Конспект урока «Архимедова сила» по физике

Автор: Шакиров Фаниль Мазитович

Место работы: Кемеш-Кульская Сош Мамадышского района Республики Татарстан

Должность: учитель.

Тема урока: Архимедова сила

Цели урока:

образовательная: обнаружить наличие силы, выталкивающей тело из жидкости;

развивающая: научить применять закон Архимеда;

воспитательная: формировать интеллектуальные умения анализировать, сравнивать, систематизировать знания. Привить ученикам интерес к науке.

Тип урока: урок усвоения новых знаний.

Оборудование (для учителя): штатив, стеклянный сосуд с отверстием для вытекания воды, динамометр, набор грузов, стакан

для учащихся: динамометр, нить, набор грузов, сосуды с водой, пластилин, шар.

Демонстрация: опыт по рис 139 учебника, деревянный брусок, мяч, сосуд с водой.

Ход урока.

1.Организационный момент.

Сообщение о целях урока.

2.Актуализация знаний.

Ответить на вопросы:

1.Как формулируется закон Паскаля?

2.Как вычисляется давление жидкости на дно и стенки сосуда?

3.Подготовка к усвоению нового материала.

Постановка учебных проблем:

а/ действует ли жидкость на погруженное в неё тело?

б/ всегда ли жидкость действует на погруженное тело?

в/ как теоретически объяснить это действие жидкости на погруженное в неё тело?

Обратимся к опыту. Опускаем в воду деревянный брусок. Брусок плавает на поверхности воды. Почему деревянный брусок плавает на воде?

Опускаем мяч в воду и убираем руку. Мяч выпрыгивает на поверхность воды. Почему мяч выпрыгивает из воды?

-В воде на погруженные тела действует выталкивающая сила.

-Всегда ли жидкость действует на погруженное тело? Опущенный в воду цилиндр из металла тонет. Заметно ли действие воды на это тело?

4.Объяснение нового материала:

Проведем опыт. Подвесим цилиндр к динамометру, и наблюдаем растяжение пружины в воздухе, а затем в воде.

1.Опыт по обнаружению выталкивающей силы:

1. Определите вес груза в воздухе Р₁.

Р₁=. . . . Н.

2. Определите вес груза в воде Р₂.

Р_{2 =} . . . .Н.

3.Сравните результаты измерений и сделайте вывод.

Р₁ . . . . Р₂.

Вывод: вес тела в воде меньше веса тела в воздухе: Р₁ > Р₂.

- Почему вес тела в воде меньше веса тела в воздухе?

Ответ: жидкость действует на любое тело, погруженное в неё. Эта сила направленная вертикально вверх.

- А как можно найти величину выталкивающей силы?

Ответ: из веса тела в воздухе надо вычесть вес тела в воде.

Мы пришли к следующему выводу. На тело, погруженное в жидкость, действуют две силы: одна сила – сила тяжести, направленная вниз, другая – выталкивающая, направленная вверх.

2

1

Рис.1.

Сегодня мы с вами будем изучать выталкивающую силу, действующую на тела, погруженные в жидкость. Выясним, от каких факторов зависит эта сила. Научимся вычислять эту силу. Она называется выталкивающей, или архимедовой силой в честь древнегреческого ученого Архимеда, который впервые указал на её существование и рассчитал её значение.

Архимед (287-212 гг. до нашей эры)

Древнегреческий ученый, физик и математик. Установил правило рычага, открыл закон гидростатики. Материал об Архимеде прилагается в конце разработки урока.

5. Работа в группах.

Отчего зависит Архимедова сила?

Чтобы ответить на этот вопрос проведем работу в группах. Каждая группа получает задание и отвечает на поставленный вопрос.

Задание первой группе

Определите зависимость архимедовой силы от плотности тела.

Оборудование: сосуд с водой, динамометр, тела одинакового объема и разной плотности (алюминиевый и медный цилиндры), нить.

