قانون أرخميدس: حجم السائل المزاح يساوي الحجم. كيف تم اكتشاف قانون أرخميدس؟ لماذا لا تغرق كل الجثث؟

مشروع السفينة

حاول قطع قارب من لحاء الصنوبر السميك. ويجب أن يكون قاعها مزودًا بعارضة مصنوعة من صفيحة حديدية. ضع القارب على الماء وارسم خطًا على طول حدود غمره (بالطلاء الزيتي الأحمر). بعد صنع محلول ملحي، صب هذا المحلول في حوض عميق واترك القارب يطفو فيه مرة أخرى. يجب تحديد عمق غمرها في المياه المالحة مرة أخرى بخط بلون مختلف فقط (أبيض، أزرق). كيف نفسر أعماق الغوص المختلفة للقارب في الحالتين الأولى والثانية؟

هل تطفو البيضة؟

ضع بيضة نيئة طازجة في وعاء من الماء. سوف تغرق البيضة. أضف الملح إلى الماء مع التحريك بخفة ولا تلمس البيضة. ومع زيادة ملوحة الماء تبدأ البيضة بالطفو، ومع وجود محلول ملحي مشبع تطفو البيضة على سطح الماء.

الفلين في الزجاجة

إذا وضعت فلينًا صغيرًا في زجاجة ماء ثم حاولت صب هذا الفلين بالماء من الزجاجة، فهذا لا ينجح دائمًا.

في كل مرة يتم فيها سكب الماء، يتم تثبيت الفلين في قاع الزجاجة. وفقط مع الجزء الأخير من الماء يمكنك سكب الفلين من الزجاجة.
حاول اختبار ذلك وشرحه!

شمعدان الماء

رمي شمعة ستيرين في الماء. سوف تسبح مستلقية على جانبها. لا يمكنك إشعال شمعة بهذه الطريقة. تحتاج إلى وزن الطرف السفلي بمسمار. فقط لا تحاول إدخال هذا المسمار بالقوة: سوف ينهار الستيارين. يجب تسخين الظفر ثم يدخل مثل الزيت ويتماسك جيدًا.

اختر مسمارًا بحيث تكون الشمعة بأكملها تقريبًا مغمورة في الماء. يجب أن يبقى الفتيل وحافة الستيارين فقط فوق السطح. إن كوب الماء الذي تطفو فيه هذه الشمعة سيكون شمعدانًا جيدًا. أشعل الفتيل وسوف تحترق الشمعة لفترة طويلة.

لكن لماذا؟ وإلى متى ستحترق الشمعة؟
بعد كل شيء، هو على وشك أن يحترق في الماء ويخرج؟
لكن هذا لا يحدث. يقوم الماء بتبريد الإستيارين من الخارج. لذلك، سوف تذوب حواف الشمعة بشكل أبطأ وسيتشكل قمع عميق حول الفتيل. سوف تتحول الشمعة إلى قارب ستايرين، وسوف تطفو تدريجيا. وعلى الرغم من أن الستيارين يتبقى أقل فأقل، فحتى الجمرة الصغيرة المثقلة بمسمار لن تغرق. سوف تحترق الشمعة حتى النهاية تقريبًا.

كيف نفسر هذه الظاهرة؟
أثناء عملية الاحتراق، تنخفض جاذبية الشمعة تدريجيًا. لكي تتوازن الشمعة، يجب أن تقل قوة الطفو، وهذا ممكن فقط مع صعود الشمعة.

بالمناسبة، تتمتع شمعداننا بميزة واحدة مهمة. الشمعة المحترقة لن تشعل النار أبدًا: سوف ينطفئ الفتيل بالماء.

غرق أو عائمة

خذ زجاجة دواء زجاجية صغيرة واملأها بكمية كافية من الماء بحيث تكون قوة جاذبية الزجاجة مع الماء الموجود فيها أكبر قليلاً من قوة الطفو. ضع الزجاجة مقلوبة في كوب طويل من الماء وسوف تغرق. قم بتسخين الزجاج.

لماذا ترتفع الفقاعة بعد مرور بعض الوقت؟
عند تسخينها، يزداد ضغط الهواء في الفقاعة ويتدفق جزء من الماء منها. تصبح الجاذبية الكلية لفقاعة الماء أقل من قوة الطفو، وتطفو الفقاعة.

خاصة للأشخاص الذين يعانون من الغرق

يمكنك غالبًا ملاحظة كيف يرفع الشخص الغارق يديه من الماء وهو يبكي طلبًا للمساعدة.
هل يفعل الشيء الصحيح؟

اتضح لا. يمكن التحقق من ذلك من خلال الخبرة. للتجربة، خذ أنبوب اختبار مع سدادة. أدخل سلكًا في الفلين ، وفي نهايته قم بإرفاق عودين خشبيين - أعواد ثقاب. أضف الماء أو الكسور إلى أنبوب الاختبار أو ضع قطعة من البلاستيسين.

يمثل العصيان والفلين يدي الشخص ورأسه على التوالي. إذا تم رفع العصي، فعند إنزال أنبوب الاختبار في الماء، ستكون السدادة تحت الماء (أ). ثني العصي إلى أسفل. إذا قمت الآن بخفض أنبوب الاختبار في الماء، فسوف تظهر السدادة فوق الماء (B).

كيف تفسر الظاهرة المرصودة؟
يتصرف أنبوب الاختبار هذا كجسم يطفو على سطح الماء. وتتم موازنة قوة الجاذبية بواسطة قوة أرخميدس، التي تساوي قوة جاذبية الماء المزاح بواسطة أنبوب الاختبار. علاوة على ذلك، فإن جزءًا من حجم أنبوب الاختبار يقع فوق الماء. في الحالة الأولى، يساوي حجم العصي فوق الماء؛ في الثانية، يتم تحديده بواسطة جزء من الفلين.

