Исследование зависимости Архимедовой силы от различных условий, исследовательская работа

XII Межрегиональные юношеские научно-исследовательские чтения имени Каюма НасыйриПредметно-тематическое направление: астрономия, математика и физика
Исследование зависимости Архимедовой силы от различных условий
Автор работы:
Бариев Раиль Равилевич,
Ученик IХ класса
Научный руководитель:
Гатауллина Заяна Зайнутдиновна,
учитель физики и математики
МБОУ «Казакларская основная общеобразовательная школа» Высокогорского муниципального района РТ
2014 год, КазакларСодержание
1.Введение …………………………………………………………… 2 стр2. Глава 1. Теоретическая часть. Объяснение Архимедовой силы…………………………………………….. …………………… 4 стр3. Глава 2. Исследовательская часть………………………………… 6 стр4.Заключение…………………………………………………………… 8 стр5.Список литературы………………………………………………….. 8 стр6.Приложения………………………………………………………… 9 стрВведение.
Мы живём в мире, где век географических открытий в мире может смениться веком открытий в самом себе. Для новых открытий в окружающем нас мире не нужно готовить экспедиции в неизведанные страны. Самая неизведанная страна это сам человек. Каждый из нас может сделать удивительные открытия, и для этого не нужно обладать ни особенными знаниями, ни мощным оборудованием. Нужно лишь немного внимательней посмотреть на окружающий нас мир, быть чуть более независимым в своих суждениях, и открытия не заставят себя ждать.
Когда мы готовились к олимпиаде, потом к проведению недели физики и математики, заинтересовались некоторыми задачами на «Закон Архимеда», так как эта тема является основной и одной из самых важных понятий в курсе физики, значит, полученные мною знания можно применять, во-первых: на уроках физики, а также ОБЖ.
Во-вторых: при сдаче и подготовке к ЕГЭ. Я тоже собираюсь сдавать физику, поэтому, таким образом, я готовлюсь к итоговой аттестации по физике.
Мне очень понравилась эта тема, и я решил изучить ее более обширно и углубленно.
Цели работы:
- обнаружить наличие силы, выталкивающей тело из жидкости; выяснить природу выталкивающей силы,
- проверить закон Архимеда на опыте,
- исследовать зависимость архимедовой силы от разных факторов,
- решить несколько экспериментальных задач на этот закон.
Задачи исследования:
Изучить и проанализировать учебно-научную литературу о законе Архимеда.
Разработать методику проведения экспериментов.
Провести необходимые эксперименты.
Этапы исследования:
Изучение и анализ литературы по этой теме.
Создание модели проведения экспериментов.
Проведение экспериментов, анализ результатов.
Систематизация работы. Подбор наглядного материала.
Написание работы.
База исследования.
Исследования проводились в кабинете физики школы.
Практическая значимость.
Собранный материал можно использовать на уроках, спецкурсах при решении задач, а также как занимательный материал при проведении предметной недели физики.
Элементом новизны нашего исследования является то, что мы на опытах не только проверили справедливость закона Архимеда, т. е., что архимедова сила зависит от плотности жидкости и объема погруженной части тела, но и убедились в том, что она не зависит от других факторов. А также экспериментально решили несколько задач на этот закон.
Глава 1. Теоретическая часть. Объяснение Архимедовой силы
