ЗАКОН АРХИМЕДА –закон статики жидкостей и газов, согласно которому на погруженное в жидкость (или газ) тело действует выталкивающая сила, равная весу жидкости в объеме тела.

Тот факт, что на погруженное в воду тело действует некая сила, всем хорошо известен: тяжелые тела как бы становятся более легкими – например, наше собственное тело при погружении в ванну. Купаясь в речке или в море, можно легко поднимать и передвигать по дну очень тяжелые камни – такие, которые не удается можем поднять на суше; то же явление наблюдается, когда по каким-либо причинам выброшенным на берегу оказывается кит – вне водной среды животное не может передвигаться – его вес превосходит возможности его мышечной системы. В то же время легкие тела сопротивляются погружению в воду: чтобы утопить мяч размером с небольшой арбуз требуется и сила, и ловкость; погрузить мяч диаметром полметра скорее всего не удастся. Интуитивно ясно, что ответ на вопрос – почему тело плавает (а другое – тонет), тесно связан с действием жидкости на погруженное в нее тело; нельзя удовлетвориться ответом, что легкие тела плавают, а тяжелые – тонут: стальная пластинка, конечно, утонет в воде, но если из нее сделать коробочку, то она может плавать; при этом ее вес не изменился. Чтобы понять природу силы, действующей на погруженное тело со стороны жидкости, достаточно рассмотреть простой пример (рис. 1).

Кубик с ребром a погружен в воду, причем и вода, и кубик неподвижны. Известно, что давление в тяжелой жидкости увеличивается пропорционально глубине – очевидно, что более высокий столбик жидкости более сильно давит на основание. Гораздо менее очевидно (или совсем не очевидно), что это давление действует не только вниз, но и в стороны, и вверх с той же интенсивностью – это закон Паскаля.

Если рассмотреть силы, действующие на кубик (рис. 1), то в силу очевидной симметрии силы, действующие на противоположные боковые грани, равны и противоположно направлены – они стараются сжать кубик, но не могут влиять на его равновесие или движение. Остаются силы, действующие на верхнюю и на нижнюю грани. Пусть h – глубина погружения верхней грани, r – плотность жидкости, g – ускорение силы тяжести; тогда давление на верхнюю грань равно

r · g · h = p 1

а на нижнюю

r · g (h+a ) = p 2

Сила давления равна давлению, умноженному на площадь, т.е.

F 1 = p 1 · a \up122, F 2 = p 2 · a \up122 , где a – ребро кубика,

причем сила F 1 направлена вниз, а сила F 2 – вверх. Таким образом, действие жидкости на кубик сводится к двум силам – F 1 и F 2 и определяется их разностью, которая и является выталкивающей силой:

F 2 – F 1 =r · g · (h+a ) a \up122 – r gha ·a 2 = pga 2

Сила – выталкивающая, так как нижняя грань, естественно, расположена ниже верхней и сила, действующая вверх, больше, чем сила, действующая вниз. Величина F 2 – F 1 = pga 3 равна объему тела (кубика) a 3 , умноженному на вес одного кубического сантиметра жидкости (если принять за единицу длины 1 см). Другими словами, выталкивающая сила, которую часто называют архимедовой силой, равна весу жидкости в объеме тела и направлена вверх. Этот закон установил античный греческий ученый Архимед , один из величайших ученых Земли.

Если тело произвольной формы (рис. 2) занимает внутри жидкости объем V , то действие жидкости на тело полностью определяется давлением, распределенным по поверхности тела, причем заметим, что это давление совершенно не зависит от материала тела – («жидкости все равно на что давить»).

Для определения результирующей силы давления на поверхность тела нужно мысленно удалить из объема V данное тело и заполнить (мысленно) этот объем той же жидкостью. С одной стороны, есть сосуд с жидкостью, находящейся в покое, с другой стороны внутри объема V – тело, состоящее из данной жидкости, причем это тело находится в равновесии под действием собственного веса (жидкость тяжелая) и давления жидкости на поверхность объема V . Так как вес жидкости в объеме тела равен pgV и уравновешивается равнодействующей сил давления, то величина ее равна весу жидкости в объеме V , т.е. pgV .

Сделав мысленно обратную замену – поместив в объеме V данное тело и отметив, что эта замена никак не скажется на распределении сил давления на поверхность объема V , можно сделать вывод: на погруженное в покоящуюся тяжелую жидкость тело действуют направленная вверх сила (архимедова сила), равная весу жидкости в объеме данного тела.

Аналогично можно показать, что если тело частично погружено в жидкость, то архимедова сила равна весу жидкости в объеме погруженной части тела. Если в этом случае архимедова сила равна весу, то тело плавает на поверхности жидкости. Очевидно, что если при полном погружении архимедова сила окажется меньше веса тела, то оно утонет. Архимед ввел понятие «удельного веса» g , т.е. веса единицы объема вещества: g = pg ; если принять, что для воды g = 1 , то сплошное тело из вещества, у которого g > 1 утонет, а при g < 1 будет плавать на поверхности; при g = 1 тело может плавать (зависать) внутри жидкости. В заключение заметим, что закон Архимеда описывает поведение аэростатов в воздухе (в покое при малых скоростях движения).

Владимир Кузнецов

В. М. Краевой ,
, Погарская СОШ № 1, г. Погар, Брянская обл.

Выталкивающая сила. Закон Архимеда

Образовательная цель урока: убедиться в существовании выталкивающей силы, осознать причины её возникновения и вывести правила для её вычисления.

Воспитательная цель: познакомить учащихся с взаимосвязанностью и обусловленностью явлений окружающего мира (величина архимедовой силы обусловлена объёмом погружённого в неё тела и плотностью вытесненной жидкости); содействовать формированию мировоззренческой идеи познаваемости явлений и свойств окружающего мира; формировать культуру умственного труда; создавать для каждого ученика ситуацию успеха.

Развивающая цель: формировать умения анализировать свойства и явления на основе знаний, выделять главную причину, влияющую на результат (т. е. «зоркость» в поисках); формировать коммуникативные умения, на этапе выдвижения гипотез развивать устную речь, проверить уровень самостоятельности мышления школьника по применению знаний в различных ситуациях.

