Плавание сосудов физика 7 класс
Каждый школьник знает, что если бросить камень в воду, то он утонет. С другой стороны, корабль, который сделан из тяжелого металла, плавает на поверхности воды. Почему одни тела тонут, а другие плавают? На этот вопрос ответит статья, в которой подробно рассматривается плавание судов.
Жидкость и давление в ней
В физике 7 класса плавание судов рассматривают после того, как изучены особенности строения и свойства жидкостей. Последняя представляет собой промежуточное между газами и твердыми телами агрегатное состояние вещества. Жидкость способна сохранять объем, как твердое тело, и она является текучей субстанцией, как газ.
Молекулы жидкости хаотично перемещаются по всему объему. Наличие у них кинетической энергии, сравнимой с потенциальной, обуславливает существование давления на каждый элементарный объем внутри жидкости. Поскольку перемещения молекул являются равновероятными, то общее давление на рассматриваемый элементарный объем оказывается равным нулю (все компоненты давления компенсируют друг друга).
Тем не менее многие знают, что погружение под воду создает болевые ощущения в области ушных перепонок. Это давление не имеет никакого отношения к рассмотренному выше молекулярному давлению. Оно связано исключительно с силой тяготения нашей планеты.
Любое тело, имеющее массу, давит на поверхность, на которой оно стоит, или растягивает подвес. Речь идет о весе тела. В жидкости этот вес проявляется в виде давления верхних слоев на нижние. Оно получило название гидростатического. Математическое выражение для расчета этого давления имеет следующий вид:
P = ρl*g*h
То есть гидростатическое давление линейно зависит от глубины погружения h и от плотности жидкости ρl. Именно это давление является причиной плавания судов.
Древнегреческий философ и его закон
Согласно одной из легенд, король некоторого древнегреческого полиса поручил Архимеду определить, изготовлена его корона из чистого золота, или же мастер его обманул и вместо золота добавил серебро в сплав. Архимед успешно справился с этим поручением, погрузив корону в сосуд с жидкостью и доказав тем самым поддельность изделия. Физический закон, который философ использовал, получил в настоящее время его имя.
Закон Архимеда гласит, что любое погруженное в текучую субстанцию тело испытывает выталкивающую его силу, модуль которой равен весу вытесненной субстанции, а вектор направлен вверх. Соответствующая сила получила название архимедовой.
Причиной появления архимедовой силы является разница между гидростатическим давлением, действующим на нижнюю поверхность твердого тела, которое погружено в текучую субстанцию, и давлением, действующим на верхнюю поверхность тела. Разница величин этих параметров обусловлена разной глубиной, на которой находятся верхняя и нижняя части тела (см. формулу в предыдущем пункте).
Сила Архимеда FA определяется по формуле:
FA = ρl*g*Vl
Где Vl – объем жидкости, вытесненной погруженным в нее телом. Эту формулу можно получить самостоятельно, если воспользоваться выражением для гидростатического давления и вспомнить, что сила является произведением давления на площадь воздействия.
Почему суда плавают?
Ответить на этот вопрос можно, если рассмотреть физические силы, действующие на погруженный в жидкость твердый предмет. Нетрудно догадаться, что этих сил будет всего лишь две:
- направленная вверх сила Архимеда;
- действующая вниз сила тяжести тела.
Соотношение этих сил даст ответ на вопрос данного пункта. С точки зрения физики, плавание судов обусловлено наличием выталкивающей архимедовой силы, которая превышает отмеченную силу тяжести по модулю.
Формула для условия плавания
Разберемся, соотношение каких физических величин определяет условие плавания судов. Выше мы установили, что тело не будет тонуть, если сила Архимеда FA по модулю больше, чем сила тяжести Ft. Тогда имеем неравенство:
FA>Ft
Подставляем сюда формулы для FA и Ft, получаем:
ρl*g*Vl > ms*g =>
ms < ρl*Vl
Критической ситуацией является такая, при которой тело полностью погружается в жидкость. При этом вытесненный им объем Vl будет точно равен объему самого тела Vs. Последнее позволяет переписать полученное неравенство в следующем виде:
ρs*Vs < ρl*Vl =>
ρs < ρl
Это и есть основное условие плавания судов. То есть если средняя плотность судна не превышает плотности текучей субстанции, в которой оно находится, то это судно никогда не утонет.
