Lekcja lekcyjna „Warunki dla ciał pływających”. Stan ciał pływających

Pływające ciała- stan równowagi ciała stałego częściowo lub całkowicie zanurzonego w cieczy (lub gazie).

Głównym zadaniem teorii ciał pływających jest wyznaczenie równowagi ciała zanurzonego w cieczy oraz wyjaśnienie warunków stabilności równowagi. Najprostsze warunki unoszenia się ciał na wodzie wskazuje prawo Archimedesa. Rozważmy te warunki.

Jak wiadomo, na wszystkie ciała zanurzone w cieczy działa siła Archimedesa FA(siła pchająca) skierowana pionowo w górę, ale nie wszystkie z nich unoszą się w górę. Aby zrozumieć, dlaczego niektóre ciała pływają, a inne toną, należy wziąć pod uwagę inną siłę działającą na wszystkie ciała - grawitację Ft który jest skierowany pionowo w dół, czyli odwrotnie FA. Jeśli ciało pozostawimy w spoczynku w cieczy, zacznie ono poruszać się w kierunku, w którym skierowana jest największa siła. Możliwe są następujące przypadki:

1. jeśli siła Archimedesa jest mniejsza niż grawitacja ( FA< F т ), wówczas ciało opadnie na dno, czyli utonie (ryc. A);
2. jeśli siła Archimedesa jest większa niż grawitacja ( F A > F t), wówczas ciało uniesie się do góry (ryc. B);

Jeśli siła ta okaże się większa od siły grawitacji działającej na ciało, wówczas ciało poleci w górę. Na tym opiera się aeronautyka.

Samoloty wykorzystywane w lotnictwie nazywane są balony(z greckiego powietrze- powietrze, status- na stojąco). Nazywa się to balonami do niekontrolowanego lotu swobodnego ze skorupą w kształcie kuli balony. Nie tak dawno temu do badania górnych warstw atmosfery (stratosfery) używano ogromnych balonów. balony stratosferyczne. Balony sterowane (posiadające silnik i śmigła) nazywane są balonami sterowanymi sterowce.

Balon nie tylko sam się wznosi, ale może także unieść jakiś ładunek: kabinę, ludzi, instrumenty. Aby określić, jaki rodzaj ładunku może unieść kontener powietrzny, należy znać jego siłę podnoszenia. Siła podnoszenia balonu jest równa różnicy między siłą Archimedesa a siłą grawitacji działającą na balon:

fa = fa za - fa t.

Im mniejsza jest gęstość gazu wypełniającego balon o danej objętości, tym mniejsza jest siła grawitacji działająca na balon i większa wynikająca z tego siła nośna. Balony można napełnić helem, wodorem lub ogrzanym powietrzem. Chociaż wodór ma mniejszą gęstość niż hel, hel jest nadal częściej stosowany ze względów bezpieczeństwa (wodór jest gazem łatwopalnym).

Dużo łatwiej jest podnosić i opuszczać piłkę wypełnioną gorącym powietrzem. Aby to zrobić, umieść palnik pod otworem znajdującym się w dolnej części kuli. Pozwala regulować temperaturę powietrza, a co za tym idzie jego gęstość i siłę nośną.

Można wybrać temperaturę piłki, przy której ciężar piłki i kabiny będzie równy sile wyporu. Wtedy piłka zawiśnie w powietrzu i łatwo będzie z niej dokonać obserwacji.

Rozwój lekcji (notatki z lekcji)

Linia UMK A.V. Peryshkin. Fizyka (7-9)

Uwaga! Administracja witryny nie ponosi odpowiedzialności za treść zmian metodologicznych, a także za zgodność rozwoju z federalnym stanowym standardem edukacyjnym.

Temat lekcji: Warunki żeglugi tel.

Cele Lekcji:

• Edukacyjne: uczą analizować, podkreślać (główne, istotne),
• przybliżają Cię do samodzielnego rozwiązywania problematycznych sytuacji.
• Rozwojowe: rozwijanie zainteresowania konkretnymi zajęciami na lekcji,
• rozwijać umiejętność porównywania, klasyfikowania, uogólniania faktów i pojęć.
• Edukacyjne: tworzą atmosferę zbiorowych poszukiwań, uniesienia emocjonalnego, radości z nauki, radości z pokonywania trudności.

Miejsce lekcji w dziale:„Ciśnienie ciał stałych, cieczy i gazów”, po zapoznaniu się z tematem „Ciśnienie cieczy i gazów na zanurzonym w nich ciele. Siła Archimedesa”.

Typ lekcji: Lekcja sprawdzania wiedzy przedmiotowej.

Podstawowe terminy i pojęcia: masa, objętość, gęstość materii, masa ciała, grawitacja, siła Archimedesa.

Połączenia interdyscyplinarne: matematyka

Widoczność: demonstracja zachowania różnych ciał zanurzonych w wodzie; warunki pływania ciała w zależności od gęstości.