Ход урока

I. Введение (3 мин)

Учитель. Тема нашего урока «Выталкивающая сила. Закон Архимеда». Архимед… Кто же этот человек, оставивший яркий след в науке? (На экране портрет Архимеда. На фоне музыкального сопровождения учитель рассказывает о нём. ) Архимед – выдающийся учёный Древней Греции, родился в 287 году до н. э. в портовом и судостроительном городе Сиракузы на острове Сицилия. Архимед получил блестящее образование у своего отца, астронома и математика Фидия, родственника сиракузского тирана Гиерона II (покровительствовал Архимеду). В юности провёл несколько лет в крупнейшем культурном центре – Александрии, – где у него сложились дружеские отношения с астрономом Кононом и географом-математиком Эратосфеном. Это послужило толчком к развитию его выдающихся способностей. В Сицилию вернулся уже зрелым учёным. Он прославился многочисленными научными трудами, главным образом в области физики и геометрии. Последние годы жизни Архимед провёл в Сиракузах. Шла 2-я Пуническая война. Город осадило римское войско, обладавшее превосходным флотом. И учёный, не жалея сил, организовал инженерную оборону. Он построил множество удивительных боевых машин, топивших вражеские корабли, разносивших их в щепы, наводивших суеверный страх на солдат. По легенде , Архимед при помощи своей системы зеркал поджёг корабли римлян. Однако слишком маленьким было войско защитников города. И в 212 г. до н. э. Сиракузы были взяты. Гений Архимеда вызывал восхищение у римлян, и римский полководец Марцелл приказал сохранить ему жизнь. Но солдат, не знавший учёного в лицо, ворвавшись в дом, увидел старика (Архимеду было около 75 лет), склонившегося над ящиком с песком, на котором он выполнял чертёж. «Не наступи на мои круги!» – воскликнул Архимед. В ответ воин взмахнул мечом, и великий учёный упал, заливая чертёж кровью.

После Архимеда осталось много трудов. Одним из важнейших открытий стал закон, впоследствии названный законом Архимеда . Существует предание, что идея посетила Архимеда, когда он принимал ванну. С возгласом «Эврика!» он выскочил на улицу и нагим побежал к царю, чтобы сообщить тому о решении задачи. Сегодня нам предстоит познакомиться с этой задачей, убедиться в существовании выталкивающей силы, выяснить причины её возникновения и вывести правила для её вычисления.

II. Объяснение нового материала (16 мин)

Учитель. Вспомним лето. Вы отдыхаете на море, озере или реке Судость, входите в воду. Учите плавать своих друзей. (На экране фотоиллюстрация. ) Легко ли поддерживать на воде тело своего друга?

Учащиеся. Легко.

Учитель. А сможете ли вы его также легко удержать не в воде, а в воздухе?

Учащиеся. Нет.

Учитель. Многие из вас, купаясь, пытались опустить мяч в воду. Ну и как? Получалось?

Учащиеся. Нет.

Учитель. В чём же дело? Обратимся к опыту.

Опыт 1. Учитель пытается погрузить в аквариум плавающий мяч.

Учитель. Я погружаю мяч глубже в воду, отпускаю, и мяч... что делает?

Учащиеся. Всплывает.

Учитель. Почему мяч всплыл на поверхность воды? Что действует на мяч?

Учащиеся. Сила.

Учитель. Совершенно верно, сила, она и вытолкнула мяч из воды. Эта же сила выталкивает из воды и тело вашего друга при обучении плаванию, поэтому, как мы её будем называть?

Учащиеся. Выталкивающей силой.

Учитель. Впервые выталкивающую силу рассчитал древнегреческий учёный Архимед. Поэтому её называют архимедовой силой . Ребята, а всегда ли жидкость действует на погружённое в неё тело? Ведь металлический цилиндр тонет!

Опыт 2. Учитель погружает в воду подвешенный на нити металлический цилиндр. Он тонет.

Учитель. Заметно ли выталкивающее действие воды в этом случае? Чтобы найти ответ, давайте проведём опыт, как описано в задании 1 в ваших рабочих тетрадях (см. Приложение 1 . – Ред. ).

Фронтальная лабораторная работа. На каждом столе динамометр, цилиндр и стакан с водой. На экран последовательно выводятся слайды с описанием её этапов, учащиеся выполняют работу и делают записи в рабочих тетрадях.

Подвесьте цилиндр к динамометру, найдите его вес в воздухе, запишите полученный результат Погрузите цилиндр в жидкость, найдите его вес в жидкости. Запишите полученный результат Сравните вес цилиндра в воде с весом цилиндра в воздухе и сделайте вывод: действует ли на цилиндр, погружённый в жидкость, выталкивающая сила? Так как вес цилиндра в жидкости меньше, чем вес цилиндра в воздухе, то на него действует выталкивающая сила. Куда она направлена? А теперь подумайте, как найти величину этой силы? Что для этого нужно сделать?

Учащиеся. Из веса цилиндра в воздухе надо вычесть вес цилиндра в воде.

Учитель. Совершенно верно! И мы рассмотрели один из способов нахождения выталкивающей силы. Запишите, пожалуйста: «Чтобы найти силу Архимеда, надо из веса тела в воздухе вычесть вес тела в жидкости» <...> Подставьте в формулу измеренные вами значения веса цилиндра в воздухе и в воде и вычислите архимедову силу.

Таким образом, мы убедились, что на все тела, погружённые в жидкость, действует выталкивающая сила: и на те, которые тонут, и на те, которые плавают (на экране демонстрируются фотоиллюстрации ). А если тело погружено в газ, будет ли в этом случае на него действовать сила Архимеда? Оказывается, будет! И это подтверждается полётами воздушных шаров и аэростатов (на экране фотоиллюстрации ). Как говорят аэронавты, их поднимает и держит в воздухе дар природы – сила Архимеда. Обратимся к опыту.

Опыт 3. Стеклянный шар, уравновешенный на весах, помещён внутрь открытого сосуда с мелом на дне. Учитель заливает в сосуд кислоту. Происходит бурная реакция, сосуд постепенно заполняется углекислым газом. Учитель вносит в сосуд горящую спичку – в углекислом газе спичка гаснет.

