Започнете в науката. Изследване на Архимедова сила - изследване

Текстът на творбата е поместен без изображения и формули.
Пълна версияработата е налична в раздела „Работни файлове“ в PDF формат

Въведение

Уместност:Ако се вгледате внимателно в света около вас, можете да откриете много събития, случващи се наоколо. От древни времена човекът е бил заобиколен от вода. Когато плуваме в него, тялото ни избутва някакви сили към повърхността. Отдавна си задавам въпроса: „Защо телата плават или потъват? Водата изтласква ли нещата?

моя изследователска работаима за цел да задълбочи знанията, получени в урока за Архимедовата сила. Отговори на моите въпроси с помощта на житейски опит, наблюдения на заобикалящата действителност, провеждат собствени експерименти и обясняват резултатите от тях, което ще разшири знанията по тази тема. Всички науки са взаимосвързани. НО общ обектизучаването на всички науки е човекът "плюс" природата. Сигурен съм, че изследването на действието на Архимедовата сила е актуално и днес.

Хипотеза:Предполагам, че у дома е възможно да се изчисли големината на плаващата сила, действаща върху тяло, потопено в течност, и да се определи дали зависи от свойствата на течността, обема и формата на тялото.

Обект на изследване:Плаваемост в течности.

Задачи:

Да изучава историята на откриването на Архимедовата сила;

Разгледайте учебна литературапо въпроса за действието на архимедовата сила;

Развиват умения за провеждане на самостоятелен експеримент;

Докажете, че стойността на плаващата сила зависи от плътността на течността.

Изследователски методи:

изследвания;

Прогнозно;

Извличане на информация;

Наблюдения

1. Откриване на силата на Архимед

Има известна легенда за това как Архимед тичал по улицата и крещял "Еврика!" Това само говори за откритието му, че подемната сила на водата е равна по абсолютна стойност на теглото на изместената от нея вода, чийто обем е равен на обема на тялото, потопено в нея. Това откритие се нарича закон на Архимед.

През III век пр. н. е. живял Хиерон - царят древногръцки градСиракуза и искаше да си направи нова корона от чисто злато. Той го измери стриктно според нуждите и даде поръчка на бижутера. Месец по-късно майсторът върна златото под формата на корона и то тежеше колкото масата на това злато. Но в края на краищата всичко може да се случи и майсторът може да измами, като добави сребро или още по-лошо - мед, защото не можете да разберете на око, а масата е както трябва. И царят иска да знае: честно ли е свършена работата? И тогава той помолил учения Архимед да провери дали майсторът е направил короната си от чисто злато. Както знаете, масата на тялото е равна на произведението от плътността на веществото, от което е направено тялото, и неговия обем:. Ако различни теласъщата маса, но са направени от различни вещества, което означава, че ще имат различни обеми. Ако майсторът беше върнал на краля не корона, изработена от скъпоценни камъни, чийто обем не може да се определи поради сложността й, а парче метал със същата форма, която кралят му беше дал, тогава веднага щеше да стане ясно дали той смеси друг метал там или не. И докато се къпеше, Архимед забеляза, че от него се излива вода. Подозира, че се излива точно в обема, който заемат частите на тялото му, потопени във вода. И Архимед осъзна, че обемът на короната може да се определи от обема на водата, изместена от нея. Е, ако можете да измерите обема на короната, тогава той може да се сравни с обема на парче злато, равно по маса. Архимед потапя короната във вода и измерва как се увеличава обемът на водата. Той също така потопи във вода парче злато, чиято маса беше същата като тази на короната. И тогава той измери как се е увеличил обемът на водата. Обемът на изместената вода в двата случая е различен. Така майсторът бил осъден в измама и науката била обогатена със забележително откритие.

От историята е известно, че проблемът със златната корона е подтикнал Архимед да изследва въпроса за плаването на телата. Експериментите, проведени от Архимед, са описани в есето „За плаващите тела“, което е достигнало до нас. Седмото изречение (теорема) на тази работа е формулирано от Архимед по следния начин: телата, по-тежки от течност, потопени в тази течност, ще потънат, докато стигнат до самото дъно, а в течността ще станат по-леки от теглото на течността. в обем, равен на обема на потопеното тяло.

