ОСАДКА КОРАБЛЯ
Спробуйте вирізати із товстої соснової кори кораблик. Дно його треба забезпечити кілем із залізної платівки. Пустіть кораблик на воду і по межі його занурення проведіть межу (масляною червоною фарбою). Зробивши розчин солі, налийте цей розчин у глибокий таз та знову пустіть у нього плавати кораблик. Глибину його занурення у солоній воді треба знову відзначити рисою, тільки іншого кольору (білої, блакитної). Як пояснити різну глибину занурення кораблика у першому та другому випадку?
ЧИ ПЛАВАЄ ЯЙЦЕ?
Опустити свіже сире яйце в банку з водою. Яйце потоне. У воду підсипте солі, трохи помішуючи, яйце не чіпати. У міру того, як солоність води збільшується, яйце починає спливати, а при насиченому розчині солі яйце спливе на поверхню води.
ПРОБКА В ПЛЯШЦІ
Якщо в пляшку з водою помістити невелику пробку і спробувати цю пробку потім вилити з водою з пляшки, то це не завжди вдається.
Щоразу коли виливає вода, пробка прибивається на дно пляшки. І лише з останньою порцією води можна вилити і пробку із пляшки.
Спробуйте перевірити це на досвіді та пояснити!
Водяний підсвічник
Киньте у воду стеаринову свічку. Вона плаватиме, лежачи на боці. Так свічку не запалиш. Треба нижній кінець обтяжити цвяхом. Тільки не намагайтеся встромити цей цвях силою: стеарин розкришиться. Цвях треба нагріти, тоді він увійде, як у масло, і добре триматиметься.
Підберіть такий цвях, щоб майже вся свічка поринула у воду. Тільки гніт і самий краєчок стеарину повинні залишитися над поверхнею. Склянка з водою, в якій плаває ця свічка, виявиться непоганим свічником. Засвітіть гніт, і свічка горітиме досить довго.
Але чому? І як довго горітиме свічка?
Адже вона ось-ось догорить до води і згасне?
Але це не відбувається. Вода охолоджує стеарин ззовні. Тому краї свічки тануть повільніше і навколо гніт утворюється глибока вирва. Свічка перетвориться на стеариновий кораблик, вона поступово спливатиме. І хоча стеарина залишається все менше, навіть маленький недогар, обтяжений цвяхом, не піде на дно. Свічка вигорить майже до кінця.
Як пояснити це явище?
У процесі горіння поступово зменшується сила тяжкості свічки. Для її рівноваги сила, що виштовхує, повинна зменшуватися, а це можливо тільки з підйомом свічки.
До речі, наш свічник має одну важливу перевагу. Свічка, що догоріла, ніколи не наробить пожежі: гніт буде погашений водою.
ТОНЕТ АБО ПЛАВАЄ
Візьміть маленьку скляну бульбашку з-під ліків і наберіть в неї стільки води, щоб сила тяжіння бульбашки разом з водою в ньому була трохи більше сили, що виштовхує. У високу склянку з водою опустіть пляшечку вгору дном, він потоне. Нагрійте склянку.
Чому через деякий час бульбашка піднімається вгору?
При нагріванні тиск повітря в бульбашці збільшується і частина води з нього витікає. Загальна сила тяжіння бульбашки з водою стає менше сили, що виштовхує, і бульбашка спливає.
СПЕЦІАЛЬНО ДЛЯ ТОНУЧИХ
Часто можна спостерігати, як людина, що тоне, волаючи про допомогу, піднімає руки з води.
Чи правильно він чинить?
Виявляється, ні. У цьому можна переконатись на досвіді. Для досвіду візьміть пробірку із пробкою. У пробку вставте дріт, на кінцях якого зміцніть дві дерев'яні палички - сірники. У пробірку підлийте води або насипте дроби або покладіть шматочок пластиліну.
Дві палички та пробка зображують відповідно руки та голову людини. Якщо підняти палички вгору, то при опусканні пробірки у воду пробка опиниться під водою (А). Відігніть палички вниз. Якщо зараз опустити пробірку у воду, пробка виявляється над водою (Б).
Як поясните явище, що спостерігається?
Вказана пробірка поводиться, як тіло, що плаває на поверхні води. Її сила тяжкості врівноважується архімедовою силою, що дорівнює силі тяжкості води, витісненої пробіркою. Причому частина обсягу пробірки знаходиться над водою. У першому випадку він дорівнює обсягу паличок, що знаходяться над водою, у другому він обумовлений частиною пробки.