Учитель. Внимательно следим за равновесием. Что происходит?

Учащиеся. равновесие нарушается.

Учитель. Значит, на тело в газе действует что?

Учащиеся. Выталкивающая сила.

Учитель. Направленная куда?

Учащиеся. Вертикально вверх.

Учитель. Выталкивающая сила может возникать и в сыпучих веществах , таких как песок, рис, горох, поскольку они принимают форму того сосуда, в который помещены, т. е. проявляют свойства жидкостей.

Опыт 4. Учитель кладёт в сосуд пенопласт и засыпает горохом. Встряхивает.

Учитель. Под действием выталкивающей силы пенопласт что делает?

Учащиеся. Всплывает.

Учитель. Вывод: на тела, погружённые в жидкости, газы и даже сыпучие вещества, действует сила Архимеда, направленная вертикально вверх (на экране фотоиллюстрации ). Выясним, почему она возникает.

На резиновый брусок, как и на всякое тело, погружённое в жидкость, действует выталкивающая сила, в чём мы с вами ещё раз убеждаемся.

Опыт 5. Учитель подвешивает резиновый брусок к пружине. Пружина растягивается. Учитель погружает брусок в воду. Пружина несколько сокращается.

Учитель. Мы знаем, что жидкость давит на дно и стенки сосуда, а значит, и на брусок, находящийся в жидкости. Что вы можете сказать о давлении внутри жидкости на одном и том же уровне?

Учащиеся. На одном и том же уровне, по закону Паскаля, давление по всем направлениям одинаково.

Учитель. Правильно, поэтому и силы, с которыми жидкость действует на боковые поверхности бруска, равны. Они направлены навстречу друг другу и сжимают брусок. Давайте измерим давление жидкости на уровне верхней и нижней граней.

Опыт 6. Учитель опускает в сосуд с водой брусок и с помощью жидкостного манометра измеряет давление жидкости на двух уровнях: верхней и нижней граней бруска.

Учитель. Сравните давления жидкости на верхнюю и нижнюю грани бруска. Какое больше?

Учащиеся. Больше на нижнюю грань.

Учитель. Почему?

Учащиеся. Потому что она находится на большей глубине.

Учитель. Следовательно, и сила, с которой жидкость действует на нижнюю грань, больше силы, с которой жидкость действует на верхнюю грань. Куда направлена равнодействующая этих сил?

Учащиеся. вверх, в сторону действия большей силы.

Учитель. Равнодействующую этих сил и называют выталкивающей, или архимедовой силой . А как найти силу Архимеда?

Учащиеся. Надо из большей силы давления, с которой действует жидкость на нижнюю грань, вычесть меньшую силу – на верхнюю грань бруска.

Учитель. Выведем величину силы Архимеда. (По ходу беседы на экране последовательно демонстрируются фрагменты опорного конспекта. ) Подставляя выражения для F н и F в, получим <...>. Чему равна разность высот столбов жидкости h н – h в?

Учащиеся. Высоте бруска.

Учитель. Верно, обозначим её через h . А чему равно произведение площади основания бруска на его высоту?

Учащиеся. Объёму бруска.

Учитель. Мы получаем ещё один способ нахождения архимедовой силы – расчётный < ...>.

Что мы получим, если умножим плотность жидкости на объём тела?

Учащиеся. Массу.

Учитель. Массу чего?

Учащиеся. Массу жидкости.

Учитель. Чему равно произведение?

Учащиеся. Это вес жидкости в объёме тела < ...>.

Учитель. Итак, сила Архимеда равна весу жидкости в объёме погружённой части тела. Докажем эту гипотезу с помощью опыта.

Опыт 7. К пружине подвешены ведёрко и цилиндр. Объём цилиндра равен внутреннему объёму ведёрка. Растяжение пружины отмечено указателем. Учитель целиком погружает цилиндр в отливной сосуд с водой. Вода выливается в стакан.

Учитель. Объём вылившейся воды равен чему?

Учащиеся. Объёму погружённого в воду тела.

Учитель. Указатель пружины отмечает уменьшение веса цилиндра в воде, вызванное действием чего?

Учащиеся. Выталкивающей силы.

Учитель. Выливаем в ведёрко воду из стакана и видим, что указатель пружины возвращается к начальному положению. Итак, под действием архимедовой силы пружина сократилась, а под действием веса вытесненной воды вернулась в начальное положение. Что можно сказать об этих силах?

Учащиеся. Архимедова сила равна весу жидкости, вытесненной телом.

Учитель. Мы рассмотрели третий способ нахождения архимедовой силы. Чтобы найти силу Архимеда, действующую на тело, нужно определить вес жидкости, которую это тело вытесняет.

А теперь сформулируйте самостоятельно закон Архимеда, заполнив пропуски в задании 2 в рабочей тетради. (Ребята делают записи и сверяют их со слайдом. )

III. Решение задач (14 мин)

(На экране демонстрируются рисунки к заданиям 3–5 в рабочих тетрадях, учащиеся записывают решения. По мере выполнения заданий учитель обсуждает фронтально результаты, демонстрируя слайды с верными решениями. )

Учитель (по выполнении задания 3, а ). Поднимите свои рабочие тетради и покажите, как вы это сделали. Сверим правильный результат с показанным на экране.

(По выполнении задания 3, б ). На какой шар действует наименьшая выталкивающая сила? Почему?

(По выполнении задания 4 ). А теперь давайте внимательно посмотрим на этот рисунок и выясним, от чего же сила Архимеда не зависит.

Учащиеся. Архимедова сила не зависит от формы тела, глубины его погружения, плотности тела и его массы.

Учитель (по выполнении задания 5 ). В воду нырнули первоклассник и одиннадцатиклассник. На кого действует большая выталкивающая сила? Почему? (Демонстрирует слайд с видеозадачей, которую заранее составили, нарисовали и озвучили ученики. )

На территории Палестины и Израиля есть странное, на первый взгляд, море. О нём сложились мрачные легенды. В одной из них говорится: «И вода, и земля здесь богом прокляты». Какая-то таинственная неведомая сила выталкивает на поверхность попавшие в него предметы. Однако, несмотря на сказания, плавать в этом море очень даже весело и увлекательно.