Интересното е, че силата на Архимед е нула, когато тяло, потопено в течност, е плътно, като цялата му основа е притисната към дъното.

Откриването на основния закон на хидростатиката е най-голямото постижение на древната наука.

2. Формулиране и обяснение на закона на Архимед

Законът на Архимед описва действието на течности и газове върху потопено в тях тяло и е един от основните закони на хидростатиката и газовата статика.

Законът на Архимед се формулира по следния начин: върху тяло, потопено в течност (или газ), действа подемна сила, равна на теглото на течността (или газа) в обема на потопената част от тялото - тази сила се нарича силата на Архимед:

,

където е плътността на течността (газа), е ускорението свободно падане, - обемът на потопената част от тялото (или частта от обема на тялото под повърхността).

Следователно Архимедовата сила зависи само от плътността на течността, в която е потопено тялото, и от обема на това тяло. Но това не зависи, например, от плътността на веществото на тяло, потопено в течност, тъй като това количество не е включено в получената формула.

Трябва да се отбележи, че тялото трябва да бъде напълно заобиколено от течността (или да се пресича с повърхността на течността). Така например законът на Архимед не може да се приложи към куб, който лежи на дъното на резервоара, херметически докосващ дъното.

3. Определяне на силата на Архимед

Силата, с която тялото в течност се изтласква от нея, може да се определи експериментално с помощта на това устройство:

Окачваме малка кофа и цилиндрично тяло на пружина, фиксирана в статив. Отбелязваме разтягането на пружината със стрелка на триножник, показваща тежестта на тялото във въздуха. Повдигайки тялото, поставяме под него чаша с дренажна тръба, пълна с течност до нивото на дренажната тръба. След това цялото тяло се потапя в течността. В този случай част от течността, чийто обем е равен на обема на тялото, се излива от съда за наливане в чаша. Показателят на пружината се издига, пружината се свива, което показва намаляване на теглото на тялото в течността. AT този случайтялото, заедно със силата на гравитацията, се влияе и от силата, която го изтласква от течността. Ако излеете течност от чашата в кофата (тоест тази, която е била изместена от тялото), тогава стрелката на пружината ще се върне в първоначалното си положение.

Въз основа на този опит можем да заключим, че силата, изтласкваща тяло, напълно потопено в течност, е равна на теглото на течността в обема на това тяло. Зависимостта на налягането в течност (газ) от дълбочината на потапяне на тялото води до появата на плаваща сила (сила на Архимед), действаща върху всяко тяло, потопено в течност или газ. Тялото се движи надолу под въздействието на гравитацията. Архимедовата сила винаги е насочена противоположно на гравитацията, така че теглото на тялото в течност или газ винаги е по-малко от теглото на това тяло във вакуум.

Този опит потвърждава, че Архимедовата сила е равна на теглото на течността в обема на тялото.

4. Състояние на плаващи тела

Върху тяло в течност действат две сили: гравитация, насочена вертикално надолу, и Архимедова сила, насочена вертикално нагоре. Помислете какво ще се случи с тялото под действието на тези сили, ако първоначално е било неподвижно.

В този случай са възможни три случая:

1) Ако силата на гравитацията е по-голяма от Архимедовата сила, тогава тялото потъва надолу, т.е. потъва:

, след това тялото потъва;

2) Ако модулът на гравитацията равен на модулаАрхимедова сила, тогава тялото може да бъде в равновесие във течността на всяка дълбочина:

, след това тялото плува;

3) Ако Архимедовата сила е по-голяма от силата на гравитацията, тогава тялото ще се издигне от течността - плува:

, тогава тялото изплува.

Ако плаващото тяло частично излиза над повърхността на течността, тогава обемът на потопената част на плаващото тяло е такъв, че теглото на изместената течност е равно на теглото на плаващото тяло.

Архимедовата сила е по-голяма от силата на гравитацията, ако плътността на течността е такава повече плътносттяло, потопено в течност

1) \u003d - тялото плава в течност или газ, 2) > тялото потъва 3) < — тело всплывает до тех пор, пока не начнет плавать.

