доказать. Следствие 2 Для того чтобы тело плавало, частично выступая над поверхностью жидкости, необходимо, чтобы плотность тела была меньше плотности жидкости. Доказательство. Если тело плавает, частично выступая над поверхность жидкости, то объем вытесняемой телом жидкости будет меньше объема всего тела: V ж < V . Значит, для сохранения равенства в формуле ρ V = ρ ж V ж необходимо, чтобы плотность жидкости была больше плотности тела: ρ < ρ ж, что и требовалось доказать.

Тип урока: исследование

Используемые технологии: Традиционная, групповая, инновационная.

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.

Задачи:

установить теоретически и экспериментально соотношение между плотностью тела и жидкости, необходимое для обеспечения условия плавания тел;
продолжить формировать умение учащихся проводить опыты и делать из них выводы;
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: Мультимедиа, экран, индивидуальные карточки задания, таблица плотностей, исследуемые материалы.

Ход урока

Активизация знаний:

Учитель:

– На предыдущих уроках мы рассмотрели действие жидкости и газа на погруженное в них тело, изучили закон Архимеда, условия плавания тел. Тему сегодняшнего урока мы узнаем, решив кроссворд.

По горизонтали: 1. Единица деления. 2. Единица массы. 3. Кратная единица массы. 4. Единица площади. 5. Единица времени. 6. Единица силы. 7. Единица объема. 8. Единица длины.

Ответы: 1. Паскаль. 2. Килограмм. 3. Тонна. 4. Квадратный метр. 5. Час. 6. Ньютон. 7. Литр. 8. Метр.

(Тему урока записываем в тетради)

Учитель: Но а теперь прежде, чем приступить с решению экспериментальных 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: От чего зависит архимедова сила?

Учащиеся: Архимедова сила зависит от объёма тела и от плотности жидкости.

Учитель: А если тело не полностью погружено в жидкость, то как определяется архимедова сила?

Учащиеся: Тогда для подсчета архимедовой силы надо использовать формулу F A = ρ ж gV, где V – объем той части тела, которая погружена в жидкость.

Учитель: Какими способами можно на опыте определить архимедову силу?

Учащиеся: Можно взвесить жидкость, вытесненную телом, её вес и будет равен архимедовой силе. Можно найти разность показаний динамометра при взвешивании тела в воздухе и в жидкости, эта разность тоже равна архимедовой силе. Можно определить объем тела с помощью линейки или мензурки. Зная плотность жидкости, объем тела, можно вычислить архимедову силу.

Учитель: Итак, мы знаем, что на всякое тело, погруженное в жидкость, действует архимедова сила. А ещё, какая сила действует на любое тело, погруженное в жидкость?

Учащиеся: Сила тяжести.

Учитель: Вы можете привести примеры тел, которые плавают на поверхности воды? А какие тела тонут в воде? А как ещё тело может вести себя в воде? Какие это тела? Попробуйте угадать, о каком плавающем теле пойдёт сейчас речь.

Сегодня над морем
Большая жара;
А в море плывёт
Ледяная гора.
Плывёт и, наверно,
Считает:
Она и в жару не растает.

Учащиеся: Айсберг.

Учитель: А изменилось бы что-нибудь, если бы воду в океане мы мгновенно поменяли бы на керосин?

(Учащиеся путаются в ответах)

Вы не можете точно ответить на этот вопрос. Но у вас уже появляются идеи, гипотезы. Давайте сегодня на уроке вместе решим проблему: Выясним: Каковы условия плавания тел в жидкости.

Решение исследовательских задач:

Запишите в тетради тему урока – “Условия плавания тел”.

Учитель: Ребята, а вы знаете, какой учёный изучал плавание тел?

Учащиеся: Архимед.

Учитель: Попробуем все сведения об условиях плавания тел проверить экспериментально, выполнив исследования. Мы с вами уже так поступали при изучении силы трения. Каждая группа получит своё задание. После выполнения заданий мы обсудим полученные результаты и выясним условия плавания тел.

Все результаты записывайте в тетрадь. Если возникнут вопросы, поднимите руку.