Вот как описывает купание в водах Мёртвого моря Марк Твен: «Это было забавное купание, мы не могли утонуть. Здесь можно вытянуться на воде во всю длину, лёжа на спине и сложив руки на груди, причём большая часть тела будет оставаться над водой. При этом можно совсем поднять голову… Вы можете лежать очень удобно на спине, подняв колени к подбородку и охватив их руками, но вскоре перевернётесь, так как голова перевешивает. Вы можете встать на голову – и от середины груди до конца ног будете оставаться вне воды; но вы не сможете долго сохранять такое положение. Вы не можете плыть на спине, подвигаясь сколь-нибудь заметно, так как ноги ваши торчат из воды и вам приходится отталкиваться только пятками. Если же вы плывёте лицом вниз, то подвигаетесь не вперёд, а назад. Лошадь так неустойчива, что не может ни плавать, ни стоять в Мёртвом море, она тотчас же ложится набок».

Учитель. В чём же загадка Мёртвого моря? Почему в нём нельзя утонуть? (Ответы учащихся. )

Ещё раз повторим, как можно найти выталкивающую силу. (Учащиеся проговаривают способы по рисунку в задании 5. Выполняют письменно задание 6 и устно задание 7. )

IV. Отработка знаний и умений (4 мин)

Учитель. А сейчас проверим, хорошо ли вы познакомились с архимедовой силой. Для этого выполним задание 8. Ученица (называет фамилию хорошо успевающей девушки ) будет выполнять это задание на компьютере, остальные – в рабочих тетрадях. (По выполнении задания предлагает ученикам посчитать, сколько раз буква «А» встречается в ответах и поднять вверх столько пальцев. Этот методический приём позволяет оперативно проконтролировать знания. )

V. Проверка знаний и умений (7 мин)

Учитель. Для проверки полученных знаний проведём блицтурнир. Класс разбивается на команды по четыре человека. На экране будут демонстрироваться видеозадачи, озвученные ранее вашими товарищами. Первой отвечает команда, которая раньше поднимет руку. За каждый правильный ответ вы получите «звёздочку умника».

Видеозадача 1. Мой друг, вернувшись из путешествия, показал необычные фотографии. В каком месте он мог сделать эти фотоснимки? Объясните запечатлённые чудеса.

Видеозадача 2. Почему длинные и очень гибкие стебли подводных растений сохраняют в воде вертикальное положение?

Видеозадача 3. Кит, хотя и живёт в воде, но дышит лёгкими. За счёт изменения их объёма он легко может менять глубину погружения. Однако, имея лёгкие, кит не проживёт и часа, если окажется на суше. В чём же дело?

Видеозадача 4. Рыбы могут легко регулировать глубину погружения, меняя объём своего тела благодаря плавательному пузырю. Что происходит с выталкивающей силой, действующей на рыбу, при уменьшении объёма плавательного пузыря?

Видеозадача 5. Почему водолазы с тяжёлыми кислородными баллонами в воде чувствуют себя невесомыми?

VI. Подведение итогов (1 мин)

Учитель. Давайте выясним, какая команда получила большее количество звёздочек. Все её члены получают за блицтурнир оценку «пять». Итак, мы разобрались, почему одни тела плавают на поверхности жидкости, а другие тонут, почему возможно плавание судов, подводных лодок, воздушных шаров и аэростатов. И в жизни вам предстоит ещё не один раз встретиться с силой Архимеда.

Запишите домашнее задание: прочитайте § 48, 49 учебника ; выучите опорный конспект (в рабочей тетради); выполните задание 9 (все) и задание 10 (желающие) из рабочей тетради ; подготовьтесь к лабораторной работе № 7 .

Приложение 1. Фрагмент рабочей тетради 3-го уровня сложности

Задание 1. Действует ли на металлический цилиндр, погружённый в воду, архимедова сила?

Задание 2. Заполните пропуски.

Закон Архимеда. На тело, ______ в жидкость или газ ____________ вертикально _________________ сила, равная ____________ жидкости или газа в _________ тела (или его погружённой части).

Задание 3. В сосуд с водой помещены три шара.

а ) Закрасьте карандашом те шары или части шаров, на которые со стороны жидкости действует выталкивающая сила.

б ) На какой шар действует наименьшая выталкивающая сила? Почему?

Задание 4. Одинаковые или разные выталкивающие силы действуют на алюминиевый кубик и медный шарик, погружённые в жидкость, если их объёмы равны?

ВЫВОД. Сила Архимеда не зависит от:

Задание 5. На какой из двух одинаковых шаров действует бóльшая архимедова сила, если первый помещён в воду, а второй в керосин?

Задание 6. В апреле 1912 г. отправилось в первое и последнее плавание крупнейшее пассажирское судно «Титаник» водоизмещением 46 300 т (масса воды, вытесняемой судном). Найдите величину выталкивающей силы, действующей на него.

Задание 7. Быстро и (желательно) устно решите задачи.

Задание 8. Хорошо ли ты знаешь силу Архимеда? (Приводим один вариант. )

		Варианты ответов
	На какое тело действует бóльшая архимедова сила?	А) На первое; Б) на второе; В) на оба тела одинаковая
	На какое тело действует меньшая выталкивающая сила?	А) На первое; Б) на второе; В) на третье
	На какое тело действует бóльшая выталкивающая сила?	А) На первое; Б) на второе; В) на третье
	К коромыслу весов подвешены два алюминиевых цилиндра одинакового объёма. Нарушится ли равновесие весов, если один цилиндр поместить в воду, а другой – в спирт?	А) Перевесит цилиндр в спирте; Б) перевесит цилиндр в воде; В) не нарушится
	Определите выталкивающую силу, действующую на погружённое в воду тело объёмом 0,001 м 3

Задание 9. Сравните выталкивающие силы, действующие на тела 1 и 2 .

Одинаковые железные шарики m 1 = m 2
F A1 _____ F A2

Задание 10. Найдите выталкивающую силу в следующих ситуациях.

