Индивидуальный проект "Закон Архимеда" учащихся Чучковской СШ с использованием цифрового оборудования.

Муниципальное общеобразовательное учреждение

«Чучковская средняя школа»

Индивидуальный Проект

«Закон Архимеда»

Проект выполнили учащиеся 7-А класс

Спирякин Виктор, Мердишова Анастасия,

Савина София.

Руководитель проекта                                                                  

Чекалина Ольга Юрьевна,

учитель физики.

                                                         р.п. Чучково

                                                        2022

Содержание

1. Введение ----------------------------------------------------------------------------------3

2. Основная часть:

2.1 Историческая справка ---------------------------------------------------------------- 4

2.2 Теоретическая часть закона Архимеда ------------------------------------------- 5

2.3 Исследовательская часть ------------------------------------------------------------ 6

3. Закон Архимеда в жизни -------------------------------------------------------------14

4. Подведение итогов -------------------------------------------------------------------- 16

Источники ----------------------------------------------------------------------------------17

Приложение ------------------------------------------------------------------------------- 16

                                                     Введение

Цель:

- изучить основной закон гидростатики – закон Архимеда;

- определение характеристик, от которых зависит выталкивающая сила;

- научиться проводить физический эксперимент, по результатам сделать вывод.

Актуальность:

Закон Архимеда объясняет природные явления, с которыми мы встречаемся ежедневно. Расчет Архимедовой силы помогает поднимать затонувшие суда, ее расчет необходим при конструировании судов, аппаратов для изучения морских глубин и атмосферы.

Проблема:

У большинства людей не возникает интереса к Архимедовой силе и пониманию о ее пользе в развитии цивилизации, так же многие ученики сталкиваются с проблемой понимания и усвоения материала по закону Архимеда.

Задачи:

1. Изучить биографию Архимеда;

2. Какими способами можно определить выталкивающую силу;

3. Изучить учебную литературу по вопросу действия архимедовой силы. 

План проекта:

1.Биография Архимеда. История архимедовой силы.

2. Лабораторный практикум.

3. Плавание судов и закон Архимеда.

4. Подведение итогов.

2. Основная часть

2.1 Историческая справка.

История Архимедовой силы и биография Архимеда.

Архимед — древнегреческий математик, физик инженер из Сиракуз, греческой колонии на острове Сицилия. Сведения о жизни Архимеда оставили нам многие древнегреческие писатели и историки (Полибий, Тит Ливий, Цицерон, Плутарх, Витрувий и другие).

Отцом Архимеда был математик и астроном Фидий, состоявший, как утверждает Плутарх, в близком родстве с Гиероном II. Отец привил сыну любовь к математике, механике и астрономии. Для обучения Архимед отправился в Александрию - научный и культурный центр Египта. Большую часть своей жизни провёл в родном городе Сиракузы. Где и был убит при захвате города воинами Марцелла во время Второй Пунической войны.

Уже при жизни Архимеда вокруг его имени создавались легенды, поводом для которых служили его поразительные изобретения. Известна легенда об Архимеде и золотой короне. Царь Гиерон поручил ему проверить честность мастера, изготовившего золотую корону. Хотя корона весила столько, сколько было отпущено на неё золота, царь заподозрил, что она изготовлена из сплава золота с более дешёвыми металлами. Архимеду было поручено узнать есть ли в короне примесь. Много дней мучила Архимеда эта задача. И вот однажды, находясь в бане, он погрузился в наполненную водой ванну, и его внезапно осенила мысль, давшая решение задачи.

Архимед заказал два слитка — один из золота, другой из серебра, равные весу короны. Каждый слиток он погружал поочерёдно в сосуд, доверху наполненный водой. Архимед заметил, что при погружении слитка из серебра воды вытекает больше. Затем он погрузил в воду корону и обнаружил, что воды вылито больше, чем при погружении золотого слитка, а ведь он был равен весу короны. По объёму вытесненной жидкости Архимед определил, что корона была изготовлена не из чистого золота, а с примесью серебра. Тем самым мастер был изобличён в обмане.

Задача о золотой короне побудила Архимеда заняться вопросом о плавании тел.

Закон Архимеда, впервые были им упомянут в трактате «О плавающих телах».  Архимед написал: "Тела, которые тяжелее жидкости, будучи опущены в неё, погружаются всё глубже, пока не достигают дна, и, пребывая в жидкости, теряют в своём весе столько, сколько весит жидкость, взятая в объёме тел".

В науку гидростатику это открытие вошло как закон Архимеда.

2.2 Теоретическая часть закона Архимеда.