تجربة مع المباريات

احتفظ بعدة أعواد ثقاب في الماء لمدة يوم. ثم ضعيهم في زجاجة مملوءة حتى الحافة بالماء. خذ سدادة بلاستيكية على شكل كشتبان وضعها على إصبع السبابة. أغلق عنق الزجاجة بفلين واضغط على الماء من خلال الفلين. مع زيادة الضغط، تغرق أعواد الثقاب؛ ومع انخفاض الضغط، تطفو. ومن خلال تغيير الضغط، يمكنك جعلها تطفو في الماء على أي عمق.

كيف نفسر هذا؟
يتم تفسير هذه الظاهرة بقانون باسكال وقوة أرخميدس. توجد فقاعات هواء داخل أعواد الثقاب. ومع زيادة الضغط، تنخفض الفقاعات. تصبح الجاذبية الكلية لأعواد الثقاب مع الماء أكبر من قوة الطفو، فتغرق. ومع انخفاض الضغط، يزداد حجم الفقاعات. تصبح الجاذبية الكلية لأعواد الثقاب مع الماء أقل من قوة الطفو، فتطفو.

"بيضة مذهلة"

ضع البيضة في وعاء زجاجي نصف مملوء بالسائل. يطفو على السطح.

ماذا سيحدث للبيضة إذا أضفت الماء إلى الوعاء؟
الجواب المعتاد هو أن البيضة سوف تطفو. اسكب الماء بعناية عبر القمع الموجود على جانب الوعاء حتى يمتلئ. ولدهشة الجمهور بقيت البيضة على مستواها القديم (الارتفاع).

لماذا؟
أولاً، تم سكب محلول مائي من ملح الطعام في الوعاء الذي طفت البيضة على سطحه. ثم يضاف الماء الذي كانت كثافته أقل من كثافة البيضة. يمكن إجراء هذه التجربة مع البطاطس.

هل تغرق اللوحة؟

خذ صحنًا وانزله في الماء، وسوف يغرق. إذا تم إنزال الصحن في الماء بقاعه، فإنه يطفو على السطح.

لماذا؟
إن كثافة البورسلين أو الفخار أعلى من كثافة الماء، ولذلك عندما يوضع الصحن على حافته فإنه يغوص.
عندما يتم إنزال قاع الصحن على الماء، يتم غمره في الماء إلى هذا العمق الذي يكون فيه حجم الماء المزاح بفعل الجاذبية مساويا لجاذبية الصحن، وهو ما يتوافق مع حالة الأجسام العائمة على سطح الماء. سطح الماء.

لغز الميزان

ضع قلم رصاص مستديرًا على الطاولة وثبته من كلا الطرفين بشريط لاصق. صب نفس الكمية تقريبًا من الماء في كأسين، ثم ضع مسطرة على قلم الرصاص (يفضل أن تكون خشبية حتى لا تنحني) ثم ضع الكوبين المملوءين بالماء على طرفي هذه المسطرة. حرك المسطرة أو الأكواب قليلاً، لكن تأكد من أن النظام بأكمله متوازن ولا يلمس أي من الأكواب الطاولة. والنتيجة هي مقياس متوازن.

الآن أجب عن هذا السؤال: إذا وضعت إصبعك في أحد الكؤوس دون أن تلمس جدرانه، أي الكؤوس سيفوز؟
أو ربما لن يتغير شيء؟
لماذا؟

الآن تحقق من إجابتك. نعم، نعم، ضع إصبعك في الماء، فقط لا تلمس الجدران.
والسؤال الأخير: ماذا لو وضعت نسخة طبق الأصل من البلاستيسين لإصبعك في الماء؟ ومن الخشب؟ ماذا عن الرصاص؟

إذا قمت بوضع إصبعك في كوب، يمكنك أن ترى أن الماء الذي يزيحه سوف يرتفع فوق مستواه السابق. وهذا يعني أنه إذا تم سكب هذا الماء المزاح ببساطة من الزجاج، فإن وزنه (مع ملء الإصبع لحجم الماء المزاح) لن يتغير. لكن الماء المزاح بالإصبع لا يزال هنا، في الزجاج، مما يعني أن هذا الزجاج يزن أكثر من الآخر، وبالضبط بمقدار وزن حجم الماء المزاح. ولا يهم على الإطلاق ما إذا كنا قد قمنا بإزاحة هذا المجلد بإصبعنا، أو نسخة منه مصنوعة من البلاستيسين، أو مصنوعة من الخشب أو الرصاص.

المصادر: لوس أنجلوس جوريف "تجارب مسلية في الفيزياء" ؛ ف.رابيزا "تجارب بدون أدوات"

تجارب حول موضوع "قوة أرخميدس"

العلم رائع وممتع وممتع. ولكن من الصعب أن تؤمن بالمعجزات التي تتحقق من الكلمات؛ إذ يتعين عليك أن تلمسها بيديك. هناك تجربة مثيرة للاهتمام!
وإذا كنت منتبهًا،
مستقلة في الاعتبار
ومع الفيزياء مباشرة
إنها تجربة مثيرة للاهتمام -
مضحك ومثير -
سوف يكشف لك الأسرار
وأحلام جديدة!

1) الماء الحي والميت

ضع على الطاولة وعاءً زجاجيًا مملوءًا بنسبة 2/3 من الماء وكأسين من السوائل: أحدهما مكتوب عليه "ماء حي" والآخر مكتوب عليه "ماء ميت". ضع درنة البطاطس (أو البيضة النيئة) في الجرة. إنه يغرق. أضف الماء "الحي" إلى الجرة وسوف تطفو الدرنة؛ أضف الماء "الميت" وسوف تغوص مرة أخرى. بإضافة سائل أو آخر، يمكنك الحصول على محلول لن تطفو فيه الدرنة على السطح، ولكنها لن تغوص في القاع أيضًا.
سر التجربة هو أنه يوجد في الزجاج الأول محلول مشبع من ملح الطعام، وفي الزجاج الثاني يوجد ماء عادي. (نصيحة: قبل العرض التوضيحي، من الأفضل تقشير البطاطس وسكب محلول ملحي ضعيف في الجرة حتى تؤدي الزيادة الطفيفة في تركيزها إلى حدوث تأثير).

