Физика. Плавание тел

: выталкивающая (архимедова) сила F А, направленная вертикально вверх, и сила тяжести Fт, направленная вертикально вниз. Если эти силы равны, т. е.
F А = F т (48.1)
то тело будет находиться в равновесии.

Равенство (48.1) выражает условие плавания тел : для того чтобы тело плавало, необходимо, чтобы действующая на него сила тяжести уравновешивалась архимедовой (выталкивающей) силой.

Условию плавания тел можно придать иную форму. Представим архимедову силу в виде
F А = p ж V ж g (48.2)

Аналогичным образом можно выразить и силу тяжести , действующую на тело. Мы знаем, что F т = mg, где m - масса тела; но масса тела равна произведению плотности тела на его объем: m = рV. Поэтому

Подставим выражения (48.2) и (48.3) в равенство (48.1):

Разделив обе части этого равенства на получим условие плавания тел в новой форме :

Из полученного соотношения можно вывести два важных следствия.

1. Для того чтобы тело плавало, будучи полностью погруженным в жидкость, необходимо, чтобы плотность тела была равна плотности жидкости.

Д о к а з а т е л ь с т в о. Если тело полностью погружено в жидкость, то объем вытесняемой телом жидкости будет равен объему всего тела (см. рис. 134, а): V ж = V. А раз так, то эти объемы в формуле (48.4) можно сократить. При этом останется: p = p ж, что и требовалось доказать.

2. Для того чтобы тело плавало, частично выступая над поверхностью жидкости, необходимо, чтобы плотность тела была меньше плотности жидкости .

Д о к а з а т е л ь с т в о. Если тело плавает, частично выступая над поверхностью жидкости, то объем вытесняемой телом жидкости будет меньше объема всего тела (см. рис. 134, б): V ж р, что и требовалось доказать.

Рисунок 134.Зависимость плавания тела от его плотности и плотности жидкости.
При р>р ж плавание тела невозможно, так как в этом случае сила тяжести превышает архимедову силу, и тело тонет.

Что будет происходить с телом, у которого р<р ж, если его полностью погрузить в жидкость? В этом случае архимедова сила будет преобладать над силой тяжести, и потому тело начнет подниматься вверх. Пока тело будет двигаться, будучи полностью погруженным в жидкость, архимедова сила будет оставаться неизменной. Но как только тело достигнет поверхности жидкости и появится над ней, эта сила (по мере уменьшения объема части тела, погруженной в жидкость) будет становиться все меньше и меньше. Всплытие прекратится тогда, когда архимедова (выталкивающая) сила уменьшится и станет равной силе тяжести. При этом, чем меньшей плотностью (по сравнению с плотностью жидкости) обладает тело, тем меньшая его часть останется внутри жидкости (рис. 135).

Рисунок 135. Зависмость погружения тела в жидкость от его плотности.

Вопросы.

1. Сформулируйте условие плавания тел.

2. В каком случае тело плавает полностью погруженным в жидкость?

3. В каком случае тело плавает, частично выступая над поверхностью жидкости?

4. Предположим, что в сосуд налили воду н керосин. Какая из этих жидкостей расположится сверху?

5. В какой из следующих жидкостей будет плавать лед: в керосине, в воде или в спирте?

6. В какой из следующих жидкостей будет плавать гвоздь: в ртути или в машинном масле?

7. Куриное яйцо тонет в пресной воде, но плавает в соленой. Почему?

8. Как зависит глубина погружения плавающего тела от его плотности?

Экспериментальное задание.

Опустите сырую картофелину в стеклянную банку с пресной водой. Почему она тонет? Как будет вести себя картофелина, если в воду насыпать соль? Медленно высыпая соль и размешивая воду, добейтесь того, чтобы картофелина могла плавать в толще воды, будучи полностью в нее погруженной. Какой должна быть плотность соленой воды, чтобы это было возможным?

Отослано читателями из интернет-сайтов

Чтобы пользоваться предварительным просмотром презентаций создайте себе аккаунт (учетную запись) Google и войдите в него: https://accounts.google.com

Подписи к слайдам:

Плавание тел. Учитель физики МБОУ «Краснохолмская сош №2 им.С.Забавина»: Даузе М.Г.

На тело, находящееся внутри жидкости, действуют две силы: сила тяжести и архимедова сила. F т F А F т F А F А

Если сила тяжести больше архимедовой силы, то тело будет опускаться на дно, тонуть.

Если сила тяжести равна архимедовой силе, то тело может находиться в равновесии в любом месте жидкости.

Если сила тяжести меньше архимедовой силы, то тело будет подниматься из жидкости, всплывать.

