Один из первых физических законов, изучаемых учениками средней школы. Хотя бы примерно этот закон помнит любой взрослый человек, как бы далек он ни был от физики. Но иногда полезно вернуться к точным определениям и формулировкам - и разобраться в деталях этого закона, которые могли позабыться.
О чем говорит закон Архимеда?
Существует легенда, что свой знаменитый закон древнегреческий ученый открыл, принимая ванну. Погрузившись в емкость, наполненную водой до краев, Архимед обратил внимание, что вода при этом выплеснулась наружу - и испытал озарение, мгновенно сформулировав суть открытия.
Скорее всего, в реальности дело обстояло иначе, и открытию предшествовали долгие наблюдения. Но это не столь важно, потому что в любом случае Архимеду удалось открыть следующую закономерность:
- погружаясь в любую жидкость, тела и объекты испытывают на себе сразу несколько разнонаправленных, но направленных перпендикулярно по отношению к их поверхности сил;
- итоговый вектор этих сил направлен вверх, поэтому любой объект или тело, оказавшись в жидкости в состоянии покоя, испытывает на себе выталкивание;
- при этом сила выталкивания в точности равна коэффициенту, который получится, если умножить на ускорение свободного падения произведение объема предмета и плотности жидкости.
Итак, Архимед установил, что тело, погружённое в жидкость, вытесняет такой объём жидкости, который равен объёму самого тела. Если в жидкость погружается только часть тела, то оно вытеснит жидкость, объём которой будет равен объёму только той части, которая погружается.
Та же самая закономерность действует и для газов - только здесь объем тела необходимо соотносить с плотностью газа.
Можно сформулировать физический закон и немного проще - сила, которая выталкивает из жидкости или газа некий предмет, в точности равна весу жидкости или газа, вытесненных этим предметом при погружении.
Закон записывается в виде следующей формулы:
Какое значение имеет закон Архимеда?
Закономерность, открытая древнегреческим ученым, проста и совершенно очевидна. Но при этом ее значение для повседневной жизни невозможно переоценить.
Именно благодаря познаниям о выталкивании тел жидкостями и газами мы можем строить речные и морские суда, а также дирижабли и воздушные шары для воздухоплавания. Тяжелые металлические корабли не тонут благодаря тому, что их конструкция учитывает закон Архимеда и многочисленные следствия из него - они построены так, что могут удерживаться на поверхности воды, а не идут ко дну. По аналогичному принципу действуют воздухоплавательные средства - они используют выталкивающие способности воздуха, в процессе полета становясь как бы легче него.
учебный год
Тема урока:Архимедова сила.
Закон Архимеда
Цели урока:
образовательная: о бнаружить наличие силы, выталкивающей тело из жидкости;
развивающая: научить применять закон Архимеда;
воспитательная : формировать интеллектуальные умения анализировать, сравнивать, систематизировать знания. Привить ученикам интерес к науке.
Тип урока: урок усвоения новых знаний.
Оборудование(для учителя) : штатив, стеклянный сосуд с отверстием для вытекания воды, динамометр, набор грузов, стакан
для учащихся: динамометр, нить, набор грузов, сосуды с водой, пластилин, шар.
Демонстрация: опыт по рис 139 учебника, деревянный брусок, мяч, сосуд с водой.
Ход урока
1.Организационный момент.
Сообщение о целях урока.
2.Актуализация знаний.
Ответить на вопросы:
1.Как формулируется закон Паскаля?
2.Как вычисляется давление жидкости на дно и стенки сосуда?
3.Подготовка к усвоению нового материала.
Постановка учебных проблем:
а/ действует ли жидкость на погруженное в неё тело?
б/ всегда ли жидкость действует на погруженное тело?
в/ как теоретически объяснить это действие жидкости на погруженное в неё тело?
Обратимся к опыту. Опускаем в воду дере вянный брусок. Брусок плавает на поверхности воды. Почему деревянный брусок плавает на воде?
Опускаем мяч в воду и убираем руку. Мяч выпрыгивает на поверхность воды. Почему мяч выпрыгивает из воды?
В воде на погруженные тела действует выталкивающая сила.
Всегда ли жидкость действует на погруженное тело? Опущенный в воду цилиндр из металла тонет. Заметно ли действие воды на это тело?
4. Объяснение нового материала:
Проведем опыт. Подвесим цилиндр к динамометру, и наблюдаем растяжение пружины в воздухе, а затем в воде.
1.Опыт по обнаружению выталкивающей силы:
1. Определите вес груза в воздухе Р1.
2. Определите вес груза в воде Р2.
3.Сравните результаты измерений и сделайте вывод.
Вывод: вес тела в воде меньше веса тела в воздухе: Р1 > Р2.
- Почему вес тела в воде меньше веса тела в воздухе?
Ответ : жидкость действует на любое тело, погруженное в неё. Эта сила направленная вертикально вверх.
- А как можно найти величину выталкивающей силы?
Ответ: из веса тела в воздухе надо вычесть вес тела в воде.
Мы пришли к следующему выводу. На тело, погруженное в жидкость, действуют две силы: одна сила – сила тяжести, направленная вниз, другая – выталкивающая, направленная вверх.
https://pandia.ru/text/78/176/images/image003_168.gif" width="12" height="75"> 2
 |
Сегодня мы с вами будем изучать выталкивающую силу, действующую на тела, погруженные в жидкость. Выясним, от каких факторов зависит эта сила. Научимся вычислять эту силу. Она называется выталкивающей, или архимедовой силой в честь древнегреческого ученого Архимеда, который впервые указал на её существование и рассчитал её значение.
Архимед (287-212 гг. до нашей эры)-
Древнегреческий ученый, физик и математик. Установил правило рычага, открыл закон гидростатики. Материал об Архимеде прилагается в конце разработки урока.
5. Работа в группах.
Отчего зависит Архимедова сила?