ДОСВІД ІЗ СІРКАМИ
Декілька сірників потримайте у воді добу. Потім опустіть їх у пляшку, до країв наповнену водою. Візьміть пластмасову пробку у вигляді наперстка, надягніть її на вказівний палець. Закрийте пробкою шийку пляшки і робіть через пробку на воду тиск. Зі збільшенням тиску сірники тонуть, зі зменшенням – спливають. Змінюючи тиск можна змусити їх плавати у воді на будь-якій глибині.
Як це пояснити?
Явище пояснюється законом Паскаля та архімедовою силою. Усередині сірників є бульбашки повітря. При збільшенні тиску бульбашки зменшуються. Загальна сила тяжкості сірників з водою стає більше сили, що виштовхує, і вони тонуть. При зменшенні тиску бульбашки збільшуються обсягом. Загальна сила тяжкості сірників з водою стає менше сили, що виштовхує, і вони спливають.
«ДИВИЛЬНЕ ЯЙЦЕ»
Опустіть яйце у скляну посудину, наполовину заповнену рідиною. Воно плаває на поверхні.
А що буде з яйцем, якщо підлити в посуд воду?
Зазвичай відповідають, що яйце спливе. Обережно підливайте воду через воронку по стінці судини, поки вона не наповниться. Яйце, на превеликий подив глядачів, залишається на старому рівні (висоті).
Чому?
Спочатку в посудину налили водний розчин кухонної солі, на поверхні якого яйце плавало. Потім підливали воду, щільність якої менша за щільність яйця. Цей досвід можна провести і з картоплею.
ЧИ ТОНЕ ТАРЕЛКА?
Візьміть блюдце і опустіть його на воду рубом, воно тоне. Якщо блюдце опустите на воду дном, воно плаває на поверхні.
Чому?
Порцеляна або фаянс має більшу щільність, ніж вода, тому при опусканні блюдця рубом воно тоне.
При опусканні блюдця дном на воду воно занурюється у воду на таку глибину, при якій об'єм витісненої води за силою тяжіння дорівнює силі блюда, що відповідає умові плавання тіл на поверхні води.
ЗАГАДКА ВАГ
Покладіть на стіл круглий олівець, закріпіть його з двох кінців липкою стрічкою. Налийте в дві склянки приблизно однакову кількість води, покладіть упоперек олівця лінійку (краще дерев'яну, щоб не гнулась) і поставте склянки з водою на кінці цієї лінійки. Трохи посувайте лінійку або склянки, але досягніть, щоб вся система була в рівновазі і жодна зі склянок не стосувалася б столу. Вийшли врівноважені ваги.
Тепер дайте відповідь на таке запитання: якщо сунути палець в одну зі склянок, не торкаючись його стінок, то яка зі склянок переважить?
Чи, може, нічого не зміниться?
Чому?
А тепер перевірте свою відповідь. Так-так, суньте палець у воду, тільки стін не торкайтеся.
І останнє питання: а що, якщо засунути у воду копію вашого пальця із пластиліну? А з дерева? А зі свинцю?
Якщо всунути палець у склянку, видно, що витіснена ним вода підніметься вище за колишній рівень. Значить, якби ця витіснена вода просто вилилася зі склянки, вага її (з пальцем, що заповнює об'єм витісненої води) не змінилася б. Але витіснена пальцем вода, як і раніше, тут, у склянці, а значить, склянка ця важить більше, ніж інша, причому рівно на вагу об'єму витісненої води. І зовсім неважливо, витіснили ми цей обсяг своїм пальцем, його копією з пластиліну або з дерева або свинцю.
Джерела: Л.А. Горєв "Цікаві досліди з фізики"; Ф. Рабіза "Досліди без приладів"
ДОСВІТИ на тему «Архімедова сила»
Наука – це чудово, цікаво та весело. Але в чудеса зі слів віриться погано, їх треба доторкнутися власними руками. Є досвід – цікавий!
І, якщо ти уважний,
Умом самостійний
І з фізикою на «ти»
То досвід цікавий -
Веселий, захоплюючий
Тобі відкриє таємниці
І нові мрії!
1) Жива та мертва вода
Поставте на стіл літрову скляну банку, заповнену на 2/3 водою, і дві склянки з рідинами: одна з написом «жива вода», інша - з написом «мертва». Опустіть у банку бульбу картоплі (або сире яйце). Він тоне. Долийте в банку "живу" воду - бульба спливе, додайте "мертву" - він знову втопиться. Підливаючи то одну, то іншу рідину, можна отримати розчин, в якому бульба не спливатиме на поверхню, але і до дна не піде.