Если F т > F А, то m g > g ρ ж v т ρ т v g > g ρ ж v т ρ т > ρ ж Тело тонет

Если F т = F А mg = g ρ ж v т ρ т v g = g ρж v т ρ т = ρ ж плавает внутри жидкости

Если тело плавает в жидкости, то вес вытесненной им жидкости равен весу этого тела в воздухе. Чем меньше плотность тела по сравнению с плотностью жидкости, тем меньшая часть тела погружена в жидкость.

Когда рыба с помощью мышц опускается на большую глубину и давление воды на неё увеличивается, плавательный пузырь сжимается, объём тела рыбы уменьшается и она не выталкивается вверх, а плавает в глубине.

В воде плавают три тела шарообразной формы равного объема. Плотность какого тела больше? A B C Парафин Медь Сосна Масло машинное

Задача. Плот площадью 50 м 2 находится в пресной воде. Глубина его погружения 0,25 м. Какова сила тяжести, действующая на плот?

Дано: S = 50м 2 Ρ = 1000 кг/м 3 H = 0,25 м F т = ? F т F A Решение. F т = F А F A = ρ g V , V = S H F т = 1000 кг/м 3 * 10 Н/кг * 50 м 2 * 0,25 м = 125000 Н = 125 кН Ответ: 125 кН

Домашнее задание: Параграф 50, упражнение 25 страница 122.

По теме: методические разработки, презентации и конспекты

Формирование УУД на уроках физики при изучении темы «Условия плавания тел. Плавание судов»

Материал можно использовать при подготовке уроков в рамках реализации ФГОС. Использованы технологии обучения на основе системно-деятельностного подхода....

Мастер-класс. Формирование УУД на уроке физики при изучении темы " Плавание тел. Условия плавания тел."

В соответствии с ФГОС основного общего образования современному обществу нужны образованные, нравственные люди, которые могут самостоятельно принимать решения. «Человек образованный – тот, кто з...

Плавание тел — состояние равновесия твердого тела, частично или полностью погруженного в жидкость (или газ).

Основная задача теории плавания тел — определение равновесия тела, погруженного в жид-кость, выяснение условий устойчивости равновесия. На простейшие условия плавания тел указы-вает закон Архимеда . Рассмотрим эти условия.

Как известно, на все тела, погруженные в жидкость, действует сила Архимеда F A (выталки-вающая сила), направленная вертикально вверх, однако всплывают далеко не все. Чтобы понять, почему одни тела всплывают, а другие тонут, необходимо учесть еще одну силу, действующую на все тела, — силу тяжести Fт которая направлена вертикально вниз, т. е. противоположно F A . Если тело оставить внутри жидкости в состоянии покоя, то оно начнет двигаться в сторону, в ко-торую направлена большая из сил. При этом возможны следующие случаи:

1. если архимедова сила меньше силы тяжести (F A < F т ), то тело опустится на дно, т. е. утонет (рис. а );
2. если архимедова сила больше силы тяжести (F A > F т ), то тело всплывет (рис. б );

Если эта сила окажется больше силы тяжести, действующей на тело, то тело взлетит. На этом основано воздухоплавание.

Летательные аппараты, применяемые в воздухоплавании, называют аэростатами (от греч. aer — воздух, status — стоящий). Неуправляемые аэростаты свободного полета с оболочкой, име-ющей форму шара, называют воздушными шарами . Для исследования верхних слоев атмосферы (стратосферы) еще не так давно применялись огромные воздушные шары — стратостаты . Уп-равляемые аэростаты (имеющие двигатель и воздушные винты) называют дирижаблями .

Воздушный шар не только сам поднимается вверх, но может поднять и некоторый груз: каби-ну, людей, приборы. Для того, чтобы определить, какой груз способен поднять воздушный тар, следует знать его подъемную силу. Подъемная сила воздушного шара равна разности между ар-химедовой силой и действующей на шар силой тяжести:

F = F A - F т.

Чем меньше плотность газа, наполняющего воздушный шар данного объема, тем меньше дейс-твующая на него сила тяжести и тем больше возникающая подъемная сила. Воздушные шары можно наполнять гелием, водородом или нагретым воздухом. Хотя у водорода меньше плотность, чем у гелия, все же чаще в целях безопасности применяют гелий (водород — горючий газ).

Гораздо проще осуществить подъем и спуск шара, наполненного горячим воздухом. Для этого под отверстием, находящимся в нижней части шара, располагают горелку. Она позволяет регули-ровать температуру воздуха, а значит, и его плотность и подъемную силу.

Можно подобрать такую температуру шара , при которой вес шара и кабины будет равен вы-талкивающей силе. Тогда шар повиснет в воздухе, и с него будет легко проводить наблюдения.