Чтобы ответить на этот вопрос проведем работу в группах. Каждая группа получает задание и отвечает на поставленный вопрос.
Задание первой группе
Определите зависимость архимедовой силы от плотности тела.
Оборудование: сосуд с водой, динамометр, тела одинакового объема и разной плотности (алюминиевый и медный цилиндры), нить.
1.Определите вес алюминиевого цилиндра в воздухе. Р1= …….. Н
2.Определите вес алюминиевого цилиндра в воде. Р2= …....... Н
3.Найдите архимедову силу, действующую на алюминиевый цилиндр. Р1 - Р2=………. Н
4.Определите вес медного цилиндра в воздухе. Р3=………. Н
5.Определите вес медного цилиндра в воде. Р4= ………Н
6.Найдите архимедову силу, действующую на медный цилиндр. Р3 - Р4 = ……..Н
7.Сделайте вывод о зависимости (независимости) архимедовой силы от плотности тела.
Ответ: архимедова сила …………………………………от плотности тела.
Задание второй группе
Определите зависимость архимедовой силы от объема тела.
Оборудование: сосуд с водой, тела разного объема (алюминиевые цилиндры), динамометр, нить.
1.Определите вес большого цилиндра в воздухе. Р1= Н
2. Определите вес большого цилиндра в воде. Р2= Н
3.Найдите архимедову силу, действующую на большой цилиндр. Р1 –Р2= Н
4.Определите вес маленького цилиндра в воздухе. Р3= Н
5. Определите вес маленького цилиндра в воде. Р4= Н
6.Найдите архимедову силу, действующую на маленький цилиндр. Р3 –Р4= Н
7.Сделайте вывод о зависимости (независимости ) архимедовой силы от объема тела.
Ответ: архимедова сила …………………………………от объема тела.
Задание третьей группе
Определите зависимость архимедовой силы от плотности жидкости.
Оборудование: динамометр, нить, сосуды с пресной водой и соленой водой, шар.
1.Определите вес шара в воздухе. Р1= Н
2. Определите вес шара в пресной воде. Р2= Н
3.Найдите архимедову силу, действующую на шар в пресной воде. Р1 – Р2 = Н
4.Определите вес шара в воздухе. Р1= Н
5. Определите вес шара в соленой воде. Р3= Н
6.Найдите архимедову силу, действующую на шар в соленой воде. Р1- Р2 = Н
7.Сделайте вывод о зависимости (независимости ) архимедовой силы от плотности жидкости.
Ответ: архимедова сила …………………………………от плотности жидкости.
Задание четвертой группе
Определите зависимость архимедовой силы от глубины погружения.
Оборудование: динамометр, нить, мензурка с водой, алюминиевый цилиндр.
1.Определите вес алюминиевого цилиндра в воздухе. Р1= Н
2. Определите вес алюминиевого цилиндра в воде на глубине 5 см. Р2= Н
3.Найдите архимедову силу, действующую на алюминиевый цилиндр в воде.
Р1 – Р2 = Н
4.Определите вес алюминиевого цилиндра в воздухе. Р1= Н
5. Определите вес алюминиевого цилиндра в воде на глубине 10 см. Р3= Н
6.Найдите архимедову силу, действующую на алюминиевый цилиндр во втором случае.
Р1 – Р3 = Н
7.Сделайте вывод о зависимости (независимости ) архимедовой силы от глубины погружения тела.
Ответ: архимедова сила …………………………………от глубины погружения тела.
Задание пятой группе
Определите зависимость архимедовой силы от формы тела.
Оборудование: динамометр, нить, сосуд с водой, кусочек пластилина.
1.Кусочку пластилина придайте форму куба.
2. Определите вес пластилина в воздухе. Р1= Н
3. Определите вес пластилина воде. Р2 = Н
4.Найдите архимедову силу, действующую на кусочек пластилина. Р1 – Р2 = Н
5.Кусочку пластилина придайте форму шара.
6. Определите вес пластилина в воздухе. Р3= Н
7. Определите вес пластилина воде. Р4= Н
8.Найдите архимедову силу, действующую на кусочек пластилина. Р3-Р4= Н
9.Сравните эти силы и сделайте вывод о зависимости (независимости ) архимедовой силы от формы тела.
Ответ: архимедова сила …………………………………от формы тела.
После получения результатов каждая группа устно отчитывается о своей работе и сообщает свои выводы. Выводы записываются учащимися в тетрадях, а учителем – на доске в виде таблицы:
Архимедова сила |
|
Не зависит от: | зависит от: |
1)формы тела; 2)плотности тела 3)глубины погружения. | 1)объема тела; 2)плотности жидкости. |
Мы узнали о том, что архимедова сила зависит от объема тела и плотности жидкости. Как теоретически объяснить действие жидкости на погруженное в неё тело. Опыты показывают, что действие жидкости направлено вверх.
Значение выталкивающей силы можно определить используя прибор, который находится перед вами.
Прибор носит название "ведерко Архимеда". Это пружина с указателем, шкала, ведерко, цилиндр, того же объема, отливной сосуд, стакан.
Здесь пружина выполняет роль динамометра.
1. Показать, что объем ведерки равен объему цилиндра.
2. В отливной сосуд наливаем воду чуть выше уровня отливной трубки. Лишняя вода выльется в стакан. Сливаем воду.
3. Подвесим ведерко к пружине, а к нему - цилиндр. Отмечаем растяжение пружины с помощью указателя. Стрелка показывает вес тела в воздухе.
4. Приподняв тело, под него подставляем отливной сосуд. После погружения в отливной сосуд, часть воды выльется в стакан. Указатель пружины поднимется вверх, пружина сокращается, показывая уменьшение веса тела в жидкости.
Почему пружина сокращается?
В данном случае на тело, кроме силы тяжести, действует ещё и сила выталкивающая его из жидкости.
