"Архимед күші. Денелердің жүзу шарттары". Ашық сабақ.

АРХИМЕД КҮШІ

Сабақтың тақырыбы:  §44. Архимед күші.

Сабақтың мақсаты:

Білімділік: Архимед күші, Архимед заңы, сұйық ішіндегі кері итеруші күштің қандай физикалық шамаларға байланысты екендігін білу.

Дамытушылық: Сұйық ішіндегі, сұйыққа батырылған денеге кері итеруші қысым күші туралы білімдерін, оқушылардың өзіндік ойлау белсенділігі мен танымдық қызығушылығын дамыту.

Тәрбиелік:  Сабақ барысында оқушылардың дербестігін, пікір алмасуға, шығармашылық өздігінен білім алуға тәрбиелеу.

Сабақтың түрі: Аралас сабақ.

Сабақтың әдісі: Түсіндіру, сұрақ – жауап, есептер шығару.

Сабақтың көрнекілігі: Штатив, динамометр, Архимед шелегі.

Сабақтың барысы: 

І.Ұйымдастыру кезеңі.

1.Оқушылармен сәлемдесу.

2.       Оқушыларды түгендеу.

3.Сабаққа көңілін аудару.

ІІ.Үй тапсырмасын тексеру.

1.       Атмосфераның негізгі қабаттары қандай?

2.       Атмосфералық қысым таулы жерлерде жазықтағыдан гөрі неге төмен болады?

3.       Атмосфералық ауа қысымынан жоғары немесе төмен болатын
қысымды өлшеуге арналған құралдар қалай аталады?

4.       Манометрлердің қандай түрлерін білесіңдер?

5.       Манометрлердің жұмыс істеу принципі қандай заңға негізделген?

6.       Ашық сұйықтық манометр қалай жасалған және қалай жұмыс істейді?

7.       Металл манометр қалай жұмыс істейді?

8.       Сфигмоманометр не өлшеуге арналған құрал,оның құрылысы қандай?

9.       Сорғылардың құрылысы, жұмыс істеу принципі қандай?

10.    Атмосфераның қысымы бойынша тікелей биіктікті өлшеуге арналған құрал қалай аталады?

ІІІ. Жаңа сабақ. 

Біз күнделікті тұрмыста,айналамызда суда жүзіп жүретін денелерді көптеп кездестіреміз. Мысалы, кемелердің, қайықтың, салдың суда жүзуі т.с.с. Сонда денелердің сұйықтықта жүзу себебі неде? Адам аздап малти білсе, су оның жүзуіне ықпал етеді. Бұдан,су өзіне батырылған денеге әрекет етеді деп айта аламыз. 

Сұйыққа батырылған денеге әрекет ететін бұл ығыстырушы күштің шамасы дене мен сұйықтың қандай сипаттамаларына байланысты болатынын қарастырайық. Бұл күштің мәнін тұңғыш рет ертедегі грек ғалымы Архимед есептеп шығарған.

Архимед (б.з.б. 287-212) Ежелгі Грекияның ұлы ғалымы, математигі, механигі. Ол Сицилия аралындағы Сиракуз қаласында туып, сонда өмір сүрген. Архимед астроном Фидийдің баласы деген жорамал бар. Архимед сол замандағы ірі мәдениет орталығы – Мысырды аралап, александриялық ғалымдардан, солардың ішінде Конон мен Эратосфеннен білім алған. Оның математикалық еңбектері өз заманынан озық болған. Архимедтің көптеген математикалық еңбектерінің ішінен қисық сызықтардың ұзындықтарын, әр түрлі фигуралар мен денелердің көлемін және беттердің ауданын есептеу ерекше орын алды. Архимед рычаг заңын, суда өлшеу арқылы қорытпаның құрамын анықтау тәсілін тапқан, өз атымен аталған гидростатика заңын ашқан, жер суаратын механизмдерді, жүк көтеретін рычаг жүйелері мен блоктарды, тас ататын, қамал бұзатын соғыс қондырғыларын, т.б. ойлап шығарған. 