Sprzęt:

a) w celach demonstracyjnych

• plastikowy słój z wodą, trzy przedmioty na sznurku: aluminiowy cylinder, plastikowa kulka, hermetycznie zamknięta butelka wody (przygotowana wcześniej przez nauczyciela), która może znajdować się w równowadze w dowolnym miejscu cieczy;
• kąpiel wodna, talerz folii aluminiowej, szczypce.

b) do pracy czołowej

• Waga z odważnikami, cylinder miarowy (zlewka), kapsuła pływakowa z pokrywką (po 3 szt.), suchy piasek, nici, bibuła filtracyjna, taśma izolacyjna, instrukcja wykonywania zadań eksperymentów czołowych, zeszyty do prac laboratoryjnych.

Formy pracy na lekcji: frontalnie w parach, indywidualnie.

Plan lekcji

1. Organizacja czasu;
2. Wstępne sprawdzenie zrozumienia wcześniej przestudiowanego materiału;
3. Praca praktyczna mająca na celu weryfikację ustaleń;
4. Odbicie;
5. Praca domowa.

Postęp lekcji

I. Moment organizacyjny

Dzisiaj na lekcji będziemy kontynuować badanie zachowania ciał zanurzonych w wodzie. Przyjrzyjmy się kilku eksperymentom; niektóre z nich przeprowadzisz samodzielnie i wykonasz pewne obliczenia.

II. Wstępne sprawdzenie zrozumienia wcześniej przestudiowanego materiału

Doświadczenie 1

Do wody wrzucamy kolejno aluminiowy cylinder, kulkę i butelkę wody. Obserwujemy zachowanie ciał.

Rezultat: cylinder tonie, kulka unosi się w górę, bańka unosi się, całkowicie zanurzona w wodzie.

Sytuacja problemowa: Dlaczego? – (Stosunek sił działających na ciało).

– Na wszystkie ciała znajdujące się w wodzie działają dwie siły: siła ciężkości skierowana w dół i siła wyporu (siła Archimedesa) skierowana w górę.

– Z zasady dodawania sił działających na ciało wzdłuż jednej prostej wynika: opada, jeśli F t ˃ F A; unosi się w górę, jeśli F t ˂ F A; pływa, jeśli F t = F A.

III. Praca praktyczna weryfikująca ustalenia

Zróbmy doświadczenie i sprawdźmy związek pomiędzy grawitacją a siłą wyporu. (Za podstawę przyjęto pracę laboratoryjną „Wyjaśnienie warunków pływania ciał w cieczy” - strona 211 podręcznika).

Ćwiczenie 1.

1. Napełnij kapsułkę do 1/4 piaskiem, określ jej masę w gramach na skali. Przelicz wartość masy na kg i zapisz w tabeli.
2. Umieść kapsułkę w wodzie i określ objętość wypartej wody w cm3. W tym celu należy zaznaczyć poziom wody w zlewce przed i po zanurzeniu kapsułki w wodzie. Zapisz w tabeli wartość objętości w m3.

P = F ciężki = mg I F.A. = ρ f gV t

Zadanie 2.

1. Całkowicie wypełnij kapsułkę piaskiem i określ na skali jej masę w gramach. Przelicz wartość masy na kg i zapisz w tabeli.
2. Umieść kapsułkę w wodzie i określ objętość wypartej wody w cm3. W tym celu należy zaznaczyć poziom wody w zlewce przed i po zanurzeniu kapsułki w wodzie. Zapisz wartość objętości w m 3 w tabeli.
3. Oblicz grawitację i siłę Archimedesa korzystając ze wzorów:

P = F ciężki = mg I F.A. = ρ f gV

Porównaj siłę Archimedesa z grawitacją. Wyniki obliczeń wpisz do tabeli i zanotuj: kapsuła tonie lub pływa.

	Masa ciała, M, kg	Powaga, F ciężki, N	Objętość wypartej wody, V, m 3	Moc Archimedesa F JAKIŚ	Porównanie F przewód i F A	Zachowanie kapsułki w wodzie
						pojawia się

Zadanie 3.

1. Określ, przy jakim stosunku grawitacji i siły Archimedesa kapsułka będzie unosić się w dowolnym miejscu cieczy, całkowicie w niej zanurzona? Jaką wartość będzie miała objętość wody wypartej przez kapsułkę?
2. Wyznacz masę ciała pływającego (bez obliczeń).
3. Napełnij kapsułkę piaskiem do wymaganej masy, następnie opuść ją do wody i przekonaj się o poprawności swojego rozumowania.
4. Wyciągnij wniosek na temat warunku unoszenia się ciała w cieczy.

Doświadczenie 2

Sprawdźmy warunki pływania w zależności od gęstości substancji, z której wykonane są ciała oraz gęstości cieczy. Do tego mamy kąpiel wodną, ​​talerz z folii aluminiowej i szczypce.

1. Zaginając rogi, z płyty wykonamy pudełko. Opuśćmy go na powierzchnię wody. Obserwujemy pudełko unoszące się na powierzchni wody.
2. Wyjmijmy pudełko z wody i przywróćmy talerzowi jego płaski wygląd. złóż talerz na pół, na cztery itp. Za pomocą szczypiec ściśnij folię i zanurz ją w wodzie.

