ФИЗИКА. Закон Архимеда Условие плавания тел
 Скачать 30.67 Kb.
|
|
Оглавление Введение………………………………………………………………………2 Основная часть История открытия Архимедовой силы………………………………..4 Закон Архимеда…………………………………………………………5 Условие плавания тел……………………………………………...........5 Практическая часть……………………………………..........................8 Заключение…………………………………………………………...............11 Список литературы…….………………………………………………........13 Введение Вода – самое распространенное на земле вещество. Ею заполнены океаны, моря, озера и реки; пары воды входят в состав воздуха. Вода содержится в организмах животных и растений. Так, например, в организме млекопитающих массовая доля воды составляет примерно 70%. Если всю воду Земли распределить равномерным слоем по ее поверхности, то образовался бы Мировой океан глубиной 4 км. Океаны и моря, озера и реки полны обитателями подводного мира. Как же вода действует на них? Почему водные животные не нуждаются в массивных скелетах? А водные растения всегда сохраняют вертикальное положение? Почему под водой мы можем легко поднять камень, который с трудом поднимаем в воздухе? Почему водоплавающие птицы мало погружаются в воду? Почему человек может долгое время находиться на поверхности воды? На эти и многие другие вопросы мы попытались ответить при реализации своей работы. Цели: изучить закон Архимеда изучить условия плавания тел Задачи: подобрать и изучить литературу вспомнить историю открытия закона Архимеда. вывести условие плавания тел. Провести опыты, доказывающие гидростатическую силу Предмет исследования: физика. Объект исследования: Архимедова сила. Методы исследования: 1) Теоретический. 2) Практический. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ Теоретическая часть Немного истории открытия закона Архимеда Открытие Архимедом выталкивающей силы Архимед открыл закон о выталкивающей силе. Существует легенда, что он пришел к своему закону, решая задачу: содержит ли золотая корона, заказанная Героном мастеру, посторонние примеси или нет. Однако, вероятно, мотивы работы Архимеда были все же более глубокими. Ведь Сиракузы были портовым и судостроительным городом. Вопросы плавания тел здесь решались ежедневно практически, и поэтому перед Архимедом стояла задача выяснения научной основы этих вопросов. В своей книге он разбирает не только условия плавания тел, но и вопрос об устойчивости равновесия плавающих тел различной геометрической формы. Научный гений Архимеда в этом сочинении, оставшемся, по-видимому, незаконченным, проявился с исключительной силой. Рассказывают, что однажды Архимед обнаженный бегал по улицам Сиракуз с криком: «Эврика!» («Я нашел!») после того, как обнаружил, войдя в ванну, что масса тела может быть измерена при помощи вытесненного им объема воды. Закон Архимеда гласит, что на всякое тело, погруженное в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, направленная вверх и равная весу вытесненной жидкости или газа. Таким образом, лодка плавает, а заполненный горячим воздухом шар поднимается вверх. Благодаря тому, что они обладают маленькой плотностью, чем вытесненная ими воздух или вода. Закон Архимеда Формулировка закона Архимеда: на тело, погруженное в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, равная весу того количества жидкости или газа, которое вытеснено погруженной частью тела.  