Что такое плавание тел в физике. Условие плавания тел

Плавание тел

Условия плавания тел

Условия плавания тел следуют из закона Архимеда:

1. Если выталкивающая сила больше, чем вес тела P)” title=”Rendered by QuickLaTeX.com” height=”18″ width=”76″ style=”vertical-align: -4px;”/> , тело всплывает до тех пор, пока эти силы не уравновесятся.
2. Если выталкивающая сила равна весу тела , тело плавает в любой точке жидкости.
3. Если выталкивающая сила меньше веса тела , тело тонет.

Глубина погружения плавающего тела зависит от соотношения плотностей тела и жидкости. Если учесть, что и , то тело будет плавать в жидкости, если (здесь и — плотность и объем тела, — плотность жидкости, а — объем погруженной части тела).

Из полученного соотношения можно сделать важные выводы:

• тело плавает, будучи полностью погруженным в жидкость, если плотность тела равна плотности жидкости: ;
• тело плавает, частично выступая над поверхностью жидкости, если плотность тела меньше плотности жидкости: ;
• если плотность тела больше плотности жидкости, т.е , плавание невозможно.

Плавания тел на границе нескольких сред

Если тело плавает на границе нескольких сред с плотностями то вес вытесненной жидкости, а, следовательно, и Архимедова сила в этом случае равны:

где — объем части тела, погруженной в первую среду, — объем части тела, погруженной во вторую среду и т.д.

Плотность сухого дерева за счет полостей, наполненных воздухом, меньше плотности воды, и дерево может плавать на поверхности. Но железо и многие другие вещества значительно плотнее воды. Однако современные корабли сделаны из металла и перевозят различные грузы по воде. Как это возможно? Дело в том, что корпус корабля, который погружается в воду, делают объемным, а внутри этот корабль имеет большие полости, заполненные воздухом, что и уменьшает общую плотность корабля.

Глубина, на которую плавающий корабль погружается в воду, называется осадкой корабля. При полной загрузке корабль не должен опускаться ниже так называемой грузовой ватерлинии. Вес воды, вытесняемой судном при погружении до ватерлинии, называется водоизмещением судна. Он равен силе тяжести, действующей на судно с грузом. Грузоподъемность судна показывает вес груза, который перевозится судном. Грузоподъемность равна разности водоизмещения и веса незагруженного судна.

Плотность человеческого тела немного больше плотности воды. Однако, человек, когда у него в легких содержится некоторое количество воздуха, тоже может спокойно держаться на поверхности воды. Если же, находясь в воде, выдохнуть весь воздух из легких, то начнется медленное погружение на дно. Поэтому при плавании опасно наглотаться воды и впустить ее в легкие, именно это является наиболее частой причиной несчастных случаев на воде.

Статика. Условие плавания тел.

Плавание тел — состояние равновесия твердого тела, частично или полностью погруженного в жидкость (или газ).

Основная задача теории плавания тел — определение равновесия тела, погруженного в жид­кость, выяснение условий устойчивости равновесия. На простейшие условия плавания тел указы­вает закон Архимеда. Рассмотрим эти условия.

Как известно, на все тела, погруженные в жидкость, действует сила Архимеда F_A (выталки­вающая сила), направленная вертикально вверх, однако всплывают далеко не все. Чтобы понять, почему одни тела всплывают, а другие тонут, необходимо учесть еще одну силу, действующую на все тела, — силу тяжести F т которая направлена вертикально вниз, т. е. противоположно F_A. Если тело оставить внутри жидкости в состоянии покоя, то оно начнет двигаться в сторону, в ко­торую направлена большая из сил. При этом возможны следующие случаи:

1. если архимедова сила меньше силы тяжести (F_A F_т), то тело всплывет (рис. б);

3) если архимедова сила равна силе тяжести (F_A = F_т), то тело останется в покое. Последнее условие является условием равновесия тела в жидкости:

Равенство F_A = F_т выражает условие плавания тел: для того, чтобы тело плавало, необходи­мо, чтобы действующая на него сила тяжести уравновешивалась архимедовой (выталкивающей) силой.

Условию плавания тел можно придать другую форму. Представим архимедову силу в виде:

где ρ_ж — плотность жидкости, V_m — объем жидкости, вытесненный телом, g — ускорение свобод­ного падения. Силу тяжести, действующую на тело, тоже можно выразить через объем V и плотность тела ρ:

Разделив обе части этого равенства на g, получим условие плавание тел в новой форме:

Из полученного соотношения можно вывести два важных следствия.

