В. М. Краевой ,
, Погарская СОШ № 1, г. Погар, Брянская обл.

Выталкивающая сила. Закон Архимеда

Образовательная цель урока: убедиться в существовании выталкивающей силы, осознать причины её возникновения и вывести правила для её вычисления.

Воспитательная цель: познакомить учащихся с взаимосвязанностью и обусловленностью явлений окружающего мира (величина архимедовой силы обусловлена объёмом погружённого в неё тела и плотностью вытесненной жидкости); содействовать формированию мировоззренческой идеи познаваемости явлений и свойств окружающего мира; формировать культуру умственного труда; создавать для каждого ученика ситуацию успеха.

Развивающая цель: формировать умения анализировать свойства и явления на основе знаний, выделять главную причину, влияющую на результат (т. е. «зоркость» в поисках); формировать коммуникативные умения, на этапе выдвижения гипотез развивать устную речь, проверить уровень самостоятельности мышления школьника по применению знаний в различных ситуациях.

Ход урока

I. Введение (3 мин)

Учитель. Тема нашего урока «Выталкивающая сила. Закон Архимеда». Архимед… Кто же этот человек, оставивший яркий след в науке? (На экране портрет Архимеда. На фоне музыкального сопровождения учитель рассказывает о нём. ) Архимед – выдающийся учёный Древней Греции, родился в 287 году до н. э. в портовом и судостроительном городе Сиракузы на острове Сицилия. Архимед получил блестящее образование у своего отца, астронома и математика Фидия, родственника сиракузского тирана Гиерона II (покровительствовал Архимеду). В юности провёл несколько лет в крупнейшем культурном центре – Александрии, – где у него сложились дружеские отношения с астрономом Кононом и географом-математиком Эратосфеном. Это послужило толчком к развитию его выдающихся способностей. В Сицилию вернулся уже зрелым учёным. Он прославился многочисленными научными трудами, главным образом в области физики и геометрии. Последние годы жизни Архимед провёл в Сиракузах. Шла 2-я Пуническая война. Город осадило римское войско, обладавшее превосходным флотом. И учёный, не жалея сил, организовал инженерную оборону. Он построил множество удивительных боевых машин, топивших вражеские корабли, разносивших их в щепы, наводивших суеверный страх на солдат. По легенде , Архимед при помощи своей системы зеркал поджёг корабли римлян. Однако слишком маленьким было войско защитников города. И в 212 г. до н. э. Сиракузы были взяты. Гений Архимеда вызывал восхищение у римлян, и римский полководец Марцелл приказал сохранить ему жизнь. Но солдат, не знавший учёного в лицо, ворвавшись в дом, увидел старика (Архимеду было около 75 лет), склонившегося над ящиком с песком, на котором он выполнял чертёж. «Не наступи на мои круги!» – воскликнул Архимед. В ответ воин взмахнул мечом, и великий учёный упал, заливая чертёж кровью.

После Архимеда осталось много трудов. Одним из важнейших открытий стал закон, впоследствии названный законом Архимеда . Существует предание, что идея посетила Архимеда, когда он принимал ванну. С возгласом «Эврика!» он выскочил на улицу и нагим побежал к царю, чтобы сообщить тому о решении задачи. Сегодня нам предстоит познакомиться с этой задачей, убедиться в существовании выталкивающей силы, выяснить причины её возникновения и вывести правила для её вычисления.

II. Объяснение нового материала (16 мин)

Учитель. Вспомним лето. Вы отдыхаете на море, озере или реке Судость, входите в воду. Учите плавать своих друзей. (На экране фотоиллюстрация. ) Легко ли поддерживать на воде тело своего друга?

Учащиеся. Легко.

Учитель. А сможете ли вы его также легко удержать не в воде, а в воздухе?

Учащиеся. Нет.

Учитель. Многие из вас, купаясь, пытались опустить мяч в воду. Ну и как? Получалось?

Учащиеся. Нет.

Учитель. В чём же дело? Обратимся к опыту.

