Урок-исследование "Действие жидкости на погруженное тело"
методическая разработка по физике (7 класс) по теме

Урок - исследование  в 7 классе 

«Действие жидкости на погруженное тело»

Цели: изучить действие жидкости на погруженное тело, экспериментально исследовать зависимость выталкивающей силы от других физических величин, развить навыки самостоятельной работы.

Оборудование: на каждом столе: рычаг, укрепленный на штативе, два стакана с водой, тела одного объема, но разные по массе, поваренная соль, линейка, тела одинаковой массы, но разного объема (пластилиновые).

Ход урока

1. Вступительное слово учителя. 

- Уважаемые коллеги! Сегодня вы не учащиеся 7 класса, а мои коллеги – физики, исследователи действия жидкости на погруженное тело. Именно этой проблеме посвящена наша научная работа. Процесс научного творчества состоит из звеньев.

                     Исходные факты  → гипотеза →  следствия →  эксперимент →  исходные факты

Все это звенья процесса научного познания, и мы сегодня вместе в таком процессе поучаствуем.

Не секрет, что предмет нашего исследования для науки не нов, он уже подвергался изучению, а исследователем действия жидкости на погруженное тело был древнегреческий математик и физик Архимед, живший в 287г. до нашей эры.

Об Архимеде - великом математике и механике - известно больше, чем о других ученых древности. Прежде всего, достоверен год его смерти - год падения Сиракуз, когда ученый погиб от руки римского солдата. Впрочем, историки древности Полибий, Ливии, Плутарх мало рассказывали о его математических заслугах, от них до наших времен дошли сведения о чудесных изобретениях ученого, сделанных во время службы у царя Герона II. Известна история о золотом венце царя. Чистоту его состава Архимед проверил при помощи найденного им закона выталкивающей силы и его возгласа «Эврика!», т.е. «Нашел!».Другая легенда рассказывает, что Архимед соорудил систему блоков, с помощью которой один человек смог спустить на воду огромный корабль «Сиракосия». Крылатыми стали тогда произнесенные слова Архимеда: «Дайте мне точку опоры, и я поверну землю».Инженерный гений Архимеда с особой силой проявился при осаде Сиракуз, богатого торгового города на острове Сицилия. Воины римского консула Марцелла были надолго задержаны у стен города невиданными машинами: мощные катапульты прицельно стреляли каменными глыбами, в бойницах были установлены выбрасывающие грады ядер, береговые краны поворачивались за пределы стен и забрасывали корабли противника каменными и свинцовыми глыбами, крючья подхватывали корабли и бросали их вниз с большой высоты, системы вогнутых зеркал поджигали корабли.В «Истории Марцелла» Плутарх описывает ужас, царивший в рядах римских воинов:  «Как только они замечали, что из-за крепостной стены показывается веревка или бревно, они обращались в бегство с криком, что вот Архимед еще выдумал новую машину на их погибель».Огромен вклад Архимеда и в развитие математики. Спираль Архимеда описываемая точкой, двигающейся по вращающемуся кругу, стояла особняком среди многочисленных кривых, известных его современникам. Следующая кинематически определенная кривая - циклоида - появилась только в XVII веке. Архимед научился находить касательную к своей спирали, нашел площадь ее витка, а так же площадь эллипса поверхности конуса и шара, объемы шара и сферического сегмента. Особенно он гордился открытым им соотношениями объема шара и описанного вокруг него цилиндра, которое равно 2:3.Архимед много занимался и квадратурой круга. Ученый вычислил отношение длины окружности к диаметру (число ?) и нашел, что оно заключено между 3 10/71  и 3 1/7. Созданный им метод вычисления длины окружности и площади фигуры был существенным шагом к созданию дифференциального и интегрального исчисления, появившихся лишь 2000 лет спустя. Архимед нашел так же сумму бесконечной геометрической прогрессии со знаменателем 1/4. В математике это был первый пример бесконечного ряда.Большую роль в развитии математики сыграло его сочинение «Псалемит» - «О числе песчинок», в котором он показывает, как с помощью существовавшей системы счисления можно выражать сколь угодно большие числа. В качестве повода для своих рассуждений он использует задачу о подсчете количества песчинок внутри видимой Вселенной. Тем самым было опровергнуто существовавшее тогда мнение о наличии таинственных «самых больших чисел».Годы жизни Архимеда - 287 г. - 212 г. до н.э.