Условие плавания тел На законе Архимеда основана теория плавания тел в жидкостях и газах. Открытие основного закона гидростатики – одно из крупнейших завоеваний античной науки. Этот закон гласит, что на тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, равная весу жидкости, вытесненной этим телом. Рассмотрим пример. В сосуд с водой опустим тела разной плотности, но равные по размеру. Заметим, что вес вытесненной жидкости во всех случаях будет различный. А теперь рассмотрим пример с телами одинаковой плотности, но разных размеров. Результат будет такой же. Напрашивается вывод, выталкивающая сила зависит от плотности и объёма тела. Тело не тонет в жидкости, если его выталкивающая сила, действующая вверх, уравновешивает силу тяжести. Это явление называется плавучестью. Плавающие тела лишь частично погружены в жидкость. Это приводит к тому, что сила тяжести и выталкивающая сила уравновешивают одна другую. Под водой находится такая часть тела, объём которой создаёт выталкивающую силу, равную весу тела на суше. Если поместить на плавающее тело дополнительный груз, оно глубже осядет в воду. При этом оно вытеснит больше воды, возрастёт выталкивающая сила и скомпенсирует увеличение веса. Если выталкивающая сила равна весу тела, оно будет плавать, а если меньше, пойдет ко дну. Что окажется больше – вес тела или выталкивающая сила, - зависит от состояния между плотностью тела и плотностью жидкости. Плотность воды - 1000кг/м3, бетона - 3000кг/м3, стали (железа) - 7800кг/м3, дерева – 500кг/м3. Стальные суда плавают, потому что внутри они полые. Общая плотность обшивки, воздуха в ней и всего оборудования меньше плотности воды. Во фразеологизмах «плавает как топор», «пойти камнем ко дну» говорится о том, что сила тяжести превышает выталкивающую силу в результате чего, тело тонет. Герой сказки А. Толстого «Золотой ключик» Буратино, не утонул в реке, так как папа Карло сделал его из полена. Кроме плотности тела, выталкивающая сила зависит так же от плотности жидкости, в которую помещают данное тело. Чем больше плотность жидкости, тем больше выталкивающая сила. Например, алюминиевая чайная ложка быстрее тонет в молоке, чем в мёде. Плотность мёда - 1350кг/м3, а плотность молока – 1030кг/м3 . Рассмотрим случаи, когда выталкивающая сила зависит от плотности жидкости. Свежее яйцо в воде тонет – это знает каждая хозяйка. Желая убедиться, свежи ли яйца, она испытывает их именно таким образом: если яйцо тонет – оно свежее, если всплывает – непригодно для еды. Сделаем из этого выводы, что свежее яйцо весит больше, чем такой же объём чистой воды. «Чистая» вода потому, что не солёная, так как последняя весит больше. Можно приготовить такой густой раствор соли в воде, что яйцо будет легче вытесняемого им рассола. Тогда по закону плавания, открытому ещё Архимедом, - самое свежее яйцо в такой воде будет всплывать. Можно так же заставить яйцо ни тонуть, ни всплывать, а словно висеть внутри жидкости. Чтобы приготовить раствор соли в воде такой крепости, нужно несколько раз подливать воды, если яйцо всплывает – чистой, если же тонет – крепкого рассола. Только тогда удастся приготовить рассол, в котором погруженное яйцо не всплывает и не тонет, а остаётся неподвижным в том месте, куда его поместили. Воспользуемся касторовым маслом. Нальём масло в прозрачный стакан, не торопясь, капнем в него насколько капель подкрашенной акварелью воды. Капли будут медленно оседать на дно. Мы получим разноцветные шарики. Можно использовать растворы нескольких цветов, то в стакане с маслом возникнет картина, напоминающая висящие разноцветные шары. Это происходит потому, что плотность касторового масла и воды практически одинакова. Этот опыт называется опыт Плато. Почему молоко убегает? Кипение молока всегда начинается внезапно. Шапка молочной пены образуется в доли секунды. По мере нагревания кастрюли её дно и стенки покрываются мелкими газовыми пузырьками. Они чаще всего образуются на дне кастрюли – особенно там, где есть следы жира, песчинки, мелкие царапины, или невидимые микротрещины. Эти пузырьки образуются за счёт выделения газов, растворённых в воде. Температура молока у дна несколько выше, чем на поверхности, поэтому молоко возле дна должно испаряться более интенсивно. Только