Отметим, что в случае равенства плотностей положение тела в жидкости будет неустойчивым. Любого незначительного внешнего воздействия будет достаточно, чтобы потопить тело или поднять его на поверхность.
Особенности использования закона Архимеда для плавания в жидкостях и газах
В воде плавание судов и воздухоплавание подчиняются одному и тому же закону Архимеда.
В случае плавания кораблей следует сказать, что их корпус изготовлен из металлического материала. Однако вытесняемый ими вес воды (водоизмещение) превышает их собственный вес, поэтому они держатся на плаву (средняя плотность корабля с его каютами и трюмом намного меньше плотности воды).
Идея плавания подводных лодок заключается в изменении их средней плотности. Для этого подводная лодка использует специальные балластные емкости, в которые вода из моря может либо нагнетаться, либо из них откачиваться. В первом случае лодка будет погружаться, во втором – всплывать. По сути, эта идея заимствована у природы в результате наблюдений за тем, как рыбы используют свой плавательный пузырь.
Говоря о плавании судов и воздухоплавании, скажем пару слов о последнем. Ярким примером воздушного судна является воздушный шар, или аэростат. Его объем заполнен воздухом. Если этот воздух подогреть, то он начнет расширяться, что приведет к уменьшению плотности шара. Последний факт является следствием того, что архимедова сила становится больше веса шара, и он взлетает.
Ниже приведено познавательное видео на рассматриваемую тему.
Задача на вычисление грузоподъемности корабля
Известно, что максимальное водоизмещение корабля равно 1000 тонн. Масса корабля составляет 300 тонн. С каким максимальным грузом он может плыть?
Запишем условие плавания корабля через действующие силы. В данном случае их будет три:
- вес корабля P1;
- вес груза P2;
- выталкивающая сила FA.
Имеем:
P1 + P2 < FA
Откуда получаем вес груза P2:
P2 < FA – P1
Это неравенство можно переписать для соответствующих масс:
m2 < mA – m1
Здесь m1 – масса корабля, mA – масса вытесненной жидкости, которая совпадает с водоизмещением.
Подставляем данные из условия задачи в неравенство и получаем, что масса груза не должна превышать 700 тонн.
Источник
Цели урока:
- Образовательные: продолжить изучение условия плавания тел, рассмотреть устройство судов, воздушных шаров; совершенствовать умения характеризовать поведение тел в жидкости и газе.
- Развивающие: развитие навыков конструирования и изготовления физических поделок; развитие логического мышления учащихся; совершенствование умения наблюдать, сравнивать и сопоставлять изучаемые явления, выделять общие признаки и обобщать результаты экспериментов.
- Воспитательные: формирование научного мировоззрения, воспитание интереса и любознательности.
Оборудование: мультимедийный проектор, компьютер, интерактивная доска.
Демонстрационное оборудование: модель судна с ватерлинией, ареометры, картезианский водолаз, модель воздушного шара, презентация (Приложение 1).
Этап | Деятельность учителя | Деятельность учащихся |
Актуализация темы (постановка учебной проблемы) | Работа с кроссвордом | Отгадывают кроссворд, включаются в диалог с учителем по формированию учебной проблемы |
Изучение нового материала |
| Учащиеся наблюдают, выдвигают гипотезы, делают выводы. Работают с конспектом. Учащиеся слушают и записывают в тетрадь |
Закрепление нового материала (решение качественных и расчетных задач) | Задачи на слайдах (Приложение 1) | Отвечают на вопросы, обсуждают, доказывают |
Итог. Рефлексия |
Выставление оценок. Благодарность учащимся за работу. | Анализируют свою деятельность на уроке |
Организация работы дома | Д/з:§51,52. Выписать термины. №657 | Записывают домашнее задание |
Ход урока
1. Актуализация темы (постановка учебной проблемы).
Учащиеся отвечают на вопросы.
- Что происходит с телами, погруженными в жидкость или газ?
- Каково происхождение силы, выталкивающей тело из жидкости?