Именно тези принципи на връзката между гравитацията и силата на Архимед се използват в корабостроенето. Въпреки това огромни речни и морски съдове, изработени от стомана, чиято плътност е почти 8 пъти по-голяма от плътността на водата, се държат на водата. Това се обяснява с факта, че само сравнително тънък корабен корпус е направен от стомана и повечето отобемът му е зает от въздух. В този случай средната стойност на плътността на кораба се оказва много по-малка от плътността на водата; следователно, той не само не потъва, но може да вземе и за транспортиране голям бройтовари. Корабите, плаващи по реки, езера, морета и океани, са изградени от различни материали различна плътност. Корпусът на корабите обикновено се изработва от стоманени листове. Всички вътрешни крепежни елементи, които придават здравина на корабите, също са направени от метали. Използва се за изграждане на лодки различни материалиима както по-висока, така и по-ниска плътност в сравнение с водата. Теглото на водата, изместена от подводната част на кораба, е равно на теглото на кораба с товар във въздуха или на силата на гравитацията, действаща върху кораба с товар.

За аеронавтиката първо са използвани балони, които преди са били пълни с нагрят въздух, сега с водород или хелий. За да може топката да се издигне във въздуха, е необходимо Архимедовата (плаващата) сила, действаща върху топката, да е по-голяма от силата на гравитацията.

5. Провеждане на експеримент

Изследвайте поведението на сурово яйце в течности различен вид.

Задача: докажете, че стойността на плаващата сила зависи от плътността на течността.

Взех едно сурово яйце и различни видове течности (Приложение 1):

Водата е чиста;

Вода, наситена със сол;

Слънчогледово олио.

Първо спуснах суровото яйце в чиста вода - яйцето се удави - "отиде на дъното" (Приложение 2). След това в чаша чиста водадобавих супена лъжица трапезна сол, в резултат на което яйцето плува (Приложение 3). И накрая спуснах яйцето в чаша със слънчогледово олио - яйцето потъна на дъното (Приложение 4).

Заключение: в първия случай плътността на яйцето е по-голяма от плътността на водата и следователно яйцето е потънало. Във втория случай плътността на солената вода е по-голяма от плътността на яйцето, така че яйцето плува в течността. В третия случай плътността на яйцето също е по-голяма от плътността на слънчогледовото масло, така че яйцето потъна. Следователно, колкото по-голяма е плътността на течността, толкова по-малка е силата на гравитацията.

2. Действието на Архимедовата сила върху човешкото тяло във вода.

Определете чрез експеримент плътността на човешкото тяло, сравнете я с плътността на прясна вода и морска водаи направете заключение за фундаменталната възможност на човек да плува;

Изчислете теглото на човек във въздуха, Архимедова силадействащи върху човек във вода.

Първо използвах кантар, за да измеря телесното си тегло. След това измерва обема на тялото (без обема на главата). За да направя това, налях достатъчно вода във ваната, така че когато бях потопен във вода, бях изцяло във водата (с изключение на главата). След това с помощта на сантиметрова лента маркирах от горния ръб на ваната разстоянието до нивото на водата ℓ 1, а след това - при потапяне във вода ℓ 2. След това, използвайки предварително калибриран трилитров буркан, започнах да наливам вода във ваната от ниво ℓ 1 до ниво ℓ 2 - така че измерих обема на водата, изместена от мен (Приложение 5). Изчислих плътността по формулата:

Силата на гравитацията, действаща върху тяло във въздуха, се изчислява по формулата: , където е ускорението на свободното падане ≈ 10 . Стойността на силата на плаваемост се изчислява по формулата, описана в параграф 2.

Извод: Човешкото тяло е по-плътно от прясна вода, което означава, че потъва в нея. По-лесно е човек да плува в морето, отколкото в река, тъй като плътността на морската вода е по-голяма и следователно повече стойностплаваща сила.

Заключение

В процеса на работа по тази тема научихме много нови и интересни неща за себе си. Кръгът на нашите знания се увеличи не само в областта на действие на силата на Архимед, но и в нейното приложение в живота. Преди да започнем работа, имахме далеч не подробна представа за това. По време на експериментите ние експериментално потвърдихме валидността на закона на Архимед и установихме, че плаващата сила зависи от обема на тялото и плътността на течността, колкото по-голяма е плътността на течността, толкова по-голяма е Архимедовата сила. Резултантната сила, която определя поведението на тялото във течност, зависи от масата, обема на тялото и плътността на течността.

