"Изучение условия плавания тел при помощи тела переменного

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение
«Новополтавская средняя общеобразовательная школа имени Н.В.Курченко»
Изучение условия плавания тел при помощи тела переменного объёма
Научно-исследовательская работа
Выполнила: учащаяся 9 класса МБОУ
«Новополтавская СОШ имени Н.В. Курченко»
Мищенко Светлана Евгеньевна
с. Новополтава, ул. Пролетарская, д. 14, кв. 1, тел.
89039123575
Научный руководитель:
Наливайко Сергей Иванович,
учитель физики и информатики МБОУ
«Новополтавская СОШ имени Н.В. Курченко»
с. Новополтава
Новополтава 2015
Содержание
I. Введение……………………………………………………..…………3
II. Теоретический материал…………………..………………………….5
1. Плавание тел…………………………………………………………..5
2. Сила тяжести…………………………………………………………..8
3. Легенда об Архимеде…………………………………………………9
4. Плавание животных и человека…………………………………… 10
III. Экспериментальная часть………………………………………….12
IV. Заключение………………………………………………………….14
V. Литература……………………………………………………………15
VI. Приложение 1…………………………………………………….….16
Приложение 2 ……………………………………………………………20
2
Актуальность работы: В данной работе будет изготовлен прибор «тело
переменного объёма» для демонстрации условий плавания тел. При этом
аналогов этого прибора, выпускаемого промышленным способом нет.
Цель работы: Изготовить прибор «тело переменного объёма» для
демонстрации условия плавания тел.
Для реализации поставленной цели я поставила перед собой следующие
задачи:
1. Изучить условия плавания тел.
2. Изготовить прибор «тело переменного объёма» для демонстрации
условий плавания тел.
3. Использовать прибор при изучении темы: «Плавание тел» в 7 классе.
Объект исследования: тело переменного объёма.
Предмет исследования: Изучение условий плавания этого тела.
I. Введение
На начальном этапе (VII-IX классы) обучения физике в силу возрастных
особенностей
и
уровня
подготовленности
школьников
при
изучении
физических законов методика преподавания диктует правило: эксперимент →
выводы по результатам эксперимента → формула. Так, в VII классе при
выведении формулы силы тяжести FT = gm сначала экспериментально
устанавливается зависимость между массой тела и действующей на него силой
тяжести. Ускорение свободного падения g выступает в роли коэффициента
пропорциональности и измеряется в Н/кг. По такой же схеме учащиеся
знакомятся с законом Гука (.Fynp = kx).
Уровень теоретической подготовленности школьников X—XI классов
позволяет им выдвинуть гипотезу, построить теорию физического процесса
или явления. Поэтому в старших классах используется следующая методика
преподавания: гипотеза → теория → выводы → экспериментальное
подтверждение хотя бы одного из выводов. Примером может служить изучение
десятиклассниками
молекулярно-кинетической
теории
(МКТ),
подтверждением истинности полученных результатов которой является только
3
опыт Штерна.
Однако при изучении темы «Плавние тел» в VII классе экспериментально
не подтверждается условие плавания тел. Опыты предлагаемые в методической
литературе с использованием отливного сосуда помогают подтвердить закон:
если тело плавает в жидкости, то вес вытесненной им жидкости равен весу
этого тела в воздухе. Но вот продемонстрировать условия плавания тел не
представляется возможным. Тем самым нарушается принцип наглядности, на
котором базируется изучение физических законов на начальном этапе изучения
физики. Это не может способствовать достаточно хорошему усвоению
учениками изучаемой темы. А ведь принцип изменения выталкивающей силы
при изменении объема тела нередко наблюдается в природе (например, на
уроках биологии школьники, изучая строение рыб, знакомятся с назначением
воздушного пузыря). В то же время эксперимент, демонстрирующий зависимость выталкивающей силы от объема тела, нетрудно провести, если
изготовить тело, объем которого можно изменять. При этом масса тела должна
оставаться неизменной.
4
II. Теоретический материал
1. Плавание тел
На
любое
тело, находящееся
в жидкости,
действует
две
силы:
выталкивающая (архимедова) сила FА, направленная вертикально вверх, и сила
тяжести
FT, направленная
вертикально
вниз.
Рассмотрим,
что
будет
происходить с телом под действием этих сил, если вначале оно было
неподвижно. При этом возможны три случая:
1. если сила тяжести Fт больше архимедовой силы FA, то тело будет
опускаться на дно, тонуть, т.е. если FТ  FA , то тело тонет.
2. если сила тяжести Fт равна архимедовой силе FA, то тело может
находиться в равновесии в любом месте жидкости, т.е. если FТ  FA , то тело
плавает внутри жидкости.
Это равенство выражает условие плавания тел: для того чтобы тело
плавало,
необходимо,
чтобы
действующая
на
него
сила
тяжести
уравновешивалась архимедовой (выталкивающей) силой.