- Как ее рассчитать?
- Какие положения может занимать тело в жидкости?
Нам известно о действии жидкости и газа на погруженное в них тело. Мы изучали условия плавания тел. Чему же будет посвящен сегодняшний урок, мы узнаем, решив физический кроссворд.
По горизонтали: 1. Единица измерения давления. 2. Единица измерения массы. 3. Прибор для измерения атмосферного давления. 4. Физическая величина, равная отношению силы, действующей на поверхность, к площади поверхности. 5. Прибор для измерения давления большего или меньшего атмосферного. 6. Единица измерения силы. 7. Фамилия ученого, сделавшего важное открытие в области плавания тел. 8. Единица измерения длины.
По вертикали получают ключевое слово – плавание.
2. Изучение нового материала.
Вода и воздух – истинное чудо, без них не возможна наша жизнь. Человек издавна плавает на плотах, лодках, судах. Человек, наблюдая за полетом птиц, всегда стремился подняться в воздух. Сегодня на уроке мы выясним, когда это произошло и почему это возможно.
Плавание судов
Может ли плавать тело, если плотность материала, из которого оно сделано, больше плотности жидкости?
Демонстрация. Лист алюминия опускаем в воду, он тонет. Из этого же листа делается лодочка, она плавает. Материал один, масса не изменилась, В чем различие? (В разном объеме вытесненной жидкости. Лодочка вытесняет гораздо больший объем жидкости, и архимедова сила оказывается большей, чем архимедова сила, действующая на лист. В нашем случае коробочка – модель судна.)
В настоящее время строятся речные и морские , пассажирские и транспортные корабли из материалов, плотность которых значительно превышает плотность пресной и морской воды. Но везде выполняется основное условие: вес воды, погруженной частью судна, равен весу судна с его грузом, пассажирами, топливом и другим оборудованием.
Чтобы судно могло плавать устойчиво и безопасно, его корпус должен погружать в воду лишь до определенной глубины.
На слайде перечислены основные термины темы (выписываются дома).
Осадка судна – глубина его погружения.
Ватерлиния – линия, отмечающая наибольшую допустимую осадку (отмечается на корпусе красной линией).
Когда судно погружается до ватерлинии, оно вытесняет такое количество воды, что ее вес соответствует весу судна со всем грузом и называется водоизмещением. Оно измеряется в единицах силы. Однако довольно часто под водоизмещением понимают не вес, а массу вытесненной воды и измеряют в тоннах.
Грузоподъемность – это вес судна, принятого на судно при погружении его до ватерлинии.
Например, у первого парохода, построенного американским изобретателем Фултоном, водоизмещение составляло всего 1,6 ·105 Н или 16 т. В настоящее время водоизмещение танкеров-гигантов составляет 6,4·109Н и больше, т.е. более 640000 т.
Демонстрация. Модель корабля с ватерлинией.
Воздухоплавание
Человек стремился создать средства для плавания не только в воде, но и в воздушном океане. Для этого он конструировал и строил летательные аппараты – воздушные шары, аэростаты, дирижабли.
Воздушный шар, пригодный для полета с человеком, состоит из: оболочки, подвесной системы (строп), гондолы и балласта.
Воздушные шары раньше наполняли теплым воздухом, сейчас наполняют газом – водородом или гелием, т.е. газами, плотность которых меньше плотности окружающего нас воздуха.
Демонстрация. На рычаге уравновешены два бумажных колпака. Под одним из них нагревается воздух. Равновесие нарушается, т.к. теплый воздух имеет меньшую плотность.
На модели воздушного шара показать подъемную силу воздушного шара. (Приложение 2)
Подъемная сила Fп = FA – FT
Сравним подъемную силу воздушных шаров, наполняемых разными газами.
Таблица 1.
1 м3 водорода весит при нормальном давлении всего 0,9 Н, гелия – 1,8 Н, тогда как 1 м3 воздуха весит 12,9 Н. Отсюда следует, что шар объемом 1 м3, наполненный водородом, способен поднять в воздух груз весом 12,9Н – 0,9Н =12 Н. Сюда входит и вес оболочки, из которой сделан шар, поэтому ее нужно сделать по возможности легче. Подъемная сила водорода больше подъемной силы гелия, но водород взрывоопасен, он горит, а гелий в 40-50 раз дороже водорода.