В какую сторону направлена выталкивающая сила?
Выталкивающая сила направлена вверх.
5. Перельем воду из стакана в ведерко.
Обратите внимание на указатель пружины. Где остановился указатель пружины, после того как мы перелили воду из стакана в ведерко?
Указатель вернулся на прежнее место.
Почему указатель пружины вернулся в прежнее положение?
На пружину кроме силы тяжести и выталкивающей силы действует вес воды в ведерке.
Вес воды равен выталкивающей силе.
Обратите внимание, сколько вытекло воды?
Полное ведерко.
Сравните объем налитой в ведерко воды и объем цилиндра.
Они одинаковы.
На основании этого опыта делаем вывод: выталкивающая сила равна весу жидкости, вытесненной телом.
6. Формулируется закон Архимеда: на тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, равная по величине весу жидкости, вытесненной телом.
На основании этого опыта можно заключить, что сила, выталкивающая целиком погруженное в жидкость тело, равна весу жидкости в объеме этого тела.
Если бы подобный опыт проделать с телом, погруженное в газ, то показал бы, что сила, выталкивающая тело из газа, также равна весу газа, взятого в объеме тела .
Итак, опыт подтвердил, что архимедова (или выталкивающая) сила равна весу жидкости в объеме тела, т. е. FA=РЖ= g m ж.
Массу жидкости m ж, вытесняемую телом, можно выразить через её плотность (ρж) и объем тела (Vт) погруженного в жидкость (так как Vж – объем вытесненной телом жидкости равен Vт – объему тела, погруженного в жидкость, Vж = Vт), т. е. mж = ρжVт.
Тогда получим FА =gρжVт.
Как было установлено, архимедова сила зависит от плотности жидкости, в которую погружено тело, и от объема этого тела. Но она не зависит, например, от плотности вещества тела, погружаемого в жидкость, так как эта величина не входит в полученную формулу.
Определим теперь вес тела, погруженного в жидкость (или газ). Так как две силы, действующие на тело в этом случае, направлены в противоположные стороны (сила тяжести вниз, а архимедова сила вверх) то вес тела в жидкости Р1 будет меньше веса тела в вакууме Р=g m (m - масса тела) на архимедову силу FA= g m ж (m ж – масса жидкости, вытесненной телом) т. е. Р1 =Р - FA, или Р1 = g m - g m ж.
Таким образом, если тело погружено в жидкость (или газ), то оно теряет в своем весе столько, сколько весит вытесненная им жидкость (или газ).
Следует помнить, что при расчете силы Архимеда под V понимают только ту часть объема тела, которая полностью находится в жидкости.
Это может быть и часть объема тела (если оно плавает на поверхности, не полностью погрузившись), и весь объем (если тело утонуло).
На рисунке 2 этот объем закрашен.
https://pandia.ru/text/78/176/images/image007_112.gif" width="673" height="348 src=">
Закон Архимеда можно получить математическим путем.
Для объяснения используем представление о давлении жидкости на тело. Давление внутри жидкости: p=gρжh. Рассмотрим рисунок 3. В жидкости находится параллелепипед. Если верхняя грань находится на глубине h1 , а нижняя на глубине h2, то р2 >р1. Давление на боковые грани компенсируются, так как, по закону Паскаля, (на боковые грани) давление на одном уровне по всем направлениям одинаково.
https://pandia.ru/text/78/176/images/image009_99.gif" width="673" height="298">
Вывод: выталкивание тела происходит в результате действия разного давления на нижнюю и верхнюю грани:
Рнижн > Рверх.
Находим силы с которыми жидкость действует на верхний и нижний грани параллелепипеда.
F1=p1S= gρж h1.
F2=p2S= gρж h2.
F2 - F1=gρж h2- gρжh1=gρж (h2 –h1).
Так как (h2 –h1)= h – высота параллелепипеда, то Sh=V –объем параллелепипеда. В итоге F2 - F1 =gρжV.
Окончательно: FА =gρжV.
Что такое gρжV? По формуле это вес жидкости вытесненной данным телам.
5. Пример решения задачи
Определить выталкивающую силу, действующую в морской воде на камень объемом 1,6 м3.
Дано: Решение:
https://pandia.ru/text/78/176/images/image010_85.gif" width="2 height=86" height="86">V= 1,6 м3 FА =gρжV. FА=9,8 м/кг. 1030 кг/м3. 1,6 м3 =Н ≈ 16,5 кН.
ρж =1030 кг/м3
DIV_ADBLOCK800">
18.К коромыслу весов подвешены два стальных цилиндра одинаковой массы. Нарушится ли равновесие весов, если один цилиндр погрузить в воду, а второй цилиндр - в керосин. Плотность воды 1000 кг/м3, а плотность керосина 800 кг/м3.
7. Работа по книге.
Решение задач из упражнения 32 (3,4) учебника.
8. Проверка усвоения учащимися пройденного материала.
Учащиеся получают карточки с задачами разного уровня сложности:
Первая задача - на определение выталкивающей силы, вторая – на определение объема, третья – комбинированная.
Карточка 1.
2.Каков объем стального цилиндра, если разность веса цилиндра в воздухе и в воде составляет 4 Н? Плотность воды 1000 кг/м3.
3.Гранитная плита размером 1,2 х 0,6 х 0,3 м на половину своего объема погружена в воду. На сколько плита стала легче? Плотность воды 1000 кг/м3.
Карточка 2.
1.Объем мяча 0,002 м3. Какая выталкивающая сила действует на мяч при его погружении в воду? Плотность воды 1000 кг/м3.
3.Свинцовый цилиндр массой 200 г подвешен к пружинным весам. Затем цилиндр погружают в воду. Каковы показания весов в первом и во втором случаях? Плотность воды 1000 кг/м3. плотность свинца 11300 кг/м3.
Карточка 3.
