Тема: Умови плавання тіл

Мета уроку: дати учням знання про умови плавання тіл; установити співвідношення між густиною тіла й рідини (або газу), необхідне для забезпечення умови плавання тел.

Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу.

План уроку

Контроль знань	5 хв	1. Сформулюйте закон Архімеда для тіла, зануреного в рідину. 2. Від яких величин залежить архімедова сила? Від яких величин вона не залежить? 3. Чи однакова архімедова сила діє на те саме тіло, занурене у воду, на Землі й на Місяці?
Демонстрації	5 хв	1. Плавання дерев’яних брусків з різних порід дерева. 2. Плавання картоплини усередині розчину солі. 3. Залежність плавання тіл від густини їхніх речовин
Вивчення нового матеріалу	25 хв	1. Плавання однорідних тіл. 2. Плавання суцільних тіл на поверхні води. 3. Плавання судів. 4. Повітроплавання
Закріплення вивченого матеріалу	7 хв	1. Контрольні питання. 2. Навчаємося розв’язувати задачі. 3. Поміркуй і відповідай

Вивчення нового матеріалу ( Презентація додається,  див. диск)

1. Плавання однорідних тіл

Подивіться на рисунок: гарне явище — айсберг, що плаває в океані. Однак чи знаєте ви, що нашим очам з’являється лише 1/10 частина всього айсберга, а 9/10 — сховані водою. Але якщо у воді буде плавати колода, то вона буде занурена приблизно до половини — гляньте на рисунок. Чому ж вода приховує від нас тільки половину колоди, а айсберг — майже цілком? Спробуємо з’ясувати.

Оскільки на будь-яке тіло, що перебуває в рідині, діють дві сили:

F_т , — сила тяжіння, спрямована вертикально вниз, і F_A — виштовхувальна сила, спрямована вертикально угору, то поводження тіла в рідині буде залежати від співвідношення цих сил. Якщо ці сили рівні, тобто F_т = F_A, то тіло перебуватиме в рівновазі всередені рідини — тіло плаває.

• Якщо сила ваги більше виштовхувальної сили, тобто , то тіло тоне.
• Якщо сила ваги менше виштовхувальної сили, тобто , то тіло спливає.

Для суцільного однорідного тіла (зробленого з однієї речовини або матеріалу) , де V — об’єм тіла, ρ_т — його густина, тому . Виштовхувальна ж сила, якщо тіло занурене в рідину повністю, дорівнює , де ρ_p — густина рідини.

Порівняйте тепер вирази для сили ваги F_т й виштовхувальної сили F_A , — ви побачите, що вони відрізняються тільки тим, що в перший з них входить густина ρ_т , тіла а в другий — густина рідини ρ_p . Звідси одержуємо умови плавання однорідних суцільних тіл:

• якщо , то  тіло тоне,
• якщо, то тіло спливає,
• якщо, то тіло перебуває в рівновазі.

2. Плавання суцільних тіл на поверхні води

А тепер відповімо на запитання: чому соснова колода плаває, поринувши приблизно наполовину, а айсберг плаває, занурившись у воду майже повністю?

Знайдемо, яка частина об’єму плаваючого тіла занурена у воду. Позначимо об’єм усього тіла V, а об’єм зануреної у воду частини тіла V ′. Умова плавання тіла:  або . Звідси випливає, що . Це співвідношення й дає відповідь на поставлені вище питання.

Наприклад, плаває на поверхні соснова колода. Тоді, , тобто соснова колода плаває, поринувши у воду на 0,4 свого об’єму. А от, якщо у воді плаває крижина, то , тому тільки одна десята всього об’єму айсберга височіє над поверхнею води, а дев’ять десятих його об’єму ховаються під водою. Тому айсберги дуже небезпечні для судів.

3. Плавання судів

Пластинка з жерсті або фольги тоне у воді. Але, якщо додати фользі форму коробки (або кораблика), то коробка буде плавати. Це явище лежить в основі будови сучасних судів, для виготовлення яких використовуються різні матеріали. Корпус корабля звичайно роблять зі сталевих листів, всі внутрішні кріплення, що надають судам міцність, також виготовляють із металів.

