Научно-практическая работа "Исследование силы Архимеда"

Исследование   закона Архимеда

Содержание:

I. Введение……………………………………………………………………………3

II. Основная часть

1.      Теоретическая часть

1.1. Об Архимеде………………………………………………………………………...4

1.2. Закон Архимеда……………………………………………………………………..6

1.3.От чего зависит выталкивающая сила……………………………………………...6

1.4.Примеры проявления закона Архимеда в природе………………………………..7

2.      Практическая часть

2.1. Экспериментальные доказательства существования Архимедовой силы…….10

2.2.Расчет Архимедовой силы…………………………………………………………12

III. Вывод…………………………………………………………………………….12

IV. Литература………………………………………………………………………13

I.Введение

Многие тысячелетия человек задавался вопросом: «Почему люди не летают?» Необходимость преодолевать водные и воздушные преграды, привели к новым изобретениям человеком. Экскурсия в царство Архимеда предоставляет удивительную возможность раскрыть тайны водного и воздушного мира. Почему человек и животные могут подолгу плавать на поверхности воды? Благодаря чему человек может изменять глубину погружения в воде? На эти и многие другие вопросы я попробую  ответить при работе над проектом.   

Цель работы:

Изучить закон Архимеда

Задачи:

1. Узнать об истории открытия закона Архимеда.
2. Доказать существование архимедовой силы.
3. Рассчитать архимедову силу, действующую на предметы.

Гипотеза:

  Я пологаю,что исследование  действия архимедовой силы сегодня является актуальным. Меня волнуют вопросы: Почему человек и животные могут плавать на поверхности воды? Почему железный гвоздь тонет, а железный корабль плавает? В какой воде легче плавать? Почему летают самолеты, а люди не могут летать?

1.1. Об Архимеде

     Архимед — древнегреческий математик, физик инженер из Сиракуз, греческой колонии на острове Сицилия. Сведения о жизни Архимеда оставили нам многие древнегреческие писатели и историки (Полибий, Тит Ливий, Цицерон, Плутарх, Витрувий и другие).

Отцом Архимеда был математик и астроном Фидий, состоявший, как утверждает Плутарх, в близком родстве с Гиероном II. Отец привил сыну любовь к математике, механике и астрономии. Для обучения Архимед отправился в Александрию - научный и культурный центр Египта. Большую часть своей жизни провёл в родном городе Сиракузы. Где и был убит при захвате города воинами Марцелла во время Второй Пунической войны.

Архимед изготовил первый в мире планетарий.

Знаменитое устройство «архимедов винт» (это механизм, исторически использовавшийся для передачи воды из низколежащих водоёмов)   было изобретено им ещё в юности, и оно нашло своё применение  для полива полей. Архимедов винт и по сей день применяется с этой целью в некоторых странах.

Архимед первым выдвинул идеи касательно измерения расстояния до других небесных тел. И это за много сотен лет до Коперника и Галилея, отстаивавших гелиоцентрическую систему мира

Архимед изобрёл способ решения кубических уравнений.

Понятие «центр тяжести» было введено в науку именно Архимедом.

1.2. Закон Архимеда

    Легенда об открытие Архимедовой силы. «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.

   Вывод. Закон Архимеда формулируется таким образом: тело, находящееся в жидкости (или газе), теряет в своем весе столько, сколько весит жидкость (или газ) в объеме, вытесненном телом.

1.3. От чего зависит выталкивающая сила

    Поведение тела, находящегося в жидкости, зависит от соотношения между модулями силы тяжести F _т и архимедовой силы F_A, которые действуют на это тело. Возможны следующие три случая:

1. F_т   >  F_A – тело тонет;

2. F _т = F_A – тело плавает в жидкости;

3. F _т < F_A – тело всплывает до тех пор, пока не начнет плавать на поверхности жидкости.

        Поведение тела, находящегося в жидкости, зависит от соотношения плотностей тела и жидкости. Следовательно, для определения поведения тела в жидкости, можно сравнить плотности тела и жидкости. В данном случае возможны также три ситуации:

1. ρ _тела    >  ρ _{жидкости} – тело тонет

2. ρ _тела =  ρ _{жидкости} – тело плавает

3. ρ _тела < ρ жидкости – тело всплывает.

