Исследовательский проект на тему "Исследование выталкивающей силы"

МБОУ «Большеремезенская СОШ»

Исследовательский проект на тему: «Исследование выталкивающей силы».

Автор работы:

Наумкина Татьяна

МБОУ « Большеремезенская СОШ»

7  класс

Руководитель: учитель физики

Назаркина И.А.

МБОУ « Большеремезенская СОШ»

2015 год

Содержание

Введение.

1. Гипотеза

2. Цели и задачи.

3. Методы исследования.

4. Актуальность

5. Основная часть

а) Закон Архимеда. Теоретические основы;

б) Условия плавания тел;

в) Полный закон Архимеда;

г) Эксперимент с яйцами

 6. Вывод

7. Приложения

8. Литература

Гипотеза:

Выталкивающая сила зависит от массы и объёма тела, погружённого в жидкость с определённой плотностью.

Цели и задачи:

исследовать  выталкивающую  силу и ее действие на различные тела;

проверить зависимость силы от условий проведения физического эксперимента;

определить погрешность измерений.

Методы исследования:

экспериментальный;

частично-поисковый;

использование литературы и интернет ресурсов

Актуальность.

Данная работа дает возможность углубить сформированные на уроке  знания об архимедовой силе; продолжить формирование умений устанавливать причинно-следственные связи между фактами, явлениями и причинами; показать роль физического эксперимента в физике.

Не всегда удовлетворяет то, что ответ на поставленный вопрос есть в учебнике. Появляется потребность получить этот ответ из жизненного опыта, наблюдений за окружающей действительностью, из результатов собственных экспериментов, которые позволяют расширить знания по данной теме, готовить и самостоятельно демонстрировать опыты, объяснять их результаты.

Исследовательская работа направлена на то, чтобы охватить как можно полнее вопросы школьной программы, используя ранее полученные знания и факты, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни.

На основе выводов, полученных в результате исследований, можно ответить на ряд проблемных вопросов.

Закон Архимеда. Теоретические основы.

Почему вес тела в воде меньше веса тела в  воздухе? Известно, что всякая жидкость давит на погруженное в неё тело со всех сторон: и сверху, и снизу, и с боков. Почему же на тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, всегда направленная вверх?  

Зависимость давления в жидкости или газов глубины приводит к возникновению выталкивающей силы, действующей на любое тело, погруженное в жидкость или газ.

Эту силу называют архимедовой силой.

Рассмотрим силы, которые действуют со стороны жидкости на погруженное в неё тело. Почему силы, действующие на боковые грани тела равны и уравновешивают друг друга? А вот силы, действующие на верхнюю и нижнюю грани тела неодинаковы?

Рассчитаем  выталкивающую силу.

Ø  F₁=p ₁S₁ ,     F₂=p ₂S₂, S₂=S₁=S,

Ø  Fвыт=F₂-F₁= ρжgS(h₂-h₁)= ρжgSh

h-высота параллелепипеда

Sh=V – объём параллелепипеда

Ø  ρж V=mж  - масса жидкости в объёме параллелепипеда

Выталкивающая сила равна весу жидкости в объёме погружённого в неё тела

   Архимедова сила направлена противоположно силе тяжести; поэтому вес тела при взвешивании в жидкости или газе оказывается меньше веса, измеренного в вакууме.

Условия плавания тел.

   На тело, находящееся а жидкости или газе, в обычных земных условиях действуют две противоположно направленные силы: сила тяжести и архимедова сила. Если сила тяжести по модулю больше архимедовой силы, то тело опускается вниз - тонет.

   Если модуль силы тяжести равен модулю архимедовой силы, то тело может находиться  в равновесии на любой глубине.

   Если архимедова сила больше силы тяжести, то тело поднимается вверх – всплывает. Всплывающее тело частично выступает над поверхностью жидкости; объем погруженной части плавающего тела таков, что вес вытесненной жидкости  равен весу плавающего тела.

   Архимедова сила больше силы тяжести, если плотность жидкости больше плотности погруженного в жидкость тела. Поэтому дерево всплывает в воде. Однако на воде держатся громадные речные и морские суда, изготовленные из стали, плотность которой почти в 8 раз больше плотности воды. Объясняется это тем, что из стали делают лишь сравнительно тонкий корпус судна, а большая часть его объема занята воздухом. Среднее значение плотности судна при этом оказывается значительно меньше плотности воды; поэтому оно не только не тонет, но и может принимать для перевозки большое количество грузов.                                                 

Полный закон Архимеда.

Закон Архимеда описывает действие жидкостей и газов на погруженное в них тело, и является основным законом раздела физики аэрогидростатики. Однако закон Архимеда не только не доведён до идеального состояния, но даже ещё не сформулирован. В этом законе отсутствует как формулировка, так и основное уравнение, без чего физических законов не бывает.