Условию плавания тел можно придать иную форму. Представим
архимедову силу в виде
FA  жVж g
Аналогичным образом можно выразить и силу тяжести, действующую на тело.
FТ  Vg
Подставим выражения в равенство:
Vg  жVж g
Разделю обе части на g и получу условие плавания тел в другой форме:
V  жVж
Отсюда вынесу два важных следствия:
а. Для того, чтобы тело плавало, будучи полностью погружённым в
жидкость, необходимо, чтобы плотность тела была равна плотности жидкости.
5
б. Для того чтобы тело плавало, частично выступая над поверхностью
жидкости, необходимо, чтобы плотность тела была меньше плотности
жидкости.
Если плотность тела будет больше плотности жидкости, то при
погружении тела в воду оно потонет, так как сила тяжести превышает
архимедову силу. [6, с.122; 3, с. 180]
3. если сила тяжести Fт меньше архимедовой силы FA, то тело будет
подниматься из жидкости, всплывать, т.е. если FТ  FA , то тело всплывает.
Рассмотрим последний случай подробнее.
Когда всплывающее тело достигнет поверхности жидкости, то при
дальнейшем его движении вверх архимедова сила будет уменьшаться. Почему?
Да потому, что будет уменьшаться объем части тела , погруженной в жидкость,
а архимедова сила равна весу жидкости в объеме погруженной в нее части тела.
Когда архимедова сила станет равной силе тяжести, тело остановится и
будет плавать на поверхности жидкости, частично погрузившись в нее.
Полученный вывод легко проверить на опыте.
В отливной сосуд наливают воду до уровня боковой трубки. После этого
в сосуд погружают плавающее тело, предварительно взвесив его в воздухе.
Опустившись в воду, тело вытесняет объем воды, равный объему погруженной
в нее части тела. Взвесив эту воду, находят, что ее вес (архимедова сила) равен
силе тяжести, действующей на плавающее тело, или весу этого тела в воздухе.
(Рис. 1) [5, с. 66; 1, опыт № 69; 7, опыт № 148]
Рис. 1 Опыт, подтверждающий закон Архимеда
6
Проделав такие же опыты с любыми другими телами, плавающими в
разных жидкостях — в воде, спирте, растворе соли, можно убедиться, что если
тело плавает в жидкости, то вес вытесненной им жидкости равен весу этого
тела в воздухе. [3, с. 162]
Легко доказать, что если плотность сплошного твердого тела больше
плотности жидкости, то тело в такой жидкости тонет. Тело с меньшей
плотностью всплывает в этой жидкости. Кусок железа, например, тонет в
воде, но всплывает в ртути. Тело же, плотность которого равна плотности
жидкости, остается в равновесии внутри жидкости.
Плавает на поверхности воды и лед, так как его плотность меньше
плотности воды.
Чем меньше плотность тела по сравнению с плотностью жидкости,
тем меньшая часть тела погружена в жидкость (Рис. 2)
Рис. 2 Зависимость глубины погружения в воду от плотности тела
При равных плотностях тела и жидкости тело плавает внутри жидкости
на любой глубине.
Две несмешивающиеся жидкости, например вода и керосин, располагаются в сосуде в соответствии со своими плотностями: в нижней части
сосуда — более плотная вода (   1000
(   800
кг
), сверху – более легкий керосин
м3
кг
). [4, с.120]
м3
Все три случая можно показать на приборе, носящем старинное название
«картезианский водолаз». [2, c. 91].
7
2. Сила тяжести
Земля притягивает к себе все тела: людей, деревья, воду, дома и т.д.
Притяжение существует не только между Землей и телами, находящимися
на ней. Притягиваются между собой Луна и Земля. Притяжение Земли к Луне
вызывает приливы и отливы воды. Огромные массы воды поднимаются в
океанах и морях дважды в сутки на много метров.
Притяжение всех тел Вселенной друг к другу называется всемирным
тяготением.
Английский ученый Исаак Ньютон первым доказал и установил закон
всемирного
тяготения.
Согласно этому закону, силы притяжения между телами тем больше, чем
больше массы этих тел. Силы притяжения между телами уменьшаются, если
увеличивается
расстояние
между
ними.
Для всех живущих на Земле особенно важное значение имеет сила притяжения
тел к Земле.
Сила, с которой Земля притягивает к себе тело, называется силой
тяжести. (Рис. 3)
Рис. 3 Сила тяжести. [http://planeta.moy.su/_bl/14/50936180.gif]
Сила
тяжести
обозначается
направлена вертикально
буквой F с
вниз
к
индексом: Fт Она
центру
всегда
земли.