1. Для того чтобы тело плавало, будучи полностью погруженным в жидкость, необходимо, чтобы плотность тела была равна плотности жидкости.

2. Для того чтобы тело плавало, частично выступая над поверхностью жидкости, необходимо, чтобы плотность тела была меньше плотности жидкости.

При ρ > ρ_ж плавание тел невозможно, так как в этом случае сила тяжести превышает архиме­дову силу, и тело тонет.

Что будет происходить с телом, у которого ρ

Условия плавания тел

“Плавание — это способность тела удерживаться на поверхности жидкости или на определённом уровне внутри жидкости”

Тема урока: Условия плавания тел.

Цели урока:

• Образовательные: научить анализировать, выделять (главное, существенное),
• приблизить к самостоятельному решению проблемных ситуаций.
• Развивающие: развивать интерес к конкретной деятельности на уроке,
• формировать умение сравнивать, классифицировать, обобщать факты и понятия.
• Воспитательные: создать атмосферу коллективного поиска, эмоциональной приподнятости, радости познания, радости преодоления трудностей.

Место урока в разделе: “Давление твердых тел, жидкостей и газов”, после изучения темы “Давление жидкости и газа на погруженное в них тело. Архимедова сила”.

Тип урока: Урок повторения предметных знаний.

Основные термины и понятия: масса, объём, плотность вещества, вес тела, сила тяжести, архимедова сила.

Межпредметные связи: математика

Наглядность: демонстрация поведения разных тел, погруженных в воду; условия плавания тела в зависимости от плотности.

Оборудование:

а) для демонстрации

• пластиковая банка c водой, три предмета на нити: алюминиевый цилиндр, пластиковый шарик, герметически закрытый пузырёк с водой (заранее приготовленный учителем), который может находиться в равновесии в любом месте жидкости;
• ванночка c водой, пластина алюминиевой фольги, пассатижи.

б) для фронтальной работы

• Весы с разновесами, измерительный цилиндр (мензурка), капсула-поплавок с крышкой (по 3), сухой песок, нитки, фильтровальная бумага, изолента, инструкции по выполнению заданий фронтального эксперимента, тетради для лабораторных работ.

Формы работы на уроке: фронтальная в парах, индивидуальная.

План урока

1. Организационный момент;
2. Первичная проверка понимания изученного ранее материала;
3. Практическая работа по проверке полученных выводов;
4. Рефлексия;
5. Домашнее задание.

Ход занятия

I. Организационный момент

Сегодня на уроке мы продолжим изучение поведения тел, погруженных в воду. Посмотрим несколько опытов, часть опытов вы будете проводить самостоятельно c выполнением некоторых расчетов.

II. Первичная проверка понимания изученного ранее материала

Опыт 1

Опускаем в воду последовательно алюминиевый цилиндр, шарик и пузырёк с водой. Наблюдаем поведение тел.

Результат: цилиндр тонет, шарик всплывает, пузырек плавает, погрузившись в воду полностью.

Проблемная ситуация: Почему? – (Соотношение сил, действующих на тело).

– На все тела в воде действуют две силы: сила тяжести, направленная вниз и выталкивающая сила (сила Архимеда), направленная вверх.

– Из правила сложения сил, действующих на тело вдоль одной прямой, следует: тонет, если F_т ˃ F_А; всплывает, если F_т ˂ F_А; плавает, если F_т = F_А.

III. Практическая работа по проверке полученных выводов

Проделаем эксперимент и проверим соотношение между силой тяжести и выталкивающей силой. (За основу берется лабораторная работа “Выяснение условий плавания тел в жидкости” – стр. 211 учебника).

Задание 1.

1. Наполните капсулу на 1/4 часть песком, определите на весах его массу в граммах. Переведите значение массы в кг и запишите в таблицу.
2. Опустите капсулу в воду и определите объём вытесненной воды в см3. Для этого отметьте уровни воды в мензурке до и после погружения капсулы в воду. Запишите значение объёма в м3 в таблицу.
3. Рассчитайте силу тяжести и архимедову силу по формулам:

Р = F_тяж = mg и F_А= ρ_жgV_т

Сравните архимедову силу с силой тяжести. Результаты вычислений занесите в таблицу и отметьте: капсула тонет или всплывает.

Задание 2.