Секрет досвіду в тому, що в першому стаканчику – насичений розчин кухонної солі, у другому – звичайна вода. (Рада: перед демонстрацією картоплю краще очистити, а в банку налити слабкий розчин солі, щоб навіть незначне збільшення її концентрації викликало ефект).
2) Картезіанський водолаз із піпетки
Наповніть піпетку водою так, щоб вона плавала вертикально практично повністю занурившись у воду. Опустіть піпетку - водолаза в прозору пластикову пляшку, наповнену доверху водою. Герметично закрийте кришку пляшки. При натисканні на стінки судини водолаз почне заповнюватися водою. Змінюючи тиск, досягайте, щоб водолаз виконував ваші команди: «Вниз!», «Вгору!» та «Стоп!» (Зупинка на будь-якій глибині).
3) Непередбачувана картопля
(Досвід можна провести з яйцем). Опустіть бульбу картоплі у скляну посудину, наполовину заповнену водним розчином кухонної солі. Він плаває на поверхні.
Що буде з картоплею, якщо підлити в посудину води? Зазвичай відповідають, що картопля спливе. Обережно підливайте воду (її щільність менше щільності розчину і яйця) через воронку по стінці судини, поки він не наповниться. Картопля, на подив глядачів, залишається на колишньому рівні.
4) персик, що обертається
Налийте у склянку газованої води. Діоксид вуглецю, розчинений у рідині під тиском, почне виходити із неї. Покладіть у склянку персик. Він відразу спливе на поверхню і почне обертатися, як колесо. Поводитися таким чином він буде досить довго.
Щоб зрозуміти причину цього обертання, придивіться, що відбувається. Зверніть увагу на бархатисту шкірку фрукта, до волосків якої прилипатимуть бульбашки газу. Так як на одній половинці персика завжди буде більше бульбашок, то на неї діє велика сила, що виштовхує, і вона повертається вгору.
5) Сила Архімеда в сипучій речовині
На виставі «Спадщина Архімеда» жителі Сіракуз змагалися у «діставанні з дна морської перлини». Аналогічну, але просту демонстрацію можна повторити, використовуючи невелику скляну банку з пшоном (рисом). Покладіть туди тенісну кульку (або коркову пробку) і закрийте кришкою. Переверніть банку так, щоб кулька опинилась у її нижній частині під пшоном. Якщо створити легку вібрацію (легенько потрясти банку вгору-вниз), то сила тертя між зернятками пшона зменшиться, вони стануть рухливими і кулька через деякий час під дією сили Архімеда випливе на поверхню.
6) Пакет полетів без крил
Поставте свічку, запаліть її, потримайте над нею пакет, повітря в пакеті нагріється,
Відпустивши пакет, переконайтеся, як під дією сили Архімеда пакет полетить нагору.
7) Різні плавці по-різному плавають
Налийте в посудину води та олії. Опустіть гайку, пробку та шматочки льоду. Гайка опиниться на дні, пробка на поверхні олії, лід опиниться на поверхні води під шаром олії.
Це пояснюється умовами плавання тіл:
сила Архімеда більша за силу тяжкості пробки - пробка плаває на поверхні,
сила Архімеда менша за силу тяжіння, що діє на гайку - гайка тоне
сила Архімеда, що діє на шматок льоду більше сили тяжкості льоду - пробка плаває на поверхні води, але так як щільність масла менше щільності води, і менше щільності льоду - масло залишиться на поверхні над льодом і водою
8) Досвід, що підтверджує закон
До пружини підвішіть відерце та циліндр. Об'єм циліндра дорівнює внутрішньому об'єму відерця. Розтяг пружини зазначено покажчиком. Цілком занурюйте циліндр у відливну посудину з водою. Вода виливається у склянку.
Об'єм води, що вилилася, дорівнюєоб'єму зануреного у воду тіла. Вказівник пружини відзначає зменшення ваги циліндра у воді, спричинене дієюввиштовхуючої сили.
Виливайте у цебро воду зі склянки і побачите, що покажчик пружини повертається до початкового положення. Отже, під впливом архімедової сили пружина скоротилася, а під впливом ваги витісненої води повернулася у початкове становище. Архімедова сила дорівнює вазі рідини, витісненої тілом.
9) Зникла рівновага
Зробіть паперовий циліндр, підвісимо нагору дном на важіль і врівноважимо.
Піднесемо спиртування під циліндр. Під дією тепла рівновага порушується, судина піднімається нагору. Оскільки сила Архімеда зростає.
Такіоболонки, наповнені теплим газом або гарячим повітрям називають повітряними кулями та застосовують для повітроплавання.