Wynik: płyta w kształcie pudełka unosi się na wodzie, ale po ściśnięciu tonie.

Sytuacja problemowa: Dlaczego? – (Stosunek gęstości ciała i wody).

• gęstość pudła wykonany z folii aluminiowej ma mniejszą gęstość niż woda, a gęstość sprasowanej bryły folii jest większa niż gęstość wody.
• Warunki dla ciał pływających: tonie, jeśli ρ t ˃ ρ woda; unosi się w górę, jeśli ρ t ˂ ρ woda; pływa, jeśli ρ t = ρ woda. (ρ aluminium = 2700 kg/m3; ρ woda = 1000 kg/m3).

IV. Odbicie

Doświadczenie 3. Obejrzyj i wyjaśnij działanie urządzenia wykonanego przez ucznia zgodnie z zadaniem z §52 (s. 55 podręcznika). „Nurek kartezjański”. Zamiast przezroczystej butelki studentka użyła zwykłej pipety.

Urządzenie pozwala zademonstrować prawa unoszenia się ciał.

V. Praca domowa

§52; ćwiczenie 27(3,5,6).

Autoanaliza lekcji

Temat lekcji fizyki w klasie 7 brzmi: „Warunki dla ciał pływających”. W klasie jest 20 uczniów. Większość z nich ma dobre wykształcenie matematyczne. Chłopcy są ciekawscy i aktywni. Dobrze pracują w zespole. Weź udział w przygotowaniu sprzętu na lekcję.

Cel lekcji: zainteresowanie uczniów, przybliżenie ich do samodzielnego rozwiązywania sytuacji problemowych. Podczas zajęć dzieci uczą się samodzielnie planować sposoby osiągnięcia celów, w tym także alternatywnych, oraz świadomie wybierać najskuteczniejsze sposoby rozwiązania problemu.

Rodzaj lekcji - lekcja powtarzania wiedzy przedmiotowej - pozwala sprawdzić wiedzę zdobytą na poprzedniej lekcji i przygotować się do rozwiązywania problemów z tematu na następnej lekcji.

Wybrane etapy lekcji są ze sobą logicznie powiązane, następuje płynne przejście od jednego do drugiego. Podczas lekcji nauczyciel jedynie kieruje i koryguje działania uczniów, którzy przez niemal całą lekcję pracują samodzielnie. Aby zaoszczędzić czas przy realizacji części praktycznej, podczas zajęć dodatkowych uczniowie przygotowali dwie kapsułki z piaskiem, całkowicie i częściowo wypełnione (zad. 1 i 2), trzecia pozostała pusta. Podczas lekcji dzieci nauczyły się wyciągać wnioski z eksperymentu i aktywnie dyskutować o rozwiązaniach problemowych sytuacji. Na ostatnim etapie uwaga dzieci ponownie skupiła się na temacie lekcji. Nauczyciel komentował pracę domową i wystawiał oceny z odpowiedzi ustnych; po lekcji sprawdzane były zeszyty z prac laboratoryjnych.

Uważam, że cele lekcji zostały osiągnięte: dzieci nauczyły się analizować, podkreślać (główne, istotne), porównywać, klasyfikować, uogólniać fakty i pojęcia oraz znajdować rozwiązania sytuacji problemowych. Lekcja stworzyła atmosferę zbiorowych poszukiwań, uniesienia emocjonalnego, radości z nauki i radości z pokonywania trudności.

Warunki żeglarskie

Cel lekcji: wyjaśnienie warunków unoszenia się ciał w zależności od gęstości materii i cieczy.

Edukacyjny:

zapoznanie studentów z pojęciami: stan ciał pływających

kształtowanie całościowego postrzegania naukowego obrazu świata

Edukacyjny:

rozwój operacyjnego stylu myślenia uczniów;

rozwój syntetycznego myślenia uczniów;

rozwój umiejętności i zdolności do przeprowadzania eksperymentów;

kontynuacja pracy nad rozwojem umiejętności intelektualnych: podkreślanie najważniejszego, analiza, umiejętność wyciągania wniosków, specyfikacja;

Wychowawcy:

rozwijanie zainteresowań uczniów studiowaniem fizyki;

kształtowanie dokładności, umiejętności i umiejętności racjonalnego wykorzystania czasu, planowania swoich działań.

Sprzęt do lekcji:

Probówka z korkiem, kulka ziemniaczana, plastelina, woda, nasycony roztwór soli, naczynie, dynamometr, waga z odważnikami

1. Wstęp. Aktualizowanie wiedzy.

Dzisiaj uczeń z Twojej klasy rozpocznie lekcję. Słuchajmy więc uważnie

Język płetwala błękitnego waży 3 tony, jego wątroba waży 1 tonę, serce waży 600-700 kg, jego krew waży 10 ton, średnica tętnicy grzbietowej wynosi 40 cm, a jego żołądek zawiera 1-2 tony pożywienia; paszcza wieloryba – pokój o powierzchni 24 m2. W wyrzucony na brzeg, umiera niemal natychmiast.