Тот факт, что на погруженное в воду тело действует некая сила, всем хорошо известен: тяжелые тела как бы становятся более легкими – например, наше собственное тело при погружении в ванну. Купаясь в речке или в море, можно легко поднимать и передвигать по дну очень тяжелые камни – такие, которые не удается поднять на суше; то же явление наблюдается, когда по каким-либо причинам выброшенным на берегу оказывается кит – вне водной среды животное не может передвигаться – его вес превосходит возможности его мышечной системы. В то же время легкие тела сопротивляются погружению в воду: чтобы утопить мяч размером с небольшой арбуз требуется и сила, и ловкость; погрузить мяч диаметром полметра скорее всего не удастся. Ответ на вопрос – почему тело плавает (а другое – тонет), тесно связан с действием жидкости на погруженное в нее тело; нельзя удовлетвориться ответом, что легкие тела плавают, а тяжелые – тонут. Стальная пластинка, конечно, утонет в воде, но если из нее сделать коробочку, то она может плавать; при этом ее вес не изменился.
Почему вес тела в воде меньше веса тела в воздухе? Известно, что всякая жидкость давит на погруженное в неё тело со всех сторон: и сверху, и снизу, и с боков. Почему же на тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, всегда направленная вверх?
Зависимость давления в жидкости или газов глубины приводит к возникновению выталкивающей силы, действующей на любое тело, погруженное в жидкость или газ. Эту силу называют архимедовой силой.
Рассмотрим силы, которые действуют со стороны жидкости на погруженное в неё тело. Почему силы, действующие на боковые грани тела равны и уравновешивают друг друга? А вот силы, действующие на верхнюю и нижнюю грани тела неодинаковы? ( Приложение 1)
Рассчитаем выталкивающую силу.
F1=p1S1, F2=p2S2, S2=S1=S,
Fвыт=F2-F1= ρ2gS(h2-h1)= ρжgShh- высота параллелепипеда, Sh=V – объём параллелепипеда,
ΡжV=mж - масса жидкости в объёме параллелепипеда.
FА = gVρж = Pж
Выталкивающая сила, действующая на погруженное в жидкость тело, равна весу жидкости, вытесненной этим телом. Это и есть закон Архимеда, так как был им открыт.
Также эту силу можно определить на опыте. К пружине подвесим небольшое ведерко и тело цилиндрической формы. Динамометр показывает вес тела в воздухе. Погрузим тело целиком в жидкость. При этом часть жидкости, объем которой равен объему тела, выливается из отливного сосуда в стакан. Вес тела уменьшается. На тело действует кроме силы тяжести, еще и выталкивающая сила. Если в ведерко вылить жидкость из стакана, то вес тела станет прежним. ( Приложение 2)
Вывод: P1 - P1/ = P2/ - P1/
FА = mжg или FА = gVжρжV = VЖ - объем вытесненной жидкости. Он равен объему той части тела, которая погружена в жидкость. Эта формула справедлива и для архимедовой силы, действующей в газе; только в этом случае будет плотность газа и объем вытесненного газа.
С учетом этого закон Архимеда формулируется так:
На всякое тело, погруженное в жидкость (или газ), действует со стороны этой жидкости (или газа) выталкивающая сила, равная произведению плотности жидкости (или газа), ускорения свободного падения и объема той части тела, которая погружена в жидкость ( или газ). Архимедова сила направлена противоположно силе тяжести; поэтому вес тела при взвешивании в жидкости или газе оказывается меньше веса, измеренного в вакууме.
Глава 2. Исследовательская часть
Исследование 1. Зависимость Архимедовой силы от плотности жидкости
Оборудование: динамометр, алюминиевый цилиндр, стаканы с водой, растительным маслом
Подвесим алюминиевый цилиндр к крючку динамометра, опустим цилиндр сначала в воду, потом в подсолнечное масло. Измерим в каждом случае архимедову силу.
Результаты измерений занесём в таблицу. ( Приложение 3.)
Результаты показываем в виде диаграммы. ( Приложение 4)