Физика Учитель: Орел Алла Евгеньевна МСКОУ школа - интернат II вида № 12 г.Челябинска Плавание тел Цель урока: выяснить условия плавания тел в зависимости от плотности вещества и жидкости. Задачи урока: 1. Научиться выводить формулы условия плавания тел. 2. Научиться доказывать условие плавания тел, полностью погруженных в жидкость. 3. Научиться доказывать условие плавания тел, частично погруженных в жидкость. 4. Уяснить условие, при котором тело в жидкости тонет, и условие всплывания тел, полностью погруженных в жидкость. Ответьте на вопросы: Какие силы действуют на тело, погруженное в жидкость? Как направлены эти силы? Как найти их равнодействующую? При каком условии тело тонет, всплывает и плавает? До каких пор продолжается всплывание тела? Как доказать, что вес воды, вытесненной плавающим телом, равен весу тела? Вопрос: Если в сосуд налить три жидкости: воду, подсолнечное масло и бензин, то как они расположатся? Внизу - вода, сверху - бензин, подсолнечное масло - между водой и бензином. Вопрос: Опустим в сосуд с водой три шарика: парафиновый, железный и пробковый. Как они расположатся в данном цилиндре? Железный шарик утонет, парафиновый и пробковый шарики всплывут. Вычислим силу тяжести металлического шарика и архимедову силу Вещество Плотн ость, кг/м 3 Вода Бензин Ртуть Железо Парафин Пробка 1000 710 13600 7800 900 240 Пусть объем шарика 5 см 3 , тогда его масса равна 39г Сила тяжести: F т = 0,039 кг. 10 Н/кг = 0,39 Н Архимедова сила: в воде: F a = 0,05 Н в бензине: F a = 0,355 Н в ртути: F a = 0,68 Н Производим сравнение величины сил, действующих на шарик, а также плотности вещества тела и соответствующей жидкости. Железный шарик тонет в воде F т > F a ρ тела > ρ ж Железный шарик всплывает в ртути F т < F a ρ тела < ρ ж Вещество Плотность, кг/м 3 Вода Бензин Ртуть Железо Парафин Пробка 1000 710 13600 7800 900 240 а) если плотность вещества, из которого состоит тело, больше плотности жидкости, то тело тонет; б) если плотность вещества, из которого состоит тело, меньше плотности жидкости, то тело плавает. Вывод: Условие плавания тел Для того чтобы тело плавало, необходимо, чтобы действующая на него сила тяжести уравновешивалась архимедовой (выталкивающей) силой. F т = F a (1) Архимедова сила: F a = ρ ж V ж g (2) Сила тяжести: F т = mg = ρ Vg (3) Подставим выражения (2) и (3) в равенство (1) : ρ Vg = ρ ж V ж g Разделив обе части этого равенства на g , получим условие плавания тел в новой форме: ρ V = ρ ж V ж Из полученного соотношения можно вывести следствия 1 и 2. На рисунке изображено одно и то же тело, плавающее в двух разных жидкостях. Плотность какой жидкости больше? Почему? Определите, какой из этих брусков изготовлен из парафина, какой – из сосны, какой – из пробки Вещество Плотность, кг/м 3 Парафин Сосна Пробка 900 400 240 Ответьте на вопросы: Как расположатся в воде бруски из дуба и льда. Начертите в тетради. Каким должен быть стеклянный шар, чтобы он не утонул в воде? При каком условии тело будет парить в воздухе? Домашнее задание: На оценку «3» п. 48, вопросы 1, 2, 3,4 ,5 ,6 к параграфу. На оценку «4» 1) п. 48, вопросы 1, 2, 3, 4, 5, 6 к параграфу; 2) объяснять как зависит глубина погружения плавающего тела от его плотности; 3) решить задачу № 102 (с.146). Дополнительный вопрос На оценку «5» Кусок пластилина бросили в сосуд с водой. Пластилин утонул. Каким образом добиться, чтобы этот пластилин плавал на поверхности воды, частично погрузившись в нее? Проверьте свой ответ на опыте. Х Следствие 1 Для того чтобы тело плавало, будучи полностью погруженным в жидкость, необходимо, чтобы плотность тела была равна плотности жидкости. Доказательство. Если тело полностью погружено в жидкость, то объем вытесняемой телом жидкости будет равен объему всего тела: V ж = V . Значит, эти объемы в в формуле ρ V = ρ ж V ж можно сократить. Останется ρ = ρ ж, что и требовалось доказать. Следствие 2 Для того чтобы тело плавало, частично выступая над поверхностью жидкости, необходимо, чтобы плотность тела была меньше плотности жидкости. Доказательство. Если тело плавает, частично выступая над поверхность жидкости, то объем вытесняемой телом жидкости будет меньше объема всего тела: V ж < V . Значит, для сохранения равенства в формуле ρ V = ρ ж V ж необходимо, чтобы плотность жидкости была больше плотности тела: ρ < ρ ж, что и требовалось доказать.