Опыт 1. Учитель пытается погрузить в аквариум плавающий мяч.

Учитель. Я погружаю мяч глубже в воду, отпускаю, и мяч... что делает?

Учащиеся. Всплывает.

Учитель. Почему мяч всплыл на поверхность воды? Что действует на мяч?

Учащиеся. Сила.

Учитель. Совершенно верно, сила, она и вытолкнула мяч из воды. Эта же сила выталкивает из воды и тело вашего друга при обучении плаванию, поэтому, как мы её будем называть?

Учащиеся. Выталкивающей силой.

Учитель. Впервые выталкивающую силу рассчитал древнегреческий учёный Архимед. Поэтому её называют архимедовой силой . Ребята, а всегда ли жидкость действует на погружённое в неё тело? Ведь металлический цилиндр тонет!

Опыт 2. Учитель погружает в воду подвешенный на нити металлический цилиндр. Он тонет.

Учитель. Заметно ли выталкивающее действие воды в этом случае? Чтобы найти ответ, давайте проведём опыт, как описано в задании 1 в ваших рабочих тетрадях (см. Приложение 1 . – Ред. ).

Фронтальная лабораторная работа. На каждом столе динамометр, цилиндр и стакан с водой. На экран последовательно выводятся слайды с описанием её этапов, учащиеся выполняют работу и делают записи в рабочих тетрадях.

Подвесьте цилиндр к динамометру, найдите его вес в воздухе, запишите полученный результат Погрузите цилиндр в жидкость, найдите его вес в жидкости. Запишите полученный результат Сравните вес цилиндра в воде с весом цилиндра в воздухе и сделайте вывод: действует ли на цилиндр, погружённый в жидкость, выталкивающая сила? Так как вес цилиндра в жидкости меньше, чем вес цилиндра в воздухе, то на него действует выталкивающая сила. Куда она направлена? А теперь подумайте, как найти величину этой силы? Что для этого нужно сделать?

Учащиеся. Из веса цилиндра в воздухе надо вычесть вес цилиндра в воде.

Учитель. Совершенно верно! И мы рассмотрели один из способов нахождения выталкивающей силы. Запишите, пожалуйста: «Чтобы найти силу Архимеда, надо из веса тела в воздухе вычесть вес тела в жидкости» <...> Подставьте в формулу измеренные вами значения веса цилиндра в воздухе и в воде и вычислите архимедову силу.

Таким образом, мы убедились, что на все тела, погружённые в жидкость, действует выталкивающая сила: и на те, которые тонут, и на те, которые плавают (на экране демонстрируются фотоиллюстрации ). А если тело погружено в газ, будет ли в этом случае на него действовать сила Архимеда? Оказывается, будет! И это подтверждается полётами воздушных шаров и аэростатов (на экране фотоиллюстрации ). Как говорят аэронавты, их поднимает и держит в воздухе дар природы – сила Архимеда. Обратимся к опыту.

Опыт 3. Стеклянный шар, уравновешенный на весах, помещён внутрь открытого сосуда с мелом на дне. Учитель заливает в сосуд кислоту. Происходит бурная реакция, сосуд постепенно заполняется углекислым газом. Учитель вносит в сосуд горящую спичку – в углекислом газе спичка гаснет.

Учитель. Внимательно следим за равновесием. Что происходит?

Учащиеся. равновесие нарушается.

Учитель. Значит, на тело в газе действует что?

Учащиеся. Выталкивающая сила.

Учитель. Направленная куда?

Учащиеся. Вертикально вверх.

Учитель. Выталкивающая сила может возникать и в сыпучих веществах , таких как песок, рис, горох, поскольку они принимают форму того сосуда, в который помещены, т. е. проявляют свойства жидкостей.

Опыт 4. Учитель кладёт в сосуд пенопласт и засыпает горохом. Встряхивает.

Учитель. Под действием выталкивающей силы пенопласт что делает?

Учащиеся. Всплывает.

Учитель. Вывод: на тела, погружённые в жидкости, газы и даже сыпучие вещества, действует сила Архимеда, направленная вертикально вверх (на экране фотоиллюстрации ). Выясним, почему она возникает.