1.Определите вес алюминиевого цилиндра в воздухе. Р₁= Н

2.Определите вес алюминиевого цилиндра в воде. Р₂= Н

3.Найдите архимедову силу, действующую на алюминиевый цилиндр. Р₁ - Р₂= Н

4.Определите вес медного цилиндра в воздухе. Р₃= Н

5.Определите вес медного цилиндра в воде. Р₄= Н

6.Найдите архимедову силу, действующую на медный цилиндр. Р₃ - Р₄ =

7.Сделайте вывод о зависимости ( независимости) архимедовой силы от плотности тела.

Ответ: архимедова сила …………………………………от плотности тела.

Задание второй группе

Определите зависимость архимедовой силы от объема тела.

Оборудование: сосуд с водой, тела разного объема (алюминиевые цилиндры), динамометр, нить.

1.Определите вес большого цилиндра в воздухе. Р₁= Н

2. Определите вес большого цилиндра в воде. Р₂= Н

3.Найдите архимедову силу, действующую на большой цилиндр. Р₁ –Р₂= Н

4.Определите вес маленького цилиндра в воздухе. Р₃= Н

5. Определите вес маленького цилиндра в воде. Р₄= Н

6.Найдите архимедову силу, действующую на маленький цилиндр. Р₃ –Р₄= Н

7.Сделайте вывод о зависимости ( независимости) архимедовой силы от объема тела.

Ответ: архимедова сила …………………………………от объема тела.

Задание третьей группе

Определите зависимость архимедовой силы от плотности жидкости.

Оборудование: динамометр, нить, сосуды с пресной водой и соленой водой, шар.

1.Определите вес шара в воздухе. Р₁= Н

2. Определите вес шара в пресной воде. Р₂= Н

3.Найдите архимедову силу, действующую на шар в пресной воде. Р₁ – Р₂ = Н

4.Определите вес шара в воздухе. Р₁= Н

5. Определите вес шара в соленой воде. Р₃= Н

6.Найдите архимедову силу, действующую на шар в соленой воде. Р₁- Р₂ = Н

7.Сделайте вывод о зависимости ( независимости) архимедовой силы от плотности жидкости.

Ответ: архимедова сила …………………………………от плотности жидкости.

Задание четвертой группе

Определите зависимость архимедовой силы от глубины погружения.

Оборудование: динамометр, нить, мензурка с водой, алюминиевый цилиндр.

1.Определите вес алюминиевого цилиндра в воздухе. Р₁= Н

2. Определите вес алюминиевого цилиндра в воде на глубине 5 см. Р₂= Н

3.Найдите архимедову силу, действующую на алюминиевый цилиндр в воде.

Р₁ – Р₂ = Н

4.Определите вес алюминиевого цилиндра в воздухе. Р₁= Н

5. Определите вес алюминиевого цилиндра в воде на глубине 10 см. Р₃= Н

6.Найдите архимедову силу, действующую на алюминиевый цилиндр во втором случае.

Р₁ – Р₃ = Н

7.Сделайте вывод о зависимости ( независимости) архимедовой силы от глубины погружения тела.

Ответ: архимедова сила …………………………………от глубины погружения тела.

Задание пятой группе

Определите зависимость архимедовой силы от формы тела.

Оборудование: динамометр, нить, сосуд с водой, кусочек пластилина.

1.Кусочку пластилина придайте форму куба.

2. Определите вес пластилина в воздухе. Р₁= Н

3. Определите вес пластилина воде. Р₂ = Н

4.Найдите архимедову силу, действующую на кусочек пластилина. Р₁ – Р₂ = Н

5.Кусочку пластилина придайте форму шара.

6. Определите вес пластилина в воздухе. Р₃= Н

7. Определите вес пластилина воде. Р₄= Н

8.Найдите архимедову силу, действующую на кусочек пластилина. Р₃-Р₄= Н

9.Сравните эти силы и сделайте вывод о зависимости ( независимости) архимедовой силы от формы тела.