 Всем известная формулировка: «на всякое тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, направленная вверх и равная весу вытесненной жидкости» является формулировкой правила Архимеда для определения выталкивающей силы. По описанию закона Архимеда в учебниках физики можно произвести расчёт Архимедовой силы для жидкостей и газов, но что потом с этой силой делать? Для решения практических задач знание только Архимедовой силы бесполезно.  

Если нам нужно решить задачу по закону Архимеда, и узнать, что произойдёт с телом, погруженным в жидкость, нужен алгоритм решения задач. Более того, в описании закона Архимеда не хватает данных. Для того, чтобы узнать, что произойдёт с телом, нужно ещё знать объём тела и его вес.

Алгоритм решения задач по закону Архимеда не изложен в учебниках при описании самого закона, его предлагается усвоить решением большого количества примеров, где показывается буквально на пальцах, что делать с Архимедовой силой в одном случае, а что в другом. Этот подход значительно усложняет как преподавание закона Архимеда, так  и его усвоение. Не проще ли один раз вывести формулу закона Архимеда, и решать все задачи одним способом, по одному алгоритму.

Для вывода формулы полного закона Архимеда рассмотрим общий случай тела, погруженного в выталкивающую среду. На это тело действуют три силы:

Первая сила в формуле – архимедова сила F_А, равная весу вытесненной среды.        

Вторая сила –  вес тела Р. Но есть ещё третья сила, не очень известная в теории.  Это архимедова сила, не задействованная для плавания тел - запас плавучести Q.

В судостроении эта величина называется грузоподъёмностью.

Если к телу, не полностью погруженному в выталкивающую среду, добавить вес, по величине равный Q, тело полностью погрузится.

В этом случае тело будет уравновешенно в выталкивающей среде, и мы можем написать основное уравнение закона Архимеда: 

F_А max  = F_А  + Q

                                                

 F_А max  -   максимально возможная архимедова сила

 (в судостроении называется водоизмещением),

 F_А - архимедова сила, используемая для плавания (равна весу судна Р).

 Q - запас плавучести (в судостроении называется грузоподъёмностью).                                                                             

Основное уравнение (формулу) закона Архимеда можно также составить относительно веса погруженного тела Р, равного и противоположного  архимедовой силе F_А, но смысла это не меняет.

 Физическое определение полного закона Архимеда можно вывести из его основного уравнения: максимально возможная архимедова сила погруженного тела равна сумме архимедовой силы и запаса плавучести. Она также равна весу жидкости во всём объёме тела и противоположно ему направлена.

Без учёта запаса плавучести  невозможно узнать конечный результат погружения тела в выталкивающую среду. Именно её величина определяет поведение погруженного тела в выталкивающей среде:

1) При Q=0  погруженное тело висит неподвижно, или сохраняет направление своего движения (при отсутствии других сил).

2) При Q>0 , погруженное тело всплывает (при отсутствии других сил).

3) При Q<0  , погруженное тело тонет (при отсутствии других сил).

Строители кораблей на практике давно поняли, что закон Архимеда для плавания тел не полный. Они ввели в закон Архимеда для плавания судов понятие водоизмещения, имеющего смысл максимально возможной выталкивающей силы F_А max ,  грузоподъёмности Q , и собственного веса корабля Р , равного архимедовой силе F_А и противоположно ей направленного.

Это показывает, что в судостроении давно пользуются формулой полного закона Архимеда. Однако эту формулу выводят каждый раз, исходя из здравого смысла. Это же самое делают и в  школе.

Эксперимент с яйцами.

Цель работы:

·           Исследовать поведение сырого и варёного яиц в жидкостях разного рода.

·           Доказать, что значение выталкивающей силы зависит от плотности жидкости.

Ход работы :

1.Взять яйца и жидкости разного рода:

·             вода чистая,

·            вода, насыщенная солью,

·            подсолнечное масло,

2.Определить силу тяжести, действующую на яйца в воздухе и в жидкостях   разного рода поочередно.

Результаты исследований:

·           Результирующая сила,  действующая на яйца в воздухе, оказалась больше, чем в    жидкости.

·           Результирующая сила,  действующая на яйца в жидкостях разного рода, оказалась   разной

     (чем больше плотность жидкости, тем результирующая сила меньше)

Вывод

Экспериментальные вычисления выталкивающей силы менее точные, чем расчётные. Эксперимент показал, что выталкивающая сила зависит от объёма тела и плотности жидкости. Результирующая сила, которая определяет поведение тела в жидкости, зависит от массы, объёма тела и плотности жидкости.

Литература:

1.      Интернет-ресурсы

2.      Физика 7 класс А.В. Пёрышкин, Издательство «ДРОФА» 2009 год

3.      Удивительная физика. Н.В.Гулиа ,М. : ЭНАС, 2012 год.