На резиновый брусок, как и на всякое тело, погружённое в жидкость, действует выталкивающая сила, в чём мы с вами ещё раз убеждаемся.

Опыт 5. Учитель подвешивает резиновый брусок к пружине. Пружина растягивается. Учитель погружает брусок в воду. Пружина несколько сокращается.

Учитель. Мы знаем, что жидкость давит на дно и стенки сосуда, а значит, и на брусок, находящийся в жидкости. Что вы можете сказать о давлении внутри жидкости на одном и том же уровне?

Учащиеся. На одном и том же уровне, по закону Паскаля, давление по всем направлениям одинаково.

Учитель. Правильно, поэтому и силы, с которыми жидкость действует на боковые поверхности бруска, равны. Они направлены навстречу друг другу и сжимают брусок. Давайте измерим давление жидкости на уровне верхней и нижней граней.

Опыт 6. Учитель опускает в сосуд с водой брусок и с помощью жидкостного манометра измеряет давление жидкости на двух уровнях: верхней и нижней граней бруска.

Учитель. Сравните давления жидкости на верхнюю и нижнюю грани бруска. Какое больше?

Учащиеся. Больше на нижнюю грань.

Учитель. Почему?

Учащиеся. Потому что она находится на большей глубине.

Учитель. Следовательно, и сила, с которой жидкость действует на нижнюю грань, больше силы, с которой жидкость действует на верхнюю грань. Куда направлена равнодействующая этих сил?

Учащиеся. вверх, в сторону действия большей силы.

Учитель. Равнодействующую этих сил и называют выталкивающей, или архимедовой силой . А как найти силу Архимеда?

Учащиеся. Надо из большей силы давления, с которой действует жидкость на нижнюю грань, вычесть меньшую силу – на верхнюю грань бруска.

Учитель. Выведем величину силы Архимеда. (По ходу беседы на экране последовательно демонстрируются фрагменты опорного конспекта. ) Подставляя выражения для F н и F в, получим <...>. Чему равна разность высот столбов жидкости h н – h в?

Учащиеся. Высоте бруска.

Учитель. Верно, обозначим её через h . А чему равно произведение площади основания бруска на его высоту?

Учащиеся. Объёму бруска.

Учитель. Мы получаем ещё один способ нахождения архимедовой силы – расчётный < ...>.

Что мы получим, если умножим плотность жидкости на объём тела?

Учащиеся. Массу.

Учитель. Массу чего?

Учащиеся. Массу жидкости.

Учитель. Чему равно произведение?

Учащиеся. Это вес жидкости в объёме тела < ...>.

Учитель. Итак, сила Архимеда равна весу жидкости в объёме погружённой части тела. Докажем эту гипотезу с помощью опыта.

Опыт 7. К пружине подвешены ведёрко и цилиндр. Объём цилиндра равен внутреннему объёму ведёрка. Растяжение пружины отмечено указателем. Учитель целиком погружает цилиндр в отливной сосуд с водой. Вода выливается в стакан.

Учитель. Объём вылившейся воды равен чему?

Учащиеся. Объёму погружённого в воду тела.

Учитель. Указатель пружины отмечает уменьшение веса цилиндра в воде, вызванное действием чего?

Учащиеся. Выталкивающей силы.

Учитель. Выливаем в ведёрко воду из стакана и видим, что указатель пружины возвращается к начальному положению. Итак, под действием архимедовой силы пружина сократилась, а под действием веса вытесненной воды вернулась в начальное положение. Что можно сказать об этих силах?

Учащиеся. Архимедова сила равна весу жидкости, вытесненной телом.

Учитель. Мы рассмотрели третий способ нахождения архимедовой силы. Чтобы найти силу Архимеда, действующую на тело, нужно определить вес жидкости, которую это тело вытесняет.

