Загальна інформація
Застосування
Рис. 1: схема досліду
Чому корабель плаває, хоча він такий важкий? Цей факт описує принцип Архімеда.
Коли тіло повністю або частково занурюють у рідину чи газ, на нього діє напрямлена вгору сила, яка дорівнює вазі витісненої ним рідини чи газу.
Це відкрив славетний грецький математик і вчений Архімед. Цим принципом можна пояснити, чому великі кораблі здатні ходити океаном. Причина в тому, що вони витісняють воду і завдяки цьому дістають виштовхувальну силу. Корабель занурюється так глибоко, доки не витіснить стільки води, щоб виштовхувальної сили вистачило.
Інша інформація (1/2)
Попередні знання
Учні мають попередньо знати про принцип Архімеда і виштовхувальну силу. Добре, якщо учні знають зв'язок між гідростатичним тиском і силою тяжіння у принципі Архімеда.
Принцип
Треба показати, що на тверді тіла, занурені в рідини, діє виштовхувальна сила, і як цю виштовхувальну силу можна обчислити.
Інша інформація (2/2)
Навчальна мета
Учні мають докладніше зрозуміти принцип Архімеда. Цим дослідом учням пояснюють виштовхувальну силу. Учні також дізнаються, як обчислити виштовхувальну силу.
Завдання
У цьому досліді учні спершу спостерігають за показами для суцільного циліндра, порожнистого циліндра і за силою тяжіння на динамометрі. Учні мають знати принцип Архімеда і розуміти виштовхувальну силу. Наприкінці учні дізнаються, як обчислити виштовхувальну силу.
Правила безпеки
Для цього досліду діють загальні правила безпечного експериментування на уроках природничих наук.
Теорія (1/2)
Принцип Архімеда означає таке:
Коли тіло занурюється в рідину чи газ повністю або частково, на нього діє напрямлена вгору сила, яка дорівнює вазі витісненої ним рідини чи газу.
Ідеться про "напрямлену вгору силу" - виштовхувальну силу. Виштовхувальна сила протилежна до сили тяжіння і діє на тіло в такому середовищі, як рідина або газ. Значення виштовхувальної сили, що діє на тіло, дорівнює значенню сили тяжіння витісненого середовища.
Теорія (2/2)
Сила тяжіння ( ) і виштовхувальна сила ( ) разом визначають, що станеться з тілом у рідині:
1. : тіло тонутиме
2. : тіло спливатиме
3. : тіло плаватиме в зануреному положенні
Обладнання
| Позиція | Обладнання | Артикул | Кількість |
|---|---|---|---|
| 1 | Магнітна демонстраційна дошка PHYWE зі штативом, демо з фізики | 02150-00 | 1 |
| 2 | Торсійний динамометр, 2 Н/4 Н | 03069-03 | 1 |
| 3 | Опорна площадка, магнітна | 02155-00 | 1 |
| 4 | Порожнистий і суцільний циліндри для принципу Архімеда | 02637-00 | 1 |
| 5 | Лабораторний стакан, боросилікатне скло, висока форма, 600 мл | 46029-00 | 1 |
| 6 | Лабораторний стакан, пластик (PP), 100 мл | 36011-01 | 1 |
| 7 | Патентований синій V, 25 мл | 48376-05 | 1 |
| 8 | Мікрошпатель-ложка, сталь, l = 150 | 33393-00 | 1 |
| 9 | Струбцина | 02014-01 | 2 |
Складання та виконання
Складання та виконання (1/2)
Рис. 2
- Закріпи торсійний динамометр угорі на демонстраційній дошці.
- Покажи, що суцільний циліндр точно заповнює порожнистий циліндр.
- Підвісь порожнистий циліндр на динамометр і встанови його стрілку на нуль.
- Підвісь до порожнистого циліндра суцільний циліндр і визнач його силу тяжіння ; запиши (1).
- Закріпи опорну площадку біля нижнього краю демонстраційної дошки і постав на неї лабораторний стакан із 400 мл підфарбованої води. (рис. 2)
- Опускай динамометр, доки суцільний циліндр повністю не зануриться у воду, виміряй і запиши (2).
Складання та виконання (2/2)
- Налий у стакан близько 50 мл підфарбованої води і долий стільки в порожнистий циліндр, щоб він був повний по вінця.
- Виміряй і запиши силу тяжіння , яку показує динамометр тепер, (3).
Опрацювання результатів
Спостереження
Опрацювання результатів (1/2)
Сила, з якою суцільний циліндр тягне динамометр, у повітрі становить , а при зануренні суцільного циліндра зменшується на . Причина цього - виштовхувальна сила , яка діє у воді і напрямлена вертикально вгору, тобто протидіє силі тяжіння.
Коли суцільний циліндр повністю занурений у воду, виштовхувальна сила точно дорівнює силі тяжіння, що діє на воду, яка вміщується в порожнистий циліндр. А це і є сила тяжіння води, витісненої суцільним циліндром.
Отже, справджується: ,
і через
дістаємо:
Опрацювання результатів (2/2)
де параметри такі:
= об'єм зануреного тіла = об'єм витісненої рідини,
= густина рідини,
= прискорення вільного падіння.
Рівняння для називають законом Архімеда (традиційно також принципом Архімеда): виштовхувальна сила, що діє на занурене в рідину тіло, дорівнює силі тяжіння витісненої тілом рідини.
Зауваження (1/3)
Виштовхувальна сила виникає із сил тиску, які діють на занурене тіло і пропорційні висоті стовпа рідини. Бічні сили тиску на тіло взаємно компенсуються. Напрямлена вгору сила тиску на нижню грань більша за силу , що діє згори.
Для суцільного циліндра ці площі однакові, тож справджується:
Зауваження (2/3)
Через для напрямленої вгору виштовхувальної сили в загальному випадку маємо:
де - висота циліндра.
Отже, справджується:
.
Зауваження (3/3)
Закон Архімеда справджується і тоді, коли в рідину занурена лише частина тіла. Якщо - об'єм зануреної частини, то:
.
Тіло тоне в рідині, якщо , спливає в рідині, якщо , зависає, якщо , і плаває, якщо