В допълнение към проведените експерименти, допълнителна литератураза откриването на силата на Архимед, за навигацията на телата, аеронавтиката.

Всеки от вас може да направи невероятни открития и за това не е необходимо да имате специални познания или мощно оборудване. Просто трябва да погледнете по-отблизо света около нас, да бъдете малко по-независими в преценките си и откритията няма да ви накарат да чакате. Нежеланието на повечето хора да знаят Светътоставя много място за любопитните на най-неочаквани места.

Библиография

1. Голяма книга с експерименти за ученици - М.: Росмен, 2009. - 264 с.

2. Уикипедия: https://ru.wikipedia.org/wiki/Law_Archimedes.

3. Перелман Я.И. Занимателна физика. - книга 1. - Екатеринбург .: Теза, 1994.

4. Перелман Я.И. Занимателна физика. - книга 2. - Екатеринбург .: Теза, 1994.

5. Перишкин А.В. Физика: 7 клас: учебник за образователни институции/ А.В. Перишкин. - 16-то изд., стереотип. - М.: Bustard, 2013. - 192 с.: ил.

Приложение 1

Приложение 2

Приложение 3

Приложение 4

Изследване на Архимедовата сила.

Лабораторни упражнения 5 нива.

1.2 ниво - възпроизвеждащ характер.

Ниво 3.4 - частично търсене.

5 - изследване.

Цел:

да изследва зависимостта на архимедовата сила първо от обема на частта от тялото, потопена в течността, а след това от плътността на течността;

изследвайте независимостта на Архимедовата сила от дълбочината на потапяне, плътността и теглото на тялото.

Уреди и материали:динамометър, метални цилиндри, чаша вода, чаша солен разтвор.

азниво.

Закачете стоманения цилиндър на куката на динамометъра. Бавно спускайте цилиндъра в чаша с вода, наблюдавайте показанията на динамометъра. Архимедовата сила зависи ли от обема на потопената част на цилиндъра?

Изчислете архимедовата сила, действаща върху стоманен цилиндър, когато той е напълно потопен във вода. Запишете резултата в таблица 1.

маса 1

Архимедова сила в прясна и солена вода, действаща върху едно и също тяло

течност

Прехвърлете стоманения цилиндър в чашата със солевия разтвор и отново измерете Архимедовата сила, като цилиндърът е напълно потопен в разтвора. Архимедовата сила зависи ли от плътността на течността? Запишете резултатите в таблица 1.

Измерете и изчислете Архимедовите сили, действащи върху алуминиеви и месингови цилиндри с еднакъв обем, когато те са напълно потопени във вода. Въведете числените стойности на Архимедовата сила, действаща върху всеки цилиндър в таблица 2. Архимедовата сила зависи ли от плътността на веществото, от което е направено тялото? Архимедовата сила зависи ли от теглото на тялото?

таблица 2

Архимедова сила в прясна вода, действащи върху тела с еднакъв обем, но различна плътност

Стомана
Алуминий
Месинг

IIниво

Изпълнете стъпки 1-3 от работата на ниво I.

Окачете стоманения цилиндър отново на куката на динамометъра и го спуснете във водата постепенно: първо с ¼ от обема, след това с 1/3 и т.н. Всеки път изчислявайте Архимедовата сила и въведете резултатите в Таблица 3.

Таблица 3

Архимедова сила в зависимост от частта от обема на тялото, потопено в течността

Част от обема на тяло, потопено във вода

Формулирайте и запишете заключения.

IIIниво

Следвайте стъпки 1-5 от предишните нива.

Анализирайте резултатите, формулирайте обобщени заключения.

IVниво

Проведете експериментите според обобщения план:

Формулирайте (разберете) целите на изследването.

Изложете и обосновете хипотеза, въз основа на която тези цели могат да бъдат постигнати.

Помислете върху проекта експериментална настройка, конструирайте го.

Определете реда на експеримента.

Проведете експеримент, направете необходимите наблюдения и измервания.