1.С какой силой выталкивается из керосина пробковый брусок размером 4 х 5 х 10 см? Плотность 800 кг/м3.
2. Архимедова сила действующая на деталь в воде равна 1000 Н. найти объем детали. Плотность воды 1000 кг/м3.
Карточка 4.
1.Чему равна выталкивающая сила, действующая на металлический брусок объемом 0,8 дм3 при полном его погружении в воду? Плотность воды 1000 кг/м3.
2. Архимедова сила действующая на балку в воде равна 1000 Н. найти объем детали. Плотность воды 1000 кг/м3.
3. Какую силу надо приложить, чтобы удержать в воде гранитную плиту, на которую действует сила тяжести 27000 Н? Объем плиты – 1 м3. плотность воды – 1000 кг/м3.
Карточка 5.
1.Объем стального бруска 6 дм3 . Какая выталкивающая сила действует на брусок? Плотность воды 1000 кг/м3.
2.Стальная плита весила в воздухе 1960 Н, после погружения в воду плита стала весить 1708,7 Н. Каков объем стальной плиты? Плотность воды 1000 кг/м3.
3. Деревянный шар, плотность которого 500 кг/м3, плавает в воде. Какая часть объема шара погружена в воду, если плотность воды - 1000 кг/м3.
9. Подведение итогов урока.
Мы на этом уроке изучили закон Архимеда. Что мы узнали? Достигли ли мы цели урока?
Оцениваются отличившиеся. Большое спасибо за урок!
10.Домашнее задание:§ 49,упр 32(1,2)
§8.Легенда об Архимеде. Стр. 163.
Для способных учащихся выполнить задание 29.
Дополнительный материал к уроку
На странице 106 книги «Занимательная физика» имеются статьи «Вечный» водяной двигатель», «Как был поднят «Садко»? Советую прочитать.
Архимед и его изобретения.
Несомненно, Архимед (около 287-212 до н. э.) - самый гениальный учёный Древней Греции. Он стоит в одном ряду с Ньютоном, Гауссом, Эйлером, Лобачевским и другими величайшими математиками всех времён. Его труды посвящены не только математике. Он сделал замечательные открытия в механике, хорошо знал астрономию , оптику, гидравлику и был поистине легендарной личностью.
Сын астронома Фидия, написавшего сочинение о диаметрах Солнца и Луны, Архимед родился и жил в греческом городе Сиракузы на Сицилии. Он был приближён ко двору царя Гиерона II и его сына-наследника.
Хорошо известен рассказ о жертвенном венце Гиерона. Архимеду поручили проверить честность ювелира и определить, сделан венец из чистого золота или с примесями других металлов и нет ли внутри него пустот. Однажды, размышляя об этом, Архимед погрузился в ванну, и заметил, что вытесненная его телом вода пролилась через край. Гениального учёного тут же осенила яркая идея, и с криком “Эврика, эврика!” он, как был нагой, бросился проводить эксперимент.
Идея Архимеда очень проста. Тело, погружённое в воду, вытесняет столько жидкости, каков объём самого тела. Поместив венец в цилиндрический сосуд с водой, можно определить, какое количество жидкости он вытеснит, т. е. узнать его объём. А, зная объём и взвесив венец, легко вычислить удельную массу. Это и даст возможность установить истину: ведь золото - очень тяжёлый металл, а более лёгкие примеси, и тем более пустоты, уменьшают удельную массу изделия.
Но Архимед на этом не остановился. В труде “О плавающих телах” он сформулировал закон, который гласит: “Тело, погружённое в жидкость, теряет в своём весе столько, каков вес вытесненной жидкости” . Закон Архимеда является (наряду с другими, позже открытыми фактами) основой гидравлики - науки, изучающей законы движения и равновесия жидкостей. Именно этот закон объясняет, почему стальной шар (без пустот) тонет в воде, тогда как деревянное тело всплывает. В первом случае вес вытесненной воды меньше веса самого шара, т. е. архимедова “выталкивающая” сила недостаточна для того, чтобы удержать его на поверхности. А тяжело гружёный корабль, корпус которого сделан из металла, не тонет, погружаясь только до так называемой ватерлинии. Поскольку внутри корпуса корабля много пространства, заполненного воздухом, средняя удельная масса судна меньше плотности воды и выталкивающая сила удерживает его на плаву. Закон Архимеда объясняет также, почему воздушный шар , заполненный тёплым воздухом или газом, который легче воздуха (водородом , гелием) , улетает ввысь.
Знание гидравлики позволило Архимеду изобрести винтовой насос для выкачивания воды. Такой насос (кохля) до недавнего времени применялся на испанских и мексиканских серебряных рудниках.
Из курса физики всем знакомо Архимедово правило рычага. Согласно преданию, учёный произнёс крылатую фразу: “Дайте мне точку опоры, и я подниму Землю!” . Конечно, Архимед имел в виду применение рычага, но, он был несколько самоуверен: кроме точки опоры ему понадобился бы и совершенно фантастический рычаг - невероятно длинный и при этом несгибаемый стержень.
Достоверные факты и многочисленные легенды говорят о том, что Архимед изобрёл немало интересных машин и приспособлений.
Список использованной литературы:
Самостоятельные работы по физике.
Занимательные опыты по физике.
VI класста физикадан проблемалы дәресләр.
Книга для чтения по физике.
Сборник задач по физике 7-8 класс.
Тематическое и поурочное планирование.
Заниательная физика. Книга 2.(стр.106).
Поурочные разработки по физике.
А. В Постников. Проверка знаний учащихся по физике.
Качественные задачи по физике.
Самостоятельные работы учащихся по физике.
Дидактический материал по физике.
Дополнительные задания по теме
Задачи:
Задачи первого уровня сложности.
На определение выталкивающей силы.
1.Объем стального бруска 0,2 м3. Какая выталкивающая сила действует на брусок при его погружении в воду? Плотность воды 1000 кг/м3.