Сила тяжести, действующая на тело, прямо пропорциональна массе этого
тела. [8]
8
3. Легенда об Архимеде
Существует легенда о том, как Архимед пришел к открытию, что
выталкивающая сила равна весу жидкости в объеме тела.
Царь Гиерон (250 лет до н. э.) поручил ему проверить честность мастера,
изготовившего золотую корону. Хотя корона весила столько, сколько было
отпущено на нее золота, царь заподозрил, что она изготовлена из сплава золота
с другими, более дешевыми металлами. Архимеду было поручено узнать, не
ломая короны, есть ли в ней примесь.
Достоверно неизвестно, каким методом пользовался Архимед, но можно
предположить следующее. Сначала он нашел, что кусок чистого золота в 19,3
раза тяжелее такого же объема воды. Иначе говоря, плотность золота в 19,3 раза
больше плотности воды.
Архимеду надо было найти плотность вещества короны. Если эта
плотность оказалась бы больше плотности воды не в 19,3 раза, а в меньшее
число раз, значит, корона была изготовлена не из чистого золота.
Взвесить корону было легко, но как найти ее объем, ведь корона была
очень сложной формы. Много дней мучила Архимеда эта задача. И вот
однажды, находясь в бане, он погрузился в наполненную водой ванну, и его
внезапно осенила мысль, давшая решение задачи. Ликующий и возбужденный
своим открытием, Архимед воскликнул: «Эврика! Эврика!», что значит:
«Нашел! Нашел!» (Рис. 4)
Рис. 4 Открытие Архимеда [http://i1115.photobucket.com/albums/k541/p-v-vasiliev/120220111.gif]
9
Архимед взвесил корону сначала в воздухе, затем в воде. По разнице в весе
он рассчитал выталкивающую силу, равную весу воды в объеме короны.
Определив затем объем короны, он смог вычислить ее плотность, а зная
плотность, ответить на вопрос царя: нет ли примесей дешевых металлов в
золотой короне? Плотность вещества короны оказалась меньше плотности
чистого золота. Тем самым мастер был изобличен в обмане, а наука
обогатилась замечательным открытием.
Задача о золотой короне побудила Архимеда заняться вопросом о плавании
тел. В результате появилось замечательное сочинение «О плавающих телах»,
которое дошло до нас. В этом сочинении Архимедом сформулировано:
Тела, которые тяжелее жидкости, будучи опущены, в нее, погружаются
все глубже, пока не достигают дна, и, пребывая в жидкости, теряют в своем
весе столько, сколько весит жидкость, взятая в объеме тел.[4, с. 183]
4. Плавание животных и человека
Средняя плотность живых организмов, населяющих водную среду, мало
отличается
от
плотности
воды,
поэтому
их
вес
почти
полностью
уравновешивается архимедовой силой. Благодаря этому водные животные не
нуждаются в столь прочных и массивных скелетах, как наземные. По этой же
причине эластичны стволы водных растений. (Рис. 5)
Рис. 5 Действие силы Архимеда на тела, погруженные в жидкость
[http://www.proshkolu.ru/content/media/pic/std/2000000/1158000/1157351-ebb23ea64acff1f9.jpg]
10
Различают
активное
и
пассивное
плавание.
При активном
плавании животные передвигаются либо с помощью имеющихся у них гребных
органов (как, например, различные ластоногие животные, а также простейшие
организмы, использующие свои жгутики или реснички), либо посредством
волнообразных изгибаний тела и использования непарных плавников (как,
например, киты, большинство рыб, змей, пиявки и т. д.), либо в результате
периодических выталкиваний воды (как, например, медузы и осьминоги). При
пассивном плавании животные просто увлекаются движущейся водой.
Большую роль в передвижении рыб внутри воды играет плавательный
пузырь. Меняя объем этого пузыря (а также количество газа в нем), рыба
способна
как
увеличивать,
так
и
уменьшать
действующую
на
нее
выталкивающую силу. Благодаря этому рыба может в определенных пределах
регулировать глубину своего погружения. Киты регулируют глубину своего
погружения за счет уменьшения и увеличения объема легких.
Строение человека таково, что его плотность оказывается близкой к
плотности воды. У многих людей она чуть меньше, особенно когда желудок
пустой, а вода соленая. В таких случаях человек способен свободно находиться
на поверхности воды, не боясь утонуть. (Рис. 6) [9]
Рис. 6 Плавание человека [http://kak-i-pochemu.ru/wp-content/uploads/2010/12/kroll.jpg]
11
III. Экспериментальная часть
Ниже приводится описание прибора (тела переменного объема), с
помощью которого можно выполнить демонстрационный эксперимент, на
основе которого учащиеся без труда сделают правильный вывод об условии
плавания тела в жидкости. Прибор прост в изготовлении и делается из
подручного материала. Его изготовление не требует никаких финансовых
затрат.