А теперь сформулируйте самостоятельно закон Архимеда, заполнив пропуски в задании 2 в рабочей тетради. (Ребята делают записи и сверяют их со слайдом. )

III. Решение задач (14 мин)

(На экране демонстрируются рисунки к заданиям 3–5 в рабочих тетрадях, учащиеся записывают решения. По мере выполнения заданий учитель обсуждает фронтально результаты, демонстрируя слайды с верными решениями. )

Учитель (по выполнении задания 3, а ). Поднимите свои рабочие тетради и покажите, как вы это сделали. Сверим правильный результат с показанным на экране.

(По выполнении задания 3, б ). На какой шар действует наименьшая выталкивающая сила? Почему?

(По выполнении задания 4 ). А теперь давайте внимательно посмотрим на этот рисунок и выясним, от чего же сила Архимеда не зависит.

Учащиеся. Архимедова сила не зависит от формы тела, глубины его погружения, плотности тела и его массы.

Учитель (по выполнении задания 5 ). В воду нырнули первоклассник и одиннадцатиклассник. На кого действует большая выталкивающая сила? Почему? (Демонстрирует слайд с видеозадачей, которую заранее составили, нарисовали и озвучили ученики. )

На территории Палестины и Израиля есть странное, на первый взгляд, море. О нём сложились мрачные легенды. В одной из них говорится: «И вода, и земля здесь богом прокляты». Какая-то таинственная неведомая сила выталкивает на поверхность попавшие в него предметы. Однако, несмотря на сказания, плавать в этом море очень даже весело и увлекательно.

Вот как описывает купание в водах Мёртвого моря Марк Твен: «Это было забавное купание, мы не могли утонуть. Здесь можно вытянуться на воде во всю длину, лёжа на спине и сложив руки на груди, причём большая часть тела будет оставаться над водой. При этом можно совсем поднять голову… Вы можете лежать очень удобно на спине, подняв колени к подбородку и охватив их руками, но вскоре перевернётесь, так как голова перевешивает. Вы можете встать на голову – и от середины груди до конца ног будете оставаться вне воды; но вы не сможете долго сохранять такое положение. Вы не можете плыть на спине, подвигаясь сколь-нибудь заметно, так как ноги ваши торчат из воды и вам приходится отталкиваться только пятками. Если же вы плывёте лицом вниз, то подвигаетесь не вперёд, а назад. Лошадь так неустойчива, что не может ни плавать, ни стоять в Мёртвом море, она тотчас же ложится набок».

Учитель. В чём же загадка Мёртвого моря? Почему в нём нельзя утонуть? (Ответы учащихся. )

Ещё раз повторим, как можно найти выталкивающую силу. (Учащиеся проговаривают способы по рисунку в задании 5. Выполняют письменно задание 6 и устно задание 7. )

IV. Отработка знаний и умений (4 мин)

Учитель. А сейчас проверим, хорошо ли вы познакомились с архимедовой силой. Для этого выполним задание 8. Ученица (называет фамилию хорошо успевающей девушки ) будет выполнять это задание на компьютере, остальные – в рабочих тетрадях. (По выполнении задания предлагает ученикам посчитать, сколько раз буква «А» встречается в ответах и поднять вверх столько пальцев. Этот методический приём позволяет оперативно проконтролировать знания. )

V. Проверка знаний и умений (7 мин)

Учитель. Для проверки полученных знаний проведём блицтурнир. Класс разбивается на команды по четыре человека. На экране будут демонстрироваться видеозадачи, озвученные ранее вашими товарищами. Первой отвечает команда, которая раньше поднимет руку. За каждый правильный ответ вы получите «звёздочку умника».

Видеозадача 1. Мой друг, вернувшись из путешествия, показал необычные фотографии. В каком месте он мог сделать эти фотоснимки? Объясните запечатлённые чудеса.

Видеозадача 2. Почему длинные и очень гибкие стебли подводных растений сохраняют в воде вертикальное положение?

Видеозадача 3. Кит, хотя и живёт в воде, но дышит лёгкими. За счёт изменения их объёма он легко может менять глубину погружения. Однако, имея лёгкие, кит не проживёт и часа, если окажется на суше. В чём же дело?