Вывод Архимедова сила зависит от плотности жидкости, чем больше плотность жидкости, тем архимедова сила больше.
Исследование 2.Зависимость архимедовой силы от плотности тела
Измерим и вычисляем, архимедовы силы, действующие на алюминиевый и стальной цилиндры одинакового объема в воде и в масле. (Приложение 5)
Результаты показываем в виде диаграммы. ( Приложение 6)
Вывод. Архимедова сила не зависит от плотности тела.
Исследование 3. Зависимость архимедовой силы от объема тела, погруженного в жидкость.
Подвесим к динамометру цилиндр и опустим в воду постепенно: сначала на 1/4 объема (объем пропорционален высоте цилиндра), затем на 1/3 и т.д. Каждый раз вычисляем архимедову силу, а результаты занесём в таблицу.
( Приложение 7)
Результаты показываем в виде диаграммы. ( Приложение 8)
Вывод. Архимедова сила зависит от объема тела, погруженного в жидкость. Во сколько раз больше объем погруженной части, во столько раз архимедова сила больше.
Исследование 4. Зависимость архимедовой силы от положения тела в жидкости.
Опустим брусок полностью в воду сначала вертикально, потом горизонтально. В каждом случае определим выталкивающую силу. (Приложение 9)
Вывод. Архимедова сила не зависит от положения бруска.
Исследование 5.Зависимость архимедовой силы в зависимости от формы тела постоянного объема и плотности.
Из пластилина сделали шарик, кубик и прямоугольный параллелепипед. С помощью динамометра определили в каждом случае архимедову силу. ( Приложение 10)
Вывод. Архимедова сила не зависит от формы тела.
Исследование 6. Архимедова сила в зависимости от глубины погружения.
Определим, архимедовы силы, действующие на тело на глубине h1 и на глубине h2 ,большей, чем h1.
Вывод. Архимедова сила не зависит от глубины погружения тела.
Общий вывод о зависимости (независимости)архимедовой силы.
Архимедова силаНезависит от: Зависит от:
1) плотности тела1) плотности жидкости2) положения тела2) объема тела, погруженного в жидкость
3) формы тела4) от глубины погружения7. Экспериментальные задачи на закон Архимеда.
В работе мы решили еще несколько экспериментальных задач на закон Архимеда. Сначала я высказывал предположение о задаче, т.е. что должно получиться и почему, а потом проверили эти предположения на опыте, или наоборот. (Приложение 12)
Заключение
Проделанная работа позволяет не только лучше понять закон Архимеда, но и научиться, на опытах определять архимедову силу, проверять правильность закона Архимеда. В результате проделанных опытов был сделан вывод, что архимедова сила зависит только от плотности жидкости и объема тела, погруженного в эту жидкость. Мы поняли, что не всегда удовлетворяет то, что ответ на поставленный вопрос есть в учебнике. Появляется потребность получить этот ответ из жизненного опыта, наблюдений за окружающей действительностью, из результатов собственных экспериментов, которые позволяют расширить знания по данной теме, готовить и самостоятельно демонстрировать опыты, объяснять их результаты.
Также мы поняли, что многие задачи на закон Архимеда можно решить не только теоретически, но и практически.
Помимо проделанных экспериментов, была изучена дополнительная литература об Архимеде, о плавании тел, воздухоплавании.
Литература:
Я. И. Перельман. Знаете ли вы физику? Домодедово «ВАП», 1994.
И. Г. Антипин. Экспериментальные задачи по физике. Москва «Просвещение», 1994.
А.А. Пинский, В, Г. Разумовский. Физика и астрономия. Москва «Просвещение», 1993.
А. В. Перышкин, Физика 7. Москва «Дрофа», 2006.
Интернет ресурсы
Приложения
Приложение 1.