Для его изготовления требуются два цилиндрических сосуда, по
форме похожие на пробирки. При этом необходимо, чтобы внутренний
диаметр
верхней
пробирки
был
несколько
больше
наружного
диаметра нижней. Пробирка меньшего диаметра должна быть
длиннее (для удобства ее извлечения из пробирки большего диаметра). В качестве пробирок можно использовать цветные колпачки от
губной помады (длина 50-60 мм), одноразовые шприцы и т. п. Если
колпачки прозрачные и потому малозаметные, используя скотч, их обклеивают цветной бумагой. Для того, чтобы нижняя пробирка
удерживалась в верхней, сверху на нее наматывают узкую полоску
скотча. В нижнюю пробирку в качестве балласта помещают несколько
дробинок
и
заливают
небольшим
количеством
расплавленного
парафина. Вместо дробинок можно использовать мелкие гайки,
болтики,
шайбы.
Желательно,
Массу
чтобы
при
балласта
подбирают
максимальном
опытным
объеме
путем.
конструкция
вертикально плавала в воде, выступая из нее на 15—20 мм. Объем тела
уменьшается посредством введения одной пробирки в другую. Для удобства
извлечения из воды к
прибору крепится с помощью скотча нить.
12
Для изготовления прибора мне понадобились: футляр из-под губной
помады, колпачок, дробь, парафин, скотч, верёвка.
Изготовление: (см. приложение 1)
1) приклеиваем верёвку к колпачку скотчем. (Рис. 7а, б)
2) Приклеиваем скотч (уплотнитель) к футляру из-под губной помады.
(Рис. 8)
3) Засыпаем дробь в футляр и заливаем его парафином. (Рис. 9а, б). Ждём,
когда парафин застынет.
4) Соединяем половинки получившегося прибора. (Рис. 10а, б, в)
Демонстрационный эксперимент с телом переменного объема уместен при
изучении темы «Условия плавания тела» (см. приложение 2). Изменяя объем
тела, без труда можно добиться того, чтобы тело в жидкости всплывало (Рис.
11), плавало (Рис. 12), тонуло (Рис. 13). При этом сила тяжести остаётся
неизменной.
13
IV. Заключение
При выполнении данной исследовательской работы мною была изучена
тема «Плавания тел». Так же была изучена методика изложения этой темы при
изучении в 7 классе.
В традиционной методике изложения материала нарушался принцип
наглядности, на котором базируется изучение физических законов на
начальном этапе изучения физики. Это не может способствовать достаточно
хорошему усвоению учениками изучаемой темы.
Чтобы избежать этого недостатка при изучении семиклассниками темы
«Плавание тел» мною был изготовлен прибор: «тело переменного объёма» для
наглядной
демонстрации
этого
условия.
Существенных
проблем
при
изготовлении прибора не возникло, т.к. он изготавливается из подручных
материалов и практически не требует финансовых затрат.
Изготовленный прибор будет применяться учителем при изложении темы
«Плавание тел» в 7 классе.
14
V. Список литературы
1. Демонстрационные опыты по физике в 6-7 классах средней школы / Под ред.
А.А. Покровского. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Просвещение, 1974.
2. Перышкин А.В. и др. Преподавание физики в VI – VII классах средней
школы. Пособие для учителей. 2-е изд., перераб. М., «Просвещение», 1974.
3. Полянский С.Е. Поурочные разработки по физике. 7 класс. М.: «ВАКО»,
2003.
4. Физика. 7 кл. : учеб. для общеобразоват. учреждений / А.В. Перышкин. – 13е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2009.
5. Физика. 7 класс (поурочное планирование) / Составитель В.А. Шевцов. 2002.
6. Физика: Учеб. Для 7 кл. общеобразоват. учреждений/ С.В. Громов, Н.А.
Родина. – 3-е изд. – М.: Просвещение, 2001.
7. Хорошавин С.А. Физический эксперимент в средней школе: 6-7 кл. М.:
Просвещение, 1988.
Источники из Интернета
8. http://edu.glavsprav.ru/info/sila-tyazhesti/
9. http://phscs.ru/physics7/swimming
15
Приложение 1. Изготовление прибора
Рис. 7 а) приклеиваем верёвку к колпачку скотчем
Рис. 7 б) приклеиваем верёвку к колпачку скотчем
16
Рис. 8 приклеиваем скотч (уплотнитель) к футляру из-под губной помады
Рис. 9 а) засыпаем дробь в футляр
17
Рис. 9 б) заливаем его парафином
Рис. 10 а) половинки прибора
18
Рис. 10 б) соединяем половинки
Рис. 10 в) прибор «тело переменного объёма»
19
Приложение 2. Демонстрация работы прибора
Рис. 11 Тело всплывает
20
Рис. 12 Тело плавает внутри жидкости
21
Рис. 13 Тело тонет
22