Действие жидкости и газа на погруженное в них тело (7-й класс)

Тип урока:. объяснение нового материала.

Задачи урока:

• Повторить изученный ранее материал;
• Подготовить учащихся к восприятию нового материала «Действие жидкости и газа на погруженное в них тело. Архимедова сила» - от понятия к умению;
• Выяснить причину возникновения выталкивающей силы;
• Вывести формулу для расчета и придти к методам определения силы Архимеда на практике;
• Исследовать зависимость этой силы от  различных параметров, и каким образом определить недостающие параметры;
• Закрепить изученный материал при решении качественных задач, с последующей проверкой на опыте, способствовать развитию практических навыков, умению анализировать, обобщать, применять ранее изученное в новой ситуации.

Основные вопросы урока:

• Давление в жидкости и газе.
• Сила давления.
• Действие жидкости и газа на погруженное в них тело.
• Умение находить силу Архимеда различными способами.
• Исследовать зависимость силы Архимеда от параметров.
• Умение применить полученные знания при решении качественных задач и проверить правильность решения на опыте.

Средства обучения: ведерко Архимеда, сосуд с отливом, динамометр демонстрационный, штатив, тела одинакового объема и одинаковой массы, сосуд с водой, весы, разновесы, 2 одинаковых стакана, мерный цилиндр, линейка, динамометр Бакушинского.

План урока:

I. Повторение

• Как изменяется давление внутри жидкости и от чего оно зависит? (p = * g * h, p ~ ~ h)
• Как определить силу давления на некоторую площадку, помещенную внутрь жидкости? От чего она зависит? (F_д = p * S = _ж* g * h * S, F_д ~ _ж ~ h ~ S)
• С помощью какого прибора можно определить вес тела? (Динамометр)
• Как связан вес тела с силой тяжести, если тело покоится? (Р = F_тяж = mg)
• Как связана масса тела с плотностью и объемом? (m = * V)
• Что может произойти   с телом, если на него действует сила? (Деформируется или изменяет свою скорость)

II. Демонстрация и новый материал

А)

 

1) Проблема: почему теннисный мячик выскочил из воды? Ответ: вода вытолкнула

2) Почему в воде можно поднять тяжелый предмет, который на суше поднять не под силу? (Вода помогает)
Таким образом получается, что на тело погруженное в жидкость действует сила давления со стороны жидкости, которая направлена?.. Вверх!
Попытаемся выяснить теоретически, почему эта сила возникает. Для этого рассмотрим тело в виде прямоугольного параллелепипеда, погруженное в жидкость и сделаем соответствующий рисунок.

S – площадь верхнего и нижнего оснований
h₁ – высота столба жидкости над верхней гранью
h₂ – высота столба жидкости на уровне нижней грани
р₁ – давление столба жидкости сверху
р₂ – давление столба жидкости на уровне нижней грани
F₁ – сила давления жидкости на верхнюю грань
F₂ – сила давления жидкости на нижнюю грань

Результирующая этих сил направлена в сторону большей силы F₂, т.е. вверх. Это и есть выталкивающая сила, которую еще называют силой Архимеда.

F_Арх = F_вытал = F₂ – F₁

Таким образом, стало понятно, почему теннисный мяч выскочил из воды. Но ведь жидкость действует на тело со всех сторон, т.е. действует и на боковые грани, но эти силы сжимают тело, деформируют его и их действие не вызывает движения тела вверх. Таким образом, мы доказали существование выталкивающей силы, как результирующей, действующей на тело, погруженное в жидкость и определили ее направление: вертикально вверх. С теннисным шариком – все понятно. А почему тяжелые предметы легче в жидкости, в частности в воде? Рассмотрим силы, действующие на погруженное в жидкость тело.

Если тело подвешено к динамометру, то он показывает вес тела Р, который численно равен силе тяжести, т.к. тело находится в покое.
Если тело в воздухе, то он покажет вес Р. В жидкости динамометр тоже покажет вес Р₁, но он будет меньше на величину силы Архимеда Р₁ = Р – F_Арх. Чем меньше вес тела в жидкости, тем больше сила Архимеда. Таким образом, силу Архимеда можно определить как разницу веса тела в воздухе и в жидкости.
Таким образом, мы получили первый способ определения силы Архимеда:

(I)

Определим F_Арх, действующую на цилиндрик: задание выполняют ученики на своих рабочих местах.

Р = 1 Н
Р₁ = 0,65 Н
F_Арх = 1 – 0,65 = 0,35 (Н)

Б) Посмотрим еще один опыт и, возможно, вы догадаетесь, как еще можно определить силу Архимеда.