Ciekawa roślina żyje na Oceanie Spokojnym - jest to makrocystis. Jego długość sięga 57 metrów, a waga 100 kilogramów. Alga ta nazywana jest morszczynem. W pobliżu każdej blaszki liściowej znajduje się bąbelek wielkości dużego jabłka. Skorupa jest gruba, nie przebijesz jej! Jest szczelnie napompowany jakimś gazem wytwarzanym przez same algi. Ta roślina jest bardzo przydatna.

L świnie i kaczki, ciężkie i niezdarne na brzegu, Ale tak lekki i pełen wdzięku w wodzie.

G statek z żelaza tonie, ale statek z żelaza pływa

2. Sformułuj temat lekcji???

Warunki żeglarskie

Cele Lekcji:

Naucz się wyprowadzać wzory na warunki pływania ciał.

Naucz się pracować z instrumentami, obserwować, analizować i porównywać wyniki eksperymentów oraz wyciągać wnioski.

Znaleźć warunek, w jakim ciało tonie w cieczy i warunek pływania ciał całkowicie zanurzonych w cieczy.

3. Doświadczenie:

– Mam w rękach kilka bloków i piłek o tej samej objętości. Czy siły wyporu tych ciał będą takie same po zanurzeniu w wodzie? (To samo)

- Spróbujmy wrzucić je do wody. Co widzimy? Niektóre ciała utonęły, inne unoszą się na wodzie. Dlaczego? Czego jeszcze nie wzięliśmy pod uwagę, mówiąc o zanurzaniu ciał w cieczy?

Wniosek z doświadczenia:

Oznacza to, że to, czy ciało zatonie, czy nie, zależy nie tylko od siły Archimedesa, ale także od siły grawitacji.

4. Powtórzmy materiał z poprzedniej lekcji

Jaką siłę nazywa się siłą Archimedesa?

Od jakich ilości to zależy?

Jakiego wzoru używa się do jego obliczenia?

Jak inaczej określić siłę wyporu?

W jakich jednostkach się to mierzy?

Jak kierowana jest siła Archimedesa?

Jak określić grawitację

Jaki jest kierunek grawitacji?

Jaka jest wypadkowa siła?

Jak znaleźć wypadkową dwóch sił skierowanych wzdłuż jednej linii prostej w jednym kierunku? W różnych kierunkach?

Jak zachowa się ciało pod wpływem dwóch równych, lecz przeciwnie skierowanych sił?

5. Prezentacja nowego materiału. Konsolidacja pierwotna.

Przyjrzyjmy się różnym sytuacjom

(Ft >FA) (Ft =FA) (Ft< FА)

Przyjmijmy założenia (hipotezę)

jeśli siła grawitacji jest większa niż siła Archimedesa (Ft > FA) – Ciało tonie

jeżeli siła ciężkości jest równa sile Archimedesa (Ft = FA) – Ciało unosi się w powietrzu,

jeśli siła grawitacji jest mniejsza niż siła Archimedesa (Ft< FА) ---Тело всплывает

Założenie należy sprawdzić eksperymentalnie.

Przed wami różne ciała i urządzenia.

Jakich materiałów należy użyć, aby udowodnić nasze założenia?

(dynamometr, ciecz, ciało)

Jakie pomiary wykonać (wyznaczyć siłę Archimedesa i siłę grawitacji i porównać je ze sobą) lub obliczyć za pomocą wzorów.

Wypełnij tabelę

A= ρ IVg =

Ft = mg =

wniosek (stosunek grawitacji do siły Archimedesa określa zdolność ciała: pływania, tonięcia lub unoszenia się na wodzie)

Stosunek grawitacji do siły Archimedesa określa zdolność organizmu do pływania, tonięcia lub unoszenia się na wodzie.

Pokazy: 1. Korpus probówki unosi się w wodzie. 2. Kulka ziemniaczana tonie w wodzie. 3. Ta sama kulka ziemniaczana pływa w słonej wodzie. 4. Kulka z plasteliny tonie w wodzie. 5. Łódeczka z plasteliny unosi się w wodzie

Aby ciało mogło unosić się na wodzie, konieczne jest, aby działająca na nie siła grawitacji została zrównoważona przez siłę Archimedesa (wyporu).

fa t = fa za (1)

Siła Archimedesa: F a = ρ f V f g (2)

Grawitacja: F t = mg = ρVg (3)

Podstawmy wyrażenia (2) i (3) pod równość (1): ρVg = ρ f V f g

Dzieląc obie strony tej równości przez g, otrzymujemy warunek pływania ciał w nowej postaci:

ρV = ρ fa V fa

Aby ciało unosiło się na powierzchni, częściowo wystając ponad powierzchnię cieczy, gęstość ciała musi być mniejsza od gęstości cieczy. Gdy gęstość ciała jest większa niż gęstość cieczy, ciało tonie, ponieważ siła grawitacji przewyższa siłę Archimedesa.