2.Объем мяча 0,002 м3. Какая выталкивающая сила действует на мяч при его погружении в воду? Плотность воды 1000 кг/м3.
3.С какой силой выталкивается из керосина пробковый брусок размером 4 х 5 х 10 см? Плотность 800 кг/м3.
4.Чему равна выталкивающая сила, действующая на металлический брусок объемом 0,8 дм3 при полном его погружении в воду? Плотность воды 1000 кг/м3.
5.Объем стального бруска 6 дм3 . Какая выталкивающая сила действует на брусок? Плотность воды 1000 кг/м3.
6.Цилиндр объемом 0,02 м3опущен в воду. Найти архимедову силу. Плотность воды 1000 кг/м3.
7. Вычислите выталкивающую силу, действующую на гранитную глыбу, которая при полном погружении в воду вытесняет некоторую её часть. Объем вытесненной воды равен 0,8 м3. Плотность воды 1000 кг/м3.
8.Железобетонная плита размером 3,5 х 1,5 х 0,2 м полностью погружена в воду. Вычислите архимедову силу, действующую на плиту. Плотность воды 1000 кг/м3.
Задачи второго уровня сложности.
На определение объема:
1.Каков объем стального цилиндра, если разность веса цилиндра в воздухе и в воде составляет
4 Н? Плотность воды 1000 кг/м3.
2.Определите объем полностью погруженного в воду тела, если выталкивающая сила, действующая на него, равна 29,4 Н. Плотность воды 1000 кг/м3.
3. Архимедова сила действующая на деталь в воде равна 1000 Н. найти объем детали. Плотность воды 1000 кг/м3.
4. Архимедова сила действующая на балку в воде равна 1000 Н. найти объем детали. Плотность воды 1000 кг/м3.
5.Стальная плита весила в воздухе 1960 Н, после погружения в воду плита стала весить 1708,7 Н. Каков объем стальной плиты? Плотность воды 1000 кг/м3.
Задачи третьего уровня.
1.Гранитная плита размером 1,2 х 0,6 х 0,3 м на половину своего объема погружена в воду. На сколько плита стала легче? Плотность воды 1000 кг/м3.
2.Свинцовый цилиндр массой 200 г подвешен к пружинным весам. Затем цилиндр погружают в воду. Каковы показания весов в первом и во втором случаях? Плотность воды 1000 кг/м3. плотность свинца 11300 кг/м3.
3.Какую силу необходимо приложить к мячу объемом 5 дм3 и массой 0,5 кг для удержания его под водой? Плотность воды 1000 кг/м3. Куда направлена эта сила?
4. Какую силу надо приложить, чтобы удержать в воде гранитную плиту, на которую действует сила тяжести 27000 Н? Объем плиты – 1 м3. плотность воды – 1000 кг/м3.
5. Деревянный шар, плотность которого 500 кг/м3, плавает в воде. Какая часть объема шара погружена в воду, если плотность воды - 1000 кг/м3.
Задачи:
задачи практической направленности.
работа по карточкам:
1. На концах коромысла рычажных весов подвешены алюминиевый и железный бруски (см. рис.). Массы их подобраны так, что весы в воде находятся в равновесии. Какой брусок перевесит, если вылить воду их сосуда?
2. На концах коромысла рычажных весов подвешены два одинаковых стальных шарика. Сохранятся ли равновесие, если шарики опустить в разные жидкости (см. рис.)?
Керосин Вода
3.На рисунке изображены два тела шарообразной формы, плавающие в воде. Какое тело имеет большую плотность?
4. На поверхности воды плавает тело. Графически изобразите силы, действующие на это тело (см. рис.).
5. На рычажных весах уравновешены стеклянный шар без воздуха и свинцовый шарик (см. рис.) нарушится ли равновесие весов, если весы вместе с шарами переместить на вершину горы?
6.К одинаковым пружинам подвешены шарики равной массы, но разного объема. Снизу к шарикам подносят сосуд с водой и поднимают его до такого уровня, пока шарики полностью погрузятся в воду (см. рис.).Какая пружина сократится больше?
7.К одинаковым по упругости пружинам подвешены тела равной массы и равного объема (см. рис.). Какая пружина станет самой короткой, если погрузить в жидкость?
8.На какой из опущенных в воду стальных шаров действует наибольшая выталкивающая сила? Почему?
9.Подвешенные к коромыслу весов одинаковые шары погрузили в жидкость как показано на рисунке а , а затем, так как показано на рисунке б. В каком случае равновесии весов нарушится? Почему?
Плотность некоторых веществ, необходимых при решении задач.
Название вещества | Плотность, кг/м3 |
Алюминий | |
469. Почему металлический корабль плавает в воде, а металлический гвоздь тонет?
Вес воды, вытесняемой подводной частью судна, равна весу судна в воздухе или силе тяжести, действующей на судно.
470. Как изменяется положение ватерлинии судна при его загрузке?
Ватерлиния приблизится к воде поскольку вес судна увеличился.
471. Как изменится осадка судна при переходе из реки в море?
Ватерлиния поднимется над поверхностью воды поскольку плотность морской воды выше, чем пресной.
472. В склянку налили ртуть, воду и керосин. Как расположатся в склянке эти жидкости?
По мере уменьшения плотностей: ртуть-вода-керосин.
473. В банку с ртутью уронили железную шайбу. Потонет шайба или будет плавать на ртути?
Не потонет, т.к. плотность железа меньше плотности ртути.
474. На рисунке 64 изображен деревянный брусок, плавающий в двух разных жидкостях. В каком случае жидкость имеет большую плотность? Одинакова ли сила тяжести, действующая на брусок? В каком случае архимедова сила больше?
Плотность жидкости б) больше, поскольку сила Архимеда, действующая на тело больше.
475. Поплавок со свинцовым грузилом внизу опускают сначала в воду, потом в масло. В обоих случаях поплавок плавает. В какую жидкость он погружается глубже?