ВИСНОВОК
Зробивши досліди, ми переконалися, що на тіла, занурені в рідини, гази і навіть сипучі речовини діє сила Архімеда, спрямована вертикально вгору. Архімедова сила залежить від форми тіла, глибини його занурення, щільності тіла та її маси. Сила Архімеда дорівнює вазі рідини в обсязі зануреної частини тіла.
Текст роботи розміщено без зображень та формул.
Повна версія роботи доступна у вкладці "Файли роботи" у форматі PDF
Вступ
Актуальність:Якщо уважно придивитися до навколишнього світу, можна відкрити для себе безліч подій, що відбуваються навколо. З давніх-давен людини оточує вода. Коли ми плаваємо в ній, наше тіло виштовхує на поверхню якісь сили. Я давно запитую себе: «Чому тіла плавають чи тонуть? Вода виштовхує предмети?
Моя дослідницька робота спрямована на те, щоб поглибити отримані на уроці знання про архімедову силу. Відповіді на питання, що цікавлять мене, використовуючи життєвий досвід, спостереження за навколишньою дійсністю, провести власні експерименти і пояснити їх результати, які дозволять розширити знання з цієї теми. Усі науки пов'язані між собою. А загальний об'єкт вивчення всіх наук – це людина «плюс» природа. Я впевнений, що дослідження дії архімедової сили сьогодні є актуальним.
Гіпотеза:Я припускаю, що в домашніх умовах можна розрахувати величину сили, що виштовхує, діє на занурене в рідину тіло і визначити чи залежить вона від властивостей рідини, об'єму і форми тіла.
Об'єкт дослідження:Виштовхує сила в рідинах.
Завдання:
Вивчити історію відкриття архімедової сили;
Вивчити навчальну літературу щодо дії архімедової сили;
Виробити навички проведення самостійного експерименту;
Довести, що значення сили, що виштовхує, залежить від щільності рідини.
Методи дослідження:
Дослідницькі;
Розрахункові;
Інформаційний пошук;
Спостережень
1. Відкриття сили Архімеда
Існує знаменита легенда про те, як Архімед біг вулицею та кричав «Еврика!» Це якраз розповідає про відкриття ним те, що сила води, що виштовхує, дорівнює по модулю ваги витісненої ним води, об'єм якої дорівнює об'єму зануреного в неї тіла. Це відкриття названо законом Архімеда.
У III столітті до нашої ери жив Гієрон - цар давньогрецького міста Сіракузи і захотів зробити собі нову корону з чистого золота. Відміряв його строго, скільки потрібно, і дав ювеліру замовлення. Через місяць майстер повернув золото у вигляді корони і важила вона стільки, скільки й маса золота. Але ж всяке буває і майстер міг схитрувати, додавши срібло або того гірше - мідь, адже на око не відрізниш, а маса така, яка має бути. А цареві дізнатися полювання: чесно чи зроблена робота? І тоді, попросив він вченого Архімеда, перевірити чи з чистого золота зробив майстер йому корону. Як відомо, маса тіла дорівнює добутку щільності речовини, з якої виготовлено тіло, на його об'єм: . Якщо в різних тіл однакова маса, але вони зроблені з різних речовин, то у них буде різний об'єм. Якби майстер повернув цареві не ювелірно зроблену корону, об'єм якої визначити неможливо через її складність, а такий же формою шматок металу, який дав йому цар, то відразу було б ясно, підмішав він туди іншого металу чи ні. І ось, приймаючи ванну, Архімед звернув увагу, що вода з неї виливається. Він запідозрив, що вона виливається саме в тому обсязі, який об'єм займають його частини тіла, занурені у воду. І Архімеда осяяло, що обсяг корони можна визначити за обсягом витісненої води. Ну а коли можна виміряти об'єм корони, його можна порівняти з об'ємом шматка золота, рівного по масі. Архімед занурив у воду корону і зміряв, як збільшився обсяг води. Також він занурив у воду шматок золота, у якого маса була така сама, як у корони. І тут він виміряв, як збільшився обсяг води. Об'єми витісненої у двох випадках води виявилися різними. Тим самим був майстер викрито в обмані, а наука збагатилася чудовим відкриттям.
З історії відомо, що завдання про золоту корону спонукало Архімеда зайнятися питанням плавання тіл. Досліди, проведені Архімедом, були описані у творі «Про плаваючі тіла», що дійшло до нас. Сьоме речення (теорема) цього твору сформульовано Архімедом наступним чином: тіла більш важкі, ніж рідина, опущені в цю рідину, будуть опускатися доки не дійдуть до самого низу, і в рідині стануть легше на величину ваги рідини в обсязі, рівному об'єму зануреного тіла.