Analiza ćwiczenia:

– Jakie substancje (lód, stearyna, wosk, guma, cegła) będą pływać w wodzie, mleku, rtęci?

– Korzystając z tabeli, określ, które metale toną w rtęci? (osm, iryd, platyna, złoto)

– Jakie substancje będą pływać w nafcie? (korek, sosna, dąb)

4. Zastosowanie warunków pływających dla ciał

A) Żaglowce

- A teraz musimy wyjaśnić, dlaczego stalowy gwóźdź tonie, a statek ze stali pływa?

- Weźmy plastelinę. Jeśli wrzucisz go do wody, utonie. Jak zadbać o to, żeby się nie utonął?

B) Pływanie ryb i wielorybów

W jaki sposób ryby i wieloryby mogą zmienić głębokość nurkowania? (ryby ze względu na zmianę objętości pęcherza pławnego, wieloryby ze względu na zmianę objętości płuc, czyli ze względu na siłę Archimedesa)

Gęstość organizmów żywych zamieszkujących środowisko wodne bardzo niewiele różni się od gęstości wody, dlatego ich ciężar jest prawie całkowicie równoważony przez siłę Archimedesa. Ryba może zmieniać objętość swojego ciała, ściskając pęcherz pławny wysiłkiem mięśni piersiowych i brzucha, zmieniając w ten sposób średnią gęstość swojego ciała, dzięki czemu może regulować głębokość nurkowania.

Pęcherz pławny ryby łatwo zmienia swoją objętość. Kiedy ryba za pomocą mięśni schodzi na większą głębokość i wzrasta ciśnienie wody, pęcherzyk kurczy się, objętość ciała ryby zmniejsza się i ryba pływa w głębinach. Podczas wynurzania zwiększa się pęcherz pławny i objętość ryby, która wypływa na powierzchnię. W ten sposób ryba reguluje głębokość nurkowania. Pęcherz pławny ryby. To interesujące

Wieloryby regulują głębokość nurkowania, zwiększając i zmniejszając pojemność płuc. To jest interesujące

Średnia gęstość organizmów żywych zamieszkujących środowisko wodne niewiele różni się od gęstości wody, dlatego ich ciężar jest prawie całkowicie równoważony przez siłę Archimedesa. Dzięki temu zwierzęta wodne nie potrzebują mocnych i masywnych szkieletów. Z tego samego powodu pnie roślin wodnych są elastyczne.

Ptaki mają grubą, nieprzepuszczalną dla wody warstwę piór i puchu, która zawiera znaczną ilość powietrza, dzięki czemu średnia gęstość ich ciała jest bardzo niska, dlatego kaczki podczas pływania nie zanurzają się zbytnio w wodzie.

B) Nawigacja łodzią podwodną

– W jaki sposób łodzie podwodne mogą podnosić się i opadać na różne głębokości? (ze względu na zmiany jego masy, a co za tym idzie, grawitacji)

D) Pływanie człowieka w wodzie słodkiej i słonej

Średnia gęstość ciała człowieka wynosi 1030 kg/m. Czy ktoś będzie pływał lub tonął w rzece i słonym jeziorze?

Pływające ciała

203. Pływak leżący nieruchomo na plecach na wodzie bierze głęboki wdech i wydech. Jak zmienia się położenie ciała pływaka względem powierzchni wody? Dlaczego?

204. Czy siły wyporu działające na ten sam drewniany klocek pływający najpierw w wodzie, a potem w nafcie są takie same?

205. Dlaczego talerz położony płasko na powierzchni wody unosi się na wodzie, a talerz umieszczony krawędzią do wody tonie?

206. Czy koło ratunkowe może pomieścić dowolną liczbę osób, które się go chwytają?

207. Na klatce piersiowej i plecach nurka umieszcza się ciężkie płyty ołowiane, a do butów mocuje się ołowiane podeszwy. Dlaczego to robią?

208. Kawałek drewna wrzuca się do naczynia z wodą. Czy zmieni to ciśnienie na dnie naczynia, jeśli woda nie wyleje się z naczynia?

209. Szklanka jest wypełniona po brzegi wodą. Umieszcza się w nim kawałek drewna, tak aby swobodnie unosił się w powietrzu. Czy ciężar szklanki zmieni się, jeśli woda nadal będzie ją napełniać po brzegi?

Odpowiedzi:203. Podczas wdechu pływak unosi się w górę, a podczas wydechu zanurza się głębiej w wodzie, ponieważ podczas oddychania zmienia się objętość klatki piersiowej i odpowiednio zmienia się siła Archimedesa.

(Podczas wdechu pływak unosi się w górę, podczas wydechu zanurza się głębiej w wodę, ponieważ podczas oddychania zmienia się objętość klatki piersiowej, ale masa ciała pozostaje prawie stała. Dlatego całkowita objętość ciała wzrasta podczas wdechu, maleje podczas wydechu, a objętość części ciała zanurzonej w wodzie nie zmienia się.)

