Виштовхувальна сила в рідинах та газах. Закон Архімеда

Вікіресурси

• Вікісловник: Український Вікісловник
  
• Вікіцитати: Дайте мені точку опори, і я зрушу світ

Очікувані результати

Після цього уроку:

• учні володіють поняттям та знають визначення виштовхувальної сили.
• формулюють закон Арімеда.
• застосовують його при розв’язуванні задач та можуть пояснити практичне його застосування.

Тип уроку

засвоєння нових знань

Хід уроку

I. Організаційний етап

Повідомлення теми та завдань уроку.

II. Актуалізація опорних знань навчальної діяльності учнів

1. Перевірка домашнього завдання.
2. Опитування теоретичного матеріалу.

Вправа «Сніжна грудка»: один учень називає фізичну величину, другий формулює її визначення, третій – називає букву, якою позначається, четвертий – записує формулу для обчислення, п’ятий – називає одиниці її вимірювання та прилад, яким можна виміряти дану фізичну величину. Наприклад,

1. Сила тяжіння.
2. Сила тяжіння – це сила, з якою Земля притягує до себе тіла, що перебувають на її поверхні або поблизу неї.

   

   Сила тяжіння mg складається з гравітаційного тяжіння планети GMm/r² і відцентрової сили інерції mω²a

3. Позначається Fтяж,
4. Обчислюється за формулою Fтяж=mg,
5. Вимірюється сила тяжіння в ньютонах, динамометром.

III.Мотивація навчальної діяльності

Проблемне питання.
Чому можливе плавання величезних океанських судів, підводних човнів, повітряних куль, чому м’яч, який занурили у воду і відпустили, вискакує над поверхнею води, чому важкий камінь, який на суходолі не можна посунути з місця, легко підняти під водою..

IV. Вивчення нового матеріалу

Розповідь учителя з елементами бесіди
Сьогодні на уроці ми про все дізнаємося. Для доведення існування виштовхувальної сили проводимо фронтальний експеримент. Прикріплюємо циліндр до динамометра і, обережно занурюючи тягарці у воду, спостерігаємо за пружиною динамометра. Проведемо ще один дослід. Підвісимо до коромисла терезів дві однакові кулі. Маси куль є рівними, отже, терези будуть зрівноважені. Підставимо під праву кулю порожню посудину. Наллємо в посудину воду і побачимо, що рівновага терезів порушиться. Отже, якась сила намагається виштовхнути, тіло занурене в воду.
Щоб розібратися, розглянемо занурений у рідину кубик. На нього з усіх боків діють сили гідростатичного тиску рідини.
Сили гідростатичного тиску, що діють на бічні грані кубика, є протилежними за напрямом і рівними за значенням, оскільки площі бічних граней однакові і ці грані розташовані на однаковій глибині. Такі сили зрівноважують одна одну.
А от сили гідростатичного тиску F₁ і F₂, що відповідно діють на верхню і нижню грані кубика, одна одну не зрівноважують.
На верхню грань кубика діє сила тиску F₁:.
F₁=p₁ S=ρ_рід gh₁ S,
де p₁=ρ_рід gh₁ – гідростатичний тиск рідини, S – площа грані.
Аналогічно на нижню грань кубика діє сила тиску F₂:
F₂=p₂ S=ρ_рід gh₂ S.
Нижня грань перебуває на більшій глибині, ніж верхня (h₁<h₂), тому сила тиску F₂ більша за силу тиску F₁. Рівнодійна цих сил дорівнює різниці значень F₂ і F₁ і напрямлена в бік більшої сили, тобто вертикально вгору.
По вертикалі вгору на кубик, занурений у рідину, діє сила, зумовлена різницею тисків на його верхню і нижню грані, - виштовхувальна сила: F_вишт =F₂ – F₁.
На тіло, розташоване в газі, також діє виштовхувальна сила, але значно менша від виштовхувальної сили, що діє на те саме тіло в рідині, адже густина газу набагато менша від густини рідини. Виштовхувальну силу ще називають архімедовою силою.