Для регулировки подъемной силы, а следовательно, подъема или спуска воздушного шара, воздухоплаватели используют различные приемы. Чтобы подняться выше, они выбрасывают часть груза – балласта из гондолы, а чтобы опуститься вниз, выпускают часть газа из оболочки или прекращают нагрев воздуха, находящегося в оболочке. Воздухоплаватели также должны учитывать, что по мере поднятия шара вверх, архимедова сила, действующая на него, уменьшается, т.к. разреженный воздух верхних слоев атмосферы, вытесненный шаром, весит меньше, чем у поверхности Земли.
Воздушные шары перемещаются вместе с воздушными массами и поэтому неуправляемы. В отличие от них дирижабль является управляемым летательным аппаратом, поскольку у него имеются пропеллеры, приводимые во вращение двигателем. Недостатки дирижаблей – их небольшая маневренность и скорость полета. Важнейшее достоинство – большая грузоподъемность и дешевизна перевозок.
Демонстрация физических поделок учащихся (самодельный ареометр, картезианский водолаз, корабля, воздушные шары).
Из истории плавания судов
Первое средство передвижения людей по воде – обломки деревьев, потом появились плоты, челны – бревна с выдолбленным углублением, в котором помещался человек.
Лишь с созданием больших лодок начинается собственно судостроение. Первые деревянные суда появились в Египте во времена Древнего царства (примерно 3000 лет до н.э.). По форме они были похожи на апельсиновую корку с поднятыми концами. Конструкция таких судов была слишком хрупкая, поэтому весь корпус по длине обхватывался тросом. Такие суда имели каркас и обшивку, на укреплялся четырехугольный, высокий, узкий парус.
Во времена Древней Греции появляются значительные различия между торговыми и военными судами. В это время строятся знаменитые греческие триеры и римские кинкеры.
В 8-11-х в в северных морях господствуют смелые и воинственные викинги. Ладья викингов не изменяла свою форму на протяжении многих веков.
Вплоть до 19 в корабли были парусными. В начале 19 в самые быстроходные парусники (3-х и 4-х мачтовые клиперы) перевозили чай из Китая и шерсть из Австралии в Европу и Америку со скоростью 30 км/ч. Рекорд скорости показало судно «Катти Сарк», оно шло со скоростью 39 км/ч/. Этот рекорд не побит до сих пор ни одним из парусных судов.
В 19 в в судостроении происходят значительные изменения: дерево заменяется железом, парус– паровой машиной. Первый речной пароход «Клермонт» построен в США в 1807 г по проекту Роберта Фултона, а первый морской появился в России в 1815г. Судовой паровой котел топили дровами. В 1903 г на Волге построили первое в мире дизельное судно – танкер «Вандал». В 20 в появились корабли с двигателями, работающими от пара, созданного при участии ядерного реактора. Первое гражданское судно такого типа – атомный ледокол «Ленин». Он начал работать в Арктике в 1959г. Сейчас судно – это сложное инженерное сооружение, способное передвигаться по воде (суда), под водой (подводные суда) и над водой (суда на подводных крыльях и на воздушной подушке).
Из истории воздухоплавания
Тысячи лет прошли с тех пор, как человек начал мечтать о полете. Об этом свидетельствуют сказки о ковре-самолете, о крылатом коне, о смельчиках, поднявшихся к небу на крыльях, склеенных воском. Но сила тяжести прочно привязывала человека к земле. Впервые ее удалось преодолеть с помощью теплого воздуха. Человек издавна наблюдал, как поднимается вверх дым. Вероятно, это наблюдение подтолкнуло его на мысль о полете вверх с помощью дыма. Первый воздушный шар был изготовлен во Франции в 1873 г. братьями Монгольфье. Шар наполнили теплым воздухом и назвали монгольфьером по имени его изобретателей. Оболочка была выполнена из прорезиненного шелка. Первыми воздухоплавателями были баран, петух и утка. После приземления шара, оказалось, что петух повредил крыло. Этого было достаточно, чтобы между учеными разгорелся спор о возможности жизни на больших высотах.