Ответ: архимедова сила …………………………………от формы тела.

После получения результатов каждая группа устно отчитывается о своей работе и сообщает свои выводы. Выводы записываются учащимися в тетрадях, а учителем – на доске в виде таблицы:

Архимедова сила

Мы узнали о том, что архимедова сила зависит от объема тела и плотности жидкости. Как теоретически объяснить действие жидкости на погруженное в неё тело. Опыты показывают, что действие жидкости направлено вверх.

Значение выталкивающей силы можно определить используя прибор, который находится перед вами.

Прибор носит название "ведерко Архимеда". Это пружина с указателем, шкала, ведерко, цилиндр, того же объема, отливной сосуд, стакан.

Здесь пружина выполняет роль динамометра.

1. Показать, что объем ведерки равен объему цилиндра.

2. В отливной сосуд наливаем воду чуть выше уровня отливной трубки. Лишняя вода выльется в стакан. Сливаем воду.

3. Подвесим ведерко к пружине, а к нему - цилиндр. Отмечаем растяжение пружины с помощью указателя. Стрелка показывает вес тела в воздухе.

4. Приподняв тело, под него подставляем отливной сосуд. После погружения в отливной сосуд , часть воды выльется в стакан. Указатель пружины поднимется вверх, пружина сокращается, показывая уменьшение веса тела в жидкости.

- Почему пружина сокращается?

- В данном случае на тело, кроме силы тяжести, действует ещё и сила выталкивающая его из жидкости.

- В какую сторону направлена выталкивающая сила?

- Выталкивающая сила направлена вверх.

5. Перельем воду из стакана в ведерко.

- Обратите внимание на указатель пружины. Где остановился указатель пружины, после того как мы перелили воду из стакана в ведерко?

- Указатель вернулся на прежнее место.

- Почему указатель пружины вернулся в прежнее положение?

- На пружину кроме силы тяжести и выталкивающей силы действует вес воды в ведерке.

Вес воды равен выталкивающей силе.

-Обратите внимание, сколько вытекло воды?

-Полное ведерко.

- Сравните объем налитой в ведерко воды и объем цилиндра.

- Они одинаковы.

На основании этого опыта делаем вывод: выталкивающая сила равна весу жидкости, вытесненной телом.

6. Формулируется закон Архимеда: на тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, равная по величине весу жидкости, вытесненной телом.

На основании этого опыта можно заключить, что сила, выталкивающая целиком погруженное в жидкость тело, равна весу жидкости в объеме этого тела.

Если бы подобный опыт проделать с телом, погруженное в газ, то показал бы, что сила, выталкивающая тело из газа, также равна весу газа, взятого в объеме тела.

Итак, опыт подтвердил, что архимедова (или выталкивающая) сила равна весу жидкости в объеме тела, т.е. F_A= Р_Ж = g m _ж.

Массу жидкости m _ж , вытесняемую телом, можно выразить через её плотность (ρ_ж) и объем тела (V_т) погруженного в жидкость (так как V_ж – объем вытесненной телом жидкости равен V_т – объему тела, погруженного в жидкость , V_ж = V_т), т.е. m_ж = ρ_жV_т.

Тогда получим F_А = gρ_жV_т.

Как было установлено, архимедова сила зависит от плотности жидкости, в которую погружено тело, и от объема этого тела. Но она не зависит, например, от плотности вещества тела, погружаемого в жидкость, так как эта величина не входит в полученную формулу.

Определим теперь вес тела, погруженного в жидкость (или газ). Так как две силы, действующие на тело в этом случае, направлены в противоположные стороны (сила тяжести вниз, а архимедова сила вверх) то вес тела в жидкости Р₁ будет меньше веса тела в вакууме Р = g m (m - масса тела) на архимедову силу F_A= g m _ж (m _ж – масса жидкости, вытесненной телом) т.е. Р₁ = Р - F_A, или Р₁ = g m - g m _ж.