куда ему испаряться? Вот оно и находит выход – испаряется внутрь газовых пузырьков. С повышением температуры количество пара в пузырьке растёт, пузырёк увеличивается в объёме, наконец, выталкивающая сила Архимеда отрывает его от дна, и он всплывает. При приближении к температуре кипения количество паровых пузырьков быстро увеличивается, и … начинается процесс кипения. На поверхности молока образуется достаточно прочная плёнка, не позволяющая пузырькам пара выходить на поверхность. В некоторый момент под плёнкой скапливается достаточно большое количество пузырьков, способных прорвать молочную плёнку. И в этот миг молоко «убегает», хотя на самом деле «убегает» молочная пена, прорвавшаяся сквозь плёнку на поверхность молока. Итак, плотность пузырьков газа намного меньше плотности молока, поэтому газовые пузырьки, под действием выталкивающей силы устремляясь вверх, разрывают молочную плёнку. Поведение тела, находящегося в жидкости или газе, зависит от соотношения между модулями силы тяжести и силы Архимеда, которые действуют на это тело. Возможны следующие три случая: Сила тяжести больше силы Архимеда — тело тонет; Сила тяжести меньше силы Архимеда — тело плавает в жидкости или газе; Сила тяжести равна силе Архимеда — тело всплывает до тех пор, пока не начнет плавать. Практическая часть Даже тем, кто не умеет хорошо плавать, знакомо чувство легкости, когда при погружении в воду качаешься на волнах. Это не просто ощущение, это на самом деле так. Вода поддерживает твердые тела, уменьшая их вес. Следующие опыты, проведенные нами, позволят понять, поему некоторые тела не тонут и даже тяжелые корабли остаются на плаву. Почему в воде тела кажутся более легкими? Опыт №1 Для опыта требуется: Динамометр Яблоко Нить Глубокий таз Вода Бумага и карандаш Ход опыта: Взвесить яблоко с помощью динамометра Не снимая яблока с динамометра, опустить его снова в воду и замерить вес. Результат: Когда яблоко погружено в воду, динамометр показывает меньший вес Это потому… …что яблоко, погружаясь в воду, вытесняет некоторое ее количество. Вытесненная вода стремится занять свое место и давит на яблоко, стараясь вытолкнуть его вверх. Это гидростатическая сила. Она равна весу вытесненной воды. Если погружаемый предмет весит 500 г и вытесняет 200 г воды, гидростатическая сила, выталкивающая его вверх, уменьшает вес предмета на 200 г. Вывод: Из проведенного опыта следует, что Тело, погруженное в жидкость, выталкивается вверх с силой, равной весу вытесненной им жидкости. «Почему одни тела тонут, а другие нет?» Опыт №1 Для опыта требуется: Пластилин Таз Вода Ход опыта: Наполнить таз водой. Сделать из пластилина лодочку и пустить на воду. Вытащить лодочку, сомкнуть в комок и опустить его в воду. Результат: Лодочка не тонет, а комок опустился на дно. Это потому… ...что чем больше воды вытесняется предметом во время погружения, тем с большей силой предмет выталкивается вверх. Пластилиновая лодочка вытесняет воду не только своим телом, но и своей пустотой и, следовательно, вытесняет больший вес воды, чем весят сами. На них действует выталкивающая сила, не превышающая их вес. Она и держит их на плаву. Пластилиновый комок вытесняет меньше воды. И так как погружаемый объем в этом случае меньше, то выталкивающей силы недостаточно, чтобы он остался на поверхности. Опыт №2 Требуется: пластилин мелкие предметы (скрепки, шарики, камешки, кубики) тазик вода Ход опыта: Слепить из пластилина ванночку. Налить воды в тазик и опустить в нее ванночку. На борту ее отметить, до какого уровня она погрузилась. Постепенно заполнять ванночку мелкими предметами и следить за тем, как метка опускается под воду. Заключение В ходе выполнения работы, проводя опыты и эксперименты, знакомясь с научно-популярной литературой по теме, мы поняли, что знания не