На спорудження судів ідуть десятки інших матеріалів, що мають, порівняно з водою, як більшу, так і меншу густину. Але за рахунок того, що об’єм судна досить великий, його середня густина менше густини води. Завдяки цьому й виникає більша виштовхувальна сила.

Найбільша глибина, на яку може поринути судно при повному завантаженні (його осадка), відзначається на корпусі судна особливою лінією, що одержала назву ватерлінії.

За висотою ватерлінії над поверхнею води завжди можна визначити, завантажене судно чи йде порожняком.

• Масу води, що витісняється повністю завантаженим кораблем, називають водотонажністю судна.

Водотонажність судна збігається з його власною масою (разом з вантажем) і звичайно виражається в тонах. Наприклад, водотонажність танкера-гіганта становить більше 640 тис. тон.

• Водотонажність океанського пасажирського лайнера — десятки тисяч тон, а невеликої яхти — кілька тон.

Вантажопідйомність судна дорівнює різниці між водотонажністю судна й масою цього судна без вантажу. Вантажопідйомність показує вага вантажу, перевезеного судном.

4. Повітроплавання

Як відомо, на тіло, що перебуває в газі, діє виштовхувальна сила, що дорівнює вазі газу в об’ємі тіла.

Існування цієї виштовхувальної сили наочно доводять повітряні кулі. Саме вона й тримає ці кулі в повітрі, урівноважуючи силу тяжіня.

 Кулі, наповнені нагрітим повітрям, зручні тим, що температуру повітря в них, а отже, і виштовхувальну силу, можна регулювати за допомогою газового пальника, розташованого під отвором, що знходиться в нижній частині кулі. Можна підібрати таку температуру, за якої вага кулі й кабіни дорівнюватиме виштовхувальній силі, тоді куля повисає в повітрі, і з неї легко проводити спостереження.

Повітряна куля може піднімати деякий вантаж: кабіну, людей і прилади.

• Різниця між вагою 1 м³ повітря й вагою такого ж об’єму газу називають піднімальною силою.

Для зручності розраховують піднімальну силу, що відноситься до об’єму 1 м³.

Наприклад, водень об’ємом 1 м³ важить при нормальному тиску 0,9 Н, повітря такого ж об’єму важить 13 Н. Отже, піднімальна сила 1 м³ водню дорівнює 12,1 Н. Піднімальна сила 1 м³ гелію дорівнює 11,2 Н (13 Н — 1,8 Н). Піднімальна сила водню більше піднімальної сили гелію, але для наповнення повітряних куль зручніший гелій, тому що він не горить і тому безпечніший.

Питання до учнів у ході викладу нового матеріалу

1. Чим визначається, чи буде суцільне тіло, повністю зануренеу воду, тонути або спливати? Наведіть приклади, що ілюструють вашу відповідь.
2. На чому ґрунтується плавання судів?
3. Які гази використовують для наповнення оболонки аеростата?
4. Чому висота польоту повітряної кулі обмежена?
5. Водотонажність морського судна дорівнює 100 тис. тон. Що це значить?

Закріплення вивченого матеріалу

1. Навчаємося розв’язувати задачі

1. Повітряна куля об’ємом 200 м³ наповнена воднем. Маса оболонки кулі 10 кг. Який вантаж може підняти цю кулю?

Розв’язок. Маса водню . Виштовхувальна сила дорівнює . Піднімальна сила кулі (вага вантажу, що може підняти кулю):

 Звідси

.

Перевірка одиниць величин:

.

Обчислюємо масу вантажу:

.

2. Тіло масою 0,5 кг при повному зануренні витісняє 600 см³ рідини. Чи буде воно плавати у воді? У гасі?

3. На скільки збільшується осадка річкового теплохода, що прийняв вантаж 400 т, якщо площа перерізу корпуса теплохода на рівні води дорівнює 1600 м²?

2. Поміркуй і відповідай

1. Чи буде мідна кулька плавати у ртуті?

2. Чому тоне корабель, що одержав пробоїну?

3. Як зміниться осадка корабля при переході з ріки в море?

4. У ртуть опустили мідну, срібну й золоту кульки. Які з них будуть плавати, а які — потонуть?

Домашнє завдання-§31

СКАЧАТЬ