Нам сегодня предстоит «переоткрыть» его закон. Итак, в путь! «Сперва собирать факты и только после этого связывать их мыслью», - советовал нам Аристотель. Прислушаемся к его совету.

1. Работа с учащимися по теме. 

1)      Демонстрация.

Демонстрируется опыт по растяжению пружины под действием груза, находящегося сначала в воздухе, а затем в воде. В беседе с учащимися выясняется существование выталкивающей силы. Начинается серьезное научное исследование, но сначала ребята самостоятельно ставят перед собой цель: в ходе исследования узнать, от каких физических величин зависит выталкивающая сила. Цель записывается в тетрадь.

2)      Выдвижение гипотез.

Учащиеся предполагают, что выталкивающая сила зависит:

- от объема погруженного тела;

- его веса или массы;

- плотности жидкости;

- глубины погружения тела;

- формы тела.

Учителю не следует отбрасывать неверные предположения: каждая  из гипотез нуждается в экспериментальной проверке.

Все гипотезы записываются в тетрадь.

3)      Экспериментальная работа (Приложение А).

Наш великий соотечественник М.В.Ломоносов говорил: «Один опыт я ставлю выше, чем тысячу мнений, рожденных только воображением» поэтому подвергнем экспериментальной проверке все наши гипотезы:

А) Проверка зависимости Fвыт от  Vтела

Учащиеся подвешивают к рычагу два тела равной массы, но разного объема (цилиндр из алюминия и картофелина), добиваются его равновесия, а затем погружают тела  в воду. Наблюдают нарушение равновесия, делают вывод о зависимости Fвыт от  Vтела. Делают соответствующие записи в тетради.

Б) Проверка зависимости Fвыт от  веса ( или массы) тела.

Учащиеся подвешивают к рычагу два тела одного объема, но разной массы, добиваются его равновесия, а затем погружают тела в воду. Наблюдают: равновесие не нарушилось, следовательно, Fвыт от  веса ( или массы) тела не зависит. Результаты отражают в тетради.

В) Проверка зависимости Fвыт от  глубины погружения тела в жидкость.

Учащиеся подвешивают к рычагу два одинаковых тела, добиваются его равновесия, погружают тела в воду на разную глубину. Наблюдают: равновесие не нарушилось, делают вывод и записывают в тетрадь.

Г) Проверка зависимости Fвыт от  формы тела.

Учащиеся подвешивают к рычагу два тела одинакового объема, но разной формы, добиваются равновесия и погружают  в воду. Наблюдают: равновесие не нарушилось. Делают вывод о независимости выталкивающей силы от формы тела, делают записи в тетради.

Д) Проверка зависимости Fвыт от  плотности жидкости.

Учащиеся подвешивают к рычагу два одинаковых тела, добиваются равновесия и погружают одно тело в чистую воду, а второе – в насыщенный раствор поваренной соли. Наблюдают: нарушение равновесия, в растворе соли тело выталкивается сильнее. Делают вывод о зависимости силы выталкивания от плотности жидкости.

После экспериментальной проверки всех гипотез учащиеся формулируют вывод о зависимости силы выталкивания от плотности жидкости и объема тела.

4)      Вывод формулы выталкивающей силы.

Учитель теоретически выводит на доске формулу выталкивающей силы и обращает внимание учащихся на физические величины, входящие в нее, ребята отмечают полное соответствие теоретических выкладок с результатами только что проведенных экспериментов.

5)      Закрепление

Тестирование учащихся по теме (Приложение Б)

- Мы  вместе прошли трудный путь от гипотез, догадок, к подлинно научной теории и «переоткрыли» уже известный закон Архимеда. Все цели нашего исследования достигнуты.

А теперь попробуем ответить на веселые вопросы Григория Остера из его книги «Физика»:

1)  пожилые греки рассказывают, что Архимед обладал чудовищной силой. Даже стоя по пояс в воде, он легко поднимал одной левой рукой массу в 1000кг. Правда, только до пояса, выше поднимать отказывался. Могут ли быть правдой эти россказни?

2) Почему в недосоленном супе ощипанная курица тонет, а в пересоленном спасается вплавь?

6)      Это интересно!