Обработете резултатите от измерването.

Анализирайте получените резултати, формулирайте заключения.

План за измерване

Определете стойността на разделението на устройството.

Посочете горна и долна граница на измерване.

Подгответе уреда за работа в съответствие с инструкцията за употреба.

Направете измервания.

Определете точността на измерване, абсолютна грешкаизмервания: грешка при отчитане, инструментална грешка, грешка на метода.

Запишете резултата от измерването, като вземете предвид абсолютната грешка.

Изчисли относителна грешкаизмервания.

Ниво V

Запознайте се с експерименталните (творчески) задачи в листа за самоподготовка. Изберете един от тях.

Изберете правилните инструменти и материали.

Обмислете и организирайте реда на работа.

Свърши работата.

Анализирайте резултатите. Направете заключение.

Лист за самоподготовка

Теоретично обучение

Контрол на пълнотата на усвояване на материала.

• От кого и кога е установено съществуването на подемната сила?

  Какви явления, които показват наличието на подемна сила, познавате?

  Според легендата сиракузкият цар Хиерон поръчал на бижутер да направи златна корона. Когато короната е изработена, се подозира, че бижутерът е заменил част от златото с равна част от среброто. Как Архимед успява да открие истината?

  Какъв опит знаете, чрез който можете да определите стойността на архимедовата сила?

  Какви са средствата, с които се провежда експериментът? (уреди, материали)

  Обяснете реда на експеримента.

  Какви са основните резултати от този опит?

  Формулирайте закона на Архимед.

Контрол на дълбочината на усвояване на материала.

• Посочете кой от изброените фактори не влияе на подемната сила, действаща върху тяло, изцяло потопено в течност или газ: вид на течността; обем на тялото; форма на тялото.

  Еднаква ли е подемната сила, с която течността действа върху стоманена топка, потопена в нея, и стоманена плоча със същата маса?

  Какво заключение може да се направи за големината на Архимедовата сила на Луната, където силата на гравитацията е 6 пъти по-малка от тази на Земята?

Практическо обучение

Разработване на индивидуални експериментални действия.

• Какво ще бъде показанието на динамометъра, ако желязна тежест от 150 cm 3 е напълно потопена в бензин?

  Пръчка с размери 2х5х10 см се поставя във вода първо на дълбочина 10 см, а след това на дълбочина 30 см. Уверете се чрез изчисления, че силата на плаваемост, действаща върху щангата и в двата случая е еднаква.

Повторение на осн.

Напишете до всяко от следните твърдения името на учения (Архимед, Б. Паскал, Г. Галилей или Е. Торичели), който притежава посочения резултат от изследването:

Той открива законите на падащите тела и съществуването на явлението инерция ...

Той установи, че налягането, упражнявано върху течност или газ, се предава във всички посоки еднакво ...

Той пръв измери атмосферното налягане...

Той откри, че плаваща сила действа върху тяло в течност или газ ...

Експериментални задачи

Епруветка с парче пластилин плува в течност. Ще се промени ли дълбочината на потапяне на епруветката, ако пластилинът се отстрани от нея и се прикрепи към дъното на епруветката отвън?

Изследване на смесената връзка на проводници + Ф11С3...

1. Урокът започва с челен опит за откриване на силата на плаваемост

   Урок

   Слайдът обсъжда въпроса за природата Архимедов сила, формулировка на закона на Архимед. ... . Слайд 8 Равни ли са? Архимедов силадействайки на топки? Защо... изследвайте пристрастяването Архимедова силаот плътност. Резултати от напредъка изследванияЗаключение 1....