разделяются на «физические» и «биологические» и какие-то другие. Общий объект изучения у всех наук – человек + природа. Все явления природы взаимосвязаны между собой, как и наши знания. Например, на поведение рыб в воде влияет целый ряд взаимосвязанных природных явлений. В ненастную погоду (перед дождём или снегом) рыба в водоёмах поднимается на поверхность, а в ясную опускается на дно. Атмосферное давление при ненастной погоде понижено. А при пониженном давлении содержание воздуха и кислорода в воде уменьшается. Рыба поднимается на поверхность. При подъёме плавательный пузырь и объём всего тела рыбы увеличивается и она плавает уже на меньшей глубине. При ясной погоде атмосферное давление повышенное, содержание воздуха и кислорода в воде достаточно, поэтому рыба себя хорошо чувствует на дне. Когда рыба с помощью мышц опускается на большую глубину и давление воды на неё увеличивается, пузырь сжимается, объём тела рыбы уменьшается, и она не выталкивается вверх, а плавает на глубине. Благодаря существованию архимедовой силы плавают суда по рекам, озерам, морям и океанам. Человек научился использовать полученные знания. Но очень часто забывает об экологических аспектах. Например, пролитая нефть образует нефтяную плёнку на поверхности водоёма. Образование плёнки на поверхности ведёт к уничтожению живой жизни водоёма т.к. прекращается доступ кислорода. Попадание нефти на перья птицы ведёт к её гибели: уменьшается её объём - это ведёт к увеличению средней плотности птицы и птица тонет или же наблюдается переохлаждение организма. Бросая различные предметы в воду, которые тонут, человек сам загрязняет дно водоёма. Сплав леса по рекам нарушает природный баланс. Древесина, долгое время, находясь в воде, намокает, плотность древесины увеличивается и становится больше, чем плотность воды. Происходит затопление древесины. Гниение древесины в воде наносит значительный ущерб рекам. Знания о существовании выталкивающей силы могут помочь человеку и в экстремальных ситуациях. Например, при тушении горящего бензина, керосина, нефти нельзя пользоваться водой. Эти нефтепродукты всегда будут находиться на поверхности воды, так как они легче воды. Выталкивающая сила действует и на тела, помещённые в газ. Во время пожара необходимо как можно ниже наклониться к полу, так как плотность угарного газа меньше плотности воздуха и его концентрация будет больше в верхней части комнаты. Точно также нужно вести себя, если произошла утечка газа в квартире. А вот если человек оказался в аварийной ситуации при утечке хлора, то все действия наоборот, так как плотность хлора намного больше плотности воздуха. Список литературы: В. Ф. Шилов - Физика. Экспериментальные задания. Л. П. Макаренко - Плавайте на здоровье. Журнал «Физика». М: «Первое сентября». 2006 г. Журнал «Физика». М: «Первое сентября». 2007 г. А. С. Енохович – Справочник по физике и технике. М:, Просвещение, 1976 г. И. Л. Глейберг – Физкультура и спорт. Малая энциклопедия. М:, 1982 г. Перевод с итальянского Э.И. Мотылевой – Большая книга экспериментов для школьников. М. «РОСМЭН»; 2009 Зорин Н.И., элективный курс «»Элементы биофизики» - М., «Вако», 2007г. Сёмке А.И., Занимательные материалы к урокам – М., «Издательство НЦ ЭНАС», 2006г. Волков В.А, С.В. Громова, Поурочные разработки по физике,7кл. – М. «Вако», 2005г. Сергеев И.С., Как организовать проектную деятельность учащихся, М., «Аркти», 2006г. Материал из Интернета , CRC Handbook of Chemistry and Physics by David R. Lide, Editor-in-Chief 1997 Edition Гальперштейн Л. «Забавная физика», М., «Детская литература», 1993г. Трофимова Т.И. «Физика от А до Я», М., Дрофа, 2007 Wikipedia.ru Джулиан Холланд, Большая энциклопедия эрудита, Kingfisher Publication Plc, 2000 17. А.В. Перышкин, учебник физики , 7 класс, Дрофа, 2003 |