Архимед туралы аңыз

Аңыз бойынша, бұл заңның ашылуына себепкер болған Сиракуз патшасы Гиерон болған екен. Ол Архимедке зергер жасаған өзінің тәжінің таза алтыннан немесе алтын мен күмістің қоспасынан жасалынғанын анықтауды тапсырады.Бұл есепті шеше алмай, Архимед көп күн әуреленді.Бір күні толтыра су құйылған ваннаға түскен кезде кенеттен ойына әлгі есептің шешуі келген екен дейді.Өзінің ашқан жаңалығына шаттана қуанған ол «Эврика!» (Таптым!) деп Сиракуз көшелерінің бойымен айғайлап жүгірген екен.Сірә,жаңалық ашқан адам ерекше бір сезімге бөленетін болар.
Архимедтің ашқан жаңалығының мән-мағынасын түсіну үшін қарапайым тәжірибе жасап көрейік.

Ол үшін динамометрге жүкті ілеміз нұсқаушы — бағдаршасы бар серіппе де жарайды. Бағдаршаның көрсетуін есте сақтап жүкті суға түсіреміз (динамометрден ажыратпай). Біз бағдаршаның салмақтың азайғанын көрсеткенін көреміз 

F_А = Р₀ — Р_с  сұйық.

Сондықтан сұйықтың ішіндегі қандай да бір денеге әсер ететін Архимед күшін анықтау үшін, бұл денені ауада және сұйықта өлшеп, алынған мәндерінің өзгерісін анықтаймыз.

Сонымен ,сұйыққа батырылған денеге осы денені сұйықтан ығыстыратын күш әрекет етеді.

Міне осы Архимед (кері итеруші) күші болып табылады.
Егер суға ауа толтырылған допты батырып, жіберіп қалсақ, онда ол доптың сол сәтте қалқып шығатынын көреміз. Тығынмен де, ағаш бөлігімен де осы құбылыс байқалады. Олардың қалқып шығуына не әсер етіп отыр?
Суға батырылған денеге түсірілген барлық күшті бір (тең әсерлі) күшпен ауыстырамыз. Бұл күш жоғары бағытталған, оны кері итеруші күш немесе Архимед күші деп атайды (Ең алғаш осы күштің бар екенін және оның неге тәуелді екенін Архимед анықтады). 2, б-суретте осы күш F_А деп белгіленеді.
Енді архимед күшінің сан мәні неге тең соған тоқталсақ. 

Тәжірибе жасайық (3-сурет) 1 серіппеге кішкентай шелек (қаушақ) 2 және цилиндр формалы денені 3 ілейік. Штативтегі көрсеткіш-тілшенің орнын белгілейміз (3, a-сурет) де, денені су құйылған ыдысқа төгілетін түтікке дейін батырамыз. Бұл кезде суйықтың біраз бөлігін дене ығыстырып шығарады да ол стаканға төгіледі (3, б-сурет), оның көлемі дененің көлеміне тең. Осы кезде сұйыққа батырылған дененің салмағының азайғандығын серіппенің көрсеткішінің жоғары көтерілуі білдіреді. 

Біз жоғарыда сұйыққа батырылған дененің салмағы, кері итеруші архимед күшіне тең шамаға азаятындығын білеміз. Бұл шама дене ығыстырып шығарған сұйықтың мөлшеріне байланысты ма? Бұны анықтау үшін стакандағы сұйықты 2 шелекке құяйық. Көрсеткіш-тілшенің алғашқы орнына қайтып келгенін көреміз (3, в-сурет). Бұл дене ығыстырып шығарған сұйықтың салмағы, сұйыққа батырылған дененің қанша салмақ жоғалтқанына тең екендігін көрсетеді. Сұйықтағы дененің салмағы сол дененің ауадағы салмағынан кері итеруші күш шамасына тең шамаға аз болады. Сондықтан біз қорытындылай келе мынадай тұжырымға келеміз:
Сұйыққа батырылған денеге әсер ететін кері итеруші күш, осы дене ығыстырып шығарған сұйықтың салмағына тең болады. Бұл заңды Архимед ашқан, сондықтан оның есімімен — Архимед заңы деп аталады.

Денеге әсер ететін Архимед күші F_А төмен қарай әсер ететін салмақ күші mg-мен теңеседі. (мұндағы m_с — берілген дене көлеміндегі сұйық масасы):
Бірақ салмақ күші mcg ығыстырылып шығарылған сұйықтың салмағына Рс тең. Сонымен F_A= Р_стең. Сонымен F_A= Р_с тең екені дәлелденді. F_А=m_cg (1)
(1) формуласын басқа түрде жазуға болады. Сұйықтың массасы mс оның тығыздығы ρс мен Vс көлемінің көбейтіндісіне тең екенін ескеріп: F_А = ρ_cV_cg (2)

V_c — ығыстырылып шыққан сұйық көлемі. 