Визначимо значення архімедової сили для кубика, зануреного в рідину. Отже,

Поведінка тіла частково зануреного у рідину

F_арх =F₂ – F₁,
де F₁=p₁ S=ρ_рід gh₁ S – сила тиску рідини, що діє на верхню грань кубика, F₂=p₂ S=ρ_рід gh₂ S – сила тиску рідини на нижню грань кубика.
Знаючи F₂ і F₁, знайдемо виштовхувальну силу:
F_арх=ρ_рід gh₂ S-ρ_рід gh₁ S=ρ_рід gS(h₂-h₁).

Різниця глибин h₂-h₁, на яких перебувають нижня і верхня грані кубика, є висотою h кубика, отже, F_арх=ρ_рідgSh.
V=Sh
F_арх=ρ_рід gV
Тут ρ_рід V – це маса рідини в об’ємі кубика, тобто маса рідини, об’єм якої дорівнює об’єму кубика. Оскільки ρ_рід V=m_рід, то F_арх=m_рід g=Р_рід.
Архімедова сила дорівнює вазі рідини в об’ємі кубика.
Ми розглянули випадок із кубиком, який був повністю занурений у рідину. Проте отриманий результат справджується для тіла будь-якої форми і у випадках, коли тіло занурене в рідину частково, - для розрахунків лише потрібно брати об’єм зануреної в рідину частини тіла. Крім того, результат справджується і для газів.
Закон Архімеда: на тіло, занурене в рідину або газ, діє виштовхувальна сила, яка дорівнює вазі рідини або газу в об’ємі зануреної частини тіла:
F_арх=ρ_рід gV_зан,
де F_арх – архімедова сила, ρ_{рід/газу} – густина рідини або газу, V_зан – об’єм зануреної частини тіла.
Архімедова сила прикладена до центра зануреної частини тіла і напрямлена вертикально вгору.

V. Узагальнення, систематизація й контроль знань та вмінь учнів

Відповісти на запитання:

1. Куди напрямлена сила, яка діє з боку рідини або газу на тіла, що в них занурені?
2. Як ще називають виштовхувальну силу?
3. Сформулюйте закон Архімеда?
4. Як залежить Архімедова сила від густини рідини чи газу?
5. Чи діє закон Архімеда в умовах невагомості?
6. Буде плавати чи потоне сталева куля у воді?
7. Чому дорівнює Сила, яка виштовхує повністю занурене в рідину тіло?
8. Запишіть формулу за якою можна визначити Силу Архімеда, що діє на повністю занурене в рідину або газ тіло.
9. В яких одиницях вимірюють силу?
   

VI. Домашнє завдання

• Вивчити параграф 27, виконати вправу 27 (5 - 7).
  

Рефлексія

"Працюючи на уроці я: "

• - дізнався про …
• - зрозумів …
• - навчився …

1. Найбільше мені сподобалися…
2. На занятті у мене найкраще виходило…
3. Я мав складнощі з…
4. Я хотів би ще дізнатися про…
   

Джерела

• Фізика:підруч. для 7 кл.загальноосвіт. навч.закл./[В.Г.Бар'яхтар, С.О.Довгий, Ф.Я. Божинова та ін.];за ред.В.Г.Бар'яхтара, С.О.Довгого. - Х.:Вид-во "Ранок", 2015. - 256с.:іл.,фот.
  
• Дитячі роки Архімеда описані в книзі для дітей «Воскобойніков Валерій про Йосипа Прекрасного, Архімеда, Миколая Чудотворця, Феодосія Печерського, Авраама Лінкольна, Джона Ленона, Біла Гейтса» / В. Воскобойніков. — Київ : Грані-Т, 2008. — 144 сторінки: ілюстрації. — Серія «Життя видатних дітей». — ISBN 978-966-2923-77-3. — ISBN 978-966-465-100-1