Видеозадача 4. Рыбы могут легко регулировать глубину погружения, меняя объём своего тела благодаря плавательному пузырю. Что происходит с выталкивающей силой, действующей на рыбу, при уменьшении объёма плавательного пузыря?

Видеозадача 5. Почему водолазы с тяжёлыми кислородными баллонами в воде чувствуют себя невесомыми?

VI. Подведение итогов (1 мин)

Учитель. Давайте выясним, какая команда получила большее количество звёздочек. Все её члены получают за блицтурнир оценку «пять». Итак, мы разобрались, почему одни тела плавают на поверхности жидкости, а другие тонут, почему возможно плавание судов, подводных лодок, воздушных шаров и аэростатов. И в жизни вам предстоит ещё не один раз встретиться с силой Архимеда.

Запишите домашнее задание: прочитайте § 48, 49 учебника ; выучите опорный конспект (в рабочей тетради); выполните задание 9 (все) и задание 10 (желающие) из рабочей тетради ; подготовьтесь к лабораторной работе № 7 .

Приложение 1. Фрагмент рабочей тетради 3-го уровня сложности

Задание 1. Действует ли на металлический цилиндр, погружённый в воду, архимедова сила?

Задание 2. Заполните пропуски.

Закон Архимеда. На тело, ______ в жидкость или газ ____________ вертикально _________________ сила, равная ____________ жидкости или газа в _________ тела (или его погружённой части).

Задание 3. В сосуд с водой помещены три шара.

а ) Закрасьте карандашом те шары или части шаров, на которые со стороны жидкости действует выталкивающая сила.

б ) На какой шар действует наименьшая выталкивающая сила? Почему?

Задание 4. Одинаковые или разные выталкивающие силы действуют на алюминиевый кубик и медный шарик, погружённые в жидкость, если их объёмы равны?

ВЫВОД. Сила Архимеда не зависит от:

Задание 5. На какой из двух одинаковых шаров действует бóльшая архимедова сила, если первый помещён в воду, а второй в керосин?

Задание 6. В апреле 1912 г. отправилось в первое и последнее плавание крупнейшее пассажирское судно «Титаник» водоизмещением 46 300 т (масса воды, вытесняемой судном). Найдите величину выталкивающей силы, действующей на него.

Задание 7. Быстро и (желательно) устно решите задачи.

Задание 8. Хорошо ли ты знаешь силу Архимеда? (Приводим один вариант. )

		Варианты ответов
	На какое тело действует бóльшая архимедова сила?	А) На первое; Б) на второе; В) на оба тела одинаковая
	На какое тело действует меньшая выталкивающая сила?	А) На первое; Б) на второе; В) на третье
	На какое тело действует бóльшая выталкивающая сила?	А) На первое; Б) на второе; В) на третье
	К коромыслу весов подвешены два алюминиевых цилиндра одинакового объёма. Нарушится ли равновесие весов, если один цилиндр поместить в воду, а другой – в спирт?	А) Перевесит цилиндр в спирте; Б) перевесит цилиндр в воде; В) не нарушится
	Определите выталкивающую силу, действующую на погружённое в воду тело объёмом 0,001 м 3

Задание 9. Сравните выталкивающие силы, действующие на тела 1 и 2 .

Одинаковые железные шарики m 1 = m 2
F A1 _____ F A2

Задание 10. Найдите выталкивающую силу в следующих ситуациях.

Литература

1. Пёрышкин А.В. Физика. 8 класс. М.: Дрофа, 1999.
2. Чижевский Е.А., Иноземцева С.В., Кантор Р.В. Репетитор по физике Кирилла и Мефодия. [Электронный ресурс] 1 эл.-опт. диск. 1999.

Приложение 2. Самоанализ урока

Самоанализ урока является одним из инструментов совершенствования учителя, формирования и развития его профессиональных качеств, улучшения техники преподавания. В ходе самоанализа преподаватель получает возможность взглянуть на свой урок как бы со стороны, осознать его как явление в целом, целенаправленно осмыслить совокупность собственных теоретических знаний, способов, приёмов работы. Это – рефлексия, позволяющая оценить свои сильные и слабые стороны, выявить резервы, уточнить отдельные моменты индивидуального стиля деятельности.