Часть воды после погружения тела вылилась, динамометр стал показывать меньший вес. А теперь вытесненную телом воду перельем в ведерко. Динамометр покажет снова вес этого прибора в воздухе.
– Чему равна сила Архимеда? (Весу вытесненной воды)

Вывод: Сила, выталкивающая целиком погруженное в жидкость тело, равна весу жидкости в объеме этого тела; в газе – все аналогично, но там сила Архимеда во много раз меньше.
Ну, а теперь подскажите: как определить силу Архимеда II способом?

Ответ: Собрать жидкость, вытесненную погруженным в нее телом и взвесить.

(II) – Закон Архимеда определим на практике – делает ученик.

Погружаем то же тело в сосуд с отливом, взвешиваем и находим F_Арх.
При демонстрации опыта вспоминаем правила взвешивания.

m_ж = 0,035 кг
Р_ж = m_ж *g = 0,35 H
F_А= Р_ж = 0,35 H

Вывод: Если сравнить силу Архимеда, определенную I и II способами, то видим, что результат один и тот же. II способом можно определить F_Арх если нет динамометра, но есть весы.

В) Но II способ позволяет определить F_Арх еще одним способом. Мы получили, что

F_Арх = Р_{вытесн.жидкости} = Р_ж
Р_ж = m_ж * g = _ж * V_тела * g

Таким образом, V_ж = V_тела  (III). Эта формула является математической записью Закона Архимеда. Значит, если мы знаем в какую жидкость погружаем тело, его объем, то F_Арх можно посчитать по этой формуле.

Вопрос: А если объем неизвестен?

Ответ: Если неизвестен объем тела, его можно определить с помощью мерного цилиндра (мы этому учились в I четверти) или с помощью линейки.

Ученики определяют объем все того же тела, предварительно вспомнив формулу объема параллелепипеда.

Вывод: Опять получили тот же результат: 0,35 Н. Таким образом, величина F_Арх не зависит от способа ее определения.

III. Закрепление

(1)

(2)

Задание 1:  Одно и тоже тело поместить сначала в воду, а затем в масло. Сравнить F_Арх, действующую в этих жидкостях.

Ответ: F_Арх  в воде больше, чем в масле, т.к. вес тела в воде меньше, чем в масле. Это согласуется с выведенной формулой (1).

Задание 2: Тело погрузить в воду полностью и до половины. Определить F_Арх

То же самое, полное совпадение с формулой (1). V₁ > V₂, F_Арх1 > F_Арх2

Задание 3: Одинаковые по объему тела из разных материалов погрузить в воду. Определить F_Арх. Проверьте I способом.

Вывод: F_Арх  не зависит от вещества, важен объем тела.

Задание 4: Изобразите графически силу Архимеда, действующую на тела.

IV. Итог урока

– Что мы узнали на уроке?

• познакомились с новой силой – силой Архимеда;
• выяснили, что она результат разной силы давления на тело, погруженное в жидкость, снизу и сверху и направлена вверх;
• научились на практике определять эту силу двумя способами;
• вывели формулу для расчета и выяснили, что F_Арх зависит только от плотности жидкости и объема погруженной части тела и не важно, из какого вещества это тело сделано;
• повторили ранее изученный материал: давление, сила давления, масса и как ее выразить через плотность и объем, вес тела;
• закрепили навыки практической работы, полученные ранее: измерение силы динамометром, определение массы тела на рычажных весах, объема тел с помощью мерного цилиндра, вспомнили формулу объема параллелепипеда;
• еще раз убедились, что физика без математики не существует.

V. Домашнее задание

• внимательно прочитать записи, сделанные в тетради;
• прочитать §§ 48, 49;
• упр. 32 (1-3) 

– Вы хорошо поработали на уроке. Всем спасибо за сотрудничество!

Литература:

1. А.В. Перышкин, Н.А. Родина «Физика 7», Москва, «Просвещение», 1989 г.
2. М.Е. Тульчинский «Качественные задачи по физике 6-7 кл.», Москва, «Просвещение», 1976 г.
3. Л.А. Кирик «Самостоятельные и контрольные работы по физике. Разноуровневые дидактические материалы 7 класс. Механика. Давление жидкостей и газов», Москва-Харьков,  «Илекса «Гимназия», 1998 г.
4. «Контрольные работы по физике в 7-11 классах», дидактический материал, под ред. Э.Е. Эвенчик, С.Я. Шамаша, Москва, «Просвещение», 1991 г.
5. И.С. Шутов, К.М. Гуринович «Физика 7-8. Решение практических задач», учебное пособие, Минск, «Современное Слово», 1997 г.
6. «Модульный внутришкольный контроль на рефлексивной основе по физике», методическое пособие, сост. Е.Ф. Аврутина, Т.Г. Базилевич, Калуга, «Адэль», 1997 г.

Приложение