2) غواص الماصة الديكارتية

املأ الماصة بالماء حتى تطفو عموديًا، مغمورة بالكامل تقريبًا. ضع ماصة الغواص في زجاجة بلاستيكية شفافة مملوءة إلى الأعلى بالماء. أغلق الزجاجة بغطاء. عند الضغط على جدران السفينة، سيبدأ الغواص في ملء الماء. من خلال تغيير الضغط، اجعل الغواص يتبع أوامرك: "لأسفل!"، "لأعلى!" و"توقف!" (توقف عند أي عمق).

3) البطاطس غير المتوقعة

(يمكن إجراء التجربة باستخدام بيضة). ضع درنة البطاطس في وعاء زجاجي نصف مملوء بمحلول مائي من ملح الطعام. انه يطفو على السطح.
ماذا يحدث للبطاطس إذا أضفت الماء إلى الوعاء؟ عادة ما يجيبون بأن البطاطس سوف تطفو. صب الماء بعناية (كثافته أقل من كثافة المحلول والبيضة) من خلال القمع على طول جدار الوعاء حتى يمتلئ. ولدهشة الجمهور ظلت البطاطس على نفس المستوى.

4) الدورية الخوخ

صب الماء الفوار في كوب. سيبدأ بالخروج منه ثاني أكسيد الكربون المذاب في سائل تحت الضغط. ضع الخوخ في الزجاج. سوف تطفو على الفور إلى السطح وتبدأ في الدوران مثل العجلة. سوف يتصرف بهذه الطريقة لفترة طويلة.

ومن أجل فهم سبب هذا التدوير، ألق نظرة فاحصة على ما يحدث. انتبه إلى قشرة الفاكهة المخملية التي ستلتصق بها فقاعات الغاز بشعرها. نظرًا لأنه سيكون هناك دائمًا المزيد من الفقاعات على نصف حبة الخوخ، فإن قوة طفو أكبر تعمل عليها، وتتجه نحو الأعلى.

5) قوة أرخميدس في المادة السائبة

وفي عرض «تراث أرخميدس»، تنافس سكان سيراكيوز في «انتشال لؤلؤة من قاع البحر». يمكن تكرار عرض مشابه ولكن أبسط باستخدام وعاء زجاجي صغير يحتوي على الدخن (الأرز). ضع كرة تنس (أو سدادة الفلين) هناك وأغلق الغطاء. اقلب الجرة بحيث تكون الكرة في الأسفل تحت الدخن. إذا قمت بإنشاء اهتزاز طفيف (هز الجرة قليلاً لأعلى ولأسفل)، فسوف تنخفض قوة الاحتكاك بين حبيبات الدخن، وسوف تصبح متحركة وبعد فترة من الوقت سوف تطفو الكرة على السطح تحت تأثير قوة أرخميدس.

6) طارت الحزمة بدون أجنحة

ضع شمعة، أشعلها، أمسك الكيس فوقها، سوف يسخن الهواء الموجود في الكيس،

بعد تحرير الحزمة، انظر كيف تطير الحزمة للأعلى تحت تأثير قوة أرخميدس.

7) السباحون المختلفون يسبحون بشكل مختلف

صب الماء والزيت في الوعاء. خفض الجوز والمكونات وقطع الجليد. سيكون الجوز في الأسفل، والسدادة ستكون على سطح الزيت، والثلج سيكون على سطح الماء تحت طبقة من الزيت.

يتم تفسير ذلك من خلال ظروف طفو الأجسام:

قوة أرخميدس أكبر من جاذبية الفلين، حيث يطفو الفلين على السطح،

قوة أرخميدس أقل من قوة الجاذبية المؤثرة على الجوز، حيث يغوص الجوز

قوة أرخميدس المؤثرة على قطعة من الجليد أكبر من جاذبية الجليد - فالفلين يطفو على سطح الماء، ولكن بما أن كثافة الزيت أقل من كثافة الماء، وأقل من كثافة الجليد - سيبقى الزيت على السطح فوق الثلج والماء

8) الخبرة المثبتة للقانون

قم بتعليق الدلو والأسطوانة في الزنبرك. حجم الاسطوانة يساوي الحجم الداخلي للدلو. تتم الإشارة إلى امتداد الربيع بواسطة مؤشر. اغمر الاسطوانة بأكملها في وعاء الصب بالماء. يسكب الماء في كوب.

حجم الماء المنسكب هوياحجم الجسم المغمور في الماء. يشير مؤشر الزنبرك إلى انخفاض وزن الأسطوانة في الماء بسبب الحركةVقوة الطفو.

صب الماء من كوب في الدلو وسترى أن مؤشر الزنبرك يعود إلى موضعه الأصلي. وهكذا، تحت تأثير قوة أرخميدس، انكمش الينبوع، وتحت تأثير وزن الماء المزاح عاد إلى موضعه الأولي. قوة أرخميدس تساوي وزن السائل المزاح بواسطة الجسم.

9) اختفى الرصيد

اصنع أسطوانة من الورق، وعلقها رأسًا على عقب على رافعة وقم بتوازنها.

دعونا نضع مصباح الكحول تحت الاسطوانة. تحت تأثير الحرارة، ينزعج التوازن وترتفع السفينة. لأن قوة أرخميدس آخذة في النمو.

هذهتسمى القذائف المملوءة بالغاز الدافئ أو الهواء الساخن بالونات وتستخدم في الطيران.

خاتمة

بعد إجراء التجارب، أصبحنا مقتنعين بأن الأجسام المغمورة في السوائل والغازات وحتى المواد الحبيبية تتأثر بقوة أرخميدس، الموجهة عموديًا إلى الأعلى. لا تعتمد قوة أرخميدس على شكل الجسم وعمق غمره وكثافة الجسم وكتلته. قوة أرخميدس تساوي وزن السائل في حجم الجزء المغمور من الجسم.