Учитель вместе с учащимися вспоминает об интересных фактах, касающихся изучаемой темы. Например, существует море, в котором нельзя утонуть. Это знаменитое Мертвое море Палестины. Воды его настолько солены, что в них не может жить ни одно живое существо. Утонуть в такой тяжелой жидкости нельзя: человеческое тело легче ее.

1. Заключительное слово учителя. 

Жидкости на тело давят,

Вверх его все поднимают,

При этом силу создают,

Что Архимедовой зовут!

Ее считать умеем мы:

Надо знать лишь вес воды,

Что то тело вытесняет –

Все закон нам объясняет.

Открыл его великий грек,

Ему имя – Архимед!

Рассказывают, что Архимед лежал в ванне и размышлял о том, как узнать, есть ли примесь серебра в золотой короне. Выталкивающую силу человек отчетливо ощущает, принимая ванну. С возгласом «Эврика!» Архимед выскочил из ванны и побежал в комнаты за драгоценной короной, чтобы немедленно определить потерю ее веса в воде.

Большое спасибо, уважаемые коллеги, за совместную работу. Очень надеюсь, что это не последнее наше научное исследование, мы еще не раз прокричим подобно Архимеду: «Эврика!»

Приложение Б

ТЕСТ

ВАРИАНТ 1

1. Четыре одинаковых стальных шарика помещены в разные жидкости: воду, машинное масло, керосин, бензин. Наибольшая выталкивающая сила действует на шарик, помещенный в…

А) воду;                           В) машинное масло;

Б) керосин;                      Г) бензин.

2. В какой воде легче плавать: в морской или речной?

А) морской;

Б) речной.

3. К чашкам весов подвешены два одинаковых железных шарика. Нарушится ли равновесие, если шарики опустить одновременно один в воду, а другой в керосин?

А) нарушится;

Б) не нарушится.

4. Как изменится осадка корабля (глубина погружения) при переходе из реки в море?

А) увеличится;

Б) не изменится;

В) уменьшится.

ТЕСТ

ВАРИАНТ 2

1. Четыре одинаковых стальных шарика помещены в разные жидкости: воду, машинное масло, керосин, бензин. Наименьшая выталкивающая сила действует на шарик, помещенный в …

А) керосин;                             В) воду;

Б) машинное масло;                Г) бензин.  

2. К чашкам весов подвешены две гири равного веса: фарфоровая и железная. Нарушится ли равновесие весов, если гири опустить в сосуд с водой?

А) нарушится;

Б) не нарушится.

3. На поверхности воды плавают бруски из дерева, пробки и льда. Укажите, какой брусок пробковый.

А) тот, который больше всего погружен в воду;

Б) тот, который меньше всего погружен в воду;

В) тот, который в воде наполовину.

4. В какой жидкости большая выталкивающая сила?

А) вода;                             В) ртуть;

Б) керосин;                        Г) бензин.  

Приложение А

1. Закрепите в лапке штатива динамометр.
2. Подвесьте на пружине динамометра груз.  Снимите его показания.
3. Опустите груз, подвешенный таким образом в воду полностью. Снимите показания.
4. Сделайте соответствующий вывод.

ГРУППА 1

Проверка зависимости выталкивающей силы от объема тела.

Подвесьте к рычагу два тела равной массы, но разного объема, добейтесь его равновесия, а затем погрузите тела в воду. Сделайте соответствующие выводы.

ГРУППА 2

Проверка зависимости выталкивающей силы от веса (от массы) тела.

Подвесьте к рычагу два тела одного объема, но разной массы, добейтесь его равновесия, погрузите тела в воду. Сделайте соответствующие выводы.

ГРУППА 3

Проверка зависимости выталкивающей силы

от глубины погружения тела в жидкость.

Подвесьте к рычагу два  одинаковых тела, добейтесь равновесия, погрузите в воду на разную глубину.

ГРУППА 4

Проверка зависимости выталкивающей силы от формы тела.

Подвесьте к рычагу два тела разной формы, но одного объема и массы, добейтесь его равновесия, погрузите тела в воду. Сделайте соответствующие выводы.

ГРУППА 5

Проверка зависимости выталкивающей силы от плотности жидкости.

Подвесьте к рычагу два  одинаковых тела, добейтесь равновесия и погрузите одно тело в чистую воду, а второе- в насыщенный раствор соли.