Бұл көлем дененің сұйыққа батып тұрған бөлігінің көлеміне тең болады. Егер дене сұйыққа толығынан батып тұрса, онда сұйық көлемі дене көлемімен V бірдей болады, ал егер жарты бөлігі батып тұрса, онда дене көлемінен V аз болады .

(2) формула газдардағы архимед күші үшін де дұрыс орындалады, тек бұл жағдайда газ тығыздығы мен ығыстырылып шыққан газдың көлемі, сұйық орнына алынады.

Жоғары айтылғандарды ескере отырып, Архимед заңын былай тұжырымдайды:

Тыныштық күйдегі сұйыққа (немесе газға) батырылған кез-келген денеге сұйық (немесе газ) тарапынан кері итеруші күш әсер етеді, оның шамалы сұйықтың немесе газ тығыздығын еркін түсу үдеуімен сұйыққа (немесе газға) батып тұрған дене бөлігінің көлемінің көбейтіндісіне тең болады.

Сұйықтықтың барлығында, әр түрлі тереңдікте әр түрлі гидростатикалық қысым болғандықтан Архимед (кері итеруші) күші тек суда емес, басқа да кез келген сұйықта әсер етеді. Одан басқа бұл күш газдарда да әсер етеді, осы себептен әуе шары, дирижаблі ұшады.

ІV. Есептер шығару
Сапалық есептер:
1 Неге өзен суына қарағанда ,теңіз суына жүзген жеңілірек?
Жауабы: теңіз суы тұзды , тұзы неғұрлым көп болған сайын тығызырақ келеді.Архимед күші көбірек болады.
2 Сүңгуір үйрек су бетінде қамыстың сабағынан ұя жасайды.Ұя су бетінде жел қалай соқса ,солай қарай жүзеді.Құстың ұясын су бетінде қандай күш ұстап тұрады.Ұяның пішіні мен көлемі туралы не айтуға болады?
Жауабы: судың бетінде ұяға Архимед күші әсер етеді .Ұя пішіні ұяның салмағымен оған әсер ететін ығыстырушы күштен бірнеше есе аз болуы керек .
3. Сүңгуір үйрек суда жақсы сүңгиді.Судың тарапынан әсер ететін ығыстырушы күшті ол қалай азайтады?
Жауабы: Сүңгуір үйрек өзінің көлемін азайтуға тырысады , яғни қанаттарын денесіне қысып алады.
4.Арқаңмен жүзгенде суда өзіңді жеңіл ұстайсың. Неге?
Жауабы: Арқаңмен жүзген жеңіл , өйткені арқаның көп бөлігі суға батады да кері итеруші күшті көбейтеді.

1-есеп
Суға көлемі 100см³ болатын дене батырылған. Осы денеге әсер ететін ығыстырушы күшті анықтаңдар. Судың тығыздығы-1000кг/м³.

2-есеп.
3 түрлі кубтар берілген осылардың қайсысына көбірек ығыстырушы күш әсер етеді? Егер керосинге батырсақ ығыстырушы күштің шамасы өзгере ме?

Жауабы: денелердің көлемдері әртүрлі болғандықтан оларға әсер етуші ығыстырушы күш те әртүрлі. Көлемі көп денеге ығыстырушы күш көп болады. Керосинге батырсақ ығыстырушы күштің шамасы кемиді, себебі, керосиннің тығыздығы судың тығыздығынан кем.
3- есеп
Керосинге массасы 500г темір кесегі батырылған. Ығыстырушы күшті анықтаңдар. Темірдің тығыздығы -7900кг/м³, ал керосиннің тығыздығы -820кг/м³.

4-есеп.
Суға батырылған тығынға әрекет ететін кері итеруші күш 49Н.Тығынның көлемі қандай, егерρ_тығын=240кг/м³ болса.

1.      
Жаңа сабақты бекіту.

– Сұйық өзіне батырылған денеге неліктен төменнен жоғары қарай бағытталған қысым түсіреді?

– Архимед күшінің пайда болуы қалай көрініс табады?

– Архимед күші неге тең?

– Архимед күші қандай шамаларға тәуелді?

– Формуласын жаз?

VІ. Бағалау.

VІІ. Үйге тапсырма: §44. Архимед күші.

23 – жаттығу. №5,6,7,8