Литература

Пёрышкин А.В. Физика. 8 класс. М.: Дрофа, 1999.
Чижевский Е.А., Иноземцева С.В., Кантор Р.В. Репетитор по физике Кирилла и Мефодия. [Электронный ресурс] 1 эл.-опт. диск. 1999.

Приложение 2. Самоанализ урока

Самоанализ урока является одним из инструментов совершенствования учителя, формирования и развития его профессиональных качеств, улучшения техники преподавания. В ходе самоанализа преподаватель получает возможность взглянуть на свой урок как бы со стороны, осознать его как явление в целом, целенаправленно осмыслить совокупность собственных теоретических знаний, способов, приёмов работы. Это – рефлексия, позволяющая оценить свои сильные и слабые стороны, выявить резервы, уточнить отдельные моменты индивидуального стиля деятельности.

В своём самоанализе я буду рассматривать урок в основном с позиции традиционной парадигмы, но, кроме того, предполагаю поднять вопросы, касающиеся традиционно-развивающей и личностно-ориентированной парадигм.

Раздел «Давление твёрдых тел жидкостей и газов».

Тема «Выталкивающая сила. Закон Архимеда».

Место урока в теме: урок № 15. Согласно методике, урок опирается на темы «Закон Паскаля», «Давление жидкости на дно и стенки сосуда», «Сложение двух сил, направленных по одной прямой», «Плотность вещества», «Расчёт массы тела по его плотности», «Три состояния вещества». Тема урока сама является базовой при изучении тем «Плавание тел», «Плавание судов», «Воздухоплавание», а также применяется при решении отдельных олимпиадных задач и задач по динамике в 9-м классе.

Урок проходил в 7-Д классе. По словам преподавателей, это класс со средним уровнем интеллектуального развития учащихся. Исходя из этих особенностей, я и построил урок.

Форма урока: урок изучения нового материала и первичного его закрепления.

Выбранная структура урока позволяет развивать познавательную активность школьников и приучает к мысли, что они при желании могут управлять своей успеваемостью.

Триединая цель (см. сценарий): сообщена учащимся после мобилизующего рассказа об Архимеде.

Оборудование: компьютер с проектором, презентация, мультимедийный репетитор по физике Кирилла и Мефодия, трёхуровневые рабочие тетради, оценочные «звёздочки умника», стаканы с водой, динамометры, металлические цилиндры, аквариум с водой, резиновый мяч, стеклянный шар для взвешивания воздуха, сосуд для получения углекислого газа, молотый мел, кислота, весы с разновесами, три штатива, резиновый брусок, пружина, пенопласт, сосуд с горохом, ведёрко Архимеда. Учебное оборудование использовалось целесообразно, во время урока на виду был только иллюстрируемый материал. Когда всё внимание учеников должно было быть на учителе, слайды выключались.

Межпредметные связи: физики с историей, биологией, экологией, литературой, изобразительным искусством, географией.

Методы: объяснительно-иллюстративный, проблемного изложения, частично-поисковый, словесный (рассказ и эвристическая беседа), демонстрация опытов, опорных конспектов, схем, заданий, видеофрагментов, экспериментальный (фронтальная лабораторная работа, решение качественных и количественных задач), стимулирование интереса к учению, контроль и самоконтроль (устный, письменный и лабораторный) и др. Все перечисленные методы способствовали развитию умственной самостоятельности, познавательной активности и соответствуют технологии выработки умений и навыков в процессе проблемного обучения.

Хронометраж по этапам урока: Рассказ об Архимеде – 3 мин Объяснение нового материала – 12 мин Фронтальная лабораторная работа – 4 мин Первичное закрепление знаний и решение качественных задач – 10 мин Решение количественных задач – 4 мин Выполнение тестовых заданий – 4 мин Блицтурнир – 7 мин Подведение итогов и задание на дом – 1 мин.

Формы работы с учащимися: фронтальная, групповая (группы постоянного состава), индивидуальная.

На уроке была использована самостоятельня работа, организована взаимопроверка, а также сверка с верной информацией на проекционном экране. Считаю, что методических нарушений не было, содержание учащимися было понято, время на подготовку ограничено, контроль был разнообразен.

Для удобства работы и экономии времени на уроке для учеников были подготовлены три типа рабочих тетрадей: тетради зелёного цвета содержали задания 1-го уровня сложности, выполнение которых оценивалось на «3», тетради жёлтого цвета – задания 2-го уровня сложности, на оценку «4», красного – 3-го уровня сложности, на оценку «5». В тетрадях были напечатаны все основные опорные схемы и опорные конспекты, чтобы ученикам не нужно было тратить время на их переписывание. Кроме значительной экономии времени урока, рабочая тетрадь позволяет существенно снизить утомляемость учеников благодаря дифференцированным (в том числе и домашним) заданиям. В специальную таблицу выносятся оценки за четыре вида работ на уроке, по которым учитель выставляет итоговую оценку. Тестовое задание представлено в двух вариантах.

Для текущей проверки знаний было выбрано тестирование. Это современная, удобная для учителя технология, позволяющая максимально объективно оценить уровень достижений ученика и требующая минимум времени для проверки. одна ученица выполняла это задание на компьютере, остальные – в рабочих тетрадях. Психологически грамотные компьютерные комментарии оказывали на ученицу сильное воспитательное воздействие.

Домашнее задание: дано в рамках урока, с инструктажем к выполнению.

Во время проведения блицтурнира, я сделал текущий самоанализ и изменил запланированную концовку урока: вместо повторения опорного конспекта дал из резерва три проблемных вопроса блицтурнира и тем самым перенёс центр «тяжести» данного этапа урока со школы памяти на школу развития.

Также в качестве резерва у меня было запланировано решение экспериментальной задачи, повторяющей опыт Архимеда по определению объёма тела сложной формы, но на уроке резерв не был использован.

Планирование урока: позволило развить умения анализировать, сравнивать, выделять главное, абстрагировать, конкретизировать, обобщать, умения вести диалог, коммуникативные умения учащихся, происходило обучение перцептивным действиям. Ученикам давалось многосенсорное представление информации в виде аудиального, визуального и кинестетического способов обучения. за урок 7 раз менялись виды деятельности. Такой подход позволил воздействовать на всех учащихся и дал возможность получать информацию, выбрав свой входной канал.