В своём самоанализе я буду рассматривать урок в основном с позиции традиционной парадигмы, но, кроме того, предполагаю поднять вопросы, касающиеся традиционно-развивающей и личностно-ориентированной парадигм.

Раздел «Давление твёрдых тел жидкостей и газов».

Тема «Выталкивающая сила. Закон Архимеда».

Место урока в теме: урок № 15. Согласно методике, урок опирается на темы «Закон Паскаля», «Давление жидкости на дно и стенки сосуда», «Сложение двух сил, направленных по одной прямой», «Плотность вещества», «Расчёт массы тела по его плотности», «Три состояния вещества». Тема урока сама является базовой при изучении тем «Плавание тел», «Плавание судов», «Воздухоплавание», а также применяется при решении отдельных олимпиадных задач и задач по динамике в 9-м классе.

Урок проходил в 7-Д классе. По словам преподавателей, это класс со средним уровнем интеллектуального развития учащихся. Исходя из этих особенностей, я и построил урок.

Форма урока: урок изучения нового материала и первичного его закрепления.

Выбранная структура урока позволяет развивать познавательную активность школьников и приучает к мысли, что они при желании могут управлять своей успеваемостью.

Триединая цель (см. сценарий): сообщена учащимся после мобилизующего рассказа об Архимеде.

Оборудование: компьютер с проектором, презентация, мультимедийный репетитор по физике Кирилла и Мефодия, трёхуровневые рабочие тетради, оценочные «звёздочки умника», стаканы с водой, динамометры, металлические цилиндры, аквариум с водой, резиновый мяч, стеклянный шар для взвешивания воздуха, сосуд для получения углекислого газа, молотый мел, кислота, весы с разновесами, три штатива, резиновый брусок, пружина, пенопласт, сосуд с горохом, ведёрко Архимеда. Учебное оборудование использовалось целесообразно, во время урока на виду был только иллюстрируемый материал. Когда всё внимание учеников должно было быть на учителе, слайды выключались.

Межпредметные связи: физики с историей, биологией, экологией, литературой, изобразительным искусством, географией.

Методы: объяснительно-иллюстративный, проблемного изложения, частично-поисковый, словесный (рассказ и эвристическая беседа), демонстрация опытов, опорных конспектов, схем, заданий, видеофрагментов, экспериментальный (фронтальная лабораторная работа, решение качественных и количественных задач), стимулирование интереса к учению, контроль и самоконтроль (устный, письменный и лабораторный) и др. Все перечисленные методы способствовали развитию умственной самостоятельности, познавательной активности и соответствуют технологии выработки умений и навыков в процессе проблемного обучения.

Хронометраж по этапам урока: Рассказ об Архимеде – 3 мин Объяснение нового материала – 12 мин Фронтальная лабораторная работа – 4 мин Первичное закрепление знаний и решение качественных задач – 10 мин Решение количественных задач – 4 мин Выполнение тестовых заданий – 4 мин Блицтурнир – 7 мин Подведение итогов и задание на дом – 1 мин.

Формы работы с учащимися: фронтальная, групповая (группы постоянного состава), индивидуальная.

На уроке была использована самостоятельня работа, организована взаимопроверка, а также сверка с верной информацией на проекционном экране. Считаю, что методических нарушений не было, содержание учащимися было понято, время на подготовку ограничено, контроль был разнообразен.

Для удобства работы и экономии времени на уроке для учеников были подготовлены три типа рабочих тетрадей: тетради зелёного цвета содержали задания 1-го уровня сложности, выполнение которых оценивалось на «3», тетради жёлтого цвета – задания 2-го уровня сложности, на оценку «4», красного – 3-го уровня сложности, на оценку «5». В тетрадях были напечатаны все основные опорные схемы и опорные конспекты, чтобы ученикам не нужно было тратить время на их переписывание. Кроме значительной экономии времени урока, рабочая тетрадь позволяет существенно снизить утомляемость учеников благодаря дифференцированным (в том числе и домашним) заданиям. В специальную таблицу выносятся оценки за четыре вида работ на уроке, по которым учитель выставляет итоговую оценку. Тестовое задание представлено в двух вариантах.