(Ребята получают карточки с заданиями и оборудование для их выполнения – 7 вариантов. Варианты заданий не одинаковы по уровню трудности: первые – наиболее простые, 6 и 7 – сложнее. Они даются соответственно уровню подготовки.)

Задания:

Задание группе 1 :

Пронаблюдайте, какие из предложенных тел тонут, и какие плавают в воде.
Найдите в таблице учебника плотности, соответствующих веществ и сравните с плотностью воды.
Результаты оформите в виде таблицы.

Оборудование: сосуд с водой и набор тел: стальной гвоздь, фарфоровый ролик, кусочки свинца, сосновый брусок.

Оборудование: сосуд с водой и набор тел: кусочки алюминия, органического стекла, пенопласта, пробки, парафина.

Задание группе 2 :

Сравните глубину погружения в воде деревянного и пенопластового кубиков одинаковых размеров.
Выясните, отличается ли глубина погружения деревянного кубика в жидкости разной плотности. Результат опыта представить на рисунке.

Оборудование: два сосуда (с водой и с маслом), деревянный и пенопластовый кубики.

Задание группе 3 :

Сравните архимедову силу, действующую на каждую из пробирок, с силой тяжести каждой пробирки.
Сделайте выводы на основании результатов опытов.

Оборудование: мензурка, динамометр, две пробирки с песком (пробирки с песком должны плавать в воде, погрузившись на разную глубину).

Задание группе 4 :

«Можно ли «заставить» картофелину плавать в воде? Заставьте картофелину плавать в воде.
Объясните результаты опыта. Оформите их в виде рисунков.

Оборудование: сосуд с водой, пробирка с поваренной солью, ложка, картофелина средней величины.

Задание группе 5 :

Добейтесь, чтобы кусок пластилина плавал в воде.
Добейтесь, чтобы кусок фольги плавал в воде.
Поясните результаты опыта.

Оборудование: сосуд с водой; кусок пластилина и кусочек фольги.

Учитель: Мы говорили об условии плавания твёрдых тел в жидкости. А может ли одна жидкость плавать на поверхности другой?

Задание группе 6 : Наблюдение всплытия масляного пятна, под действием выталкивающей силы воды.

Цель работы: Провести наблюдение за всплытием масла, погруженного в воду, обнаружить на опыте выталкивающее действие воды, указать направление выталкивающей силы.

Оборудование: сосуды с маслом, водой, пипетка.

Последовательность проведения опыта:

Возьмите с помощью пипетки несколько капель масла.
Опустите пипетку на глубину 3 – 4 см в стакан с водой.
Выпустите масло и пронаблюдайте, образование масляного пятна на поверхности воды.
На основе проделанного опыта сделайте вывод.

После выполнения эксперимента обсуждаются результаты работы, подводятся итоги.

Пока учащиеся выполняют задания, наблюдаю за их работой, оказываю необходимую помощь.

Учитель: Заканчиваем работу, приборы отодвиньте на край стола. Переходим к обсуждению результатов. Сначала выясним, какие тела плавают в жидкости, а какие – тонут. (Группа 1)

Учащиеся: Один из них называет те тела, который тонут в воде, другой – тела, которые плавают, третий сравнивает плотности тел каждой группы с плотностью воды. После этого все вместе делают вывод.

Выводы:

Если плотность вещества, из которого изготовлено тело больше плотности жидкости, то тело тонет.
Если плотность вещества меньше плотности жидкости, то тело плавает.

(Выводы записываются в тетрадях.)

Учитель: Что произойдет с телом, если плотности жидкости и вещества будут равны?

Учащиеся: дают ответ.

Посмотрим, как ведут себя тела, плавающие на поверхности жидкости. Ребята группы 2 рассматривали, как ведут себя тела, изготовленные из дерева и пенопласта в одной и той же жидкости. Что они заметили?

Учащиеся: Глубина погружений тел разная. Пенопласт плавает почти на поверхности, а дерево немного погрузилось в воду.

Учитель: Что можно сказать о глубине погружения деревянного бруска, плавающего на поверхности воды, масла?