Монгольфьеры имели один недостаток: они быстро опускались, т.к. воздух в них остывал. Их использовали, главным образом, для развлекательных полетов. Для военных и научных целей использовали воздушные шары, наполненные водородом и гелием. Эксперимент с воздушным шаром, наполненным водородом впервые произвел французский профессор физики Шарль. Он же изобрел веревочную сеть, охватывающую шар и передающую на него весовые нагрузки, изобрел клапан, воздушный якорь и первый применил песок в качестве балласта, сконструировал барометр. Поэтому создателем современного аэростата следует признать Шарля. Аэростатами сейчас называют аппараты легче воздуха.
Вести о полетах на воздушных шарах очень занимали наших соотечественников. Русские совершили много полетов и производили при этом научные наблюдения. Так в 1887 г для наблюдения солнечного затмения на таком шаре совершил полет Д.И.Менделеев. Менделеев много сделал для развития воздухоплавания, однако он считал, что будущее принадлежит летательным аппаратам тяжелее воздуха.
В 30-е годы прошлого столетия было построено несколько аэростатов для исследования верхних слоев атмосферы – их назвали стратостатами. Гондола стратостата делалась герметичной, чтобы люди на большой высоте не страдали от недостатка кислорода. Стратостатами достигали высоты свыше 20 км. Первый в мире стратостат был создан швейцарским ученым Августом Пикаром. Недостаток стратостата – он летит туда, куда его гонит поток воздуха.
На смену неуправляемым аэростатам пришли управляемые аппараты-дирижабли. Во время первой и второй мировых войн в армиях многих стран использовались аэростаты, связанные с земной поверхностью прочным стальным тросом. Они играли роль подвижных наблюдательных пунктов, подвесок радиоантенн, воздушных заграждений, мешающих полету авиации противника.
Американские заводы выпускали учебные, учебно-патрульные и боевые дирижабли, оснащенные пушками и бомбами. Самые крупные из них имели объем 18400 м3. В 50-х годах прошлого столетия были спроектированы и построены воздушные корабли объемом 43000 м3.
Наиболее известные дирижабли – «Норвегия» и «Италия», построенные итальянцем Умберто Нобиле, полет последнего к Северному полюсу закончился трагически. В годы первой мировой войны наибольшую известность имели так называемые цеппелины, создателем которых был граф Фердинанд фон Цеппелин.
Современные воздушные шары используются в рекламных целях, дирижабли – для аэрофотосъемок.
3. Закрепление нового материала.
- Почему у корабля, переходящего из реки в море, осадка становится меньше?
- Можно ли на Луне для передвижения космонавтов пользоваться воздушными шарами?
- Почему надувная лодка имеет малую осадку?
- Почему подъемная сила стратостата зависит от времени суток и днем имеет наибольшее значение?
- Почему оболочка стратостата в начале полета заполнена не вся. Как будет меняться форма оболочки с высотой подъема.
- Дирижабль наполняют легким газом. Не лучше было бы из него выкачать воздух?
Решить задачу 658. Радиозонд объемом 10 м3 наполнен водородом. Какого веса радиоаппаратуру он может поднять в воздухе, если его оболочка весит 6 Н?
4. Рефлексия. Подведение итогов.
- Что изучали на уроке?
- Что вас удивило?
- Что больше всего понравилось?
- Какое открытие вы сегодня сделали?
Выставление оценок. Благодарность учащимся за работу
5. Домашнее задание.
§51,52 [1]. Выписать термины. №657 [3]
6. Литература.
- Перышкин А.В. Физика. 7 кл.: Учеб. для общеобразоват.учеб.заведенй. – М.: Дрофа, 2010.
- Перельман Я.И. Занимательная физика. Книга 1. – М.: Триада-Литера, 1994.
- Лукашик В.И. Сборник задач по физике для 7-9 классов общеобразоват. учреждений. – М.: Просвещение, 2009.
- Открытая физика. 1.1. Полный интерактивный курс физики. ООО «Физикон».
- https://class-fizika.narod.ru/
Источник