Цікаво, що сила Архімеда дорівнює нулю, коли занурене в рідину тіло щільно, усією основою притиснуто до дна.
Відкриття основного закону гідростатики – найбільше завоювання античної науки.
2. Формулювання та пояснення закону Архімеда
Закон Архімеда описує дію рідин і газів на занурене у яких тіло, і одна із головних законів гідростатики і статики газів.
Закон Архімеда формулюється наступним чином: на тіло, занурене в рідину (або газ), діє виштовхувальна сила, що дорівнює вазі рідини (або газу) в обсязі зануреної частини тіла - ця сила називається силою Архімеда:
,
де - щільність рідини (газу), - прискорення вільного падіння, - обсяг зануреної частини тіла (або частина об'єму тіла, що знаходиться нижче поверхні).
Отже, архімедова сила залежить тільки від густини рідини, в яку занурене тіло, і від об'єму цього тіла. Але вона залежить, наприклад, від щільності речовини тіла, зануреного в рідина, оскільки ця величина не входить у отриману формулу.
Слід зазначити, що тіло має бути повністю оточене рідиною (або перетинатися поверхнею рідини). Так, наприклад, закон Архімеда не можна застосувати до кубика, що лежить на дні резервуара, герметично торкаючись дна.
3. Визначення сили Архімеда
Силу, з якою тіло, що знаходиться в рідині, виштовхується нею, можна визначити на досвіді, використовуючи даний прилад:
Невелике відерце та тіло циліндричної форми підвішуємо на пружині, закріпленій у штативі. Розтяг пружини відзначаємо стрілкою на штативі, показуючи вагу тіла у повітрі. Піднявши тіло, під нього підставляємо склянку з відливною трубкою, наповнену рідиною до рівня відливної трубки. Після чого тіло занурюють у рідину. При цьому частина рідини, об'єм якої дорівнює об'єму тіла, виливається з відливної судини у склянку. Вказівник пружини піднімається вгору, пружина скорочується, показуючи зменшення ваги тіла рідини. В даному випадку на тіло, поряд із силою тяжіння, діє ще й сила, що виштовхує його з рідини. Якщо в цебро налити рідину зі склянки (тобто ту, яку витіснило тіло), то покажчик пружини повернеться до свого початкового положення.
На підставі цього досвіду можна зробити висновок, що сила, що виштовхує тіло, повністю занурене в рідину, дорівнює вазі рідини в обсязі цього тіла. Залежність тиску в рідині (газі) від глибини занурення тіла призводить до появи сили, що виштовхує (сили Архімеда), що діє на будь-яке тіло, занурене в рідину або газ. Тіло під час занурення рухається вниз під дією сили тяжіння. Архімедова сила спрямована завжди протилежно силі тяжкості, тому вага тіла в рідині або газі завжди менше ваги цього тіла у вакуумі.
Цей досвід підтверджує, що архімедова сила дорівнює вазі рідини обсягом тіла.
4. Умова плавання тіл
На тіло, що знаходиться всередині рідини, діють дві сили: сила тяжіння, спрямована вертикально вниз, і сила архімедова, спрямована вертикально вгору. Розглянемо, що буде з тілом під впливом цих сил, якщо спочатку воно було нерухоме.
При цьому можливі три випадки:
1) Якщо сила тяжіння більша за архімедову силу, то тіло опускається вниз, тобто тоне:
то тіло тоне;
2) Якщо модуль сили тяжіння дорівнює модулю архімедової сили, то тіло може бути в рівновазі всередині рідини на будь-якій глибині:
, Тело плаває;
3) Якщо архімедова сила більша за силу тяжіння, то тіло буде піднімається з рідини - спливати:
, тіло плаває.
Якщо тіло, що спливає, частково виступає над поверхнею рідини, то об'єм зануреної частини плаваючого тіла такий, що вага витісненої рідини дорівнює вазі плаваючого тіла.
Архімедова сила більше сили тяжіння, якщо щільність рідини більша за щільність зануреного в рідину тіла, якщо
1) = - тіло плаває в рідині або газі, 2) >- тіло тоне, 3) < — тело всплывает до тех пор, пока не начнет плавать.
Саме ці принципи співвідношення сили тяжіння та сили Архімеда застосовуються у судноплавстві. Однак на воді тримаються величезні річкові та морські судна, виготовлені зі сталі, щільність якої майже у 8 разів більша за щільність води. Пояснюється це тим, що зі сталі роблять лише порівняно тонкий корпус судна, а більшість його обсягу зайнята повітрям. Середнє значення щільності судна при цьому виявляється значно меншим за щільність води; тому воно не тільки не тоне, а й може приймати для перевезення велику кількість вантажів. Судна, що плавають річками, озерами, морями і океанами, побудовані з різних матеріалів з різною щільністю. Корпус суден зазвичай роблять із сталевих листів. Всі внутрішні кріплення, що надають міцність судам, також виготовляють з металів. Для будівництва суден використовують різні матеріали, що мають у порівнянні з водою як більшу, так і меншу щільність. Вага води, витісненої підводною частиною судна, дорівнює вазі судна з вантажем у повітрі або силі тяжіння, що діє на судно з вантажем.
Для повітроплавання спочатку використовували повітряні кулі, які раніше наповнювали нагрітим повітрям, зараз воднем або гелієм. Для того, щоб куля піднялася в повітря, необхідно, щоб архімедова сила (виштовхуюча), що діє на кулю, була більша за силу тяжіння.
5. Проведення експерименту
Дослідити поведінку сирого яйця в різного роду рідинах.
Завдання: довести, що значення сили, що виштовхує, залежить від щільності рідини.
Я взяв одне сире яйце та рідини різного роду (додаток 1):
чиста вода;
Вода насичена сіллю;
Соняшникова олія.
Спочатку я опустив сире яйце в чисту воду – яйце потонуло – «пішло на дно» (додаток 2). Потім у склянку із чистою водою я додав столову ложку кухонної солі, в результаті яйце плаває (додаток 3). І нарешті, я опустив яйце в склянку з олією - яйце опустилося на дно (додаток 4).
Висновок: у першому випадку щільність яйця більша за щільність води і тому яйце потонуло. У другому випадку щільність солоної води більша за щільність яйця, тому яйце плаває в рідині. У третьому випадку щільність яйця також більша за щільність соняшникової олії, тому яйце потонуло. Отже, що більша щільність рідини, то сила тяжіння менша.
2. Дія Архімедової сили на тіло людини у воді.
Визначити на досвіді щільність тіла людини, порівняти її із щільністю прісної та морської води та зробити висновок про принципову можливість людини плавати;
Обчислити вагу людини у повітрі, архімедову силу, що діє на людину у воді.
Для початку за допомогою ваги я виміряв масу свого тіла. Потім виміряв об'єм тіла (без об'єму голови). Для цього я налив у ванну води стільки, щоб при зануренні у воду я був повністю у воді (за винятком голови). Далі за допомогою сантиметрової стрічки відзначив від верхнього краю ванни відстань до рівня води ℓ1, а потім - при зануренні у воду ℓ2. Після цього за допомогою попередньо проградуйованої трилітрової банки став наливати у ванну воду від рівня 1 до рівня 2 - так я виміряв обсяг витісненої мною води (додаток 5). Щільність я розрахував за допомогою формули:
Сила тяжіння, що діє на тіло в повітрі, була розрахована за формулою: , де прискорення вільного падіння ≈ 10 . Значення сили, що виштовхує, було розраховано за допомогою формули описаної в пункті 2.
Висновок: Тіло людини щільніше прісної води, отже, воно у ній тоне. Людині легше плавати у морі, ніж у річці, оскільки щільність морської води більше, отже більше значення сили, що виштовхує.
Висновок
У процесі роботи над цією темою ми дізналися для себе багато нового та цікавого. Коло наших знань збільшилося у сфері дії сили Архімеда, а й застосуванні її у житті. Перед початком роботи ми мали про неї далеко не докладне уявлення. При проведенні дослідів ми підтвердили експериментально справедливість закону Архімеда і з'ясували, що сила, що виштовхує, залежить від об'єму тіла і щільності рідини, чим більше щільність рідини, тим архімедова сила більша. Результуюча сила, яка визначає поведінку тіла в рідині, залежить від маси, об'єму тіла та щільності рідини.
Крім виконаних експериментів, була вивчена додаткова література про відкриття сили Архімеда, про плавання тіл, повітроплавання.
Кожен з Вас може зробити дивовижні відкриття, і для цього не потрібно мати ні особливі знання, ні потужне обладнання. Потрібно лише трохи уважніше подивитися на навколишній світ, бути трохи незалежнішим у своїх судженнях, і відкриття не забаряться. Небажання більшості людей пізнавати навколишній світ залишає великий простір допитливим у найнесподіваніших місцях.
Список літератури
1.Велика книга експериментів для школярів – М.: Росмен, 2009. – 264 с.
2. Вікіпедія: https://ru.wikipedia.org/wiki/Закон_Архімеда.
3. Перельман Я.І. Цікава фізика. - Книга 1. - Єкатеринбург.: Теза, 1994.
4. Перельман Я.І. Цікава фізика. - Книга 2. - Єкатеринбург.: Теза, 1994.
5. Перишкін А.В. Фізика: 7 клас: підручник для загальноосвітніх закладів/О.В. Перишкін. - 16-те вид., стереотип. – К.: Дрофа, 2013. – 192 с.: іл.
Додаток 1
Додаток 2
Додаток 3
Додаток 4
ЗАКОН АРХІМЕДА- Закон статики рідин і газів, згідно з яким на занурене в рідину (або газ) тіло діє виштовхувальна сила, що дорівнює вазі рідини в обсязі тіла.
Той факт, що на занурене у воду тіло діє якась сила, всім добре відомий: важкі тіла стають легшими – наприклад, наше власне тіло при зануренні у ванну. Купаючись в річці або в морі, можна легко піднімати і пересувати по дну дуже важке каміння - таке, яке не вдається можемо підняти на суші; те саме явище спостерігається, коли з якихось причин викинутим на березі виявляється кит - поза водним середовищем тварина не може пересуватися - його вага перевищує можливості його м'язової системи. У той же час легкі тіла опираються зануренню у воду: щоб утопити м'яч розміром з невеликий кавун, потрібна і сила, і спритність; завантажити м'яч діаметром півметра швидше за все не вдасться. Інтуїтивно ясно, що відповідь на питання - чому тіло плаває (а інше - тоне), тісно пов'язаний з дією рідини на занурене в неї тіло; не можна задовольнитись відповіддю, що легкі тіла плавають, а важкі – тонуть: сталева пластинка, звичайно, втопиться у воді, але якщо з неї зробити коробочку, то вона може плавати; при цьому її вага не змінилася. Щоб зрозуміти природу сили, що діє на занурене тіло з боку рідини, достатньо розглянути простий приклад (рис. 1).
Кубик з ребром aзанурений у воду, причому і вода, і кубик нерухомі. Відомо, що тиск у важкій рідині збільшується пропорційно глибині – очевидно, що вищий стовпчик рідини сильніше тисне на основу. Набагато менш очевидно (чи зовсім не очевидно), що цей тиск діє не лише вниз, а й убік, і вгору з тією ж інтенсивністю – це закон Паскаля.
Якщо розглянути сили, що діють на кубик (рис. 1), то з огляду на очевидну симетрію сили, що діють на протилежні бічні грані, рівні та протилежно спрямовані – вони намагаються стиснути кубик, але не можуть впливати на його рівновагу чи рух. Залишаються сили, що діють на верхню та нижню грані. Нехай h- Глибина занурення верхньої грані, r- Щільність рідини, g- Прискорення сили тяжіння; тоді тиск на верхню грань дорівнює
r· g · h = p 1
а на нижню
r· g(h+a)= p 2
Сила тиску дорівнює тиску, помноженому площу, тобто.
F 1 = p 1 · a\up122, F 2 = p 2 · a\up122 , де a- ребро кубика,
причому сила F 1 спрямована вниз, а сила F 2 – вгору. Таким чином, дія рідини на кубик зводиться до двох сил – F 1 та F 2 і визначається їх різницею, яка і є силою, що виштовхує:
F 2 – F 1 =r· g· ( h+a)a\up122 – r gha· a 2 = pga 2
Сила - виштовхує, тому що нижня грань, природно, розташована нижче верхньої і сила, що діє вгору, більше, ніж сила, що діє вниз. Величина F 2 – F 1 = pga 3 дорівнює об'єму тіла (кубика) a 3 помноженому на вагу одного кубічного сантиметра рідини (якщо прийняти за одиницю довжини 1 см). Іншими словами, сила, що виштовхує, яку часто називають архімедовою силою, дорівнює вазі рідини в об'ємі тіла і спрямована вгору. Цей закон встановив античний грецький вчений Архімед, один із найбільших вчених Землі.
Якщо тіло довільної форми (рис. 2) займає всередині рідини об'єм V, то дія рідини на тіло повністю визначається тиском, розподіленим поверхнею тіла, причому зауважимо, що цей тиск зовсім не залежить від матеріалу тіла – («рідини все одно на що тиснути»).
Для визначення результуючої сили тиску на поверхню тіла потрібно вилучити подумки з об'єму Vце тіло і заповнити (подумки) цей обсяг тією ж рідиною. З одного боку, є посудина з рідиною, яка перебуває в спокої, з іншого боку всередині об'єму V- Тіло, що складається з даної рідини, причому це тіло знаходиться в рівновазі під дією власної ваги (рідина важка) і тиску рідини на поверхню об'єму V. Оскільки вага рідини в обсязі тіла дорівнює pgVі врівноважується рівнодіючої сил тиску, то величина її дорівнює вазі рідини в обсязі V, тобто. pgV.
Зробивши подумки зворотну заміну - помістивши в обсязі Vце тіло і відзначивши, що ця заміна ніяк не позначиться на розподілі сил тиску на поверхню об'єму V, можна зробити висновок: на занурене в важку рідину тіло діють спрямована вгору сила (архімедова сила), що дорівнює вазі рідини в обсязі даного тіла.
Аналогічно можна показати, що якщо тіло частково занурене в рідину, то архімедова сила дорівнює вазі рідини в обсязі зануреної частини тіла. Якщо в цьому випадку архімедова сила дорівнює вазі, тіло плаває на поверхні рідини. Вочевидь, що й за повному зануренні архимедова сила виявиться менше ваги тіла, воно потоне. Архімед ввів поняття «питомої ваги» g, тобто. ваги одиниці об'єму речовини: g = pg; якщо прийняти, що для води g= 1 то суцільне тіло з речовини, у якої g> 1 потоне, а при g < 1 будет плавать на поверхности; при g= 1 тіло може плавати (зависати) усередині рідини. На закінчення зауважимо, що закон Архімеда визначає поведінку аеростатів у повітрі (у спокої при малих швидкостях руху).
Володимир Кузнєцов
Виштовхувальна сила, що діє на занурене в рідину тіло, дорівнює вазі витісненої ним рідини.
"Еврика!" («Знайшов!») - саме цей вигук, згідно з легендою, видав давньогрецький вчений та філософ Архімед, відкривши принцип витіснення. Легенда свідчить, що сиракузький цар Герон II попросив мислителя визначити, чи з чистого золота зроблена його корона, не завдаючи шкоди царському вінцю. Зважити корону Архімеду праці не склало, але цього було мало - потрібно було визначити обсяг корони, щоб розрахувати щільність металу, з якого вона відлита, і визначити, чи це золото.
Далі, згідно з легендою, Архімед, стурбований думками про те, як визначити об'єм корони, поринув у ванну - і раптом помітив, що рівень води у ванній піднявся. І тут учений усвідомив, що об'єм його тіла витіснив рівний йому об'єм води, отже, і корона, якщо її опустити в заповнений до країв таз, витіснити з нього об'єм води, що дорівнює її об'єму. Вирішення завдання було знайдено і, згідно з найпоширенішою версією легенди, вчений побіг доповідати про свою перемогу в царський палац, навіть не попрацювавши одягнутися.
Однак, що правда - правда: саме Архімед відкрив принцип плавучості. Якщо тверде тіло занурити в рідину, воно витіснить об'єм рідини, що дорівнює обсягу зануреної в рідину частини тіла. Тиск, який раніше діяв на витіснену рідину, тепер діятиме на тверде тіло, що її витіснило. І, якщо діюча вертикально вгору виштовхує сила виявиться більше сили тяжіння, що тягне тіло вертикально вниз, тіло спливатиме; в іншому випадку воно піде на дно (потоне). Говорячи сучасною мовою, тіло плаває, якщо його середня щільність менша за щільність рідини, в яку воно занурене.
Закон Архімеда можна витлумачити з погляду молекулярно-кінетичної теорії. У рідині, що покоїться тиск проводиться за допомогою ударів рухомих молекул. Коли певний обсяг рідини зганяється твердим тілом, спрямований вгору імпульс ударів молекул буде припадати не на витіснені тілом молекули рідини, а на саме тіло, чим і пояснюється тиск, що чиниться на нього знизу і виштовхує його в напрямку поверхні рідини. Якщо ж тіло занурене в рідину повністю, сила, що виштовхує, як і раніше діятиме на нього, оскільки тиск наростає зі збільшенням глибини, і нижня частина тіла піддається більшому тиску, ніж верхня, звідки і виникає виштовхувальна сила. Таке пояснення сили, що виштовхує, на молекулярному рівні.
Така картина виштовхування пояснює, чому судно, зроблене зі сталі, яка значно щільніша за воду, залишається на плаву. Справа в тому, що обсяг витісненої судном води дорівнює обсягу зануреної у воду сталі плюс обсягу повітря, що міститься всередині корпусу судна нижче за ватерлінію. Якщо усереднити щільність оболонки корпусу і повітря всередині неї, вийде, що щільність судна (як фізичного тіла) менша за щільність води, тому виштовхувальна сила, що діє на нього в результаті спрямованих вгору імпульсів удару молекул води, виявляється вище гравітаційної сили тяжіння Землі, що тягне судно до дну, - і корабель пливе.