В масло поплавок погрузится глубже, поскольку его плотность меньше плотности воды.
476. Изобразите силы, действующие на тело, когда оно плавает на поверхности жидкости (рис. 65).
477. Какие силы действуют на тело, когда оно всплывает на поверхность жидкости (рис. 66)? Покажите их стрелками в масштабе.
478. Изобразите стрелками силы, действующие на тело, когда оно тонет (рис. 67).
479. На одну сторону коромысла весов подвесили свинцовый свиток, на другую – кусок стекла равной массы. Сохранится ли равновесие, если и свинец и стекло целиком опустить в воду? Если нет, то какое плечо перетянет?
Равновесие не сохранится. Плечо с телом меньшего объема, т.е. со свинцом перетянет, т.к. сила Архимеда действующая на него будет меньше.
480. К коромыслу весов с двух сторон подвесили два одинаковых латунных грузика по 2 г и опустили один грузик в воду, а другой – в спирт. Какой грузик перетянет?
Грузик опущенный в жидкость с меньшей плотностью (т.е. спирт) перетянет.
481. На электронные весы поставили рядом банку с водой и деревянный брусок. Изменится ли показание весов, если брусок поместить в банку с водой, где он будет плавать?
Показания весов уменьшатся, т.к. на брусок будет действовать сила Архимеда.
482. Благодаря какому физическому закону рыбы могут, сжимая плавательный пузырь, подниматься и опускаться в воде?
Благодаря закону Архимеда.
483. На груди и спине водолаза помещают тяжелые свинцовые пластинки, подошвы башмаков также делают свинцовыми. Для чего это делается?
Чтобы вес водолаза был больше силы Архимеда действующей на него.
484. Пустая, плотно закрытая металлическая банка, почти целиком погружаясь в воду, в холодной воде плавает, а если воду нагреть, то она тонет. Чем объясняется это интересное явление?
Плотность нагретой воды уменьшается, следовательно и уменьшается сила Архимеда, действующая на банку.
485. Мраморный шар объемом 20 см3 уронили в реку. В какой силой он выталкивается из воды?
486. С какой силой выталкивается керосином кусок стекла объемом 10 см3 ?
487. Каков объем погруженного тела, если оно выталкивается водой с силой в 50 Н?
488. Какой объем воды вытесняет корабль, если на него действует выталкивающая сила 200 000 кН?
489. С какой силой человек будет выталкиваться из морской воды, если в пресной воде на него действует выталкивающая сила, равная 686 Н?
490. Определите вес в пресной воде 1 см3 меди.
491. Каков вес железа объемом 1 см3 в чистой воде?
492. Определите, сколько весит в воде стеклянный кубик объемом 1 см3 .
493. Пустой металлический шар весом 3 Н (в воздухе) и объемом 1200 см3 удерживают под водой. Останется ли шар под водой, если его отпустить? Какой величины требуется сила, чтобы удержать его под водой?
494. Кусок гранита объемом 5,5 дм3 и массой 15 кг целиком погружен в пруд. Какую силу необходимо приложить, чтобы держать его в воде?
495. Глыба мрамора объемом 1 м3 лежит на дне реки. Какую силу необходимо приложить, чтобы приподнять ее в воде? Каков ее вес в воздухе?
496. Каков вес в речной воде мраморной плиты, вес которой в воздухе 260 Н?
497. Какое натяжение испытывает трос при подъеме со дна озера гранитной плиты объемом 2 м3 ?
498. Колодезное железное ведро массой 1,56 кг и объемом 12 л опускают в колодец. Какую силу нужно приложить, чтобы поднять полное ведро в воде? Над водой? Трение не учитывать.
499. Какова плотность предмета, если его вес в воздухе 100 Н, а в пресной воде 60 Н?
500. Стеклянная пробка весит в воздухе 0,5 Н, в воде 0,32 Н, в спирте 0,35 Н. Какова плотность стекла? Какова плотность спирта?
501. Вес мраморной фигурки в воздухе 0,686 Н, а в пресной воде 0,372 Н. Определите плотность фигурки.
502. Гирька массой 100 г в пресной воде весит 0,588 Н, а в неизвестной жидкости 0,666 Н. Какова плотность неизвестной жидкости? Что это за жидкость?
503. Найдите плотность спирта, если кусок стекла весит в спирте 0,25 Н, в воздухе 0,36 Н, в воде 0,22 Н.
504. Стеклянная пластинка при погружении в чистую воду стала легче на 49 мН, а при погружении в керосин – на 39 мН. Какова плотность керосина?
505. Плот площадью 600 м2 после загрузки осел на 30 см. Найдите массу груза, помещенного на плот.
506. На паром длиной 5 м и шириной в 4 м заехал грузовик, в результате чего паром погрузился в воду на 5 см. Какова масса грузовика?
507. Найдите массу воды, вытесненной кораблем водоизмещением 50 000 т.
Масса воды равна водоизмещению, т.е. 50 000 т.
508. Прямоугольный паром длиной 10 м и шириной 4 м при загрузке осел на 75 см. Найдите массу груза.
509. Масса танка-амфибии около 2 т. Каков должен быть объем погруженной в воду части танка, чтобы танк мог плавать в воде?
510. Брусок из пробкового дерева, плотность которого 25 г/ см3 , плавает в пресной воде. Какая часть бруска погружена в воду?
511. По реке плывет бревно. Какая его часть погружена в воду, если плотность дерева 0,5 г/см3 ?
512. Что больше: подводная или надводная часть льдины, если плотность льда 0,9 г/ см3 ?
513. Глубина лужицы 2 см. Будет ли плавать в этой воде сосновый кубик, сторона которого равна 7 см? Будет ли плавать в этой лужице дощечка, массой равная кубику, толщиной 2 см?