      Приведем примеры. Плотность железа – 7800 кг/м3 , плотность воды – 1000 кг/м3 . Значит, кусок железа будет тонуть в воде. Плотность льда – 900 кг/м3 , плотность воды – 1000 кг/м3 , поэтому лед в воде не тонет, а если его бросить в воду, то он начнет всплывать, и будет плавать на поверхности.

Архимедова сила не работает лишь в трех случаях:

1)Невесомость. Главное условие возникновения Архимедовой силы — это наличие веса у среды. Если мы находимся в невесомости, холодный воздух не опускается, а горячий, наоборот, не поднимается.

2)Тело плотно прилегает к поверхности. Отсутствие газа или жидкости между поверхностью и телом свидетельствует об отсутствии выталкивающей силы — телу просто неоткуда выталкиваться.

3)Растворы и смеси. Если взять спирт, плотность которого меньше плотности воды, и смешать его с водой, получится раствор. На него не будет действовать сила Архимеда, несмотря на то, что плотность спирта меньше плотности воды — он просто растворится.

1.4. Примеры проявления закона Архимеда в природе

    В Средиземном море, у берегов Египта, водится удивительная рыба фагак. Приближение опасности заставляет фагака быстро заглатывать воду. При этом в пищеводе рыбы происходит бурное разложение продуктов питания с выделением значительного количества газов. Газы заполняют не только действующую полость пищевода, но и имеющийся при ней слепой вырост. В результате тело фагака сильно раздувается, и, в соответствии с законом Архимеда, он быстро всплывает на поверхность водоема. Здесь он плавает, повиснув вверх брюхом, пока выделившиеся в его организме газы не улетучатся. После этого сила тяжести опускает его на дно водоема, где он укрывается среди придонных водорослей.

      Основная функция плавательного пузыря у рыбы оставаться на определённой глубине, где вес вытесняемой рыбой воды равен весу самой рыбы. Когда же рыба активно опускается ниже этого уровня, тело её, испытывая большее наружное давление со стороны воды, сжимается, сдавливая плавательный пузырь. При этом вес вытесняемого объёма воды уменьшается и становится меньше веса рыбы и рыба падает вниз. Чем ниже она опускается, тем сильнее становится давление воды, тем больше сдавливается тело рыбы и тем стремительнее продолжается её падение. Наоборот, при всплытии ближе к поверхности газ в плавательном пузыре расширяется и уменьшает удельный вес рыбы, что ещё больше выталкивает рыбу к поверхности.

     В Мертвом море за счет большого количества растворенных солей (более 27% по весу) плотность воды достигает 1,16 г/см3. Купаясь в этом море, человек очень мало погружается в воду, находясь как бы на поверхности, поскольку средняя плотность тела человека меньше плотности воды.

    Поскольку средняя плотность тела рыб близка к плотности воды, их вес вблизи основных горизонтов жизнедеятельности достаточно хорошо уравновешивается выталкивающей силой по закону Архимеда. Благодаря ритмичной работе мышц рыба может отталкиваться от воды и таким образом перемещаться. При этом по ее телу в направлении от головы к хвосту с возрастающей амплитудой пробегает плоская или винтообразная упругая волна. Скорость распространения этой волны превышает быстроту перемещения рыбы. За счет ритмичного отталкивания от воды при распространении по телу упругой волны и осуществляется плавание рыб. К помощи плавников рыбы прибегают только для поддержания равновесия и при медленных перемещениях.

        Такие обитатели морей, как осьминог, каракатица, моллюск сальпа, при перемещении используют принцип реактивного движения – они втягивают воду в специальные мускулистые мешки своего тела, а затем выталкивают ее наружу. Благодаря этому животные получают возможность перемещаться в направлении, противоположном выбрасываемой струе. А веслоногие, например черепахи, плавают, отталкиваясь от воды ногами.

        Мелкие рыбы обычно движутся стаями. К этому их принуждает то обстоятельство, что при увеличении скорости движения близко расположенных тел  понижается давление в пространстве между ними. Давление между каждыми двумя соседними рыбами в рыбьем косяке будет меньше, чем в среде, не возмущенной движением рыбьей стаи. В этом случае рыбы будут испытывать небольшую прижимающую их друг к другу силу и двигаться вместе. Если бы рыбы в косяке не подчинялись действию гидродинамических сил, они затрачивали бы больше энергии для своего перемещения.