204. To samo. Blok pływa w obu płynach, co oznacza, że ​​siła wyporu w każdym z nich jest równa działającej na niego sile grawitacji.

206. Nie, ponieważ siła nośna (różnica pomiędzy maksymalną siłą Archimedesa a siłą grawitacji) koła ma ograniczoną wartość.

207. Zwiększyć siłę grawitacji i uczynić ją większą od siły Archimedesa, w przeciwnym razie nurek nie zanurkuje na wymaganą głębokość.

208. Ciśnienie będzie rosło wraz ze wzrostem poziomu wody w naczyniu.

209. To się nie zmieni, gdyż ciężar kawałka drewna jest równy ciężarowi wypartej przez niego (i wylanej ze szklanki) wody.

6. Zadanie eksperymentalne.

Określ masę ciała:m=

DefiniowaćFt zgodnie ze wzorem i za pomocą dynamometru wypełnij tabelę.

Zdefiniuj FAKorzystając ze wzoru i korzystając z dynamometru, wypełnij tabelę.

Sformułuj wniosek (stosunek siły ciężkości i siły Archimedesa określa zdolność ciała: pływania, tonięcia lub unoszenia się na wodzie)

Wypełnij tabelę

A= ρ IVg =

Ft = mg =

wniosek (na podstawie eksperymentu)

wniosek (właściwie)

fat =

7. Praca domowa:

8. Wniosek: z Teraz czas naszej lekcji dobiega końca. I chociaż nie rozwiązaliśmy wszystkich problemów, nasza podróż drogami fizyki nie kończy się!

Pływanie to zdolność ciała do pozostawania na powierzchni cieczy lub na pewnym poziomie wewnątrz cieczy.

Wiemy, że na każde ciało w cieczy działają dwie siły skierowane w przeciwnych kierunkach: grawitacja i siła Archimedesa.

Siła ciężkości jest równa ciężarowi ciała i jest skierowana w dół, natomiast siła Archimedesa, zależna od gęstości cieczy, jest skierowana w górę. Jak fizyka wyjaśnia unoszenie się ciał na wodzie i jakie warunki panują dla ciał unoszących się na powierzchni i w słupie wody?

Siłę Archimedesa wyraża się wzorem:

Fout = g*m f = g* ρ f * V f = P f,

gdzie m jest masą cieczy,

a Pf jest masą płynu wypartego przez ciało.

A skoro nasza masa jest równa: m f = ρ f * V f, to ze wzoru na siłę Archimedesa widzimy, że nie zależy ona od gęstości zanurzonego ciała, a jedynie od objętości i gęstości wypartego płynu przez ciało.

Siła Archimedesa jest wielkością wektorową. Powodem istnienia siły wyporu jest różnica ciśnień na górną i dolną część ciała. Ciśnienie pokazane na rysunku wynosi P 2 > P 1 ze względu na większą głębokość. Aby powstała siła Archimedesa wystarczy, że ciało jest choć częściowo zanurzone w cieczy.

Jeśli więc ciało unosi się na powierzchni cieczy, to siła wyporu działająca na część tego ciała zanurzoną w cieczy jest równa sile grawitacji całego ciała. (Fa = P)

Jeżeli siła ciężkości jest mniejsza od siły Archimedesa (Fa > P), wówczas ciało uniesie się z cieczy, czyli unosi się w powietrzu.

W przypadku, gdy ciężar ciała jest większy niż siła Archimedesa wypychająca je (Fа

Z uzyskanego współczynnika można wyciągnąć ważne wnioski:

Siła wyporu zależy od gęstości cieczy. To, czy ciało tonie, czy pływa w cieczy, zależy od gęstości ciała.

Ciało całkowicie zanurzone w cieczy pływa, jeśli gęstość tego ciała jest równa gęstości cieczy

Ciało unosi się na wodzie, częściowo wystając ponad powierzchnię cieczy, jeżeli gęstość ciała jest mniejsza od gęstości cieczy

- jeśli gęstość ciała jest większa niż gęstość cieczy, pływanie jest niemożliwe.

Łodzie rybackie wykonane są z suchego drewna, którego gęstość jest mniejsza niż gęstość wody.

Dlaczego statki pływają?

Kadłub statku zanurzonego w wodzie jest obszerny, a wewnątrz tego statku znajdują się duże wnęki wypełnione powietrzem, co znacznie zmniejsza ogólną gęstość statku. W ten sposób znacznie zwiększa się objętość wody wypartej przez statek, zwiększając jego siłę wyporu, a całkowita gęstość statku jest mniejsza niż gęstość wody, tak że statek może unosić się na powierzchni. Dlatego każdy statek ma określony limit masy ładunku, który może przewozić. Nazywa się to wypornością statku.

Na ciało zanurzone w cieczy oprócz grawitacji działa siła wyporu – siła Archimedesa. Ciecz naciska na wszystkie strony ciała, ale ciśnienie nie jest takie samo. Przecież dolna krawędź korpusu jest zanurzona w cieczy bardziej niż górna, a ciśnienie wzrasta wraz z głębokością. Oznacza to, że siła działająca na dolną powierzchnię korpusu będzie większa niż siła działająca na górną powierzchnię. Powstaje zatem siła, która próbuje wypchnąć ciało z cieczy.