Это закон статики жидкостей и газов, согласно которому на тело, погруженное в жидкость (или газ), действует выталкивающая сила (сила Архимеда), равная весу вытесненной этим телом жидкости (или газа).

Архимедова сила направлена всегда противоположно силе тяжести. Она равна нулю, если погруженное в жидкость тело плотно, всем основанием прижато ко дну.

Следует помнить, что в состоянии невесомости закон Архимеда не работает.

Условия плавания тел в жидкостях и газах.

Итак, на тело, находящееся а жидкости или газе, в обычных земных условиях действуют две противоположно направленные силы: сила тяжести и архимедова сила: Fт — сила тяжести, FА — сила Архимеда.

Если сила тяжести по модулю больше архимедовой силы (Fт > FА), то тело опускается вниз - тонет. Если модуль силы тяжести равен модулю архимедовой силы (Fт = FА), то тело может находиться в равновесии на любой глубине ( тело плавает в жидкости или газе). Если архимедова сила больше силы тяжести (Fт < FА), то тело поднимается вверх – всплывает до тех пор, пока не начнет плавать .

Всплывающее тело частично выступает над поверхностью жидкости; объем погруженной части плавающего тела таков, что вес вытесненной жидкости равен весу плавающего тела.

Архимедова сила больше силы тяжести, если плотность жидкости больше плотности погруженного в жидкость тела: ρt — плотность тела,        ρs — плотность среды, в которую погрузили тело. ρt = ρs — тело плавает в жидкости или газе, ρt > ρs — тело тонет,  ρt < ρs — тело всплывает до тех пор, пока не начнет плавать. Поэтому дерево всплывает в воде, а железный гвоздь тонет. Однако на воде держатся громадные речные и морские суда, изготовленные из стали, плотность которой почти в 8 раз больше плотности воды. Объясняется это тем, что из стали делают лишь сравнительно тонкий корпус судна, а большая часть его объема занята воздухом. Среднее значение плотности судна при этом оказывается значительно меньше плотности воды; поэтому оно не только не тонет, но и может принимать для перевозки большое количество грузов.

2.3 Исследовательская часть.

Цифровая лабораторная работа.

Тема: Гидростатика

Наименование работы: Сила Архимеда

Цель работы: Экспериментальное подтверждение закона Архимеда

Теория

Из-за разности давлений в жидкости на разных уровнях возникает выталкивающая или архимедова сила Fа.

Рис.1 поясняет появление архимедовой силы. В жидкость погружено тело в виде прямоугольного параллелепипеда высотой h и площадью основания S. Разность давлений на нижнюю и верхнюю грани есть: p=p1-p2=pgh. Поэтому выталкивающая сила Fa будет направлена вверх, и её модуль равен: Fa=F1-F2=Sp=pghS=pgV, где V – объём вытесненной телом жидкости, а pV - её масса.

Архимедова сила, действующая на погруженное в жидкость (или газ) тело, равна весу жидкости (или газа), вытесненной телом. Это утверждение, называемое законом Архимеда, справедливо для тел любой формы.

Рисунок 1. Архимедова сила.

Из закона Архимеда вытекает, что если средняя плотность тела pт больше плотности жидкости (или газа) p, тело будет опускаться на дно. Если же pт меньше p, тело будет плавать на поверхности жидкости. Объём погруженной части тела будет таков, что вес вытесненной жидкости равен весу телу. Для подъёма воздушного шара в воздухе его вес должен быть меньше веса вытесненного воздуха. Поэтому воздушные шары заполняют легкими газами (водородом, гелием) или нагретым воздухом.

Описание эксперимента

В ходе выполнения данной лабораторной работы предлагается экспериментально подтвердить закон Архимеда, погружая в жидкость тело, подвешенное на верёвке к датчику силы. По изменению показаний датчика можно судить о том, что на тело действует выталкивающая сила. Если тело подвесить к крючку датчика, то он покажет величину силы тяжести mg. Когда тело погружается в воду, на него начинает действовать сила Архимеда Fa= pgV, в этом случае показания датчика должны уменьшится на величину F= mg- pgV, в чём предстоит убедиться.

Описание установки

Для повеления данной лабораторной работы нам понадобится:

1. Датчик силы                                                               3. Штатив
2.  Груз                                                                              4. Стакан

Порядок выполнения работы

Закрепите датчик силы на штатив как показано на рисунке. С помощью линейки измерьте объем груза V. После этого подвесьте верейкой груз датчика. Запишите показания датчика, это есть сила тяжести груза mg. После этого подставьте под штатив стакан с водой и опустите в него груз, чтобы он полностью погрузился в воду. Запишите показания датчика силы ΔF. Теперь можно вычислить величину силы Архимеда:

                                                               Fa.экс = mg - ΔF

С другой стороны Fa.тео = pVg.