Таким образом, если тело погружено в жидкость (или газ), то оно теряет в своем весе столько, сколько весит вытесненная им жидкость ( или газ).

Следует помнить, что при расчете силы Архимеда под V понимают только ту часть объема тела, которая полностью находится в жидкости.

Это может быть и часть объема тела (если оно плавает на поверхности, не полностью погрузившись), и весь объем (если тело утонуло).

На рисунке 2 этот объем закрашен.

Рис.2.

Закон Архимеда можно получить математическим путем.

Для объяснения используем представление о давлении жидкости на тело. Давление внутри жидкости: p=gρ_жh. Рассмотрим рисунок 3. В жидкости находится параллелепипед. Если верхняя грань находится на глубине h₁ , а нижняя на глубине h₂, то р₂ > р₁. Давление на боковые грани компенсируются, так как , по закону Паскаля, (на боковые грани ) давление на одном уровне по всем направлениям одинаково.

Рис.3.

Вывод:выталкивание тела происходит в результате действия разного давления на нижнюю и верхнюю грани:

Р_нижн> Р_верх.

Находим силы с которыми жидкость действует на верхний и нижний грани параллелепипеда.

F₁ = p₁S = gρ_ж h₁.

F₂ = p₂S = gρ_ж h₂.

F₂ - F₁= gρ_ж h₂ - gρ_жh₁ = gρ_ж (h₂ –h₁ ).

Так как (h₂ –h₁ ) = h – высота параллелепипеда, то Sh =V –объем параллелепипеда. В итоге F₂ - F₁ = gρ_жV.

Окончательно: F_А = gρ_жV.

Что такое gρ_жV? По формуле это вес жидкости вытесненной данным телам.

5. Пример решения задачи

Определить выталкивающую силу, действующую в морской воде на камень объемом 1,6 м³.

Дано:

V = 1,6 м³

g = 9,8 Н/кг

ρ_ж = 1030 кг/м³

6.Закрепление знаний учащихся.

Вопросы для фронтального опроса:

1.Чему равна величина выталкивающей силы, действующей на погруженное в жидкость тело?

2. Каково направление силы, выталкивающей тело из жидкости?

3. Каков объем жидкости, вытесняемой полностью погруженным в неё телом?

4. Какие две силы, направленные вдоль вертикальной прямой, действуют на тело, погруженное в жидкость?

5. От чего зависит величина выталкивающей силы, действующей на погруженное в жидкость тело?

6. На сколько уменьшается вес тела, погруженного в жидкость?

7. Одинаковая ли сила нужна для подъема якоря в морской и речной воде?

8. К коромыслу весов подвешены два свинцовых цилиндра одинаковой массы. Нарушится ли равновесие весов при погружении обоих цилиндров в воду? Спирт? Ответ поясните.

9. Какое заключение можно сделать о величине архимедовой силы, проводя соответствующие опыты на Луне, где сила тяжести в шесть раз меньше, чем на Земле?

10. Действует ли на искусственном спутнике Земли архимедова сила?

11. Деревянный брусок целиком погружен сначала в воду, потом в керосин. Одинаковы ли выталкивающие силы действующие на него в обеих случаях?

12. На тело, плавающее на поверхности воды, подействовали силой, направленной вертикально вниз. Как при этом изменилась выталкивающая сила?

13. Железное тело опустили в отливной сосуд , наполненный водой . При этом часть воды вылилась. Равна ли масса железного тела массе вылившейся воды?

14. Почему нельзя тушить нефть, бензин керосин водой?

15. Железный и алюминиевый шары равных объемов бросили в воду. Равны ли выталкивающие силы, действующие на эти шары?

16. К пружинному динамометру подвешено металлическое тело. В каком случае показания динамометра будут больше: если тело опустить в воду или керосин? Ответ обоснуйте.

17. К коромыслу весов подвешены алюминиевый и стальной цилиндры одинаковой массы. Весы находятся в равновесии. Нарушится ли равновесие весов после одновременного погружения обоих цилиндров в воду? Ответ поясните.