Учащиеся: В масле брусок погружался глубже, чем в воде.

Вывод: Таким образом, глубина погружения тела в жидкость зависит от плотности жидкости и самого тела.

Запишем этот вывод.

Учитель: Теперь выясним, можно ли заставить плавать тела, которые в обычных условиях тонут в воде, например картофелину или пластилин или фольгу. (Группа 4; Группа 5)

Что вы наблюдаете?

Учащиеся: Они тонут в воде. Чтобы заставить картофелину плавать, мы насыпали в воду больше соли.

Учитель: В чем же дело? Что же произошло?

Учащиеся: У соленой воды увеличилась плотность и она стала сильнее выталкивать картофелину. Плотность воды возросла и архимедова сила стала больше.

Учитель: Правильно. А у ребят, выполнявших задание с пластилином, соли не было. Каким образом вам удалось добиться, чтобы пластилин плавал в воде?

Учащиеся: Мы сделали из пластилина лодочку. Она имеет больший объем и поэтому плавает. Можно сделать из пластилина коробочку, она тоже плавает. У нее тоже больше объем, чем у куска пластилина.

Вывод: 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. Как вы думаете, есть ли какая – нибудь связь между силой тяжести и архимедовой силой для плавающих тел?

Учитель: (Группа 6) 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.

Продолжим беседу о жидкостях.

Один неглубокий сосуд пригласил в гости сразу три несмешивающиеся жидкости разной плотности и предложил им располагаться со всеми удобствами. Как расположились жидкости в гостеприимном сосуде, если это были: масло машинное, мёд и бензин.

Укажите порядок расположения жидкостей.

Учащиеся: (Группа 3) Мы погружали в воду две пробирки с песком – одна легче, другая тяжелее, - и обе они плавали в воде. Мы определили, что архимедова сила в том и другом случае примерно равна силе тяжести.

Учитель: Молодцы. Значит, если тело плавает, то F A = F тяж. (записываю на доске). А если тело тонет в жидкости?

Учащиеся: Тогда сила тяжести больше архимедовой силы.

Учитель: А если тело всплывает?

Учащиеся: Значит, архимедова сила больше силы тяжести.

Учитель: Итак, получили условие плавания тел. Но оно не связано с плотностью тела или с плотностью самой жидкости. (Эту зависимость рассмотрели ребята 1 группы). Значит, условия тел можно сформулировать двумя способами: сравнивая архимедову силу и силу тяжести или сравнивая плотности жидкости и находящегося в ней вещества. Где в технике учитываются эти условия?

Учащиеся: При постройке кораблей. Раньше делали деревянные корабли и лодки. Плотность дерева меньше плотности воды, и корабли плавали в воде.

Учитель: Металлические корабли тоже плавают, а ведь куски стали тонут в воде.

Учащиеся: С ними поступают так, как мы поступили с пластилином: увеличивают объем, архимедова сила становится больше, и они плавают. Еще делают понтоны и подводные лодки.

Учитель: Итак, 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?

Учащиеся: Да, при переходе из моря в реку меняется глубина осадки судов.

Учитель: Приведите примеры использования условий плавания тел в технике.

Учащиеся: Для речных переправ применяют понтоны. В морях и океанах плавают подводные лодки. Для подводного плавания часть их емкости заполняют водой, а для надводного – воду выкачивают.

(Демонстрирую рисунки современных кораблей.)

Учитель: Посмотрите внимательно на атомный ледокол. В нашей стране работают несколько таких ледоколов. Они самые мощные в мире и могут плавать, не заходя в порты, более года. Но подробнее мы поговорим об этом на следующем уроке.

Оформление доски: Задание на дом § 48.

Тема урока: Условия плавания тел.

Итог урока:

Делаем с ребятами вывод о проведенных исследованиях. Ещё раз обобщаем условия плавания тел с помощью таблицы, представленной на доске.

Рефлексия:

Сегодня на уроке мне понравилось …
Я хочу, чтобы …
Я узнал …
Я сегодня собой …

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.

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:

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

Возможно, будет полезно почитать: