Один из первых физических законов, изучаемых учениками средней школы. Хотя бы примерно этот закон помнит любой взрослый человек, как бы далек он ни был от физики. Но иногда полезно вернуться к точным определениям и формулировкам - и разобраться в деталях этого закона, которые могли позабыться.
О чем говорит закон Архимеда?
Существует легенда, что свой знаменитый закон древнегреческий ученый открыл, принимая ванну. Погрузившись в емкость, наполненную водой до краев, Архимед обратил внимание, что вода при этом выплеснулась наружу - и испытал озарение, мгновенно сформулировав суть открытия.
Скорее всего, в реальности дело обстояло иначе, и открытию предшествовали долгие наблюдения. Но это не столь важно, потому что в любом случае Архимеду удалось открыть следующую закономерность:
- погружаясь в любую жидкость, тела и объекты испытывают на себе сразу несколько разнонаправленных, но направленных перпендикулярно по отношению к их поверхности сил;
- итоговый вектор этих сил направлен вверх, поэтому любой объект или тело, оказавшись в жидкости в состоянии покоя, испытывает на себе выталкивание;
- при этом сила выталкивания в точности равна коэффициенту, который получится, если умножить на ускорение свободного падения произведение объема предмета и плотности жидкости.
Итак, Архимед установил, что тело, погружённое в жидкость, вытесняет такой объём жидкости, который равен объёму самого тела. Если в жидкость погружается только часть тела, то оно вытеснит жидкость, объём которой будет равен объёму только той части, которая погружается.
Та же самая закономерность действует и для газов - только здесь объем тела необходимо соотносить с плотностью газа.
Можно сформулировать физический закон и немного проще - сила, которая выталкивает из жидкости или газа некий предмет, в точности равна весу жидкости или газа, вытесненных этим предметом при погружении.
Закон записывается в виде следующей формулы:
Какое значение имеет закон Архимеда?
Закономерность, открытая древнегреческим ученым, проста и совершенно очевидна. Но при этом ее значение для повседневной жизни невозможно переоценить.
Именно благодаря познаниям о выталкивании тел жидкостями и газами мы можем строить речные и морские суда, а также дирижабли и воздушные шары для воздухоплавания. Тяжелые металлические корабли не тонут благодаря тому, что их конструкция учитывает закон Архимеда и многочисленные следствия из него - они построены так, что могут удерживаться на поверхности воды, а не идут ко дну. По аналогичному принципу действуют воздухоплавательные средства - они используют выталкивающие способности воздуха, в процессе полета становясь как бы легче него.
Наблюдения и опыты показывают, что на тела, помещенные в жидкость и газ оказывается давление. Давление жидкости и газа на одной высоте одинаково во всех направлениях. С изменением высоты происходит изменение давления. По этой причине возникает выталкивающая сила, которую называют архимедовой силой. Узнаем чему равна архимедова сила в жидкости и газе.
Чему равно давление в газах и жидкостях
Напомним определение давления. Давлением p называют физическую величину, равную отношению силы F , направленной перпендикулярно поверхности с площадью S :
$p={F\over S}$ (1)
Французский исследователь Блез Паскаль открыл закон, названный в последствии его именем, который звучит так: жидкости и газы передают производимое на них давление во все стороны одинаково.
На основании закона Паскаля и формулы (1) можно вычислить давление столба жидкости:
$p={F\over S}={m*g\over S}$ (2)
где: m — масса жидкости, g = 9,8 Н/кг — ускорение свободного падения.
Тогда, если выразить массу жидкости через плотность ρ и объем V , получим:
$p={ρ*V*g\over S}$ (3)
Выразив объем V через площадь S и высоту h , получим окончательную формулу для давления:
$p={ρ*g*h}$ (4)
В физике всегда необходимо знать в чем измеряется физическая величина. В честь Паскаля назван не только закон, но и единица измерения давления. Так как сила измеряется в ньютонах, а площадь в метрах квадратных, то:
$$={ \over }$$
Часто используются кратные единицы давления: килопаскаль (кПа) и мегапаскаль (МПа).
Закон Архимеда
Тяжелый предмет, который мы с огромным трудом отрываем от земли, удается довольно легко поднять, когда он находится в воде. Если взять пустую пластиковую бутылку с закрытой пробкой, погрузить ее полностью в воду и отпустить, то бутылка всплывет. Почему это происходит?
Для объяснения этих явлений достаточно взглянуть на последнюю формулу (4). Зависимость давления p в жидкости или газе от глубины h (высоты), приводит к появлению выталкивающей силы, действующей на любое тело, погруженное в жидкость или газ. Эта сила называется архимедовой силой.
Рис. 1. Портрет, изображение Архимеда
Древнегреческий математик, инженер и физик Архимед (287-212 г.г. до н.э.) не только обнаружил это явление, но смог найти ему объяснение и вывел формулу для расчета выталкивающей силы. Кроме закона Архимеда он открыл знаменитое правило рычага, первым вывел математические формулы для вычисления площадей и объемов сложных геометрических поверхностей, открыл первый планетарий, изобрел много полезных приспособлений.
Рис. 2. Действие выталкивающей силы на тело, погруженное в воду
Рисунок, на котором изображен прямоугольный параллелепипед (высотой h и площадью основания S ), помещенный в жидкость, поможет ответить на вопрос: как найти архимедову силу. Силы давления на боковые грани уравновешивают друг друга, а силы F 2 и F 1 отличаются, поскольку согласно формулы (4) давление на верхнюю и нижнюю грани будут разными из-за того, что h 2 > h 1 :
Получим формулу для результирующей силы F A , равную разности F 2 и F 1 :
$F_А=F_2−F_1=p_2*S−p_1*S=ρ*g*h_2*S−ρ*g*h_1*S=$
$ρ*g*S*{(h_2− h_1)}=ρ*g*S*h$ (5)
где: $S*h=V$ — объем, а $ρ*V=m$ — масса жидкости, которую вытеснило тело. Тогда, поскольку m * g — это вес вытесненной жидкости, то получаем окончательную формулу архимедовой силы F A :
$F_A =m*g=ρ*V*g$ (6)
Полученная формула позволяет сформулировать закон Архимеда:
Сила, выталкивающая погруженное в жидкость (или газ) тело, равна весу жидкости (или газа), вытесненной телом.
Погружение, равновесие, всплытие
Теперь становится понятно почему в воде мы запросто поднимаем тяжелые камни: нам “помогает” архимедова сила, т.к. она направлена противоположно силе тяжести. По этой же причине вес тела при взвешивании в жидкости будет всегда меньше веса, измеренного в воздухе.
Из формулы (6) следует, что величина архимедовой силы зависит прямо пропорционально от плотности жидкости ρ и от объема погруженного тела V . Плотность вещества, из которого изготовлено тело, может быть любой — на величину выталкивающей силы она не влияет. В зависимости от соотношения архимедовой силы F A и силы тяжести F g возможно три положения тела в жидкости:
- Если FA > Fg, то тело будет выталкиваться наверх — “всплывать”;
- Если FA
- Если FA = Fg, то тело может находиться в жидкости на любой глубине в состоянии равновесия.
Закон Архимеда положен в основу ареометра — прибора для измерения плотности жидкости. Ареометр представляет собой стеклянную, герметичную колбу, утяжеленную с нижнего конца грузиком. Верхняя часть выполнена в виде длинного отростка, на котором нанесена измерительная шкала. При помещении в жидкость ареометр погружается на большую или меньшую глубину в зависимости от плотности жидкости. Чем больше плотность жидкости, тем меньше погружается ареометр. Показания на шкале указывают на плотность данной жидкости, когда ареометр занимает равновесное положение.
Рис. 3. Ареометр
Что мы узнали?
Итак, мы узнали, почему возникает архимедова сила в газах и жидкостях, и от каких величин зависит ее значение. На тело, погруженное в жидкость (или газ) действует выталкивающая сила. Сила, выталкивающая погруженное в жидкость (или газ) тело, равна весу жидкости (или газа), вытесненной телом. Для более подробного доклада об архимедовой силе можно подготовить интересные примеры с разными жидкостями, отличными от воды, например с керосином или ртутью. Тема этой статьи тесно связана с особенностями плавания и воздухоплавания тел, которые мы рассмотрим в следующих главах курса физики за 7 класс.
Тест по теме
Оценка доклада
Средняя оценка: 4.4 . Всего получено оценок: 72.
учебный год
Тема урока:Архимедова сила.
Закон Архимеда
Цели урока:
образовательная: о бнаружить наличие силы, выталкивающей тело из жидкости;
развивающая: научить применять закон Архимеда;
воспитательная : формировать интеллектуальные умения анализировать, сравнивать, систематизировать знания. Привить ученикам интерес к науке.
Тип урока: урок усвоения новых знаний.
Оборудование(для учителя) : штатив, стеклянный сосуд с отверстием для вытекания воды, динамометр, набор грузов, стакан
для учащихся: динамометр, нить, набор грузов, сосуды с водой, пластилин, шар.
Демонстрация: опыт по рис 139 учебника, деревянный брусок, мяч, сосуд с водой.
Ход урока
1.Организационный момент.
Сообщение о целях урока.
2.Актуализация знаний.
Ответить на вопросы:
1.Как формулируется закон Паскаля?
2.Как вычисляется давление жидкости на дно и стенки сосуда?
3.Подготовка к усвоению нового материала.
Постановка учебных проблем:
а/ действует ли жидкость на погруженное в неё тело?
б/ всегда ли жидкость действует на погруженное тело?
в/ как теоретически объяснить это действие жидкости на погруженное в неё тело?
Обратимся к опыту. Опускаем в воду дере вянный брусок. Брусок плавает на поверхности воды. Почему деревянный брусок плавает на воде?
Опускаем мяч в воду и убираем руку. Мяч выпрыгивает на поверхность воды. Почему мяч выпрыгивает из воды?
В воде на погруженные тела действует выталкивающая сила.
Всегда ли жидкость действует на погруженное тело? Опущенный в воду цилиндр из металла тонет. Заметно ли действие воды на это тело?
4. Объяснение нового материала:
Проведем опыт. Подвесим цилиндр к динамометру, и наблюдаем растяжение пружины в воздухе, а затем в воде.
1.Опыт по обнаружению выталкивающей силы:
1. Определите вес груза в воздухе Р1.
2. Определите вес груза в воде Р2.
3.Сравните результаты измерений и сделайте вывод.
Вывод: вес тела в воде меньше веса тела в воздухе: Р1 > Р2.
- Почему вес тела в воде меньше веса тела в воздухе?
Ответ : жидкость действует на любое тело, погруженное в неё. Эта сила направленная вертикально вверх.
- А как можно найти величину выталкивающей силы?
Ответ: из веса тела в воздухе надо вычесть вес тела в воде.
Мы пришли к следующему выводу. На тело, погруженное в жидкость, действуют две силы: одна сила – сила тяжести, направленная вниз, другая – выталкивающая, направленная вверх.
https://pandia.ru/text/78/176/images/image003_168.gif" width="12" height="75"> 2
 |
Сегодня мы с вами будем изучать выталкивающую силу, действующую на тела, погруженные в жидкость. Выясним, от каких факторов зависит эта сила. Научимся вычислять эту силу. Она называется выталкивающей, или архимедовой силой в честь древнегреческого ученого Архимеда, который впервые указал на её существование и рассчитал её значение.
Архимед (287-212 гг. до нашей эры)-
Древнегреческий ученый, физик и математик. Установил правило рычага, открыл закон гидростатики. Материал об Архимеде прилагается в конце разработки урока.
5. Работа в группах.
Отчего зависит Архимедова сила?
Чтобы ответить на этот вопрос проведем работу в группах. Каждая группа получает задание и отвечает на поставленный вопрос.
Задание первой группе
Определите зависимость архимедовой силы от плотности тела.
Оборудование: сосуд с водой, динамометр, тела одинакового объема и разной плотности (алюминиевый и медный цилиндры), нить.
1.Определите вес алюминиевого цилиндра в воздухе. Р1= …….. Н
2.Определите вес алюминиевого цилиндра в воде. Р2= …....... Н
3.Найдите архимедову силу, действующую на алюминиевый цилиндр. Р1 - Р2=………. Н
4.Определите вес медного цилиндра в воздухе. Р3=………. Н
5.Определите вес медного цилиндра в воде. Р4= ………Н
6.Найдите архимедову силу, действующую на медный цилиндр. Р3 - Р4 = ……..Н
7.Сделайте вывод о зависимости (независимости) архимедовой силы от плотности тела.
Ответ: архимедова сила …………………………………от плотности тела.
Задание второй группе
Определите зависимость архимедовой силы от объема тела.
Оборудование: сосуд с водой, тела разного объема (алюминиевые цилиндры), динамометр, нить.
1.Определите вес большого цилиндра в воздухе. Р1= Н
2. Определите вес большого цилиндра в воде. Р2= Н
3.Найдите архимедову силу, действующую на большой цилиндр. Р1 –Р2= Н
4.Определите вес маленького цилиндра в воздухе. Р3= Н
5. Определите вес маленького цилиндра в воде. Р4= Н
6.Найдите архимедову силу, действующую на маленький цилиндр. Р3 –Р4= Н
7.Сделайте вывод о зависимости (независимости ) архимедовой силы от объема тела.
Ответ: архимедова сила …………………………………от объема тела.
Задание третьей группе
Определите зависимость архимедовой силы от плотности жидкости.
Оборудование: динамометр, нить, сосуды с пресной водой и соленой водой, шар.
1.Определите вес шара в воздухе. Р1= Н
2. Определите вес шара в пресной воде. Р2= Н
3.Найдите архимедову силу, действующую на шар в пресной воде. Р1 – Р2 = Н
4.Определите вес шара в воздухе. Р1= Н
5. Определите вес шара в соленой воде. Р3= Н
6.Найдите архимедову силу, действующую на шар в соленой воде. Р1- Р2 = Н
7.Сделайте вывод о зависимости (независимости ) архимедовой силы от плотности жидкости.
Ответ: архимедова сила …………………………………от плотности жидкости.
Задание четвертой группе
Определите зависимость архимедовой силы от глубины погружения.
Оборудование: динамометр, нить, мензурка с водой, алюминиевый цилиндр.
1.Определите вес алюминиевого цилиндра в воздухе. Р1= Н
2. Определите вес алюминиевого цилиндра в воде на глубине 5 см. Р2= Н
3.Найдите архимедову силу, действующую на алюминиевый цилиндр в воде.
Р1 – Р2 = Н
4.Определите вес алюминиевого цилиндра в воздухе. Р1= Н
5. Определите вес алюминиевого цилиндра в воде на глубине 10 см. Р3= Н
6.Найдите архимедову силу, действующую на алюминиевый цилиндр во втором случае.
Р1 – Р3 = Н
7.Сделайте вывод о зависимости (независимости ) архимедовой силы от глубины погружения тела.
Ответ: архимедова сила …………………………………от глубины погружения тела.
Задание пятой группе
Определите зависимость архимедовой силы от формы тела.
Оборудование: динамометр, нить, сосуд с водой, кусочек пластилина.
1.Кусочку пластилина придайте форму куба.
2. Определите вес пластилина в воздухе. Р1= Н
3. Определите вес пластилина воде. Р2 = Н
4.Найдите архимедову силу, действующую на кусочек пластилина. Р1 – Р2 = Н
5.Кусочку пластилина придайте форму шара.
6. Определите вес пластилина в воздухе. Р3= Н
7. Определите вес пластилина воде. Р4= Н
8.Найдите архимедову силу, действующую на кусочек пластилина. Р3-Р4= Н
9.Сравните эти силы и сделайте вывод о зависимости (независимости ) архимедовой силы от формы тела.
Ответ: архимедова сила …………………………………от формы тела.
После получения результатов каждая группа устно отчитывается о своей работе и сообщает свои выводы. Выводы записываются учащимися в тетрадях, а учителем – на доске в виде таблицы:
Архимедова сила |
|
Не зависит от: | зависит от: |
1)формы тела; 2)плотности тела 3)глубины погружения. | 1)объема тела; 2)плотности жидкости. |
Мы узнали о том, что архимедова сила зависит от объема тела и плотности жидкости. Как теоретически объяснить действие жидкости на погруженное в неё тело. Опыты показывают, что действие жидкости направлено вверх.
Значение выталкивающей силы можно определить используя прибор, который находится перед вами.
Прибор носит название "ведерко Архимеда". Это пружина с указателем, шкала, ведерко, цилиндр, того же объема, отливной сосуд, стакан.
Здесь пружина выполняет роль динамометра.
1. Показать, что объем ведерки равен объему цилиндра.
2. В отливной сосуд наливаем воду чуть выше уровня отливной трубки. Лишняя вода выльется в стакан. Сливаем воду.
3. Подвесим ведерко к пружине, а к нему - цилиндр. Отмечаем растяжение пружины с помощью указателя. Стрелка показывает вес тела в воздухе.
4. Приподняв тело, под него подставляем отливной сосуд. После погружения в отливной сосуд, часть воды выльется в стакан. Указатель пружины поднимется вверх, пружина сокращается, показывая уменьшение веса тела в жидкости.
Почему пружина сокращается?
В данном случае на тело, кроме силы тяжести, действует ещё и сила выталкивающая его из жидкости.
В какую сторону направлена выталкивающая сила?
Выталкивающая сила направлена вверх.
5. Перельем воду из стакана в ведерко.
Обратите внимание на указатель пружины. Где остановился указатель пружины, после того как мы перелили воду из стакана в ведерко?
Указатель вернулся на прежнее место.
Почему указатель пружины вернулся в прежнее положение?
На пружину кроме силы тяжести и выталкивающей силы действует вес воды в ведерке.
Вес воды равен выталкивающей силе.
Обратите внимание, сколько вытекло воды?
Полное ведерко.
Сравните объем налитой в ведерко воды и объем цилиндра.
Они одинаковы.
На основании этого опыта делаем вывод: выталкивающая сила равна весу жидкости, вытесненной телом.
6. Формулируется закон Архимеда: на тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, равная по величине весу жидкости, вытесненной телом.
На основании этого опыта можно заключить, что сила, выталкивающая целиком погруженное в жидкость тело, равна весу жидкости в объеме этого тела.
Если бы подобный опыт проделать с телом, погруженное в газ, то показал бы, что сила, выталкивающая тело из газа, также равна весу газа, взятого в объеме тела .
Итак, опыт подтвердил, что архимедова (или выталкивающая) сила равна весу жидкости в объеме тела, т. е. FA=РЖ= g m ж.
Массу жидкости m ж, вытесняемую телом, можно выразить через её плотность (ρж) и объем тела (Vт) погруженного в жидкость (так как Vж – объем вытесненной телом жидкости равен Vт – объему тела, погруженного в жидкость, Vж = Vт), т. е. mж = ρжVт.
Тогда получим FА =gρжVт.
Как было установлено, архимедова сила зависит от плотности жидкости, в которую погружено тело, и от объема этого тела. Но она не зависит, например, от плотности вещества тела, погружаемого в жидкость, так как эта величина не входит в полученную формулу.
Определим теперь вес тела, погруженного в жидкость (или газ). Так как две силы, действующие на тело в этом случае, направлены в противоположные стороны (сила тяжести вниз, а архимедова сила вверх) то вес тела в жидкости Р1 будет меньше веса тела в вакууме Р=g m (m - масса тела) на архимедову силу FA= g m ж (m ж – масса жидкости, вытесненной телом) т. е. Р1 =Р - FA, или Р1 = g m - g m ж.
Таким образом, если тело погружено в жидкость (или газ), то оно теряет в своем весе столько, сколько весит вытесненная им жидкость (или газ).
Следует помнить, что при расчете силы Архимеда под V понимают только ту часть объема тела, которая полностью находится в жидкости.
Это может быть и часть объема тела (если оно плавает на поверхности, не полностью погрузившись), и весь объем (если тело утонуло).
На рисунке 2 этот объем закрашен.
https://pandia.ru/text/78/176/images/image007_112.gif" width="673" height="348 src=">
Закон Архимеда можно получить математическим путем.
Для объяснения используем представление о давлении жидкости на тело. Давление внутри жидкости: p=gρжh. Рассмотрим рисунок 3. В жидкости находится параллелепипед. Если верхняя грань находится на глубине h1 , а нижняя на глубине h2, то р2 >р1. Давление на боковые грани компенсируются, так как, по закону Паскаля, (на боковые грани) давление на одном уровне по всем направлениям одинаково.
https://pandia.ru/text/78/176/images/image009_99.gif" width="673" height="298">
Вывод: выталкивание тела происходит в результате действия разного давления на нижнюю и верхнюю грани:
Рнижн > Рверх.
Находим силы с которыми жидкость действует на верхний и нижний грани параллелепипеда.
F1=p1S= gρж h1.
F2=p2S= gρж h2.
F2 - F1=gρж h2- gρжh1=gρж (h2 –h1).
Так как (h2 –h1)= h – высота параллелепипеда, то Sh=V –объем параллелепипеда. В итоге F2 - F1 =gρжV.
Окончательно: FА =gρжV.
Что такое gρжV? По формуле это вес жидкости вытесненной данным телам.
5. Пример решения задачи
Определить выталкивающую силу, действующую в морской воде на камень объемом 1,6 м3.
Дано: Решение:
https://pandia.ru/text/78/176/images/image010_85.gif" width="2 height=86" height="86">V= 1,6 м3 FА =gρжV. FА=9,8 м/кг. 1030 кг/м3. 1,6 м3 =Н ≈ 16,5 кН.
ρж =1030 кг/м3
DIV_ADBLOCK800">
18.К коромыслу весов подвешены два стальных цилиндра одинаковой массы. Нарушится ли равновесие весов, если один цилиндр погрузить в воду, а второй цилиндр - в керосин. Плотность воды 1000 кг/м3, а плотность керосина 800 кг/м3.
7. Работа по книге.
Решение задач из упражнения 32 (3,4) учебника.
8. Проверка усвоения учащимися пройденного материала.
Учащиеся получают карточки с задачами разного уровня сложности:
Первая задача - на определение выталкивающей силы, вторая – на определение объема, третья – комбинированная.
Карточка 1.
2.Каков объем стального цилиндра, если разность веса цилиндра в воздухе и в воде составляет 4 Н? Плотность воды 1000 кг/м3.
3.Гранитная плита размером 1,2 х 0,6 х 0,3 м на половину своего объема погружена в воду. На сколько плита стала легче? Плотность воды 1000 кг/м3.
Карточка 2.
1.Объем мяча 0,002 м3. Какая выталкивающая сила действует на мяч при его погружении в воду? Плотность воды 1000 кг/м3.
3.Свинцовый цилиндр массой 200 г подвешен к пружинным весам. Затем цилиндр погружают в воду. Каковы показания весов в первом и во втором случаях? Плотность воды 1000 кг/м3. плотность свинца 11300 кг/м3.
Карточка 3.
1.С какой силой выталкивается из керосина пробковый брусок размером 4 х 5 х 10 см? Плотность 800 кг/м3.
2. Архимедова сила действующая на деталь в воде равна 1000 Н. найти объем детали. Плотность воды 1000 кг/м3.
Карточка 4.
1.Чему равна выталкивающая сила, действующая на металлический брусок объемом 0,8 дм3 при полном его погружении в воду? Плотность воды 1000 кг/м3.
2. Архимедова сила действующая на балку в воде равна 1000 Н. найти объем детали. Плотность воды 1000 кг/м3.
3. Какую силу надо приложить, чтобы удержать в воде гранитную плиту, на которую действует сила тяжести 27000 Н? Объем плиты – 1 м3. плотность воды – 1000 кг/м3.
Карточка 5.
1.Объем стального бруска 6 дм3 . Какая выталкивающая сила действует на брусок? Плотность воды 1000 кг/м3.
2.Стальная плита весила в воздухе 1960 Н, после погружения в воду плита стала весить 1708,7 Н. Каков объем стальной плиты? Плотность воды 1000 кг/м3.
3. Деревянный шар, плотность которого 500 кг/м3, плавает в воде. Какая часть объема шара погружена в воду, если плотность воды - 1000 кг/м3.
9. Подведение итогов урока.
Мы на этом уроке изучили закон Архимеда. Что мы узнали? Достигли ли мы цели урока?
Оцениваются отличившиеся. Большое спасибо за урок!
10.Домашнее задание:§ 49,упр 32(1,2)
§8.Легенда об Архимеде. Стр. 163.
Для способных учащихся выполнить задание 29.
Дополнительный материал к уроку
На странице 106 книги «Занимательная физика» имеются статьи «Вечный» водяной двигатель», «Как был поднят «Садко»? Советую прочитать.
Архимед и его изобретения.
Несомненно, Архимед (около 287-212 до н. э.) - самый гениальный учёный Древней Греции. Он стоит в одном ряду с Ньютоном, Гауссом, Эйлером, Лобачевским и другими величайшими математиками всех времён. Его труды посвящены не только математике. Он сделал замечательные открытия в механике, хорошо знал астрономию , оптику, гидравлику и был поистине легендарной личностью.
Сын астронома Фидия, написавшего сочинение о диаметрах Солнца и Луны, Архимед родился и жил в греческом городе Сиракузы на Сицилии. Он был приближён ко двору царя Гиерона II и его сына-наследника.
Хорошо известен рассказ о жертвенном венце Гиерона. Архимеду поручили проверить честность ювелира и определить, сделан венец из чистого золота или с примесями других металлов и нет ли внутри него пустот. Однажды, размышляя об этом, Архимед погрузился в ванну, и заметил, что вытесненная его телом вода пролилась через край. Гениального учёного тут же осенила яркая идея, и с криком “Эврика, эврика!” он, как был нагой, бросился проводить эксперимент.
Идея Архимеда очень проста. Тело, погружённое в воду, вытесняет столько жидкости, каков объём самого тела. Поместив венец в цилиндрический сосуд с водой, можно определить, какое количество жидкости он вытеснит, т. е. узнать его объём. А, зная объём и взвесив венец, легко вычислить удельную массу. Это и даст возможность установить истину: ведь золото - очень тяжёлый металл, а более лёгкие примеси, и тем более пустоты, уменьшают удельную массу изделия.
Но Архимед на этом не остановился. В труде “О плавающих телах” он сформулировал закон, который гласит: “Тело, погружённое в жидкость, теряет в своём весе столько, каков вес вытесненной жидкости” . Закон Архимеда является (наряду с другими, позже открытыми фактами) основой гидравлики - науки, изучающей законы движения и равновесия жидкостей. Именно этот закон объясняет, почему стальной шар (без пустот) тонет в воде, тогда как деревянное тело всплывает. В первом случае вес вытесненной воды меньше веса самого шара, т. е. архимедова “выталкивающая” сила недостаточна для того, чтобы удержать его на поверхности. А тяжело гружёный корабль, корпус которого сделан из металла, не тонет, погружаясь только до так называемой ватерлинии. Поскольку внутри корпуса корабля много пространства, заполненного воздухом, средняя удельная масса судна меньше плотности воды и выталкивающая сила удерживает его на плаву. Закон Архимеда объясняет также, почему воздушный шар , заполненный тёплым воздухом или газом, который легче воздуха (водородом , гелием) , улетает ввысь.
Знание гидравлики позволило Архимеду изобрести винтовой насос для выкачивания воды. Такой насос (кохля) до недавнего времени применялся на испанских и мексиканских серебряных рудниках.
Из курса физики всем знакомо Архимедово правило рычага. Согласно преданию, учёный произнёс крылатую фразу: “Дайте мне точку опоры, и я подниму Землю!” . Конечно, Архимед имел в виду применение рычага, но, он был несколько самоуверен: кроме точки опоры ему понадобился бы и совершенно фантастический рычаг - невероятно длинный и при этом несгибаемый стержень.
Достоверные факты и многочисленные легенды говорят о том, что Архимед изобрёл немало интересных машин и приспособлений.
Список использованной литературы:
Самостоятельные работы по физике.
Занимательные опыты по физике.
VI класста физикадан проблемалы дәресләр.
Книга для чтения по физике.
Сборник задач по физике 7-8 класс.
Тематическое и поурочное планирование.
Заниательная физика. Книга 2.(стр.106).
Поурочные разработки по физике.
А. В Постников. Проверка знаний учащихся по физике.
Качественные задачи по физике.
Самостоятельные работы учащихся по физике.
Дидактический материал по физике.
Дополнительные задания по теме
Задачи:
Задачи первого уровня сложности.
На определение выталкивающей силы.
1.Объем стального бруска 0,2 м3. Какая выталкивающая сила действует на брусок при его погружении в воду? Плотность воды 1000 кг/м3.
2.Объем мяча 0,002 м3. Какая выталкивающая сила действует на мяч при его погружении в воду? Плотность воды 1000 кг/м3.
3.С какой силой выталкивается из керосина пробковый брусок размером 4 х 5 х 10 см? Плотность 800 кг/м3.
4.Чему равна выталкивающая сила, действующая на металлический брусок объемом 0,8 дм3 при полном его погружении в воду? Плотность воды 1000 кг/м3.
5.Объем стального бруска 6 дм3 . Какая выталкивающая сила действует на брусок? Плотность воды 1000 кг/м3.
6.Цилиндр объемом 0,02 м3опущен в воду. Найти архимедову силу. Плотность воды 1000 кг/м3.
7. Вычислите выталкивающую силу, действующую на гранитную глыбу, которая при полном погружении в воду вытесняет некоторую её часть. Объем вытесненной воды равен 0,8 м3. Плотность воды 1000 кг/м3.
8.Железобетонная плита размером 3,5 х 1,5 х 0,2 м полностью погружена в воду. Вычислите архимедову силу, действующую на плиту. Плотность воды 1000 кг/м3.
Задачи второго уровня сложности.
На определение объема:
1.Каков объем стального цилиндра, если разность веса цилиндра в воздухе и в воде составляет
4 Н? Плотность воды 1000 кг/м3.
2.Определите объем полностью погруженного в воду тела, если выталкивающая сила, действующая на него, равна 29,4 Н. Плотность воды 1000 кг/м3.
3. Архимедова сила действующая на деталь в воде равна 1000 Н. найти объем детали. Плотность воды 1000 кг/м3.
4. Архимедова сила действующая на балку в воде равна 1000 Н. найти объем детали. Плотность воды 1000 кг/м3.
5.Стальная плита весила в воздухе 1960 Н, после погружения в воду плита стала весить 1708,7 Н. Каков объем стальной плиты? Плотность воды 1000 кг/м3.
Задачи третьего уровня.
1.Гранитная плита размером 1,2 х 0,6 х 0,3 м на половину своего объема погружена в воду. На сколько плита стала легче? Плотность воды 1000 кг/м3.
2.Свинцовый цилиндр массой 200 г подвешен к пружинным весам. Затем цилиндр погружают в воду. Каковы показания весов в первом и во втором случаях? Плотность воды 1000 кг/м3. плотность свинца 11300 кг/м3.
3.Какую силу необходимо приложить к мячу объемом 5 дм3 и массой 0,5 кг для удержания его под водой? Плотность воды 1000 кг/м3. Куда направлена эта сила?
4. Какую силу надо приложить, чтобы удержать в воде гранитную плиту, на которую действует сила тяжести 27000 Н? Объем плиты – 1 м3. плотность воды – 1000 кг/м3.
5. Деревянный шар, плотность которого 500 кг/м3, плавает в воде. Какая часть объема шара погружена в воду, если плотность воды - 1000 кг/м3.
Задачи:
задачи практической направленности.
работа по карточкам:
1. На концах коромысла рычажных весов подвешены алюминиевый и железный бруски (см. рис.). Массы их подобраны так, что весы в воде находятся в равновесии. Какой брусок перевесит, если вылить воду их сосуда?
2. На концах коромысла рычажных весов подвешены два одинаковых стальных шарика. Сохранятся ли равновесие, если шарики опустить в разные жидкости (см. рис.)?
Керосин Вода
3.На рисунке изображены два тела шарообразной формы, плавающие в воде. Какое тело имеет большую плотность?
4. На поверхности воды плавает тело. Графически изобразите силы, действующие на это тело (см. рис.).
5. На рычажных весах уравновешены стеклянный шар без воздуха и свинцовый шарик (см. рис.) нарушится ли равновесие весов, если весы вместе с шарами переместить на вершину горы?
6.К одинаковым пружинам подвешены шарики равной массы, но разного объема. Снизу к шарикам подносят сосуд с водой и поднимают его до такого уровня, пока шарики полностью погрузятся в воду (см. рис.).Какая пружина сократится больше?
7.К одинаковым по упругости пружинам подвешены тела равной массы и равного объема (см. рис.). Какая пружина станет самой короткой, если погрузить в жидкость?
8.На какой из опущенных в воду стальных шаров действует наибольшая выталкивающая сила? Почему?
9.Подвешенные к коромыслу весов одинаковые шары погрузили в жидкость как показано на рисунке а , а затем, так как показано на рисунке б. В каком случае равновесии весов нарушится? Почему?
Плотность некоторых веществ, необходимых при решении задач.
Название вещества | Плотность, кг/м3 |
Алюминий | |
Закон Архимеда – закон статики жидкостей и газов, согласно которому на погруженное в жидкость (или газ) тело действует выталкивающая сила, равная весу жидкости в объеме тела.
История вопроса
«Эврика!» («Нашел!») – именно этот возглас, согласно легенде, издал древнегреческий ученый и философ Архимед, открыв принцип вытеснения. Легенда гласит, что сиракузский царь Герон II попросил мыслителя определить, из чистого ли золота сделана его корона, не причиняя вреда самому царскому венцу. Взвесить корону Архимеду труда не составило, но этого было мало – нужно было определить объем короны, чтобы рассчитать плотность металла, из которого она отлита, и определить, чистое ли это золото. Дальше, согласно легенде, Архимед, озабоченный мыслями о том, как определить объем короны, погрузился в ванну – и вдруг заметил, что уровень воды в ванне поднялся. И тут ученый осознал, что объем его тела вытеснил равный ему объем воды, следовательно, и корона, если ее опустить в заполненный до краев таз, вытеснит из него объем воды, равный ее объему. Решение задачи было найдено и, согласно самой расхожей версии легенды, ученый побежал докладывать о своей победе в царский дворец, даже не потрудившись одеться.
Однако, что правда – то правда: именно Архимед открыл принцип плавучести. Если твердое тело погрузить в жидкость, оно вытеснит объем жидкости, равный объему погруженной в жидкость части тела. Давление, которое ранее действовало на вытесненную жидкость, теперь будет действовать на твердое тело, вытеснившее ее. И, если действующая вертикально вверх выталкивающая сила окажется больше силы тяжести, тянущей тело вертикально вниз, тело будет всплывать; в противном случае оно пойдет ко дну (утонет). Говоря современным языком, тело плавает, если его средняя плотность меньше плотности жидкости, в которую оно погружено.
Закон Архимеда и молекулярно-кинетическая теория
В покоящейся жидкости давление производится посредством ударов движущихся молекул. Когда некий объем жидкости вымещается твердым телом, направленный вверх импульс ударов молекул будет приходиться не на вытесненные телом молекулы жидкости, а на само тело, чем и объясняется давление, оказываемое на него снизу и выталкивающее его в направлении поверхности жидкости. Если же тело погружено в жидкость полностью, выталкивающая сила будет по-прежнему действовать на него, поскольку давление нарастает с увеличением глубины, и нижняя часть тела подвергается большему давлению, чем верхняя, откуда и возникает выталкивающая сила. Таково объяснение выталкивающей силы на молекулярном уровне.
Такая картина выталкивания объясняет, почему судно, сделанное из стали, которая значительно плотнее воды, остается на плаву. Дело в том, что объем вытесненной судном воды равен объему погруженной в воду стали плюс объему воздуха, содержащегося внутри корпуса судна ниже ватерлинии. Если усреднить плотность оболочки корпуса и воздуха внутри нее, получится, что плотность судна (как физического тела) меньше плотности воды, поэтому выталкивающая сила, действующая на него в результате направленных вверх импульсов удара молекул воды, оказывается выше гравитационной силы притяжения Земли, тянущей судно ко дну, – и корабль плывет.
Формулировка и пояснения
Тот факт, что на погруженное в воду тело действует некая сила, всем хорошо известен: тяжелые тела как бы становятся более легкими – например, наше собственное тело при погружении в ванну. Купаясь в речке или в море, можно легко поднимать и передвигать по дну очень тяжелые камни – такие, которые не удается поднять на суше. В то же время легкие тела сопротивляются погружению в воду: чтобы утопить мяч размером с небольшой арбуз требуется и сила, и ловкость; погрузить мяч диаметром полметра скорее всего не удастся. Интуитивно ясно, что ответ на вопрос – почему тело плавает (а другое – тонет), тесно связан с действием жидкости на погруженное в нее тело; нельзя удовлетвориться ответом, что легкие тела плавают, а тяжелые – тонут: стальная пластинка, конечно, утонет в воде, но если из нее сделать коробочку, то она может плавать; при этом ее вес не изменился.
Существование гидростатического давления приводит к тому, что на любое тело, находящееся в жидкости или газе, действует выталкивающая сила. Впервые значение этой силы в жидкостях определил на опыте Архимед. Закон Архимеда формулируется так: на тело, погруженное в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, равная весу того количества жидкости или газа, которое вытеснено погруженной частью тела.
Формула
Сила Архимеда, действующая на погруженное в жидкость тело, может быть рассчитана по формуле: F А = ρ ж gV пт,
где ρж – плотность жидкости,
g – ускорение свободного падения,
Vпт – объем погруженной в жидкость части тела.
Поведение тела, находящегося в жидкости или газе, зависит от соотношения между модулями силы тяжести Fт и архимедовой силы FA, которые действуют на это тело. Возможны следующие три случая:
1) Fт > FA – тело тонет;
2) Fт = FA – тело плавает в жидкости или газе;
3) Fт < FA – тело всплывает до тех пор, пока не начнет плавать.
Жидкостей и газов, согласно которому на всякое тело, пог-руженное в жидкость (или газ), действует со стороны этой жидкости (или газа) выталкивающая сила, равная весу вытесненной телом жидкости (газа) и направленная по вертикали вверх.
Этот закон был открыт древнегреческим ученым Архимедом в III в. до н. э. Свои исследования Архимед описал в трактате «О плавающих телах», который считается одним из последних его научных трудов.
Ниже приведены выводы, следующие из закона Архимеда .
Действие жидкости и газа на погруженное в них тело.
Если погрузить в воду мячик, наполненный воздухом, и отпустить его, то он всплывет. То же самое произойдет со щепкой, с пробкой и многими другими телами. Какая же сила заставляет их всплывать?
На тело, погруженное в воду, со всех сторон действуют силы давления воды (рис. а ). В каж-дой точке тела эти силы направлены перпендикулярно его поверхности. Если бы все эти силы были одинаковы, тело испытывало бы лишь всестороннее сжатие. Но на разных глубинах гидростати-ческое давление различно: оно возрастает с увеличением глубины. Поэтому силы давления, приложенные к нижним участкам тела, оказываются больше сил давления, действующих иа тело сверху.
Если заменить все силы давления , приложенные к погруженному в воду телу, одной (резуль-тирующей или равнодействующей) силой, оказывающей на тело то же самое действие, что и все эти отдельные силы вместе, то результирующая сила будет направлена вверх. Это и заставляет тело всплывать. Эта сила называется выталкивающей силой, или архимедовой силой (по имени Архимеда, который впервые указал на ее существование и установил, от чего она зависит). На рисунке б она обозначена как F A .
Архимедова (выталкивающая) сила действует на тело не только в воде, но и в любой другой жидкости, т. к. в любой жидкости существует гидростатическое давление, разное на разных глу-бинах. Эта сила действует и в газах, благодаря чему летают воздушные шары и дирижабли.
Благодаря выталкивающей силе вес любого тела, находящегося в воде (или в любой другой жидкости), оказывается меньше, чем в воздухе, а в воздухе меньше, чем в безвоздушном про-странстве. В этом легко убедиться, взвесив гирю с помощью учебного пружинного динамометра сначала в воздухе, а затем опустив ее в сосуд с водой.
Уменьшение веса происходит и при переносе тела из вакуума в воздух (или какой-либо другой газ).
Если вес тела в вакууме (например, в сосуде, из которого откачан воздух) равен P 0 , то его вес в воздухе равен:
,
где F´ A — архимедова сила, действующая на данное тело в воздухе. Для большинства тел эта сила ничтожно мала и ею можно пренебречь, т. е. можно считать, что P возд. =P 0 =mg .
Вес тела в жидкости уменьшается значительно сильнее, чем в воздухе. Если вес тела в воздухе P возд. =P 0 , то вес тела в жидкости равен P жидк = Р 0 — F A . Здесь F A — архимедова сила, действующая в жидкости. Отсюда следует, что
Поэтому чтобы найти архимедову силу, действующую на тело в какой-либо жидкости, нужно это тело взвесить в воздухе и в жидкости. Разность полученных значений и будет архимедовой (выталкивающей) силой.
Другими словами, учитывая формулу (1.32), можно сказать:
Выталкивающая сила, действующая на погруженное в жидкость тело, равна весу жидкости, вытесненной этим телом.
Определить архимедову силу можно также теоретически. Для этого предположим, что тело, погруженное в жидкость, состоит из той же жидкости, в которую оно погружено. Мы имеем пра-во это предположить, так как силы давления, действующие на тело, погруженное в жидкость, не зависят от вещества, из которого оно сделано. Тогда приложенная к такому телу архимедова сила F A будет уравновешена действующей вниз силой тяжести m ж g (где m ж — масса жидкости в объеме данного тела):
Но сила тяжести равна весу вытесненной жидкости Р ж . Таким образом.
Учитывая, что масса жидкости равна произведению ее плотности ρ ж на объем, формулу (1.33) можно записать в виде:
где V ж — объем вытесненной жидкости. Этот объем равен объему той части тела, которая погру-жена в жидкость. Если тело погружено в жидкость целиком, то он совпадает с объемом V всего тела; если же тело погружено в жидкость частично, то объем V ж вытесненной жидкости меньше объема V тела (рис. 1.39).
Формула (1.33) справедлива и для архимедовой силы, действующей в газе. Только в этом слу-чае в нее следует подставлять плотность газа и объем вытесненного газа, а не жидкости.
С учетом вышеизложенного закон Архимеда можно сформулировать так:
На всякое тело, погруженное в покоящуюся жидкость (или газ), действует со стороны этой жидкости (или газа) выталкивающая сила, равная произведению плотности жидкости (или га-за), ускорения свободного падения и объема той части тела, которая погружена в жидкость (или газ).