Приложение 2.
1. Вес твердого тела в воздухе P1 2,3 Н
2. Вес пустого стаканаP2 0,4 Н
3. Вес тела при погружении вводу P1/ 0,7 Н
4. Выталкивающая сила или сила Архимеда FA= P1 - P1/ 1,6 Н
5. Вес стакана с водойP2/ 2,3 Н
6. Вес вытесненной водыР= P2/ - P1/ 1,6 Н
Приложение 3.
ЖидкостьР1, Н Р2,Н FA= Pi - Р2 рж, кг/м3
1. Вода0,6 0,3 0,3 1000
2. Масло0,6 0,4 0,2 930
Приложение 4.

Приложение 5.
ЦилиндрР1, Н Р2,Н FA= Pi - Р2 р, кг/м3
В воде1. Стальной1,7 1,4 0,3 7800
2. Алюминиевый0,6 0,3 0,3 2700
В подсолнечном масле1. Стальной1,7 1,5 0,2 7800
2. Алюминиевый0,6 0,4 0,2 2700
Приложение 6.

Приложение 7.
Часть объема тела, погруженная в воду 1/4 1/3 1/2 2/3 3/4 1
FA,H 0,08 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3
Приложение 8.

Приложение 9.
ПоложениебрускаР1, Н Р2,Н FA= Pi - Р2
1. Вертикальное0,6 0,3 0,3
2. Горизонтальное0,6 0,3 0,3

Приложение 10
Форма тела Р1, Н Р2,Н FA= Pi- Р2
1. Шар 0,4 0,15 0,25
2. Куб 0,4 0,15 0,25
3. Параллелепипед 0,4 0,15 0,25
Приложение 11.
Глубина погруженияР1, Н Р2,Н FA= Pi- Р2
1. h1 0,6 0,3 00,30,3 0,3 2. h2 0,6 0,3 0,3 Приложение 12.Экспериментальные задачи на закон Архимеда.
Задача 1.Имея динамометр, стакан с водой и гирьку, определить плотности двух других жидкостей и сравнить с табличными значениями.
Прежде, чем проводить опыт, я решил эту задачу, рассуждая так: Архимедовы силы при погружении гирьки в жидкости будут определяться по формулам: F1 = gV ρ1, F2 = gV ρ2
или
F1= P-P1,F2=P-P2, где
Р— вес тела в воздухе,P1 , Р2 — вес тела в жидкостях.
ρ1= F1/gVρ2=F2/gVА объем гирьки найдем из формулы FА= g ρBV
V= FА/gρB, Fа =Р —Р /где Р' - вес тела в воде.
Решили эту задачу экспериментально, результаты занесли в таблицу.
1. Вес гирьки в воздухеР 1Н
2. Вес тела в водеР/ 0,7Н
3. Вес тела в одной жидкости P1 0,72Н
4. Вес тела в другой жидкости р2 0,76 Н
5. Выталкивающая сила или сила Архимеда в воде
FA= Р- Р' 0,3 Н
6. Выталкивающая сила или сила Архимеда в первой жидкости FA,= P-P1 0,28 Н
7. Выталкивающая сила или сила Архимеда во второй жидкости FA2= Р- Р2 0,24 Н
8. Плотность первой жидкостиρ1 930 кг/м3
9. Плотность второй жидкостиρ2 800 кг/ м3
V = FA /gрв = 0,3: 104 = 3∙10 -5 м3
ρ1= FA1 / gV = 0,28: 3 10-4 = 930 кг/ м3 , это подсолнечное масло
ρ2= FA2 / gV = 0,24: 3∙10-4 = 800 кг/ м3, это спирт.

Задача 2. Какие пельмени легче: только что сделанные или вареные?
Возьмем десять пельменей одинакового объема и одинаковой массы.
Пять пельменей оставим сухими, а пять сварим.
3. Пронаблюдаем, что происходит с пельменями в начале варки и по окончании варки.
Измерим массу сухих пельменей и массу вареных, сравним эти массы.
5. Определим силу тяжести, действующую на вареные пельмени и силу тяжести, действующую на сухие пельмени, сравним эти значения сил.
6.Определим объем пельменей сухих и объем вареных, сравним эти объемы.
Результаты исследований:
Мы увидели, 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, выяснили, что на сухие пельмени действует меньшая сила тяжести, чем на пельмени по окончании варки.
Определив объем сухих пельменей и вареных, выяснили, что объем сухих пельменей меньше, чем объем вареных пельменей.
Задача 3.Пробирка с кусочком пластилина внутри плавает в воде. Изменится ли и как глубина ее погружения, если этот
кусочек пластилина приклеить ко дну пробирки снаружи? Ответ обосновать и проверить опытом.
На опыте мы убедились, что глубина погружения пробирки уменьшилась. Действительно, архимедова сила станет больше, так как уменьшается объем подводной части пробирки на величину объема пластилина.
Задача 4.Пробирка, в которой находится брусок пластилина, плавает в воде. Изменится ли глубина погружения пробирки в воду, если пластилин вынуть и подклеить ко дну. Если изменится, то как? Ответ обоснуйте.
Ответ: Пробирка, в которой находится брусок пластилина, плавает в воде . Если пластилин вынуть и подклеить ко дну пробирки, то глубина погружения пробирки в воду не изменится, так как по-прежнему будет вытесняться количество воды, равное весу системы «пробирка + пластилин». Если же пластилин отвалится и утонет, то глубина погружения пробирки уменьшится.
Задача 5. Пробирка с кусочком пластилина внутри плавает в воде. Изменится ли и как глубина ее погружения, если этот кусочек пластилина приклеить ко дну пробирки снаружи? Ответ обосновать и проверить опытом.
Ответ: Глубина погружения пробирки уменьшится, так как уменьшается объем подводной части пробирки на величину объема пластилина.
Мы проделали несколько экспериментальных задач, все они подтверждают закон Архимеда.