Проектная работа "Исследование силы Архимеда

Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение

Гимназия №1

Межшкольная научная конференция учащихся

общеобразовательных организаций Володарского муниципального района

«Путь в науку»

Секция «ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНАЯ»

физико-математическая

«ИССЛЕДОВАНИЕ АРХИМЕДОВОЙ СИЛЫ»

Работу выполнила

Павлышина Анастасия,

учащаяся 7а класса

МАОУ Гимназия №1 п. Мулино

Руководитель:

Чванова Наталья Сергеевна,

учитель I квалификационной категории

МАОУ Гимназия №1 п. Мулино

п. Мулино

2019г.

Содержание

1.Введение……………………………………………………………….3

2.Действие жидкости на погружённое в неё тело.

      2.1 Обнаружение выталкивающей силы…………………………….5

      2.2 Биография Архимеда……………………………………………..6

      2.3 Закон Архимеда………………………………………………….10

      2.4  Величины, влияющие на значени архимедовой силы…...…..12

3. Применение Архимедовой силы на практике.

    3.1 Условия плавания тел……………………………………………14

    3.2 Архимедова сила в природе…………………………………......15

    3.3 Плавание судов……………………………………………………16

    3.4 Подводные лодки …………………………………………………17

 4.Заключение…………………………………………………….………18

 5. Литература………………………………………………………...…..19

1.    Введение

Актуальность темы.

В современном обществе молодежь уделяет большое внимание спорту и здоровому образу жизни. На мой взгляд, это замечательно. Например: занятием плаванием даёт разнообразный положительный эффект воздействие на организм человека. Они полезны при сутулости, заболеваниям позвоночника, способствуют развитию мышц, укреплению внутренних органов.

   Я занимаюсь подводным плаванием. Чтобы хорошо плавать, мне надо было научиться управлять своим телом.

      К тому же в настоящее время Россия – Великая морская держава. Судостроение – является одним из древнейших отраслей промышленности. Его история начинается от появления первых лодок и плотов,  выдолбленных из цельных стволов деревьев, и продолжается до современных ракетных кораблей и лайнеров. Она оказывает большое влияние на политическое положение страны в мире, на её обороноспособность и экономику. Свою будущую профессию хочу связать с судостроением.

      Решила, как можно больше узнать о силе Архимеда и плавание тел.

Тема моего проекта:

Изучение Архимедовой силы и ее практическое применение.

Цель проекта.

Систематизировать полученные знания на уроках физики, восполнив их  информацией из дополнительной литературы.

Подтвердить экспериментальными исследованиями существование выталкивающей силы, осознать причины её возникновения и вывести правила для её вычисления.

Гипотеза. Изучив архимедову силу, я смогу достичь лучших результатов в спорте, а также выяснить, почему суда, сделанные из материалов разной плотности, могут плавать.

Объект исследования.

Архимедова сила, плавание судов (подводных лодок).

Задачи.

1.     На основе анализа информационных источников выяснить причину возникновения архимедовой силы.

2.     Разработать эксперимент по исследованию зависимости архимедовой силы от объема тела, плотности тела и жидкости, от глубины погружения тела в жидкость.

3.     Провести экспериментальные исследования.

4.     Проанализировать результаты экспериментов.

5.     Сделать вывод.

Методы исследования.

       Сбор информации, изучение дополнительной литературы, физические эксперименты,  наблюдение, сравнение, анализ, обобщение.

Практическая значимость.

·        Использование приобретенных знаний и навыков исследовательской работы в будущей профессии.

·        Расширение и углубление знаний по данной теме.

·        Формирование навыков исследовательской деятельности.

·        Совершенствование навыков работы с физической литературой.

Умение и навыки.

·        Организация и проведение экспериментов.

·        Использование специальной литературы.

·        Приобретение умения делать обзор собранного материала (доклад, презентация)

·        Оформление работы фотографиями.

·        Активное участие в обсуждение своей работы.

2.Действие жидкости на погруженное в неё тело.