يتم نشر نص العمل بدون صور وصيغ.
النسخة الكاملة من العمل متاحة في علامة التبويب "ملفات العمل" بتنسيق PDF

مقدمة

الصلة:إذا ألقيت نظرة فاحصة على العالم من حولك، يمكنك اكتشاف العديد من الأحداث التي تحدث من حولك. منذ العصور القديمة كان الإنسان محاطًا بالمياه. عندما نسبح فيه، يدفع جسمنا بعض القوى إلى السطح. لقد سألت نفسي منذ فترة طويلة هذا السؤال: لماذا تطفو الأجسام أو تغرق؟ هل يدفع الماء الأشياء إلى الخارج؟

يهدف عملي البحثي إلى تعميق المعرفة المكتسبة في الفصل حول قوة أرخميدس. أجب عن الأسئلة التي تهمني باستخدام الخبرة الحياتية وملاحظات الواقع المحيط وإجراء تجاربي الخاصة وشرح نتائجها مما سيوسع معرفتي بهذا الموضوع. جميع العلوم مترابطة. والموضوع المشترك لدراسة جميع العلوم هو طبيعة الإنسان "زائد". أنا متأكد من أن دراسة عمل قوة أرخميدس ذات صلة اليوم.

فرضية:أفترض أنه في المنزل يمكنك حساب حجم قوة الطفو المؤثرة على جسم مغمور في سائل وتحديد ما إذا كان ذلك يعتمد على خصائص السائل وحجم الجسم وشكله.

موضوع الدراسة:قوة الطفو في السوائل.

المهام:

دراسة تاريخ اكتشاف القوة الأرخميدية؛

دراسة الأدبيات التربوية حول عمل القوة الأرخميدية؛

تطوير المهارات في إجراء تجارب مستقلة.

أثبت أن قيمة قوة الطفو تعتمد على كثافة السائل.

طرق البحث:

بحث؛

محسوب؛

البحث عن المعلومات؛

الملاحظات

1. اكتشاف قوة أرخميدس

هناك أسطورة مشهورة حول كيف ركض أرخميدس في الشارع وصرخ "وجدتها!" وهذا يحكي قصة اكتشافه أن قوة طفو الماء تساوي وزن الماء المزاح به، والذي يساوي حجمه حجم الجسم المغمور فيه. ويسمى هذا الاكتشاف قانون أرخميدس.

في القرن الثالث قبل الميلاد، عاش هييرو، ملك مدينة سيراكيوز اليونانية القديمة، وأراد أن يصنع لنفسه تاجًا جديدًا من الذهب الخالص. قمت بقياسها تمامًا حسب الحاجة وأعطيت الأمر للصائغ. وبعد شهر، أعاد السيد الذهب على شكل تاج وكان وزنه يعادل كتلة الذهب المعطى. لكن أي شيء يمكن أن يحدث، وكان من الممكن أن يغش المعلم بإضافة الفضة، أو ما هو أسوأ من ذلك، النحاس، لأنه لا يمكنك معرفة الفرق بالعين المجردة، لكن الكتلة هي ما ينبغي أن تكون. والملك يريد أن يعرف: هل تم العمل بأمانة؟ وبعد ذلك، طلب من العالم أرخميدس التحقق مما إذا كان السيد قد صنع تاجه من الذهب الخالص. وكما هو معروف فإن كتلة الجسم تساوي حاصل ضرب كثافة المادة التي يتكون منها الجسم وحجمها: . إذا كانت الأجسام المختلفة لها نفس الكتلة، ولكنها مصنوعة من مواد مختلفة، فسيكون لها أحجام مختلفة. إذا لم يعد السيد إلى الملك تاجًا من صنع المجوهرات، والذي من المستحيل تحديد حجمه بسبب تعقيده، بل قطعة معدنية من نفس الشكل الذي أعطاه إياه الملك، لكان الأمر واضحًا على الفور هل خلط فيه معدناً آخر أم لا. وأثناء الاستحمام، لاحظ أرشميدس أن الماء يتدفق منه. لقد اشتبه في أنه كان يتدفق بنفس الحجم تمامًا مثل الحجم الذي تشغله أجزاء جسده المغمورة في الماء. وقد اتضح لأرخميدس أنه يمكن تحديد حجم التاج من خلال حجم الماء المزاح به. حسنًا، إذا كان بإمكانك قياس حجم التاج، فيمكن مقارنته بحجم قطعة من الذهب ذات كتلة متساوية. قام أرخميدس بغمر التاج في الماء وقياس مدى زيادة حجم الماء. كما غمر قطعة من الذهب في الماء، فكانت كتلتها مثل كتلة التاج. ثم قام بقياس مدى زيادة حجم الماء. وتبين أن أحجام المياه النازحة في الحالتين مختلفة. وهكذا تم الكشف عن السيد كمخادع، وتم إثراء العلم باكتشاف رائع.

ومعلوم من التاريخ أن مشكلة التاج الذهبي دفعت أرخميدس إلى دراسة مسألة طفو الأجساد. تم وصف التجارب التي أجراها أرخميدس في مقال "عن الأجسام العائمة" الذي وصل إلينا. الجملة السابعة (النظرية) من هذا العمل صاغها أرخميدس على النحو التالي: الأجسام الأثقل من السائل المغمورة في هذا السائل ستغرق حتى تصل إلى القاع ذاته، وفي السائل تصبح أخف وزنا بوزن السائل. في حجم يساوي حجم الجسم المغمور.

ومن المثير للاهتمام أن قوة أرخميدس تكون صفرًا عندما يتم ضغط الجسم المغمور في سائل بقوة إلى الأسفل بقاعدته بأكملها.

يعد اكتشاف القانون الأساسي للهيدروستاتيكا أعظم إنجاز للعلم القديم.