     Произрастающий в дельте Волги вблизи Астрахани чилим (водяной орех) после цветения дает под водой тяжелые плоды. Эти плоды настолько тяжелы, что вполне могут увлечь на дно все растение. Однако в это время у чилима, растущего в глубокой воде, на черешках листьев возникают вздутия, придающие ему необходимую подъемную силу, и он не тонет.

      Известный русский адмирал М.П. Лазарев неоднократно показывал матросам во время плаваний следующий любопытный опыт с бутылкой. С помощью свинцового груза порожнюю закупоренную бутылку матросы опускали под воду на глубину до 430 м. После ее подъема на палубу они с удивлением убеждались, что бутылка заполнена глубинной водой и плотно закрыта пробкой, причем верх и низ пробки поменялись местами. Это происходило за счет давления воды, которое, в соответствии с законами гидродинамики, на глубине 430 м имеет вполне достаточную для этого величину. Опыт Лазарева представляет собой яркую демонстрацию действия давления воды на больших глубинах. Это позволяет лучше понять действие давления воды и на человеческий организм.

      Искусно используют закон Архимеда подводники. Если подводная лодка плывет между слоями воды с разной температурой, ее балласт подбирают таким образом, чтобы обеспечить небольшую перегрузку для теплого слоя и недогрузку для холодного. В этом случае лодка лежит на холодном слое, не нуждаясь в специальных мерах для поддержания равновесия. Для батискафа с небольшой отрицательной плавучестью слой более плотной воды может играть роль уравновешивающего «жидкого грунта».

        При переходе подводной лодки из морских глубин в устье реки, подводники тщательно следят за расстоянием между лодкой и дном, так как в пресной воде выталкивающая сила Архимеда меньше, чем в морской, и при недосмотре со стороны экипажа лодка может сесть на илистый грунт речного устья.

        Очень большое значение закон Архимеда имеет в технике бурения. Буровая колонна для бурения глубоких скважин уже на глубине 5 км в воздухе имела бы вес 226 тонн. Однако в промывочной жидкости плотностью 2 г/см³ в соответствии с законом Архимеда вес буровой колонны будет сильно уменьшен. Алюминиевые трубы «теряют» в весе в этих условиях до 50%. Подбором промывочной жидкости можно намного уменьшить вес буровой колонны. Это в огромной степени способствует успеху бурения.

        Используя законы гидростатики, человек все полнее познает условия жизни в водной среде и все больше подчиняет водную стихию своей власти.

Опрос

 Во время проведения исследований по Архимедовой силе мне стало интересно узнать мнение по данной теме у других людей. И тогда я решила провести опрос у взрослых, задавая им вопрос «Нужна ли архимедова сила в жизни?». Результаты оказались такими:

Вывод

Из 100 процентов опрошенных людей более 54 процентов считают, что Архимедова сила нужна, не знаю ответили – 18 процентов, нет ответили – 25 процентов, скорее всего это необразованные люди и только лишь 3 процентам – все равно.                                                                                   

2.1.Экспериментальные доказательства существования архимедовой силы

Существованием выталкивающей силы могут быть объяснены многие явления, с которыми мы встречаемся в повседневной жизни. Особенно меня заинтересовали занимательные опыты. Я провела опыты, которые можно объяснить существованием архимедовой силы.

Опыт 1.                      Живая и мертвая вода

    Я провела дома такой эксперимент. Поставила на стол стеклянный широкий стакан, заполненный на 2/3 водой, и два стакана с жидкостями: один с надписью «живая вода», другой – с надписью «мёртвая». Опустила в широкий стакан клубень картофеля (или сырое яйцо). Он тонет. Когда долила в стакан «живую» воду – клубень всплывал, добавила «мёртвую» – он опять утонул. Подливая то одну, то другую жидкость, можно получить раствор, в котором клубень не будет всплывать на поверхность, но и ко дну не пойдёт.
   Секрет опыта в том, что в первом стаканчике – насыщенный раствор поваренной соли, во втором – обычная вода.