         Сравните значение силы Архимеда Fa.экс полученное экспериментально с теоретическим Fa.тео. Они должны совпадать в пределах погрешности.

         Погрешность ΔFa. экс равна 5% от самой величины Fa.экс. Погрешность ΔFa.тео нужно посчитать.

         Абсолютная погрешность измерения - это погрешность средства измерений, выраженная в единицах измеряемой физической величины от действительного значения физической величины:  ΔX = X - Xд.

В данной лабораторной работе мы измеряем косвенным путём величину Fa, т.е. с помощью измерения другой физической величины V. Т.к в нашем эксперименте сила Архимеда имеет функциональную зависимость вида: Fa = pVg, то относительная погрешность ∂= ΔV/V, где ΔV - абсолютная погрешность измерения объёма в ходе работы. При обработке результатов косвенных измерений физической величины, связанной с величиной V, которая измеряется прямым способом, сначала определяют относительную погрешность косвенного измерения ∂. Полную абсолютную погрешность следует считать по формуле ΔX.абс = X * ∂, где ∂выражается десятичной дробью, а не в процентах. Следовательно, для каждого случая получим: Fa = Fa.изм + ΔFa.

Полная абсолютная погрешность: Fa = Fa.изм * ∂ = k * Fа.изм * (ΔV/V).

Итоговое значение для силы Архимеда Fa будет иметь вид: Fa = Fa.изм + ΔFa, где Fa.изм и ΔFa - среднеарифметические значения после серии измерений.

Погрешность измерения объёма вычисляется на основе погрешностей линейки.

                                    Контрольные вопросы

1.  Чем обусловлена сила Архимеда?
2.  Сформулируйте закон Архимеда.
3.  Как можно использовать силу Архимеда в реальной жизни?

             В исследовательской работе принял участие 7-А класс.

Работа в группах.

      Определим, от каких фактов зависит или не зависит выталкивающая сила.

     Каждая группа получает свое задание.

Задание первой группе.

    Цель: выяснить, зависит ли выталкивающая сила от массы и плотности тела.

     Оборудование: сосуд с водой, динамометр, тела разной плотности, одинаковый объем, нить.

Порядок выполнения задания:

1 . Возьмите железный цилиндр. Определите с помощью динамометра вес тела в воздухе Р1.

2. Не снимая с динамометра, погрузите тело в воду и определите вес этого тела Р2.

3.Определите выталкивающую силу, действующую на тело.

4. Повторите опыт с другим телом. Результаты измерений внесите в таблицу:

5. Сравните выталкивающие силы, действующие на тела.

6. Сделайте вывод о зависимости (независимости) выталкивающей силы от плотности тела или массы.

Задание второй группе.

   Цель: выяснить, зависит ли выталкивающая сила от объема тела.

   Оборудование: сосуд с водой, железные тела разного объема, динамометр, нить.

Порядок выполнения задания:

1. Возьмите тело с меньшим объемом и определите вес тела в воздухе Р1.
2. Погрузите это тело в воду и определите вес тела в воде Р2.
3. Повторите опыт с телом большего объема.
4. Определите выталкивающую силу в обоих случаях. Результат внесите в таблицу:

5. Сравните результаты и сделайте выводы о зависимости (независимости) выталкивающей силы от объема.

Задание третьей группе.

       Цель: выяснить, зависит ли выталкивающая сила от плотности  жидкости, в которую погружено тело.

   Оборудование: динамометр, нить, сосуд с водой, сосуд с раствором соли, небольшое тело.

Порядок выполнения работы:

1. Определите вес тела в воздухе Р1.
2. Опустите тело полностью в сосуд с водой и определите его вес в воде Р2.
3. Повторите этот опыт с раствором соли.
4. Определите выталкивающие силы в обоих случаях и занесите результаты в таблицу:

5. Чем отличаются эти жидкости?
6. Что можно сказать о выталкивающих силах, действующих на тело в различных жидкостях?
7. Сделайте вывод о зависимости (независимости) выталкивающей силы от плотности жидкости.