2. صياغة وشرح قانون أرخميدس

يصف قانون أرخميدس تأثير السوائل والغازات على الجسم المغمور فيها، وهو أحد القوانين الرئيسية في علم الهيدروستاتيكا واستاتيكا الغاز.

تمت صياغة قانون أرخميدس على النحو التالي: تؤثر على الجسم المغمور في سائل (أو غاز) قوة طفو تساوي وزن السائل (أو الغاز) في حجم الجزء المغمور من الجسم - هذه القوة هي مُسَمًّى بقوة أرخميدس:

,

حيث كثافة السائل (الغاز)، هي تسارع الجاذبية، هي حجم الجزء المغمور من الجسم (أو الجزء من حجم الجسم الموجود أسفل السطح).

وبالتالي فإن قوة أرخميدس تعتمد فقط على كثافة السائل الذي يغمر فيه الجسم وعلى حجم هذا الجسم. ولكنها لا تعتمد، على سبيل المثال، على كثافة مادة جسم مغمور في سائل، لأن هذه الكمية لا تدخل في الصيغة الناتجة.

وتجدر الإشارة إلى أن الجسم يجب أن يكون محاطًا بالكامل بالسائل (أو يتقاطع مع سطح السائل). لذلك، على سبيل المثال، لا يمكن تطبيق قانون أرخميدس على المكعب الذي يقع في قاع الخزان، ويلامس القاع بإحكام.

3. تعريف قوة أرخميدس

يمكن تحديد القوة التي يدفع بها الجسم الموجود في السائل تجريبيًا باستخدام هذا الجهاز:

نعلق دلوًا صغيرًا وجسمًا أسطوانيًا على زنبرك مثبت على حامل ثلاثي القوائم. نحدد امتداد الزنبرك بسهم على حامل ثلاثي القوائم، يوضح وزن الجسم في الهواء. بعد رفع الجسم نضع تحته كوبًا به أنبوب تصريف مملوء بالسائل إلى مستوى أنبوب الصرف. وبعد ذلك يتم غمر الجسم بالكامل في السائل. في هذه الحالة، يتم سكب جزء من السائل، الذي يساوي حجمه حجم الجسم، من وعاء الصب في الزجاج. يرتفع مؤشر الزنبرك، وينقبض الزنبرك، مما يدل على انخفاض وزن الجسم في السائل. في هذه الحالة، إلى جانب قوة الجاذبية، تتأثر الجسم أيضًا بقوة تدفعه خارج السائل. إذا تم سكب سائل من الزجاج في الدلو (أي السائل الذي أزاحه الجسم)، فسيعود مؤشر الزنبرك إلى موضعه الأولي.

بناءً على هذه التجربة، يمكننا أن نستنتج أن القوة التي تدفع الجسم المغمور تمامًا في سائل تساوي وزن السائل في حجم هذا الجسم. إن اعتماد الضغط في السائل (الغاز) على عمق غمر الجسم يؤدي إلى ظهور قوة الطفو (قوة أرخميدس) المؤثرة على أي جسم مغمور في سائل أو غاز. عندما يغوص الجسم فإنه يتحرك إلى الأسفل تحت تأثير الجاذبية. إن قوة أرخميدس موجهة دائمًا عكس قوة الجاذبية، وبالتالي فإن وزن الجسم في السائل أو الغاز يكون دائمًا أقل من وزن هذا الجسم في الفراغ.

تؤكد هذه التجربة أن قوة أرخميدس تساوي وزن السائل في حجم الجسم.

4. حالة الأجسام العائمة

الجسم الموجود داخل السائل تتأثر بقوتين: قوة الجاذبية الموجهة رأسيًا إلى الأسفل، والقوة الأرخيمدية الموجهة رأسيًا إلى الأعلى. دعونا نفكر فيما سيحدث للجسم تحت تأثير هذه القوى إذا كان بلا حراك في البداية.

في هذه الحالة هناك ثلاث حالات ممكنة:

1) إذا كانت قوة الجاذبية أكبر من قوة أرخميدس فإن الجسم ينزل إلى الأسفل أي يغرق:

فيغرق الجسد؛

2) إذا كان معامل الجاذبية مساويا لمعامل قوة أرخميدس فإن الجسم يمكن أن يكون في حالة توازن داخل السائل عند أي عمق:

، ثم يطفو الجسم؛

3) إذا كانت قوة أرخميدس أكبر من قوة الجاذبية فإن الجسم سوف يرتفع من السائل – يطفو:

، ثم يطفو الجسم.

إذا برز جسم عائم جزئيًا فوق سطح السائل، فإن حجم الجزء المغمور من الجسم الطافي يكون بحيث يكون وزن السائل النازح مساويًا لوزن الجسم الطافي.

تكون قوة أرخميدس أكبر من الجاذبية إذا كانت كثافة السائل أكبر من كثافة الجسم المغمور في السائل، إذا

1) = — الجسم يطفو في سائل أو غاز، 2) > — الجسد يغرق، 3) < — тело всплывает до тех пор, пока не начнет плавать.

إن مبادئ العلاقة بين الجاذبية وقوة أرخميدس هي التي تُستخدم في الشحن. ومع ذلك، فإن السفن النهرية والبحرية الضخمة المصنوعة من الفولاذ، والتي تبلغ كثافتها ما يقرب من 8 مرات أكبر من كثافة الماء، تطفو على الماء. ويفسر ذلك حقيقة أن هيكل السفينة الرفيع نسبيًا فقط مصنوع من الفولاذ، وأن معظم حجمه يشغله الهواء. تبين أن متوسط ​​\u200b\u200bكثافة السفينة في هذه الحالة أقل بكثير من كثافة الماء؛ لذلك، فهي لا تغرق فحسب، بل يمكنها أيضًا قبول كمية كبيرة من البضائع للنقل. السفن التي تبحر في الأنهار والبحيرات والبحار والمحيطات مبنية من مواد مختلفة بكثافات مختلفة. عادة ما يكون هيكل السفينة مصنوعًا من صفائح الفولاذ. جميع المثبتات الداخلية التي تمنح السفن القوة تكون أيضًا مصنوعة من المعدن. لبناء السفن، يتم استخدام مواد مختلفة، ذات كثافة أعلى وأقل مقارنة بالمياه. إن وزن الماء المزاح بواسطة الجزء تحت الماء من السفينة يساوي وزن السفينة مع الحمولة في الهواء أو قوة الجاذبية المؤثرة على السفينة مع الحمولة.