Время урока использовано рационально, уровень проверки знаний рационален, с точки зрения психодинамических характеристик ритм урока менялся со сменой вида деятельности. Темп определялся трудностью изучаемого материала: лёгкий материал давался в быстром темпе, при переходе к трудному замедлялась скорость речи, материал многократно повторялся (например, я многократно обращал внимание на то, что сила Архимеда зависит только от плотности жидкости и объёма тела или его погружённой части).

Ключевая проблема удержания внимания была полностью решена за счёт применения интерактивных технологий – смены ярких впечатлений от увиденного на проекционном экране и чередования видов учебной деятельности. При этом внимание носило не созерцательный, как при просмотре видеофильмов, а мобилизующий характер, т. к. требовало ответной реакции учащихся. Кроме того, для удержания внимания применялось раскрытие перед учащимися через решение практических задач и заданий блицтурнира жизненной значимости изучаемого материала. Яркость, новизну и структурирование наглядному материалу придавало использование компьютера, разнообразных демонстраций и рабочей тетради.

При объяснении нового материала и решении задач учитывался объём кратковременной памяти. После перевода нового материала в долговременную память в целях закрепления его следов на последующих уроках я применяю эффект реминисценции.

Положительные переживания ребят стимулировались похвалой и одобрительным кивком. Психологический микроклимат поддерживался оптимистическим и мажорным настроением учителя.

Воспитательный потенциал реализован. Общение было доброжелательным, демократичным, толерантным, доминировало положительное нравственно-эмоциональное состояние; оборудование и оснащение способствовало воспитанию эстетической культуры.

В подготовке видеозадач к уроку самое активное участие принимали ученики. Они подбирали и озвучивали видеофрагменты, сами сделали рисунок к задаче о Мёртвом море. При этом успешно решалась проблема развития познавательного интереса. Связь обучения с жизнью, бытом является мощным средством воспитания интереса к уроку. Методика применения видеозадач содействует формированию мировоззренческой идеи познаваемости явлений и свойств окружающего мира, позволяет сделать процесс обучения более интерактивным, ориентированным на практику, развивает образное мышление, повышает познавательную активность, пробуждает интерес к предмету и мотивацию к изучению физики. Всё это происходит на фоне выраженного эмоционального восприятия: учащиеся начинают сами интересоваться, узнавать в повседневной жизни те или иные физические явления, стараясь применять полученные знания на практике.

Считаю, что конечный результат урока достигнут, т. к. учащиеся научились в различных ситуациях находить силу Архимеда, плотность жидкости и объём тела. Они общались, вели диалоги, в ходе которых происходило развитие мышления, проявляли интерес к предмету, было большое количество правильных ответов.

Особенность урока: 1) включён материал двух уроков (см. выше); 2) урок в высокой степени интерактивен, имеет практическую направленность, включает в себя много самостоятельной работы, изучаемый материал связан с жизнью; 3) для снижения утомления учащихся применены две валеологические технологии – игра «Блицтурнир» и персональный компьютер, – что обеспечило высокий уровень познавательной активности учеников не за счёт их здоровья.

Самооценка урока по Б.А. Татьянкину (Проектирование технологии обучения физике в 7 классе. Воронеж: ВорОИПКиПРО, 2001) приведена в табл. 1.

Таблица 1. Самооценка урока по Б.А. Татьянкину

Самооценка урока по Ю.А. Конаржевскому (Анализ урока. М.: Центр «Педагогический поиск», 2003) в трёхбалльной системе приведена в табл. 2.

Таблица 2

Характеристика урока
Цель урока названа
Организованы действия учащихся по принятию цели деятельности
Соответствие содержания учебного материала цели урока обеспечено: а ) мотивацией деятельности, б ) сотрудничеством учителя и учащихся, в ) контролем и самоконтролем.
Соответствие методов обучения содержанию учебного материала
Соответствие форм организации познавательной деятельности обеспечили: а ) сотрудничество между учащимися, б ) включение каждого ученика в деятельность по достижению триединой дидактической цели.
Формы организации познавательной деятельности отобраны в соответствии с содержанием учебного материала и целью урока, методами обучения
Уровень достижения триединой цели урока: а ) образовательный аспект, б ) воспитательный аспект, в ) развивающий аспект.

Итак, эффективность урока Э у = 22/24 = 92% (т. е. больше критерия 86%), нет ни одной оценки 0 баллов, следовательно, урок можно считать отличным.

Эта легенда, возможно, не так далека от истины. См. «Лучевое оружие античности», № 4/2009 . – Ред.

Вопрос не столь прост. Приводим выдержку из заметки К.Ю. Богданова (см. № : «К сожалению, наука до сих пор не в состоянии до конца объяснить явления, происходящие в гранулярных смесях при их встряхивании. И основная причина здесь кроется в том, что сухая смесь по своим свойствам не похожа ни на жидкость, ни на твёрдое тело. Поэтому многие законы, упрощающие анализ поведения жидкостей и твёрдых тел, здесь просто неприменимы. Только недавно, с появлением суперкомпьютеров, стало возможным моделировать скольжение друг по другу тысяч песчинок. Первые такие исследования, проведённые в 1987 г. в Технологическом институте штата Нью-Джерси (США), показали, что при встряхивании, как и следовало ожидать, между соседними гранулами образуются промежутки. В эти промежутки скатываются под действием силы тяжести соседние гранулы. Оказалось, что вероятность образования малого промежутка всегда выше, чем большого. Поэтому более мелкие гранулы и скатываются вниз чаще. Таким образом, после интенсивного встряхивания происходит концентрация мелких гранул внизу и соответственно крупных гранул наверху». – Ред.

Инструкция

Архимедова сила возникает из-за разности давлений воды на уровне верхнего и нижнего срезов тела. На верхнюю часть давит столб воды высотой h1 с силой, равной весу этого . На нижнюю часть действует сила, равная весу столба высотой h2. Эта высота определяется сложением h1 и высотой самого тела. Согласно закону Паскаля, давление в жидкости или газе распределяется равномерно во все стороны. В том числе и вверх.