Опыт 2.        Вращающийся  киви

Налила в стакан газированной воды. Диоксид углерода, растворённый в жидкости под давлением, начнёт выходить из неё. Поместила в стакан киви. Он сразу всплывёт на поверхность и … начнёт вращаться, как колесо. Вести себя подобным образом он будет довольно долго.

 

   Для того чтобы понять причину этого вращения, присмотрелась , что происходит. Обратила  внимание на бархатистую кожицу фрукта, к волоскам которой будут прилипать пузырьки газа. Так как на одной половинке киви всегда будет больше пузырьков, то на неё действует большая выталкивающая сила, и она поворачивается вверх.

Опыт 3.   Какие пельмени легче: только что сделанные или вареные?

Целю работы было исследовать поведение пельменей в жидкости и проанализировать этот процесс, доказать, что значение выталкивающей силы зависит от объема погруженного в жидкость тела.

  Я взяла десять пельменей одинакового   объема и одинаковой массы. Пять пельменей оставила сухими, а пять сварила. Пронаблюдала, что происходит с пельменями в начале варки и по окончании варки. Измерила массу сухих пельменей и массу вареных , сравнила  эти массы. Определила силу тяжести, действующую на вареные пельмени и силу тяжести,                  действующую на сухие пельмени, сравнила эти значения сил.  Определила объем пельменей сухих и объем вареных, сравнила эти объемы.

Результаты исследований были таковы:

  Я увидела, что в начале варки пельмени погрузились на дно кастрюли.

  По истечении некоторого времени, пельмени начали подниматься на поверхность воды и по окончании варки все пельмени оказались на поверхности воды.

  Измерив массу сухих пельменей и вареных, оказалось, что масса вареных пельменей больше, чем масса сухих. 

  Определив значения сил тяжести, выяснилось, что на сухие пельмени действует меньшая сила тяжести, чем на пельмени по окончании варки.

  Определив объем сухих пельменей и вареных, выяснилось, что объем сухих пельменей меньше, чем объем вареных пельменей.

Выводы.

  Хотя масса вареных пельменей больше массы сухих пельменей, так как они пропитываются влагой и они становятся тяжелее, но при варке и тесто, и пельмени увеличиваются в объеме за счет расширения содержащегося в них воздуха; поэтому на пельмени действует большая выталкивающая сила, и они всплывают.

F_выт.= ρ _жидк.•g•V_тела

  Это доказывает, что значение выталкивающей силы зависит от объема погруженного в жидкость тела.

Опыт4    Картезианский водолаз

    Древнейшая научная игрушка,  получившая название Картезианский водолаз, придуманная Рене Декартом( фамилия Декарта на латыни – Картезий)– отличная наглядная демонстрация закона Архимеда.

Заполнила  пипетку на 1/3 водой. Сжимала пипетку и погрузила ее в стакан с водой, теперь разожмала и пипетка наполнилась водой. Убедилась, что она осталась на плаву на уровне воды.

При нажатии на бутылку мы увеличиваем давление внутри бутылки, что в свою очередь к проникновению во внутрь пипетки воды, делая вес ее больше, заставляя ее опускаться на дно бутылки. То есть  при поступлении во внутрь воды вес пипетки начинает превышать выталкивающую силу(силу Архимеда), и пипетка тонет. При прекращении давления наш воздушный пузырек внутри пипетки снова расширяется и вытесняет всю лишнюю воду. Пипетка вновь становится легче и всплывает наверх.
(Если водолаз не погружается на дно бутылки при сжатии, то, возможно, внутри слишком много воздуха. И, наоборот, когда воздуха внутри пипетки слишком мало, наш водолаз всегда будет на дне бутылки.)

Опыт 5.   Интересный эксперимент

    Я взяла сахар, 3 стакана, пищевая краска разных цветов, столовую ложку. Добавила в первый стакан 1 ст. ложку сахара, во второй стакан 2 ложки сахара, в третий — 3.Поставила  их по порядку, и запомнила сколько сахара в каком стакане. Теперь добавила в каждый стакан по 3 ст. ложки воды. Перемешала.  Добавим несколько капель розовый краски в первый стакан, несколько капель зеленый — во второй, синий в третий. Снова перемешала. В первых 2-х стаканах сахар растворится полностью, а во вторых двух не полностью. Взяла  ложку столовую, чтобы аккуратно вливать окрашенную воду в стакан. Добавляем из шприца окрашенную воду в чистый стакан. Первый нижний слой будет синий, потом зеленый, красный.  Если вливать новую порцию окрашенной воды поверх предыдущей очень аккуратно, то вода не смешается, а разделится на слои из-за разного содержания сахара в воде, то есть из-за разной плотности воды.