На данном уроке, тема которого: «Плавание тел» мы с вами поговорим о том, как себя ведут разные тела при погружении их в воду. Выясним, в чем причины таких различий, и проведем ряд экспериментов для лучшего понимания явления.

На двух предыдущих уроках мы выяснили, что на тело, погруженное в жидкость или газ, действует выталкивающая сила. Древнегреческий ученый Архимед предложил способ вычисления этой силы. На данном занятии мы порассуждаем о том, почему тела, погруженные в одни жидкости, будут всплывать на ее поверхность, а погруженные в другие жидкости - тонуть. Почему тела в разных жидкостях ведут себя по-разному?

Рассмотрим поведение двух брусков, железного и деревянного, одинакового объема при их погружении в воду. Железный брусок утонет, а деревянный всплывет на поверхность (см. рис. 1).

Рис. 1. Поведение разных тел в жидкости

Почему же это происходит? Рассмотрим, какие силы действуют на каждый брусок - это силы тяжести и выталкивающие силы - архимедовы (см. рис. 2).

Рис. 2. Действие сил на погруженные тела

Так как объемы этих тел одинаковы и жидкость, в которую они погружены, одна и та же, то значение выталкивающей силы будет одинаковой:

Бруски выполнены из разного материала, а значит, что при одном и том же объеме, но при различной плотности сила тяжести, действующая на железный брусок, будет больше, чем сила тяжести, действующая на деревянный брусок (см. рис. 3).

Рис. 3. Различие сил тяжести

Итак, поведение брусков в жидкости зависит от того, насколько отличаются силы тяжести и выталкивающие силы:

Теперь обратимся к математическим выражениям.

Подставим эти выражения в формулы для сил тяжести и архимедовых сил и увидим, что:

А может ли одно и то же тело тонуть в одной жидкости и плавать в другой? Проверим это экспериментально. Погрузим вареное яйцо в сосуд с водой (см. рис. 4).

Рис. 4. Вареное яйцо в жидкости

Яйцо тонет, но если добавить в воду соль и создать насыщенный раствор, то яйцо будет плавать на поверхности (см. рис. 5).

Рис. 5. Вареное яйцо в насыщенном растворе

То есть, когда плотности жидкостей различны, то чем больше эти плотности, тем больше выталкивающая сила и тело может плавать на поверхности одной жидкости и тонуть в другой. Подобного эффекта мы можем достичь, погрузившись в Мертвое море (см. рис. 6).

Рис. 6. Мертвое море

Плотность воды там составляет до . Человек может держаться на поверхности Мертвого моря, практически не прилагая для этого никаких усилий.

Большинство живых организмов, населяющих водную среду, имеет среднюю плотность, равную плотности воды. Именно это позволяет им плавать под водой. Особую роль играет плавательный пузырь. Изменяя его объем, рыбы могут плавать на разной глубине, так как они изменяют выталкивающую силу, действующую на них (см. рис. 7).

Рис. 7. Рыбы плавают на разной глубине благодаря плавательному пузырю

А где же используется подобное свойство в технике? Конечно, в судостроении. Корабли, выполненные из стали, прекрасно держатся на поверхности воды, а подобный кораблю кусок стали будет тонуть в той же самой воде. Итак, изменяя объем тела, можно добиться его плавучести.

Сегодня на занятии мы с вами разобрались, почему тела могут плавать или тонуть. Это зависит от соотношения силы тяжести и силы Архимеда. Так же можно сказать, что плавучесть тела будет зависеть от соотношения плотности тела и плотности жидкости.

Список литературы

1. Ф.Я. Божинова, Н.М. Кирюхин, Е.А. Кирюхина Физика 7 кл.: Учебник. - Х.: Издательство «Ранок», 2007, 192 с.
2. А.В. Перышкин. Физика 7 кл.: учеб. для общеобразоват. учреждений, 2-е издание, стереотипное. - М.: Дрофа, 2013. - 221 с.

1. Интернет портал «class-fizika.narod.ru» ()
2. Интернет портал «files.school-collection.edu.ru» ()
3. Интернет портал «eduspb.com» ()
4. Интернет портал «ru.solverbook.com» ()
5. Интернет портал «двойкам-нет.рф» ()

Домашнее задание

1. Что такое архимедова сила?
2. Какое условие должно выполняться, чтобы тело плавало на поверхности воды? Тонуло?
3. Сила тяжести, действующая на судно, равна 1000 кН. Какой объем воды вытесняет это судно, если оно держится на плаву?