Для текущей проверки знаний было выбрано тестирование. Это современная, удобная для учителя технология, позволяющая максимально объективно оценить уровень достижений ученика и требующая минимум времени для проверки. одна ученица выполняла это задание на компьютере, остальные – в рабочих тетрадях. Психологически грамотные компьютерные комментарии оказывали на ученицу сильное воспитательное воздействие.

Домашнее задание: дано в рамках урока, с инструктажем к выполнению.

Во время проведения блицтурнира, я сделал текущий самоанализ и изменил запланированную концовку урока: вместо повторения опорного конспекта дал из резерва три проблемных вопроса блицтурнира и тем самым перенёс центр «тяжести» данного этапа урока со школы памяти на школу развития.

Также в качестве резерва у меня было запланировано решение экспериментальной задачи, повторяющей опыт Архимеда по определению объёма тела сложной формы, но на уроке резерв не был использован.

Планирование урока: позволило развить умения анализировать, сравнивать, выделять главное, абстрагировать, конкретизировать, обобщать, умения вести диалог, коммуникативные умения учащихся, происходило обучение перцептивным действиям. Ученикам давалось многосенсорное представление информации в виде аудиального, визуального и кинестетического способов обучения. за урок 7 раз менялись виды деятельности. Такой подход позволил воздействовать на всех учащихся и дал возможность получать информацию, выбрав свой входной канал.

Время урока использовано рационально, уровень проверки знаний рационален, с точки зрения психодинамических характеристик ритм урока менялся со сменой вида деятельности. Темп определялся трудностью изучаемого материала: лёгкий материал давался в быстром темпе, при переходе к трудному замедлялась скорость речи, материал многократно повторялся (например, я многократно обращал внимание на то, что сила Архимеда зависит только от плотности жидкости и объёма тела или его погружённой части).

Ключевая проблема удержания внимания была полностью решена за счёт применения интерактивных технологий – смены ярких впечатлений от увиденного на проекционном экране и чередования видов учебной деятельности. При этом внимание носило не созерцательный, как при просмотре видеофильмов, а мобилизующий характер, т. к. требовало ответной реакции учащихся. Кроме того, для удержания внимания применялось раскрытие перед учащимися через решение практических задач и заданий блицтурнира жизненной значимости изучаемого материала. Яркость, новизну и структурирование наглядному материалу придавало использование компьютера, разнообразных демонстраций и рабочей тетради.

При объяснении нового материала и решении задач учитывался объём кратковременной памяти. После перевода нового материала в долговременную память в целях закрепления его следов на последующих уроках я применяю эффект реминисценции.

Положительные переживания ребят стимулировались похвалой и одобрительным кивком. Психологический микроклимат поддерживался оптимистическим и мажорным настроением учителя.

Воспитательный потенциал реализован. Общение было доброжелательным, демократичным, толерантным, доминировало положительное нравственно-эмоциональное состояние; оборудование и оснащение способствовало воспитанию эстетической культуры.

В подготовке видеозадач к уроку самое активное участие принимали ученики. Они подбирали и озвучивали видеофрагменты, сами сделали рисунок к задаче о Мёртвом море. При этом успешно решалась проблема развития познавательного интереса. Связь обучения с жизнью, бытом является мощным средством воспитания интереса к уроку. Методика применения видеозадач содействует формированию мировоззренческой идеи познаваемости явлений и свойств окружающего мира, позволяет сделать процесс обучения более интерактивным, ориентированным на практику, развивает образное мышление, повышает познавательную активность, пробуждает интерес к предмету и мотивацию к изучению физики. Всё это происходит на фоне выраженного эмоционального восприятия: учащиеся начинают сами интересоваться, узнавать в повседневной жизни те или иные физические явления, стараясь применять полученные знания на практике.