 

В чем же секрет? Концентрация сахара в каждой раскрашенной жидкости была разной. Чем больше сахара, тем выше плотность воды и тем ниже этот слой будет в стакане. Жидкость красного цвета с наименьшим содержанием сахара, а соответственно, с наименьшей плотностью окажется на самом верху.

Опыт 6.  Пакет полета без крыльев.

Зажгла свечу. Подержала над ней пакет. Воздух в пакете нагреется. Опустив пакет, убедилась, что под действием силы Архимеда пакет полетит вверх.

2.2. Расчёт Архимедовой силы.

 Рассчитаем выталкивающую силу.

 Для этого измерим вес тела в воздухе, затем измерим вес этого же тела, но полностью погруженного в воду. Разность этих сил и будет значением архимедовой силы.

            F_А = P _{в возд}. – P _{в воде}.

 Иначе, архимедову силу можно вычислить, зная плотность жидкости и объем тела, погруженного в эту жидкость, по формуле:

 F_А = g ρ_ж V_т

Сила тяжести, действующая на сухие пельмени	Сила тяжести, действующая на вареные пельмени	Объем сухих пельменей	Объем  вареных пельменей
0,45 Н	0,60 Н	35 ·10-6м3	180 · 10-6м3

F_А =10Н/кг·1000кг/м³·35 ·10^-6м³ = 0,35 Н(сухие племени)

F_А =10Н/кг·1000кг/м³·180·10^-6м³ = 1,8 Н(вареные  племени)

Расчет архимедовой силы  для сухих пельменей 0,35 Н, для вареных 1,8 Н

Вывод. 

Я  изучила закон Архимеда, узнала от чего зависит выталкивающая сила , привела примеры проявления закона Архимеда в природе ,доказала существования Архимедовой силы.

   Выполняя опыты, установила, что выталкивающая сила зависит от объёма тела и плотности жидкости.

Используемая литература

1. Экспериментальные задачи по физике. – М.: «Просвещение», 1974.

2. Необычные учебные материалы по физике. – М.: Школа-Пресс, 2000

3. Самостоятельная работа учащихся по физике в средней школе. – М.: Просвещение,1981

4. Родина Л.П. Архимедова сила и киты // Квант. №8. 1982.

5. О.Ф. Кабардин. Физика: Справ.материалы: Учебное пособие для учащихся.-

М.: Просвещение, 1991.

6. Книга для чтения по физике 6-7 класс. Составитель И. Г.Кириллова.

7. Внеклассная работа по физике. Автор: И.Я Ланина.

8. Учебник по физике, 7 класс. А. В. Перышкин.

Приложение1.

Опрос

  «Нужна ли архимедова сила в жизни?»

 Результаты оказались такими:

 Архимедова сила нужна-54%

Не знаю-18%

Нет  – 25 %

Все равно-3%                                                                                   

Приложение2.

Картезианский водолаз

Регистрационная карточка участника конференции

Информация о работе
Название секции	физика
Название статьи	Фонтан в летнем саду
Информация об участнике
Фамилия, имя, отчество участника (полностью)	Медова Танзила Адамовна
Дата рождения (число, месяц, год)	16.03.2009
город название образовательного учреждения участника (аббревиатура в сокращенном виде) № школы, № класса	г.Чистополь МБОУ «Гимназия №2» 7б
Почтовый адрес школы с индексом Телефон школы	422980, Республика Татарстан, г. Чистополь, ул. Нариманова, д. 65
Телефоны (контактные)	[phone]
E-mail	[e-mail]
информация О Научном руководителе работы
Фамилия, имя, отчество руководителя (полностью)	Халилова Гульназ Тимерхановна
Ученая степень и звание, должность, место работы	учитель физики, первой квалификацинной категории
Телефоны (контактные)	8 919 647 72 12
E-mail	[e-mail]