Wartość siły Archimedesa zależy od gęstości cieczy i objętości tej części ciała, która znajduje się bezpośrednio w cieczy. Siła Archimedesa działa nie tylko w cieczach, ale także w gazach.

Prawo Archimedesa: na ciało zanurzone w cieczy lub gazie działa siła wyporu równa masie cieczy lub gazu w objętości tego ciała. Aby obliczyć siłę Archimedesa, należy pomnożyć gęstość cieczy, objętość części ciała zanurzonej w cieczy i stałą wartość g.

Na ciało znajdujące się w cieczy działają dwie siły: grawitacja i siła Archimedesa. Pod wpływem tych sił ciało może się poruszać. Istnieją trzy warunki, aby ciała unosiły się na wodzie:

Jeżeli siła grawitacji jest większa od siły Archimedesa, ciało opadnie na dno.

Jeśli siła ciężkości jest równa sile Archimedesa, wówczas ciało może znajdować się w równowadze w dowolnym punkcie cieczy;

Jeśli siła grawitacji jest mniejsza niż siła Archimedesa, ciało będzie unosić się w górę.

Unoszenie się ciał na powierzchni cieczy

W położeniu powierzchniowym na ciało pływające wzdłuż osi OZ działają dwie siły (rys. 1.1). Jest to siła ciężkości ciała G i wyporu siły Archimedesa P z.

pływanie, tj. zanurzony . Podstawowe pojęcia teorii pływania obejmują:

- pływający samolot(I-I) - płaszczyzna swobodnej powierzchni cieczy przecinającej ciało;

- linia wodna – linia przecięcia powierzchni ciała i płaszczyzny pływania;

- wersja robocza (y)– głębokość zanurzenia najniższego punktu ciała. Maksymalne dopuszczalne zanurzenie statku zaznaczono na nim czerwoną linią wodną;

- przemieszczenie – ciężar wody wypartej przez naczynie. Jego główną cechą techniczną jest wyporność statku przy pełnym obciążeniu;

Środek przemieszczenia (punkt D, rys. 1.1) jest środkiem ciężkości przemieszczenia, przez który przechodzi linia działania wyporu Archimedesa;

Oś pływania (О О „) to linia przechodząca przez środek ciężkości C i środek przemieszczenia D, gdy ciało znajduje się w równowadze.

Aby zachować równowagę, oś topnienia musi być pionowa. Jeżeli na pływający statek działa siła zewnętrzna, np. siła parcia wiatru, w kierunku poprzecznym, wówczas statek się przechyla, oś nawigacji obróci się względem punktu C i powstanie moment obrotowy Mk, obracający statek względem punktu C. do osi podłużnej przeciwnie do ruchu wskazówek zegara (ryc. 1.2)

Stateczność ciała pływającego zależy od względnego położenia punktów C i D. Jeżeli środek ciężkości C znajduje się poniżej środka przemieszczenia D, to podczas nawigacji powierzchniowej ciało jest zawsze stabilne, gdyż moment obrotowy Mk powstający podczas przechyłu wynosi zawsze skierowane w kierunku przeciwnym do rolki.

Jeżeli punkt C znajduje się nad punktem D (rys. 1.3), wówczas ciało pływające może być stabilne lub niestabilne. Rozważmy te przypadki bardziej szczegółowo.

Podczas przechyłu środek przemieszczenia D przesuwa się poziomo w stronę pięty, ponieważ jedna strona naczynia wypiera większą objętość wody niż druga.

Następnie linia działania wyporu Archimedesa P z przejdzie przez nowy środek przemieszczenia D” i przetnie się z osią nawigacji OO” w punkcie M, zwanym metacentrum. Aby sformułować warunek stabilności, oznaczamy segment

M D 1 = b,AD 1 =∆ , Gdzie B - promień metacentryczny; ∆-ekscentryczność.

Warunek stateczności: ciało jest stabilne, jeśli jego promień metacentryczny jest większy od mimośrodu, tj. b > ∆.

Graficzną interpretację warunku stabilności przedstawiono na rys. 1.3, z którego jasno wynika, że ​​w przypadku a) b > ∆ i powstały moment obrotowy jest skierowany w stronę przeciwną do walca i w przypadku b) mamy: B< ∆ i chwila M k obraca ciało w kierunku obrotu, tj. ciało nie jest stabilne.

Przemieszczenie statek (statek) - ilość wody wypartej przez podwodną część kadłuba statku (statku). Masa tej ilości cieczy jest równa masie całego statku, niezależnie od jego wielkości, materiału i kształtu.

Wyróżnić wolumetryczny I masywny standard, normalna, kompletny, największy, pusty przemieszczenie.

Przemieszczenie wolumetryczne Wodnica(Holenderski wodnica) - linia styku spokojnej powierzchni wody z kadłubem statku pływającego. Również w teorii statku istnieje element rysunku teoretycznego: przekrój kadłuba przez płaszczyznę poziomą.