1. Наполните капсулу полностью песком, определите на весах его массу в граммах. Переведите значение массы в кг и запишите в таблицу.
2. Опустите капсулу в воду и определите объём вытесненной воды в см 3 . Для этого отметьте уровни воды в мензурке до и после погружения капсулы в воду. Запишите значение объёма в м 3 в таблицу.
3. Рассчитайте силу тяжести и архимедову силу по формулам:

Р = F_тяж = mg и F_А= ρ_жgV

Сравните архимедову силу с силой тяжести. Результаты вычислений занесите в таблицу и отметьте: капсула тонет или всплывает.

Объем вытес-ненной воды,
V,м 3

Поведение капсулы в воде

Задание 3.

1. Определите при каком соотношении силы тяжести и архимедовой силы капсула будет плавать в любом месте жидкости, полностью погрузившись в неё? Какое значение при этом будет иметь объём вытесненной капсулой воды?
2. Определите массу для плавающего тела (без вычисления).
3. Заполните капсулу песком до необходимой массы, затем опустите в воду и убедитесь на опыте в правильности ваших рассуждений.
4. Сделайте вывод об условии плавания тела в жидкости.

Опыт 2

Проверим условия плавания в зависимости от плотности вещества, из которого сделаны тела, и плотности жидкости. Для этого у нас есть ванночка c водой, пластина алюминиевой фольги, пассатижи.

1. Сгибая уголки, сделаем из пластины коробочку. Опустим на поверхность воды. Наблюдаем плавание коробочки на поверхности воды.
2. Вытащим коробочку из воды, вернём пластине плоский вид. сложим пластину вдвое, вчетверо и т.д. Пассатижами сожмём фольгу и опустим в воду.

Результат: пластина в виде коробочки плавает, в сжатом виде – тонет.

Проблемная ситуация: Почему? – (Соотношение плотностей тела и воды).

• плотность коробочки из алюминиевой фольги меньше плотности воды, а плотность сжатого комочка фольги больше плотности воды.
• Условия плавания тел: тонет, если ρ _т ˃ ρ _воды ; всплывает, если ρ _т ˂ ρ _воды; плавает, если ρ _т = ρ _воды. ( ρ _алюм = 2700 кг/м 3 ; ρ _воды = 1000 кг/м 3 ).

IV. Рефлексия

Опыт 3. Посмотрите и объясните действие прибора, изготовленного учеником по заданию к §52 (с.55 учебника). “Картезианский водолаз”. Вместо прозрачного пузырька ученик использовал обычную пипетку.

Прибор позволяет продемонстрировать законы плавания тел.

V. Домашнее задание

Самоанализ урока

Тема урока физики в 7 классе “Условия плавания тел”. В классе 20 учеников. Из них основная часть имеет хорошую математическую подготовку. Ребята любознательные, активные. Хорошо работают в коллективе. Участвуют в подготовке оборудования к уроку.

Цель урока: заинтересовать учащихся, приблизить к самостоятельному решению проблемных ситуаций. В ходе урока ребята учатся самостоятельно планировать пути достижения целей, в том числе альтернативные, осознанно выбирать наиболее эффективные способы решения проблемы.

Тип урока – урок повторения предметных знаний – позволяет проверить полученные на предыдущем уроке знания и подготовиться к решению задач по теме на следующем уроке.

Выбранные этапы урока логически между собой связаны, происходит плавный переход от одного к другому. В течение урока учитель только направляет, корректирует действия учащихся, которые практически весь урок работают самостоятельно. Для экономии времени при выполнении практической части, учащиеся на дополнительных занятиях приготовили по две капсулы с песком, заполненные полностью и частично (задания 1 и 2), третья оставалась пустой. На уроке ребята научились делать выводы из эксперимента, активно обсуждали решение проблемных ситуаций. На завершающем этапе было ещё раз акцентировано внимание ребят на теме урока. Учителем прокомментировано домашнее задание и выставлены оценки за устные ответы, после урока проверены тетради по лабораторным работам.

Считаю, что цели урока достигнуты: ребята научились анализировать, выделять (главное, существенное), сравнивать, классифицировать, обобщать факты и понятия, находили решение проблемных ситуаций. На уроке была создана атмосфера коллективного поиска, эмоциональной приподнятости, радости познания, радости преодоления трудностей.

Источники:

http://ru.solverbook.com/spravochnik/mexanika/gidrostatika/plavanie-tel/
http://www.calc.ru/Statika-Usloviye-Plavaniya-Tel.html
http://rosuchebnik.ru/material/usloviya-plavaniya-tel-7585/