 Не раз замечала, что тела в воде становятся легче. Почему? Мяч полностью погрузили в воду, убрали руки, он тут же всплывает. Почему?

2.1 Обнаружение выталкивающей силы.

               Опыт № 1.

Вывод: тело стало легче, значит кроме силы тяжести на него действует ещё одна сила, направленая вверх, её называют выталкивающей.

Причиной возникновения выталкивающей силы, на погруженное в жидкость тело является разное давление, которое производит жидкость на тело снизу и сверху.

(р=ρgh             F=рS)

На боковые стенки тела жидкость давит с силами, противоположными по направлению, и равными по модулю, поэтому они уравновешивают друг друга, их равнодействующая равна нулю, а вот силы. действующие на верхнюю и нижнюю части тела, не равны. На верхнюю часть столб воды h₁ давит с силой F₁ , а на нижнюю h₂ с силой F₂, так как h₂ >h₁  значит F₂ >F₁.

Вывод:Значение выталкивающей силы равно разнице F₂ - F₁.

Выталкивающюю силу часто называют силой Архимеда, в честь древнегреческого ученого Архимеда.

2.2 Биография Архимеда

Архимед – выдающийся древнегреческий математик, изобретатель и инженер, живший в III веке до н. э. Родился этот человек в 287 году до н. э. в городе Сиракузы на Сицилии. В то время это была колония Древней Греции и именовалась Великой Грецией. Она включала в себя территорию современной Южной Италии и Сицилию. Дата рождения известна со слов византийского историка Иоанна Цеца. Жил он в Константинополе в XII веке. То есть почти через полторы тысячи лет после Архимеда. Он также написал, что знаменитый древнегреческий математик прожил 75 лет. Столь точная информация вызывает определённые сомнения, но проявим уважение к выдающимся умам древности и примем указанные даты и цифры за истину.

       Архимед учился в  Александрии, где находилась знаменитая Александрийская библиотека.Там, стремящийся к знаниям молодой человек, наладил дружеские связи с математиком и астрономом Кононом Самосским и астрономом, математиком и филологом Эрастофеном из Кирен – это были известные учёные того времени. С ними у нашего героя завязалась крепкая дружба. Она продолжалась всю жизнь, а выражалась в переписке.Именно в стенах Александрийской   библиотеки Архимед ознакомился с работами таких известных геометров как Евдокс и Демокрит. Он также почерпнул много других полезных знаний и через несколько лет вернулся на родину в Сиракузы. Там он быстро зарекомендовал себя умным и одарённым человеком, и прожил долгие годы, пользуясь уважением окружающих.

       Умерла выдающаяся личность во время Второй Пунической войны, когда римские войска после 2-х лет осады захватили Сиракузы. Командовал римлянами Марк Клавдий Марцелл. Согласно Плутарху, он приказал найти Архимеда и доставить к нему. Римский солдат пришёл в дом к выдающемуся математику, когда тот размышлял над математическими формулами. Солдат потребовал немедленно отправляться с ним и встретиться с Марцеллом. Но математик отмахнулся от навязчивого римлянина, сказав, что вначале должен завершить работу. Солдат возмутился и заколол умнейшего жителя Сиракуз мечом.

       Есть также версия, утверждающая, что Архимеда убили прямо на улице, когда он нёс в руках математические инструменты. Римские солдаты решили, что это ценные предметы и зарезали математика. Но как бы там ни было, а смерть этого человека возмутила Марцелла, так как был нарушен его приказ.

       Этот выдающийся человек внёс очень большой вклад в развитие математики. Он сумел найти общий метод при расчётах объёмов и площадей, используя бесконечно малые величины. То есть именно он заложил основу интегральных исчислений. Он также доказал, что отношение длины окружности к диаметру является величиной постоянной. Заложил основу дифференциальных исчислений, то есть сделал всё то, что математики сумели продолжить только в XVII веке. Отсюда можно смело утверждать, что этот человек обогнал математическую науку на 2 тыс. лет.