Przemieszczenie masy

Standardowe przemieszczenie

Normalne przemieszczenie

Całkowite przemieszczenie

Maksymalne przemieszczenie

Lekkie przemieszczenie

Przemieszczenie zanurzone

Przemieszczenie powierzchni

Stateczność ciał pływających

Stabilność ciała pływające to ich zdolność do powrotu do pierwotnego położenia po usunięciu ich z tego położenia pod wpływem jakichkolwiek sił zewnętrznych.

Aby zapewnić stabilność pływającemu ciału, konieczne jest, aby w przypadku odchylenia się od położenia równowagi wytworzyła się para sił, które przywrócą ciało do jego pierwotnego położenia. Taką parę sił mogą stworzyć tylko siły G I P n. Możliwe są trzy różne opcje względnego rozmieszczenia tych sił (ryc. 5.3).

Ryż. 5.3. Stateczność ciał częściowo zanurzonych przy względnym położeniu środka ciężkości i środka wyporu A I B– stabilna równowaga

Środek masy znajduje się poniżej środka przemieszczenia.Podczas przechyłu środek przemieszczenia przesuwa się zarówno na skutek zmiany położenia ciała, jak i na skutek zmiany kształtu wypartej objętości. W tym przypadku powstaje para sił, które dążą do przywrócenia ciała do pierwotnej pozycji. W rezultacie ciało ma dodatnią stabilność.

Środek masy pokrywa się ze środkiem przemieszczenia– ciało będzie miało dodatnią stabilność również na skutek przemieszczenia środka przemieszczenia na skutek zmiany kształtu wypartej objętości.

Środek masy znajduje się powyżej środka przemieszczenia Istnieją tutaj dwie główne opcje (ryc. 5.4):

1) punkt przecięcia siły nośnej z osią pływania M (metocentrum) leży poniżej środka masy – równowaga będzie niestabilna (ryc. 5.4, A);

2) metacentrum leży powyżej środka masy – równowaga będzie stabilna (ryc. 5.4, B). Odległość od metacentrum do środka masy nazywa się odległością wysokość metacentryczna. Metacentrum – punkt, w którym winda przecina oś pływającą. Jeśli chodzi o M leży nad punktem Z, wówczas wysokość metacentryczną uważa się za dodatnią, jeśli leży poniżej punktu Z– wtedy jest uznawany za negatywny.

Można zatem wyciągnąć następujące wnioski:

stabilność ciała w stanie półzanurzonym zależy od względnego położenia punktów M I Z(od wysokości metacentrycznej);

ciało będzie stabilne, jeśli wysokość metacentryczna będzie dodatnia, tj. Metacentrum znajduje się nad środkiem ciężkości. Prawie wszystkie wojskowe pojazdy amfibie mają wysokość metacentryczną 0,3–1,5 m.

Ryż. 5.4. Stateczność ciał częściowo zanurzonych przy względnym położeniu środka ciężkości i metacentrum:

A– równowaga niestabilna; B– stabilna równowaga

Przemieszczenie statek (statek) - ilość wody wypartej przez podwodną część kadłuba statku (statku). Masa tej ilości cieczy jest równa masie całego statku, niezależnie od jego wielkości, materiału i kształtu.

Wyróżnić wolumetryczny I masywny przemieszczenie. W zależności od stanu obciążenia statku rozróżniają standard, normalna, kompletny, największy, pusty przemieszczenie.

Dla łodzi podwodnych tak Podwodny przemieszczenie i powierzchnia przemieszczenie.

Przemieszczenie wolumetryczne

wyporność równa objętości podwodnej części statku (statku) do wodnicy.

Przemieszczenie masy

wyporność równa masie statku (statku).

Standardowe przemieszczenie

wyporność w pełni wyposażonego statku (statku) z załogą, ale bez zapasów paliwa, smarów i wody pitnej w zbiornikach.

Normalne przemieszczenie

wyporność równa wyporności standardowej plus połowa zapasów paliwa, smarów i wody pitnej w zbiornikach.

Całkowite przemieszczenie

wyporność równa wyporności standardowej plus pełne zapasy paliwa, smarów, wody pitnej w zbiornikach i ładunku.

Maksymalne przemieszczenie

wyporność równa wyporności standardowej plus maksymalne zapasy paliwa, smarów, wody pitnej w zbiornikach, ładunku.

Lekka wyporność)

przemieszczenie pustego statku (statku), czyli statku (statku) bez załogi, paliwa, zaopatrzenia itp.

Przemieszczenie zanurzone

przemieszczenie łodzi podwodnej (bayscaphe) i innych jednostek podwodnych w pozycji zanurzonej. Przekracza wyporność powierzchniową o masę wody otrzymanej po zanurzeniu w głównych zbiornikach balastowych.

Przemieszczenie powierzchni

przemieszczenie łodzi podwodnej (batyskaf) i innych jednostek podwodnych do pozycji na powierzchni wody przed nurkowaniem lub po wynurzeniu.