Вывод:

ВЫТАЛКИВАЮЩАЯ СИЛА

ЗВИСИТ ОТ                                        НЕ ЗАВИСИТ ОТ

                    объема тела;                                    

                    плотности жидкости;                          плотности и массы тела;

                                      3. Закон Архимеда в жизни

Как действует сила Архимеда

Поскольку сила Архимеда, действующая на тело, зависит от объёма его погружённой части и плотности среды, в которой оно находится, можно рассчитать, как поведёт себя то или иное тело в определённой жидкости или газе.

Если плотность тела меньше плотности жидкости или газа — оно будет плавать на поверхности.

Если плотности тела и жидкости или газа равны — тело будет находиться в безразличном равновесии в толще жидкости или газа.

Если плотность тела больше, чем плотность жидкости или газа, — оно уйдёт на дно. 

Сила Архимеда в жидкости: почему корабли не тонут

 На законе Архимеда основано плавание судов. Корабли, яхты, подводные лодки и другие плавающие средства конструируются так, чтобы их средняя плотность была меньше плотности воды или могла изменяться.

В целях безопасности плавания, судно может погружаться только до определенной глубины, которую называют предельной осадкой судна и отмечают на его борту красной линией — ватерлинией.

Масса воды в погруженном до ватерлинии объеме судна называется водоизмещением судна.

Если из водоизмещения судна вычесть его массу в ненагруженном состоянии, то получим максимальную массу груза, которую можно перевозить на данном судне. Эта максимальная масса груза называется грузоподъемностью судна.

Особый вид морского судна представляет подводная лодка. Она устроена так, чтобы можно было очень быстро увеличить ее среднюю плотность и тем самым опустить ко дну или уменьшить среднюю плотность, значит, поднять лодку к поверхности воды. Соответственно при равенстве средней плотности судна и плотности воды, она будет плыть под ее поверхностью.

Корпус корабля заполнен воздухом, поэтому общая плотность судна оказывается меньше плотности воды, и сила Архимеда выталкивает его на поверхность. Но если корабль получит пробоину и пространство внутри заполнится водой, то общая плотность судна увеличится, и оно утонет. 

В подводных лодках существуют специальные резервуары, заполняемые водой или сжатым воздухом в зависимости от того, нужно ли уйти на глубину или подняться ближе к поверхности. Тот же самый принцип используют рыбы, наполняя воздухом специальный орган — плавательный пузырь. 

На тело, плотно прилегающее ко дну, выталкивающая сила не действует. Это учитывают при подъёме затонувших кораблей. Сначала судно слегка приподнимают, позволяя воде проникнуть под него. Тогда давление воды начинает действовать на корабль снизу. 

Но чтобы поднять корабль на поверхность, необходимо уменьшить его плотность. Разумеется, воздух в получившем пробоину корпусе не удержится. Поэтому его заполняют каким-нибудь лёгким веществом, например, шариками пенополистирола. 

Примечательно, что эта идея впервые пришла в голову не учёным, а авторам диснеевского комикса, в котором Дональд Дак таким образом поднимает со дна яхту Скруджа Макдака. Датский инженер Карл Кройер (Karl Krøyer), впервые применивший метод на практике, по собственному признанию вдохновлялся «Утиными историями».

4. Подведение итогов

Вывод: экспериментально выяснили что на все тела погружённые в жидкость, со стороны жидкости действует выталкивающая сила. Величина этой выталкивающей жидкости численно равна весу вытесненной жидкости. Подобная сила действует и на тела погружённые в жидкость, т.е. вес тела погружённого в жидкость меньше, чем вес тела погружённого в воздух. Сила, выталкивающая тело из жидкости или газа, направлена противоположно силе тяжести, приложенной к этому телу.

 Проделанная работа позволяет не только лучше понять закон Архимеда, но и научиться, на опытах определять архимедову силу, проверять правильность закона Архимеда. В результате проделанных опытов был сделан вывод, что архимедова сила зависит только от плотности жидкости и объема тела, погруженного в эту жидкость. Работая с цифровой лабораторией , мы получали точные результаты исследований. Общий объект изучения у всех наук – человек + природа. Все явления природы взаимосвязаны между собой, как и наши знания.

     Источники

1. http://vio.uchim.info/Vio_104/cd_site/articles/art_3_7.htm Готовимся к уроку в условиях новых ФГОС
2. http://files.school-collection.edu.ru/dlrstore/bcba5e0d-3bb7-4a6b-beaf-23ab9435b069/7_215.swf
3. http://mickots.shkalininskaya.edusite.ru/p19aa1.html
4. https://externat.foxford.ru/polezno-znat/wiki-fizika-sila-arhimeda
5. https://videouroki.net/video/26-zakon-arkhimieda-usloviia-plavaniia-tiel.html