     В механике он разработал рычаг и начал успешно применять его на практике. В порту Сиракуз были сделаны блочно-рычажные механизмы, которые поднимали и опускали тяжёлые грузы. Изобрёл также архимедов винт, с помощью которого вычерпывали воду.

     Это изобретение до сих пор используется на некоторых фермах и даже небольших электростанциях. Винт помогает перемещать воду снизу вверх, при этом механизм работает, даже если туда попадет мусор или в воде окажется рыба. Историки считают, что винт был изобретен во время строительства знаменитой «Сиракузии» — огромного корабля, вмещавшего 600 человек.

Архимед разработал механизм, который позволял откачивать воду из трюма. Создал теорию об уравновешивании равных тел.

         Доказал, что на тело, погружённое в жидкость, действует выталкивающая сила, равная весу вытесненной жидкости. Эта идея пришла ему в голову в ванне. Она своей простотой так потрясла выдающегося математика и изобретателя, что он выскочил из ванны и в костюме Адама побежал по улицам Сиракуз с криком «эврика», что означает «нашёл». Впоследствии данное доказательство получило название закона Архимеда.

Коготь Архимеда поднимает римское судно.

        Во время долгой осады Сиракуз римлянами Архимед был уже пожилым человеком, но его ум не потерял остроты. Как писал Плутарх, под его руководством были построены метательные машины, забрасывающие римских воинов тяжёлыми камнями. Также были сделаны метательные машины близкого действия. Они уничтожали врагов вблизи стен, сбрасывая на них бочки с кипящей смолой и каменные ядра.

       Римские галеры, снующие в порту Сиракуз, подверглись атакам специальных кранов с захватывающими крюками (коготь Архимеда). С помощью этих крюков осаждённые поднимали корабли в воздух и бросали вниз с большой высоты. Суда, ударяясь о воду, разбивались и тонули. Все эти технические достижения напугали захватчиков. Они отказались от штурма города и перешли к длительной осаде. Существует легенда, что Архимед распорядился отполировать щиты до зеркального блеска, а затем расположил их таким образом, что они, отражая солнечный цвет, фокусировали его в мощные лучи. Их направили на римские корабли, и те сгорели. Уже в наше время греческий учёный Иоаннис Саккас создал каскад из 70 медных зеркал и с его помощью поджёг фанерный макет корабля, который находился на расстоянии 75 метров от зеркал. Так что данная легенда вполне могла иметь под собой практическую основу.

      Выдающийся изобретатель не мог обойти своим вниманием астрономию, ведь в то далёкое время она была чрезвычайно популярна. Он пытался определить расстояние от Земли до планет, но при этом руководствовался тем, что центром мира является Земля, а Солнце и Луна вращаются вокруг неё. В то же время он предполагал, что Марс, Меркурий и Венера вращаются вокруг Солнца.

Наследие Архимеда

       Свои работы Архимед писал на дорическом греческом языке – диалект, на котором говорили в Сиракузах. Но подлинники не сохранились. Они дошли до нас в пересказе других авторов. Всё это систематизировал и собрал в единый сборник византийский архитектор Исидор из Милета, живший в Константинополе в VI веке. Этот сборник в IX веке был переведён на арабский язык, а в XII веке его перевели на латынь.В эпоху Возрождения труды греческого мыслителя были опубликованы в Базеле на латинском и греческом языках. На основе этих работ Галилео Галилей в конце XVI века изобрёл гидростатические весы.

2.3 Закон Архимеда-позволяет расчитать Архимедову силу.

Опыт № 2 (ведерко Архимеда).

Сравним значение выталкивающей силы, действующей на тело в жидкости, с весом вытесненной им жидкости.