بالنسبة للملاحة الجوية، تم استخدام البالونات لأول مرة، والتي كانت مملوءة سابقًا بالهواء الساخن، والآن بالهيدروجين أو الهيليوم. لكي ترتفع الكرة في الهواء، من الضروري أن تكون قوة أرخميدس (الطفو) المؤثرة على الكرة أكبر من قوة الجاذبية.

5. إجراء التجربة

التحقق من سلوك البيضة النيئة في أنواع مختلفة من السوائل.

الهدف: إثبات أن قيمة قوة الطفو تعتمد على كثافة السائل.

تناولت بيضة نيئة واحدة وأنواعًا مختلفة من السوائل (الملحق 1):

الماء نظيف.

الماء المشبع بالملح؛

زيت عباد الشمس.

أولاً، قمت بإنزال البيضة النيئة في الماء النظيف - غرقت البيضة - "غرقت في القاع" (الملحق 2). ثم أضفت ملعقة كبيرة من ملح الطعام إلى كوب من الماء النظيف، ونتيجة لذلك تطفو البيضة (الملحق 3). وأخيرًا، أنزلت البيضة في كوب به زيت عباد الشمس - غرقت البيضة في القاع (الملحق 4).

الخلاصة: في الحالة الأولى كثافة البيضة أكبر من كثافة الماء وبالتالي غرقت البيضة. وفي الحالة الثانية تكون كثافة الماء المالح أكبر من كثافة البيضة، فتطفو البيضة في السائل. وفي الحالة الثالثة تكون كثافة البيضة أيضًا أكبر من كثافة زيت دوار الشمس، فغرقت البيضة. ولذلك، كلما زادت كثافة السائل، قلت قوة الجاذبية.

2. عمل قوة أرخميدس على جسم الإنسان في الماء.

تحديد كثافة جسم الإنسان بشكل تجريبي، ومقارنتها بكثافة المياه العذبة ومياه البحر، واستخلاص استنتاج حول القدرة الأساسية للإنسان على السباحة؛

احسب وزن شخص في الهواء والقوة الأرخميدية المؤثرة على شخص في الماء.

أولاً، قمت بقياس وزن جسدي باستخدام الميزان. ثم قام بقياس حجم الجسم (دون حجم الرأس). للقيام بذلك، سكبت ما يكفي من الماء في الحمام بحيث عندما غمرت نفسي في الماء، كنت مغمورًا بالكامل (باستثناء رأسي). بعد ذلك، باستخدام شريط سنتيمتر، حددت المسافة من الحافة العلوية لحوض الاستحمام إلى مستوى الماء ℓ 1، ثم عند الانغماس في الماء ℓ 2. بعد ذلك، باستخدام وعاء سعة ثلاثة لترات، بدأت في صب الماء في الحمام من المستوى ℓ 1 إلى المستوى ℓ 2 - هكذا قمت بقياس حجم الماء الذي قمت بإزاحته (الملحق 5). لقد حسبت الكثافة باستخدام الصيغة:

تم حساب قوة الجاذبية المؤثرة على جسم في الهواء بالصيغة: حيث تسارع السقوط الحر ≈ 10. تم حساب قيمة قوة الطفو باستخدام الصيغة الموضحة في الفقرة 2.

الخلاصة: جسم الإنسان أكثر كثافة من الماء العذب، مما يعني أنه يغرق فيه. ومن الأسهل على الإنسان السباحة في البحر منه في النهر، لأن كثافة مياه البحر أكبر، وبالتالي تكون قوة الطفو أكبر.

خاتمة

في عملية العمل على هذا الموضوع، تعلمنا الكثير من الأشياء الجديدة والمثيرة للاهتمام. لقد اتسع نطاق معرفتنا ليس فقط في مجال عمل قوة أرخميدس، ولكن أيضًا في تطبيقها في الحياة. قبل البدء في العمل، كانت لدينا فكرة بعيدة كل البعد عن التفاصيل حول هذا الموضوع. خلال التجارب تأكدنا تجريبياً من صحة قانون أرخميدس، وتبين لنا أن قوة الطفو تعتمد على حجم الجسم وكثافة السائل، فكلما زادت كثافة السائل، زادت قوة أرخميدس؛ وتعتمد القوة الناتجة، التي تحدد سلوك الجسم في السائل، على كتلة الجسم وحجمه وكثافة السائل.

بالإضافة إلى التجارب التي تم إجراؤها، تمت دراسة مؤلفات إضافية حول اكتشاف قوة أرخميدس، وعن طفو الأجسام، والملاحة الجوية.

يمكن لكل واحد منكم تحقيق اكتشافات مذهلة، ولهذا لا تحتاج إلى أي معرفة خاصة أو معدات قوية. نحتاج فقط إلى النظر بعناية أكبر إلى العالم من حولنا، وأن نكون أكثر استقلالية في أحكامنا، ولن تجعلك الاكتشافات تنتظر. إن إحجام معظم الناس عن استكشاف العالم من حولهم يترك مجالًا واسعًا للفضوليين في أكثر الأماكن غير المتوقعة.

مراجع

1. كتاب التجارب الكبير لأطفال المدارس - م: روزمان، 2009. - 264 ص.

2. ويكيبيديا: https://ru.wikipedia.org/wiki/Archimedes_Law.