Очевидно, что сила, действующая вверх, превышает силу, действующую вниз. Но, следует учесть, что принимается во внимание только воздействие столба жидкости. От собственного веса тела выталкивающая сила не зависит. Ни материал, из которого сделано тело, ни его иные качества, кроме размеров при вычислениях не используются. Расчет архимедовой силы базируется только на плотности жидкости и геометрических размерах погруженной части.

Существует два способа, архимедову силу, действующую на тело, погруженное в жидкость. Первый состоит в измерении объема тела и вычислении веса жидкости, занимающей аналогичный объем. Для этого необходимо, чтобы тело обладало правильной геометрической формой, то есть, было кубом, параллелепипедом, шаром, полусферой, конусом. Объем твердого тела более сложной формы рассчитать очень трудно, поэтому для определения силы Архимеда в этом случае существует более практичный способ № 2. Но о нем несколько позже.

Определив объем погружаемого тела, умножаем его на плотность жидкости и находим величину выталкивающей силы, действующей на это тело в однородной среде заданной плотности и на ускорение свободного падения g (9,8 м/с2). Формула для определения силы Архимеда выглядит так:
F=ρgV
ρ - удельная плотность жидкости;
g - ускорение свободного падения;
V - объем вытесненной жидкости.
Как и любая сила, она измеряется в Ньютонах (Н).

Второй способ базируется на измерении объема вытесненной жидкости. Он наиболее соответствует тому опыту, который и привел Архимеда к открытию своего закона. Этот способ очень удобен и при вычислении архимедовой силы при частичном погружении тела. Для получения необходимых данных исследуемое тело подвешивают на нитке и медленно опускают в жидкость.

Достаточно замерить уровень жидкости в сосуде до погружения тела и после, умножить разницу уровней на площадь поверхности и найти объем вытесненной жидкости. Как и в первом случае, умножаем этот объем на плотность жидкости и g. Полученная величина и является силой Архимеда. Чтобы единицей измерения силы стал Ньютон, следует объем измерять в м3, а плотность - в кг/м3.

На тело, ______ в жидкость или газ ____________ вертикально _________________ сила, равная ____________ жидкости или газа в _________ тела (или его погружённой части). Сила приложена в точке соприкосновения предмета с опорой. Тема «Выталкивающая сила. Закон Архимеда». Сила обозначается как, измеряется в Ньютонах. Вес тела может быть не равен силе тяжести. Виды сил. Уравновешенные силы и равнодействующая.

Калькулятор написан по запросу пользователя, который звучал так: «расчет веса цилиндра в жидкости». Часть объема, оставшегося под водой, будет определяться соотношением плотностей — если плотность тела в два раза меньше плотности жидкости, погрузится только половина объема.

Теперь с весом — вес будет уменьшаться на величину силы Архимеда. В отсутствие гравитационного поля, то есть в состоянии невесомости, закон Архимеда не работает. Здесь – сила Архимеда, – плотность жидкости, – ускорение свободного падения (м/с), – объём вытесненной жидкости. Единица измерения силы – Н (ньютон). Указанное на рисунке давление из-за большей глубины.Для возникновения силы Архимеда достаточно того, чтобы тело было погружено в жидкость хотя бы частично.

Закон Архимеда, впервые был упомянут им в трактате » О плавающих телах». В результате тело фагака сильно раздувается, и, в соответствии с законом Архимеда, он быстро всплывает на поверхность водоема. После этого сила тяжести опускает его на дно водоема, где он укрывается среди придонных водорослей. Определять вес тела в воздухе и в жидкости. Вычислять плотность тела двумя способами (1-ый способ – по массе и объему, 2-ой – по силе Архимеда).

Физика 7 класс, тема 03. Силы вокруг нас (13+2 ч) Сила и динамометр. Учебник в цветном полиграфическом исполнении с твёрдым переплетом объёмом 150 стр. вышел из печати в июле 2015 г. в четвёртом издании. Необходимо знать точку приложения и направление каждой силы. Важно уметь определить какие именно силы действуют на тело и в каком направлении. Ниже представлены основные силы, действующие в природе. Придумывать не существующие силы при решении задач нельзя!

А также упомянуты другие силы, которые будут рассмотрены в других разделах. Познакомимся с силой трения. Эта сила возникает при движении тел и соприкосновении двух поверхностей. Возникает сила в результате того, что поверхности, если рассмотреть под микроскопом, не являются гладкими, как кажутся.

Это сила возникает в результате деформации (изменения первоначального состояния вещества). Во всех этих примерах возникает сила, которая препятствует деформации — сила упругости. Сила упругости направлена противоположно деформации. Вес тела — это сила, с которой предмет воздействует на опору. Вы скажете, так это же сила тяжести! Сила тяжести — сила, которая возникает в результате взаимодействия с Землей.

Сила реакции опоры или сила упругости возникает в ответ на воздействие предмета на подвес или опору, поэтому вес тела всегда численно одинаков силе упругости, но имеет противоположное направление. Сила реакции опоры и вес — силы одной природы, согласно 3 закону Ньютона они равны и противоположно направлены.

Для того, чтобы верно обозначить силы, необходимо перечислить все тела, с которыми исследуемое тело взаимодействует. Определить вид силы, верно обозначить направление. Внимание! Количество сил будет совпадать с числом тел, с которыми происходит взаимодействие.

Что надо знать о силе

Это и есть сила давления жидкости, действующая на поверхность тела на определенной глубине. В таком случае формулу можно записать так: FA = ρghS. Тем самым подчеркнув, что речь идет о силе Архимеда. Это и есть закон Архимеда. На данное тело также действует сила тяжести, которая равняется Fg = mg или Fg = pvg. Но, если предмет погружают в жидкость, то сила Архимеда начинает компенсировать данную силу тяжести.

Архимед… Кто же этот человек, оставивший яркий след в науке? (На экране портрет Архимеда. Последние годы жизни Архимед провёл в Сиракузах. И учёный, не жалея сил, организовал инженерную оборону. Не наступи на мои круги!» – воскликнул Архимед. После Архимеда осталось много трудов.