514. Какую массу груза удержит в речной воде пробковый спасательный круг массой 12 кг?
515. Почему ребенок массой 30 кг свободно держится на воде в надувных нарукавниках, объем которых всего лишь 1,5 дм3 ?
516. Круглая железная дробинка массой 11,7 г соединена с пенопластовым кубиком массой 1,2 г. Всю систему полностью погрузили в воду. Общий вес в воде 6,4 ·10-2 Н. Какова плотность пенопласта?
517. Кусок воска весит в воздухе 882 мН. Воском облепили шарик и погрузили в воду. Вес всей системы в воде 98 мН. Определите плотность воска, если вес шарика в воде 196 мН.
518. К куску парафиновой свечи массой 4,9 г привязали шайбу, которая весит в воде 98 нМ. Общий вес плотностью погруженной в воду системы 78,4 мН. Найдите плотность парафина.
519. С какой выталкивающей силой действует воздух на тело объемом в 1 м3 при 0°С и нормальном атмосферном давлении?
523. В 1933 г. был построен дирижабль В-3, имеющий объем 6800 м3 . Какова подъемная сила этого дирижабля, если его наполняли водородом?
524. Один из первых конструкторов управляемого аэростата Сантос Дюмон построил шал объемом в 113 м3 и массой со всем оборудованием 27,5 кг. Шар был наполнен водородом. Мог ли на таком шаре подняться Сантос Дюмон, если его масса была равна 52 кг?
525. Может ли наполненный водородом воздушный шар объемом 1500 м3 поднять трех пассажиров массой по 60 кг каждый, если оболочка шара и гондола вместе имеют массу 250 кг?
526. В 1931 г. профессор Пикар на специально построенном аэростате поднялся на высоту 16 км. На этой высоте барометр показал давление 76 мм. рт. ст. Гондола аэростата, где помещался Пикар, была сделана из дюралюминия и плотно закрыта. Давление внутри гондолы все время оставалось равным 1 атмосфере (1 атм=760 мм.рт.ст.=1013 гПа.) Вычислите давление на 1 см2 стенки гондолы изнутри и снаружи.
Несмотря на явные различия свойств жидкостей и газов, во многих случаях их поведение определяется одними и теми же параметрами и уравнениями, что позволяет использовать единый подход к изучению свойств этих веществ.
В механике газы и жидкости рассматривают как сплошные среды. Предполагается, что молекулы вещества распределены непрерывно в занимаемой ими части пространства. При этом плотность газа значительно зависит от давления, в то время как для жидкости ситуация иная. Обычно при решении задач этим фактом пренебрегают, используя обобщенное понятие несжимаемой жидкости, плотность которой равномерна и постоянна.
Определение 1
Давление определяется как нормальная сила $F$, действующая со стороны жидкости на единицу площади $S$.
$ρ = \frac{\Delta P}{\Delta S}$.
Замечание 1
Давление измеряется в паскалях. Один Па равен силе в 1 Н, действующей на единицу площади 1 кв. м.
В состояние равновесия давление жидкости или газа описывается законом Паскаля, согласно которому давление на поверхность жидкости, производимое внешними силами, передается жидкостью одинаково во всех направлениях.
При механическом равновесии, давление жидкости по горизонтали всегда одинаково; следовательно, свободная поверхность статичной жидкости всегда горизонтальна (кроме случаев соприкосновения со стенками сосуда). Если принять во внимание условие несжимаемости жидкости, то плотность рассматриваемой среды не зависит от давления.
Представим некоторый объем жидкости, ограниченный вертикальным цилиндром. Поперечное сечение столба жидкости обозначим $S$, его высоту $h$, плотность жидкости $ρ$, вес $P=ρgSh$. Тогда справедливо следующее:
$p = \frac{P}{S} = \frac{ρgSh}{S} = ρgh$,
где $p$ - давление на дно сосуда.
Отсюда следует, что давление меняется линейно, в зависимости от высоты. При этом $ρgh$ - гидростатическое давление, изменением которого и объясняется возникновение силы Архимеда.
Формулировка закона Архимеда
Закон Архимеда, один из основных законов гидростатики и аэростатики, гласит: на тело, погруженное в жидкость или газ, действует выталкивающая или подъемная сила, равная весу объема жидкости или газа, вытесненного частью тела, погруженной в жидкость или газ.
Замечание 2
Возникновение Архимедовой силы связано с тем, что среда - жидкость или газ - стремится занять пространство, отнятое погруженным в нее телом; при этом тело выталкивается из среды.
Отсюда и второе название для этого явление – выталкивающая или гидростатическая подъемная сила.
Выталкивающая сила не зависит от формы тела, также как и от состава тела и прочих его характеристик.
Возникновение Архимедовой силы обусловлено разностью давления среды на разных глубинах. Например, давление на нижние слои воды всегда больше, чем на верхние слои.
Проявление силы Архимеда возможно лишь при наличии тяжести. Так, например, на Луне выталкивающая сила будет в шесть раз меньше, чем на Земле для тел равных объемов.
Возникновение Силы Архимеда
Представим себе любую жидкую среду, например, обычную воду. Мысленно выделим произвольный объем воды замкнутой поверхностью $S$. Поскольку вся жидкость по условию находится в механическом равновесии, выделенный нами объем также статичен. Это означает, что равнодействующая и момент внешних сил, воздействующих на этот ограниченный объем, принимают нулевые значения. Внешние силы в данном случае – вес ограниченного объема воды и давление окружающей жидкости на внешнюю поверхность $S$. При этом получается, что равнодействующая $F$ сил гидростатического давления, испытываемого поверхностью $S$, равна весу того объема жидкости, который был ограничен поверхностью $S$. Для того чтобы полный момент внешних сил обратился в нуль, равнодействующая $F$ должна быть направлена вверх и проходить через центр масс выделенного объема жидкости.