3. بيرلمان يا. الفيزياء مسلية. - الكتاب 1. - ايكاترينبرج.: أطروحة، 1994.

4. بيرلمان يا. الفيزياء مسلية. - الكتاب 2. - ييكاتيرينبرج.: أطروحة، 1994.

5. بيريشكين أ.ف. الفيزياء: الصف السابع: كتاب مدرسي للمؤسسات التعليمية / أ.ف. بيريشكين. - الطبعة السادسة عشرة، الصورة النمطية. - م: حبارى، 2013. - 192 ص: مريض.

الملحق 1

الملحق 2

الملحق 3

الملحق 4

قانون أرخميدس- قانون استاتيكا السوائل والغازات، والذي بموجبه تتأثر الجسم المغمور في سائل (أو غاز) بقوة طفو تساوي وزن السائل في حجم الجسم.

إن حقيقة أن قوة معينة تعمل على جسم مغمور في الماء معروفة للجميع: يبدو أن الأجسام الثقيلة تصبح أخف وزناً - على سبيل المثال، جسمنا عندما نغطس في الحمام. عند السباحة في النهر أو في البحر، يمكنك بسهولة رفع وتحريك الحجارة الثقيلة للغاية على طول الجزء السفلي - تلك التي لا يمكننا رفعها على الأرض؛ يتم ملاحظة نفس الظاهرة عندما يتم غسل الحوت على الشاطئ لسبب ما - لا يستطيع الحيوان التحرك خارج البيئة المائية - ويتجاوز وزنه قدرات نظامه العضلي. وفي الوقت نفسه، تقاوم الأجسام خفيفة الوزن الغمر في الماء: فإغراق كرة بحجم ثمرة بطيخة صغيرة يتطلب القوة والبراعة؛ على الأرجح لن يكون من الممكن غمر كرة يبلغ قطرها نصف متر. من الواضح بديهيًا أن إجابة السؤال - لماذا يطفو جسم (ويغوص جسم آخر) ترتبط ارتباطًا وثيقًا بتأثير السائل على الجسم المغمور فيه؛ لا يمكن للمرء أن يكون راضيًا عن الإجابة بأن الأجسام الخفيفة تطفو والأجسام الثقيلة تغرق: لوحة فولاذية، بالطبع، ستغرق في الماء، ولكن إذا قمت بإخراج صندوق منها، فيمكنها أن تطفو؛ لكن وزنها لم يتغير. لفهم طبيعة القوة المؤثرة على جسم مغمور من جانب السائل، يكفي أن نأخذ مثالاً بسيطًا (الشكل 1).

مكعب ذو حافة أمغمورة في الماء، وكل من الماء والمكعب لا يتحركان. من المعروف أن الضغط في السائل الثقيل يزداد بما يتناسب مع العمق - ومن الواضح أن العمود الأعلى من السائل يضغط بقوة أكبر على القاعدة. ومن الأقل وضوحًا (أو ليس واضحًا على الإطلاق) أن هذا الضغط لا يؤثر فقط للأسفل، بل أيضًا للجانب وللأعلى بنفس الشدة - وهذا هو قانون باسكال.

إذا نظرنا إلى القوى المؤثرة على المكعب (الشكل 1)، فبسبب التماثل الواضح، تكون القوى المؤثرة على الوجوه الجانبية متساوية وموجهة بشكل معاكس - فهي تحاول ضغط المكعب، لكنها لا تستطيع التأثير على توازنه أو حركته . لا تزال هناك قوى تؤثر على الوجوه العلوية والسفلية. يترك ح- عمق غمر الوجه العلوي، ص- كثافة السوائل، ز– تسارع الجاذبية. فإن الضغط على الوجه العلوي يساوي

ص· ز · ح = ص 1

وفي الأسفل

ص· ز(ح + أ)= ص 2

قوة الضغط تساوي الضغط مضروبا في المساحة، أي.

ف 1 = ص 1 · أ\up122، ف 2 = ص 2 · أ\up122 ، أين أ- حافة المكعب،

والقوة ف 1 يتم توجيهه إلى الأسفل والقوة ف 2 – فوق . وبالتالي، يتم تقليل عمل السائل على المكعب إلى قوتين - ف 1 و ف 2ـ ويتحدد باختلافهما وهو قوة الطفو:

ف 2 – ف 1 =ص· ز· ( ح + أ)أ\up122 – ص غا· أ 2 = بيغا 2

القوة طافية، نظرًا لأن الحافة السفلية تقع بشكل طبيعي أسفل الحافة العلوية، والقوة المؤثرة للأعلى أكبر من القوة المؤثرة للأسفل. ضخامة ف 2 – ف 1 = بيغا 3 يساوي حجم الجسم (المكعب) أ 3 مضروبة في وزن سنتيمتر مكعب واحد من السائل (إذا أخذنا 1 سم كوحدة طول). بمعنى آخر، قوة الطفو، والتي تسمى غالبًا قوة أرخميدس، تساوي وزن السائل في حجم الجسم وتتجه نحو الأعلى. وقد وضع هذا القانون العالم اليوناني القديم أرخميدس، وهو أحد أعظم علماء الأرض.

إذا كان جسم ذو شكل عشوائي (الشكل 2) يشغل حجمًا داخل السائل Vفإن تأثير السائل على الجسم يتحدد كليا من خلال الضغط الموزع على سطح الجسم، ونلاحظ أن هذا الضغط مستقل تماما عن مادة الجسم - ("السائل لا يهمه ماذا يريد" اضغط على ").

لتحديد قوة الضغط الناتجة على سطح الجسم، تحتاج إلى إزالة عقليا من وحدة التخزين Vجسم معين واملأ (عقليًا) هذا الحجم بنفس السائل. من ناحية، يوجد وعاء به سائل في حالة سكون، ومن ناحية أخرى، يوجد داخل الحجم V- جسم يتكون من سائل معين، وهذا الجسم في حالة توازن تحت تأثير وزنه (السائل ثقيل) وضغط السائل على سطح الحجم V. حيث أن وزن السائل في حجم الجسم يساوي pgVويتم موازنته بقوى الضغط المحصلة، فإن قيمته تساوي وزن السائل في الحجم V، أي. pgV.