Сегодня нам предстоит познакомиться с этой задачей, убедиться в существовании выталкивающей силы, выяснить причины её возникновения и вывести правила для её вычисления. Учитель. Совершенно верно, сила, она и вытолкнула мяч из воды. Эта же сила выталкивает из воды и тело вашего друга при обучении плаванию, поэтому, как мы её будем называть?

Электрические силы

А теперь подумайте, как найти величину этой силы? Что для этого нужно сделать? Таким образом, мы убедились, что на все тела, погружённые в жидкость, действует выталкивающая сила: и на те, которые тонут, и на те, которые плавают (на экране демонстрируются фотоиллюстрации). Как говорят аэронавты, их поднимает и держит в воздухе дар природы – сила Архимеда. Учитель. Правильно, поэтому и силы, с которыми жидкость действует на боковые поверхности бруска, равны. Они направлены навстречу друг другу и сжимают брусок.

Итак, под действием архимедовой силы пружина сократилась, а под действием веса вытесненной воды вернулась в начальное положение. Учитель. Мы рассмотрели третий способ нахождения архимедовой силы. Чтобы найти силу Архимеда, действующую на тело, нужно определить вес жидкости, которую это тело вытесняет.

Сила реакции опоры

По выполнении задания 4). А теперь давайте внимательно посмотрим на этот рисунок и выясним, от чего же сила Архимеда не зависит. Учитель (по выполнении задания 5). В воду нырнули первоклассник и одиннадцатиклассник. На кого действует большая выталкивающая сила? Почему? В одной из них говорится: «И вода, и земля здесь богом прокляты».

Однако, несмотря на сказания, плавать в этом море очень даже весело и увлекательно. Что происходит с выталкивающей силой, действующей на рыбу, при уменьшении объёма плавательного пузыря?

В воздухе силой Архимеда пренебрегаем. Величина Архимедовой силы определяется по закону Архимеда. Сила Архимеда приблизительно равна 392 ньютона. И в жизни вам предстоит ещё не один раз встретиться с силой Архимеда. Сила — векторная величина. Задание 8. Хорошо ли ты знаешь силу Архимеда? А если тело погружено в газ, будет ли в этом случае на него действовать сила Архимеда?

Существование гидростатического давления приводит к тому, что на любое тело, находящееся в жидкости или газе, действует выталкивающая сила. Впервые значение этой силы в жидкостях определил на опыте Архимед. Закон Архимеда формулируется так: на тело, погруженное в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, равная весу того количества жидкости или газа, которое вытеснено погруженной частью тела.

Рассмотрим теоретический вывод закона Архимеда. В сосуд налита жидкость и погружено тело, имеющее форму куба. Ребро куба равно l. Верхняя грань куба находится от поверхности жидкости на глубине h, а нижняя - на глубине h+l. На все грани куба жидкость оказывает давление. При этом силы давления, действующие на боковые грани куба, взаимно компенсируются. На верхнюю грань куба действует направленная вниз сила давления F 1 , модуль которой

F1=r ж ghS (5.6)

где r ж - плотность жидкости; S - площадь грани куба. На нижнюю грань куба действует направленная вверх сила давления F 2 , модуль которой

F 2 =r ж g(h+l)S. (5.7)

Так как h 1 2 , т.е. равнодействующая этих двух сил направлена вертикально вверх и представляет собой выталкивающую (архимедову ) силу:

F A =F 2 -F 1 (5.8)

Подставив (5.6) и (5.7) в (5.8), найдем, что модуль архимедовой силы

F a =r ж g l S=r ж gV=P ж (5.9)

где V - объем куба (т. е. объем жидкости, вытесненной погруженным телом); P ж - вес вытесненной жидкости. Следовательно, выталкивающая сила по модулю равна весу жидкости, вытесненной погруженной частью тела.

Архимедова сила F A приложена к телу в центре масс вытесненной телом жидкости и направлена против силы тяжести, действующей на это тело. (Необходимо помнить, что закон Архимеда справедлив только при наличии тяжести. В условиях невесомости он не выполняется.)

Условие плавания тел

Поведение тела, находящегося в жидкости или газе, зависит от соотношения между модулями силы тяжести F т и архимедовой силы F A , которые действуют на это тело. Возможны следующие три случая:

F т >F A - тело тонет;
F т =F A - тело плавает в жидкости или газе;
F т A - тело всплывает до тех пор, пока не начнет плавать.

Проверка справедливости закона Архимеда для газов

Под колокол вакуумного насоса помещают равноплечие весы, на которые подвешены пустотелый стеклянный шар большого объема и гиря, уравновешивающая вес этого шара в воздухе. Если откачать из-под колокола воздух, то равновесие нарушится и коромысло весов, на котором подвешен шар, опустится вниз. Объясним это явление.

Как отмечалось, вес Р" ш шара в воздухе был уравновешен весом Р" г гири в воздухе, т. е. Р" ш = Р" г. Но если справедлив закон Архимеда, то и на шар, и на гирю в воздухе действуют выталкивающие силы. Поэтому вес шара в воздухе равен Р" ш = Р ш -F ш, а вес гири в воздухе Р" г = Р г -F г, где Р г и Р ш - истинные веса гири и шара, т. е. их веса в пустоте, a F г и F ш - архимедовы выталкивающие силы, действующие соответственно на гирю и шар.

Согласно (5.9), F ш =r в gV ш и F г =r в gV г, где r в - плотность воздуха, V ш - объем шара, V г - объем гири. Так как V ш >>V г, то выталкивающая сила F ш, действующая на шар, значительно больше выталкивающей силы V г, действующей на гирю. Поэтому наблюдаемое в воздухе равновесие шара и гири не означает одинаковости их весов в пустоте. На самом деле истинный вес шара P ш больше истинного веса гири P г. Это сразу обнаруживается, когда из-под колокола насоса откачивают воздух. Весы выходят из равновесия, шар опускается вниз. Таким образом, данный опыт наглядно показывает справедливость закона Архимеда и для газов.

На использовании действия архимедовой силы в газах основано воздухоплавание - полеты дирижаблей, аэростатов и т. п.

Выражение архимедовой силы. Выталкивающая сила