18. К коромыслу весов подвешены два стальных цилиндра одинаковой массы. Нарушится ли равновесие весов, если один цилиндр погрузить в воду, а второй цилиндр - в керосин. Плотность воды 1000 кг/м³, а плотность керосина 800 кг/м³.

7. Работа по книге.

Решение задач из упражнения 24 (3,4) учебника.

8. Подведение итогов урока.

Мы на этом уроке изучили закон Архимеда. Что мы узнали? Достигли ли мы цели урока?

Оцениваются отличившиеся. Большое спасибо за урок!

9. Домашнее задание: §49, упр 32(1,2)

§8. Легенда об Архимеде.

Для способных учащихся выполнить задание 29.

Карточки для проверки усвоения учащимися пройденного материала.

Учащиеся получают карточки с задачами разного уровня сложности:

Первая задача - на определение выталкивающей силы, вторая – на определение объема, третья – комбинированная.

Карточка 1.

1. Объем стального бруска 0,2 м³. Какая выталкивающая сила действует на брусок при его погружении в воду? Плотность воды 1000 кг/м³.

2. Каков объем стального цилиндра, если разность веса цилиндра в воздухе и в воде составляет 4 Н? Плотность воды 1000 кг/м³.

3. Гранитная плита размером 1,2 х 0,6 х 0,3 м на половину своего объема погружена в воду. На сколько плита стала легче? Плотность воды 1000 кг/м³.

Карточка 2.

1. Объем мяча 0,002 м³. Какая выталкивающая сила действует на мяч при его погружении в воду? Плотность воды 1000 кг/м³.

2. Определите объем полностью погруженного в воду тела, если выталкивающая сила, действующая на него, равна 29,4 Н. Плотность воды 1000 кг/м³.

3. Свинцовый цилиндр массой 200 г подвешен к пружинным весам. Затем цилиндр погружают в воду. Каковы показания весов в первом и во втором случаях? Плотность воды 1000 кг/м³. плотность свинца 11300 кг/м³.

Карточка 3.

1. С какой силой выталкивается из керосина пробковый брусок размером 4 х 5 х 10 см? Плотность 800 кг/м³.

2. Архимедова сила действующая на деталь в воде равна 1000 Н. найти объем детали. Плотность воды 1000 кг/м³.

3. Какую силу необходимо приложить к мячу объемом 5 дм³ и массой 0,5 кг для удержания его под водой? Плотность воды 1000 кг/м³. Куда направлена эта сила?

Карточка 4.

1. Чему равна выталкивающая сила, действующая на металлический брусок объемом 0,8 дм³ при полном его погружении в воду? Плотность воды 1000 кг/м³.

2. Архимедова сила действующая на балку в воде равна 1000 Н. найти объем детали. Плотность воды 1000 кг/м³.

3. Какую силу надо приложить, чтобы удержать в воде гранитную плиту, на которую действует сила тяжести 27000 Н? Объем плиты – 1 м³. плотность воды – 1000 кг/м³.

Карточка 5.

1.Объем стального бруска 6 дм³ . Какая выталкивающая сила действует на брусок? Плотность воды 1000 кг/м³.

2.Стальная плита весила в воздухе 1960 Н, после погружения в воду плита стала весить 1708,7 Н. Каков объем стальной плиты? Плотность воды 1000 кг/м³.

3. Деревянный шар, плотность которого 500 кг/м³, плавает в воде. Какая часть объема шара погружена в воду, если плотность воды - 1000 кг/м³.

Дополнительный материал к уроку

1. На странице 106 книги Я.И. Перельман «Занимательная физика» имеются статьи «Вечный» водяной двигатель», «Как был поднят «Садко»?

2.  Архимед и его изобретения.