بعد إجراء الاستبدال العكسي عقليًا - وضعه في الحجم Vالجسم المعطى مع ملاحظة أن هذا الاستبدال لن يؤثر على توزيع قوى الضغط على سطح الحجم Vيمكننا أن نستنتج أن الجسم المغمور في سائل ثقيل في حالة السكون تؤثر عليه قوة لأعلى (قوة أرخميدس) تساوي وزن السائل في حجم الجسم المعطى.

وبالمثل، يمكن إثبات أنه إذا غمر جسم جزئيًا في سائل، فإن قوة أرخميدس تساوي وزن السائل في حجم الجزء المغمور من الجسم. فإذا كانت قوة أرخميدس في هذه الحالة مساوية للوزن، فإن الجسم يطفو على سطح السائل. من الواضح أنه إذا كانت قوة أرخميدس أقل من وزن الجسم أثناء الغمر الكامل، فسوف يغرق. قدم أرخميدس مفهوم "الثقل النوعي" ز، أي. الوزن لكل وحدة حجم المادة: ز = ص; إذا افترضنا أن للمياه ز= 1، ثم جسم صلب من المادة ز> 1 سوف يغرق، ومتى ز < 1 будет плавать на поверхности; при ز= 1 يستطيع الجسم أن يطفو (يحوم) داخل السائل. وفي الختام نلاحظ أن قانون أرخميدس يصف سلوك المناطيد في الهواء (في حالة السكون بسرعات منخفضة).

فلاديمير كوزنتسوف

قوة الطفو المؤثرة على جسم مغمور في سائل تساوي وزن السائل المزاح به.

"يوريكا!" ("تم العثور عليه!") - هذه هي علامة التعجب، وفقًا للأسطورة، التي أدلى بها العالم والفيلسوف اليوناني القديم أرخميدس، الذي اكتشف مبدأ القمع. تقول الأسطورة أن الملك السيراقوسي هيرون الثاني طلب من المفكر تحديد ما إذا كان تاجه مصنوعًا من الذهب الخالص دون الإضرار بالتاج الملكي نفسه. لم يكن من الصعب وزن تاج أرخميدس، لكن هذا لم يكن كافيًا - كان من الضروري تحديد حجم التاج من أجل حساب كثافة المعدن الذي تم صبه منه وتحديد ما إذا كان ذهبًا خالصًا.

بعد ذلك، وفقًا للأسطورة، انشغل أرخميدس بأفكار حول كيفية تحديد حجم التاج، وانغمس في الحمام - ولاحظ فجأة أن مستوى الماء في الحمام قد ارتفع. وبعد ذلك أدرك العالم أن حجم جسده يزيح حجمًا مساويًا من الماء، وبالتالي فإن التاج، إذا تم إنزاله في حوض مملوء حتى حافته، سوف يزيح حجمًا من الماء يساوي حجمه. تم العثور على حل للمشكلة، ووفقًا للنسخة الأكثر شيوعًا من الأسطورة، ركض العالم لإبلاغ القصر الملكي بانتصاره، دون أن يكلف نفسه عناء ارتداء ملابسه.

ومع ذلك، ما هو صحيح هو صحيح: أرخميدس هو الذي اكتشف مبدأ الطفو. إذا غمر جسم صلب في سائل فإنه يزيح حجماً من السائل يساوي حجم الجزء المغمور في السائل من الجسم. إن الضغط الذي كان يعمل سابقًا على السائل المزاح سيؤثر الآن على الجسم الصلب الذي أزاحه. وإذا تبين أن قوة الطفو المؤثرة عموديًا إلى الأعلى أكبر من قوة الجاذبية التي تسحب الجسم عموديًا إلى الأسفل، فسوف يطفو الجسم؛ وإلا فإنه سوف يغرق (يغرق). وفي اللغة الحديثة، يطفو الجسم إذا كان متوسط ​​كثافته أقل من كثافة السائل الذي يغطس فيه.

يمكن تفسير مبدأ أرخميدس من حيث النظرية الحركية الجزيئية. في السائل الساكن، ينشأ الضغط نتيجة اصطدام الجزيئات المتحركة. عندما يتم إزاحة حجم معين من السائل بواسطة جسم صلب، فإن الدفع الصاعد لاصطدامات الجزيئات لن يقع على جزيئات السائل التي يزيحها الجسم، بل على الجسم نفسه، وهو ما يفسر الضغط الذي يمارس عليه من الأسفل ويدفعه نحو سطح السائل. إذا كان الجسم مغموراً تماماً في السائل، فإن قوة الطفو سوف تستمر في التأثير عليه، حيث أن الضغط يزداد مع زيادة العمق، ويتعرض الجزء السفلي من الجسم لضغط أكبر من الجزء العلوي، حيث قوة الطفو ينشأ. هذا هو تفسير قوة الطفو على المستوى الجزيئي.

يفسر نمط الدفع هذا سبب بقاء السفينة المصنوعة من الفولاذ، وهو أكثر كثافة من الماء، طافية على قدميه. والحقيقة هي أن حجم الماء الذي تزيحه السفينة يساوي حجم الفولاذ المغمور في الماء بالإضافة إلى حجم الهواء الموجود داخل هيكل السفينة تحت خط الماء. إذا قمنا بحساب متوسط ​​كثافة هيكل الهيكل والهواء بداخله، يتبين أن كثافة السفينة (كجسم مادي) أقل من كثافة الماء، وبالتالي قوة الطفو المؤثرة عليها نتيجة لذلك تبين أن النبضات الصاعدة من تأثير جزيئات الماء أعلى من قوة جاذبية الأرض، مما يسحب السفينة نحو القاع - وتطفو السفينة.