F a или ρ t > ρ w Тялото ще плува вътре в течността, на което и да е от местата й: F тежко = F a или ρ t = ρ w Тялото плава: F a > F тежко или ρ w > ρ t LANG: тялото ще потъне: F тежък > F a или ρ t > ρ f Тялото ще плува вътре в течността, на което и да е от местата му: F тежък = F a или ρ t = ρ f ρ t" class="link_thumb"> 6 !}тялото ще потъне: F тежко > F a или ρ t > ρ f Тялото ще плува вътре в течността, на всяко място: F тежко = F a или ρ t = ρ w F a или ρ t > ρ w Тялото ще плува вътре в течността, на което и да е от нейните места: F тежко \u003d F a или ρ t \u003d ρ t > ρ f Тялото ще плува вътре в течността, на което и да е нейно място места: F тежък \u003d F a или ρ t \u003d ρ f Тялото ще плува вътре в течността, на всяко място: F тежко = F a или ρ t = ρ w Тялото плава: F a > F тежко или ρ w > ρ t F a или ρ t > ρ f Тялото ще плува вътре в течността, на всяко от нейните места: F тежко = F a или ρ t = ρ w Тялото плава: F a > F тежко или ρ f > ρ T"> title="тялото ще потъне: F тежко > F a или ρ t > ρ f Тялото ще плува вътре в течността, на всяко място: F тежко = F a или ρ t = ρ w"> !}

1. Балон с обем 1000 m 3 е напълнен с хелий. Плътността на хелия е 0,18 kg / m 3. Плътността на въздуха е 1,29 kg / m 3. Силата на плаваемост действа върху балона ... 1) 1,29 kN 2) 1,8 kN 3) 12,9 kN 4) 180 kN. 2. По време на експеримента за изследване на силата на плаваемост, действаща върху тяло, напълно потопено във вода, ученикът намали дълбочината на своето положение под вода три пъти. В същото време силата на плаваемост ... 1) не се промени 2) се увеличи 3 пъти 3) намаля 3 пъти. 4) се увеличава 9 пъти.

3. Хомогенно тяло плава, частично потопено във вода, ако плътността му е ... 1) равна на плътността на водата 2) по-голяма от плътността на водата 3) по-малка от плътността на водата 4) равна или по-малка от плътността на водата. 4. В съда има три течности, които не се смесват една с друга (виж фигурата). Парче лед, хвърлено в съд, ще изплува на ниво 1)))3 - 3 4) 4 - 4

5. Алуминиева топка с кухина вътре плува върху повърхността на керосин и след това се поставя в съд с вода. В този случай архимедовата сила, действаща върху топката от страната на течността ... 1) се увеличава, тъй като плътността на керосина е по-малка от плътността на водата 2) намалява, тъй като плътността на керосина е по-малка от плътността вода 3) не се променя, тъй като дълбочината на потапяне на топката в течността не се променя 4) не се променя, тъй като архимедовата сила и в двата случая е равна на теглото на топката във въздуха

6. При потапяне на тяло в течност теглото му е намаляло три пъти. Ако плътността на течността е 800 kg / m 3, тогава плътността на тялото е ... kg / m kg / m kg / m kg / m 3

7. Четири еднакви пластмасови листа с дебелина L всеки, вързани в купчина, плуват във водата, така че нивото на водата да пада на границата между двата средни листа (виж фигурата). Ако към стека се добави друг лист от същия тип, тогава дълбочината на неговото потапяне ще се увеличи с 1) L / 4 2) L / 3 3) L / 2 4) L

8. Проблем за Мечо Пух. Всички видяхме в анимационния филм как Мечо Пух се издигна във въздуха на син балон, изобразяващ облак. Какъв трябва да бъде най-малкият обем на този пълен с хелий балон, за да може да издигне над Земята Мечо Пух, тежащ 50 kg? (Теглото на черупката и хелия в нея не трябва да се вземат предвид). Плътността на въздуха е 1,29 kg / m 3. Закръглете отговора си до най-близкото цяло число.

9. Балонс обем 2500 m 3 и маса на корпуса 400 kg, има отвор на дъното, през който въздухът в топката се нагрява от горелка. До какво минимална температуранеобходимо е да загреете въздуха в балона, така че балонът да излети, заедно с товар (кошница и балонист) с тегло 200 кг? Температурата на околната среда е 7 0 С, плътността й е 1,2 kg/m 3. Считайте, че обвивката на топката е неразтеглива.

1) актуализирайте знанията на учениците по тази тема; 2) идентифицирайте основните модели и характеристики на силата на плаваемост. 3) развиват експерименталните умения на учениците, способността да анализират експериментални данни, да правят изводи. 4) развивам комуникационни умениястуденти. 5) подобряване на уменията за решаване на многостепенни проблеми във физиката