Несомненно, Архимед (около 287—212 до н.э.) — самый гениальный учёный Древней Греции. Он стоит в одном ряду с Ньютоном, Гауссом, Эйлером, Лобачевским и другими величайшими математиками всех времён. Его труды посвящены не только математике. Он сделал замечательные открытия в механике, хорошо знал астрономию, оптику, гидравлику и был поистине легендарной личностью.

Сын астронома Фидия, написавшего сочинение о диаметрах Солнца и Луны, Архимед родился и жил в греческом городе Сиракузы на Сицилии. Он был приближён ко двору царя Гиерона II и его сына-наследника.

Хорошо известен рассказ о жертвенном венце Гиерона. Архимеду поручили проверить честность ювелира и определить, сделан венец из чистого золота или с примесями других металлов и нет ли внутри него пустот. Однажды, размышляя об этом, Архимед погрузился в ванну, и заметил, что вытесненная его телом вода пролилась через край. Гениального учёного тут же осенила яркая идея, и с криком “Эврика, эврика!” он, как был нагой, бросился проводить эксперимент.

Идея Архимеда очень проста. Тело, погружённое в воду, вытесняет столько жидкости, каков объём самого тела. Поместив венец в цилиндрический сосуд с водой, можно определить, какое количество жидкости он вытеснит, т.е. узнать его объём. А, зная объём и взвесив венец, легко вычислить удельную массу. Это и даст возможность установить истину: ведь золото — очень тяжёлый металл, а более лёгкие примеси, и тем более пустоты, уменьшают удельную массу изделия.

Но Архимед на этом не остановился. В труде “О плавающих телах” он сформулировал закон, который гласит: “Тело, погружённое в жидкость, теряет в своём весе столько, каков вес вытесненной жидкости”. Закон Архимеда является (наряду с другими, позже открытыми фактами) основой гидравлики — науки, изучающей законы движения и равновесия жидкостей. Именно этот закон объясняет, почему стальной шар (без пустот) тонет в воде, тогда как деревянное тело всплывает. В первом случае вес вытесненной воды меньше веса самого шара, т.е. архимедова “выталкивающая” сила недостаточна для того, чтобы удержать его на поверхности. А тяжелогружёный корабль, корпус которого сделан из металла, не тонет, погружаясь только до так называемой ватерлинии. Поскольку внутри корпуса корабля много пространства, заполненного воздухом, средняя удельная масса судна меньше плотности воды и выталкивающая сила удерживает его на плаву. Закон Архимеда объясняет также, почему воздушный шар, заполненный тёплым воздухом или газом, который легче воздуха (водородом, гелием) , улетает ввысь.

Знание гидравлики позволило Архимеду изобрести винтовой насос для выкачивания воды. Такой насос (кохля) до недавнего времени применялся на испанских и мексиканских серебряных рудниках.

Из курса физики всем знакомо Архимедово правило рычага. Согласно преданию, учёный произнёс крылатую фразу: “Дайте мне точку опоры, и я подниму Землю!” . Конечно, Архимед имел в виду применение рычага, но, он был несколько самоуверен: кроме точки опоры ему понадобился бы и совершенно фантастический рычаг — невероятно длинный и при этом несгибаемый стержень.

Достоверные факты и многочисленные легенды говорят о том, что Архимед изобрёл немало интересных машин и приспособлений.

Список использованной литературы:

С.Г.Броневщук, Н.Д.Машевский. Самостоятельные работы по физике.

Л.А.Горев. Занимательные опыты по физике.

И.Т.Кириллова. Книга для чтения по физике.

В.И.Лукашек. Сборник задач по физике 7-8 класс.

А.В.Перышкин. Тематическое и поурочное планирование.

Я.И.Перельман. Заниательная физика. Книга 2.(стр.106).

С.Е.Полянский. Поурочные разработки по физике.

А.В Постников. Проверка знаний учащихся по физике.

М.Е.Тульчинский. Качественные задачи по физике.

А.В.Чебатарева. Самостоятельные работы учащихся по физике.

В.А.Шевцов. Дидактический материал по физике.