Теперь обозначим, что вместо этой условного ограниченной жидкости в среду было помещено любое твердое тело соответствующего объема. Если соблюдается условие механического равновесия, то со стороны окружающей среды никаких изменений не произойдет, в том числе останется прежним давление, действующее на поверхность $S$. Таким образом мы можем дать более точную формулировку закона Архимеда:
Замечание 3
Если тело, погруженное в жидкость, находится в механическом равновесии, то со стороны окружающей его среды на него действует выталкивающая сила гидростатического давления, численно равная весу среды в объеме, вытесненным телом.
Выталкивающая сила направлена вверх и проходит через центр масс тела. Итак, согласно закону Архимеда для выталкивающей силы выполняется:
$F_A = ρgV$, где:
- $V_A$ - выталкивающая сила, H;
- $ρ$ - плотность жидкости или газа, $кг/м^3$;
- $V$ - объем тела, погруженного в среду, $м^3$;
- $g$ - ускорение свободного падения, $м/с^2$.
Выталкивающая сила, действующая на тело, противоположна по направлению силе тяжести, поэтому поведение погруженного тела в среде зависит от соотношения модулей силы тяжести $F_T$ и Архимедовой силы $F_A$. Здесь возможны три случая:
- $F_T$ > $F_A$. Сила тяжести превышает выталкивающую силу, следовательно, тело тонет/падает;
- $F_T$ = $F_A$. Сила тяжести уравнивается с выталкивающей силой, поэтому тело «зависает» в жидкости;
- $F_T$
Казалось бы, нет ничего проще, чем закон Архимеда. Но когда-то сам Архимед здорово поломал голову над его открытием. Как это было?
С открытием основного закона гидростатики связана интересная история.
Интересные факты и легенды из жизни и смерти Архимеда
Помимо такого гигантского прорыва, как открытие собственно закона Архимеда, ученый имеет еще целый список заслуг и достижений. Вообще, он был гением, трудившимся в областях механики, астрономии, математики. Им написаны такие труды, как трактат «о плавающих телах», «о шаре и цилиндре», «о спиралях», «о коноидах и сфероидах» и даже «о песчинках». В последнем труде была предпринята попытка измерить количество песчинок, необходимых для того, чтобы заполнить Вселенную.
Роль Архимеда в осаде Сиракуз
В 212 году до нашей эры Сиракузы были осаждены римлянами. 75-летний Архимед сконструировал мощные катапульты и легкие метательные машины ближнего действия, а также так называемые "когти Архимеда". С их помощью можно было буквально переворачивать вражеские корабли. Столкнувшись со столь мощным и технологичным сопротивлением, римляне не смогли взять город штурмом и вынуждены были начать осаду. По другой легенде Архимед при помощи зеркал сумел поджечь римский флот, фокусируя солнечные лучи на кораблях. Правдивость данной легенды представляется сомнительной, т.к. ни у одного из историков того времени упоминаний об этом нет.
Смерть Архимеда
Согласно многим свидетельствам, Архимед был убит римлянами, когда те все-таки взяли Сиракузы. Вот одна из возможных версий гибели великого инженера.
На крыльце своего дома ученый размышлял над схемами, которые чертил рукой прямо на песке. Проходящий мимо солдат наступил на рисунок, а Архимед, погруженный в раздумья, закричал: «Прочь от моих чертежей». В ответ на это спешивший куда-то солдат просто пронзил старика мечом.
Ну а теперь о наболевшем: о законе и силе Архимеда...
Как был открыт закон Архимеда и происхождение знаменитой "Эврика!"
Античность. Третий век до нашей эры. Сицилия, на которой еще и подавно нет мафии, но есть древние греки.
Изобретатель, инженер и ученый-теоретик из Сиракуз (греческая колония на Сицилии) Архимед служил у царя Гиерона второго. Однажды ювелиры изготовили для царя золотую корону. Царь, как человек подозрительный, вызвал ученого к себе и поручил узнать, не содержит ли корона примесей серебра. Тут нужно сказать, что в то далекое время никто не решал подобных вопросов и случай был беспрецедентным.
Архимед долго размышлял, ничего не придумал и однажды решил сходить в баню. Там, садясь в тазик с водой, ученый и нашел решение вопроса. Архимед обратил внимание на совершенно очевидную вещь: тело, погружаясь в воду, вытесняет объем воды, равный собственному объему тела.
Именно тогда, даже не потрудившийся одеться, Архимед выскочил из бани и кричал свое знаменитое «эврика», что означает «нашел». Явившись к царю, Архимед попросил выдать ему слитки серебра и золота, равные по массе короне. Измеряя и сравнивая объем воды, вытесняемой короной и слитками, Архимед обнаружил, что корона изготовлена не из чистого золота, а имеет примеси серебра. Это и есть история открытия закона Архимеда.
Суть закона Архимеда
Если Вы спрашиваете себя, как понять закон Архимеда, мы ответим. Просто сесть, подумать, и понимание придет. Собственно, этот закон гласит:
На тело, погруженное в газ или жидкость действует выталкивающая сила, равная весу жидкости (газа) в объеме погруженной части тела. Эта сила называется силой Архимеда.
Как видим, сила Архимеда действует не только на тела, погруженные в воду, но и на тела в атмосфере. Сила, которая заставляет воздушный шар подниматься вверх – та же сила Архимеда. Высчитывается Архимедова сила по формуле:
Здесь первый член - плотность жидкости (газа), второй - ускорение свободного падения, третий - объем тела. Если сила тяжести равна силе Архимеда, тело плавает, если больше – тонет, а если меньше – всплывает до тех пор, пока не начнет плавать.
В данной статье мы рассмотрели закон Архимеда для чайников. Если Вы хотите узнать, как как решать задачи, где есть закон Архимеда, обращайтесь к . Лучшие авторы с удовольствием поделятся знаниями и разложат решение самой сложной задачи «по полочкам».