Для опыта потребуется:

•         Полый цилиндр

•         Металлический цилиндр (он же будет погружаться в жидкость)

•         На штативе закреплена пружина с указателем её растяжения)

     Сцепим металлический цилиндр с полым цилиндром и подвесим к пружине. Под действием веса этих тел, пружина растянулась. Отметим меткой положение её указателя. Теперь воспользуемся отливным сосудом. Это большой стеклянный стакан с носиком. В нём находится подкрашенная вода. Добавим в сосуд ещё немного воды. Часть её вытекает. Сейчас поверхность воды в сосуде находится на уровне его носика. Слившуюся воду удаляем. Начинаем медленно погружать цилиндр в воду и будем наблюдать за положением указателя. По мере погружения цилиндра из сосуда сливается вытесняемая им вода. Удлинение пружины уменьшается. Наконец цилиндр полностью погрузился. В стакане под носиком сосуда оказалась вода, вытесненная им при погружении. Указатель пружины заметно поднялся, т.к. вес подвешенных к пружине тел уменьшился на величину выталкивающей силы, действующей на цилиндр. Выльем в полый цилиндр воду, вытесненную нижнем цилиндром. Указатель пружины вернулся на прежние.  Положение. Вес вытесненной воды скомпенсировал действие выталкивающей силы.

Fа=Pж,  но Pж= mg,  а m=ρжVт  ,  тогда

 А суть закона такова,                                    Её не трудно расчитать.

 (Запомни мудрые слова!):                             Не надо думать и гадать,

 Коль тело в жидкость погружаем,               "ро", g и V перемножай

 То вес его мы «уменьшаем»,                         И эту силу получай.

 Ведь снизу-вверх (как это мило!)

Выталкивает тело сила.

Вывод:выталкивающая сила равна весу вытесненой жидкости в обьеме погруженного в неё тела.

2.3 Величины, влияющие на значени архимедовой силы.

Опыт № 3

Выясним зависимость Fа от формы тела.

Брала два тела одинакового обьема , но разной формы и погружала одновременно в жидкость.

Установила, что Fа не зависит от формы тела, и для тел одинакового обьема имеет одно и тоже значение.

Опыт № 4

Выясним зависимость Fа от плотности тела.

Брала два тела одинакового обьема но разной плотности, погружала одновременно в жидкость.

Установила что Fа не зависит от плотности тела.

Опыт № 5

Выясним зависимость Fа от глубины погружения.

В мерный стакан наливала воду объемом 90 мл и погружала тело на динамометре,затем доливала воду до отметки 200 мл.

Установила, что Fа не зависит от глубины погружения.

Опыт № 6

Выясним зависимость Fа от плотности жидкости.

Опускала груз на динамометре в стакан с водой (ρ1= 1000 кг/м³⁾, а затем в стакан с кукурузным маслом(ρ2 = 840 кг/м³⁾.

Установила,что Fа будет уменьшаться.

Опыт № 7

Выясним зависимость Fа от обьема тела.

Брала 2 тела разного объема и отускала их на динамометре в воду.

Установила, что Fа будет уменьшаться.

Вывод: Архимедова сила

3.Применение архимедовой силы на практике.

3.1Условия плавания тел.

На тело, погруженное в жидкость действует 2 силы: сила тяжести и архимедова сила. Будет ли тело плавать внутри жидкости, всплывать или тонуть, зависит от того, какая сила больше.

       Тонет                Плавает                  Всплывает 

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

3.2 Архимедова сила в природе.

Рыбы. Плотность живых организмов, населяющих водную среду, очень мало отличается от плотности воды, поэтому их вес почти полностью уравновешивается архимедовой силой. Благодаря этому, водные животные не нуждаются в столь массивных скелетах, как наземные.

    Интересна роль плавательного пузыря у рыб. Это единственная часть тела рыбы, обладающая заметной сжимаемостью; сжимая пузырь усилиями грудных и брюшных мышц, рыба меняет объём своего тела и тем самым среднюю плотность, благодаря чему она может в определенных пределах регулировать глубину своего погружения.

Водные растения. Многие водные растения сохраняют вертикальное положение, несмотря на чрезвычайную гибкость их стеблей, поэтому, что на концах их разветвлений заключены крупные пузыри воздуха, играющие роль поплавка.

Водоплавающие птицы. Важным фактором в жизни водоплавающих птиц является наличие толстого, не пропускающего воды слоя перьев и пуха, в котором содержится значительное количество воздуха; благодаря этому своеобразному воздушному пузырю, окружающему все тело птиц, её средняя плотность оказывается очень малой. Этим объясняется тот факт, что утки и другие водоплавающие мало погружаются в воду при плавании.

3.3 Плавание судов

Масса современных судов достигает нескольких десятков тысяч тон. Почему же они не тонут? Дело в том, что их средняя плотность по-прежнему меньше плотности воды. Выталкивающая сила Архимеда уравновешивает силу тяжести и корабль не тонет.

Опыт № 8.

Возьмём пластинку фольги и опустим её в воду. Фольга утонет. Из этой же фольги сделаем кораблик. Мы видим, что он плавает на поверхности воды. Что изменилось?

 

     Масса фольги осталась прежней, значит действующая на него сила тяжести не изменилась, но объём кораблика больше объёма куска фольги, поэтому сила Архимеда, действующая на него увеличилась. Если сила Архимеда равна силе тяжести, то тело плавает.

Опыт № 9.

Будем нагружать наш кораблик, он глубже погружается в воду и может даже утонуть, если масса груза окажется очень большой для этого кораблика.

Можем сделать вывод:

     Современные морские суда имеют определенную грузоподъемность. Известно, что тело плавает, если вес воды, вытесненной его подводной частью, равен весу этого тела в воздухе. Значит, если вес воды, вытесненной подводной частью судна, равен весу этого судна вместе с грузом в воздухе, то это судно будет плавать, если же вес судна вместе с грузом окажется больше веса, вытесненной воды, то судно утонет.

Чтобы знать, сколько груза можно погрузить на судно, ввели следующие характеристики:

Осадка – это глубина, на которую судно погружается в воду.

Ватерлиния – красная линия на корпусе судна, показывающая наибольшую допустимую осадку дна.

Водоизмещение– вес воды, вытесняемой судном при погружении до ватерлинии, равен силе тяжести, действующей на судно с грузом.

Грузоподъёмность– вес полезного груза, перевозимого судном.

 Нагружать судно можно только до тех пор, пока его осадка ниже ватерлинии. Чтобы найти грузоподъёмность, нужно из водоизмещения вычесть вес самого судна.

3.4 Подводные лодки

Опыт № 10.

Нальём в стакан газированную воду и опустим туда виноградинку. Плотность винограда больше плотности воды, поэтому она утонет, но через некоторое время виноградинка, вся облепленная пузырьками воздуха

поднимается на поверхность. Так же и подводные лодки. В них есть специальные балластные отсеки, которые заполняются водой при погружении. Если же нужно подняться на поверхность, то сжатым воздухом, вытесняют воду из этих отсеков. Средняя плотность лодки при этом становится меньше плотности воды, и лодка всплывает.

Заключение

В ходе работы над темой я успешно решила поставленные задачи, научилась самостоятельно находить нужную информацию, делать выводы, проводить эксперимент.

    Моя исследовательская работа оказалась увлекательным и познавательным делом. Мне удалось выяснить, что Архимедова сила имеет огромное практическое значение. Используя полученные знания, я смогу поделится ими с одноклассниками и товарищами по команде, научу брата плавать, подтвержу КМС, а самое главное я теперь точно знаю, что мое бедующая профессия будет связана с мореплаванием.

Список литературы

1.      А.П. Перышкин.  Физика. 7 класс. Москва «Дрофа», 2017 г.

2.      Л. Гальперштейн.  «Забавная физика». Москва «Детская литература», 1993 г.

3.      С.В. Житомирский. «Архимед». Москва «Просвещение»,1981 г..

4.      И. Г. Антипин. Экспериментальные задачи по физике. Москва «Просвещение»,

1994 г.

5.      А.А. Пинский, В.Г. Разумовский. Физика и астрономия. Москва «Просвещение», 1993 г.

6.      О.Ф. Кабардин.  Физика. Справочные материалы. Учебное пособие для учащихся. Москва «Просвещение», 1991 г.

7.      Интернет ресурсы.