Считаю, что конечный результат урока достигнут, т. к. учащиеся научились в различных ситуациях находить силу Архимеда, плотность жидкости и объём тела. Они общались, вели диалоги, в ходе которых происходило развитие мышления, проявляли интерес к предмету, было большое количество правильных ответов.

Особенность урока: 1) включён материал двух уроков (см. выше); 2) урок в высокой степени интерактивен, имеет практическую направленность, включает в себя много самостоятельной работы, изучаемый материал связан с жизнью; 3) для снижения утомления учащихся применены две валеологические технологии – игра «Блицтурнир» и персональный компьютер, – что обеспечило высокий уровень познавательной активности учеников не за счёт их здоровья.

Самооценка урока по Б.А. Татьянкину (Проектирование технологии обучения физике в 7 классе. Воронеж: ВорОИПКиПРО, 2001) приведена в табл. 1.

Таблица 1. Самооценка урока по Б.А. Татьянкину

Самооценка урока по Ю.А. Конаржевскому (Анализ урока. М.: Центр «Педагогический поиск», 2003) в трёхбалльной системе приведена в табл. 2.

Таблица 2

Характеристика урока
Цель урока названа
Организованы действия учащихся по принятию цели деятельности
Соответствие содержания учебного материала цели урока обеспечено: а ) мотивацией деятельности, б ) сотрудничеством учителя и учащихся, в ) контролем и самоконтролем.
Соответствие методов обучения содержанию учебного материала
Соответствие форм организации познавательной деятельности обеспечили: а ) сотрудничество между учащимися, б ) включение каждого ученика в деятельность по достижению триединой дидактической цели.
Формы организации познавательной деятельности отобраны в соответствии с содержанием учебного материала и целью урока, методами обучения
Уровень достижения триединой цели урока: а ) образовательный аспект, б ) воспитательный аспект, в ) развивающий аспект.

Итак, эффективность урока Э у = 22/24 = 92% (т. е. больше критерия 86%), нет ни одной оценки 0 баллов, следовательно, урок можно считать отличным.

Эта легенда, возможно, не так далека от истины. См. «Лучевое оружие античности», № 4/2009 . – Ред.

Вопрос не столь прост. Приводим выдержку из заметки К.Ю. Богданова (см. № : «К сожалению, наука до сих пор не в состоянии до конца объяснить явления, происходящие в гранулярных смесях при их встряхивании. И основная причина здесь кроется в том, что сухая смесь по своим свойствам не похожа ни на жидкость, ни на твёрдое тело. Поэтому многие законы, упрощающие анализ поведения жидкостей и твёрдых тел, здесь просто неприменимы. Только недавно, с появлением суперкомпьютеров, стало возможным моделировать скольжение друг по другу тысяч песчинок. Первые такие исследования, проведённые в 1987 г. в Технологическом институте штата Нью-Джерси (США), показали, что при встряхивании, как и следовало ожидать, между соседними гранулами образуются промежутки. В эти промежутки скатываются под действием силы тяжести соседние гранулы. Оказалось, что вероятность образования малого промежутка всегда выше, чем большого. Поэтому более мелкие гранулы и скатываются вниз чаще. Таким образом, после интенсивного встряхивания происходит концентрация мелких гранул внизу и соответственно крупных гранул наверху». – Ред.

Закон Архимеда – закон статики жидкостей и газов, согласно которому на погруженное в жидкость (или газ) тело действует выталкивающая сила, равная весу жидкости в объеме тела.

История вопроса

«Эврика!» («Нашел!») – именно этот возглас, согласно легенде, издал древнегреческий ученый и философ Архимед, открыв принцип вытеснения. Легенда гласит, что сиракузский царь Герон II попросил мыслителя определить, из чистого ли золота сделана его корона, не причиняя вреда самому царскому венцу. Взвесить корону Архимеду труда не составило, но этого было мало – нужно было определить объем короны, чтобы рассчитать плотность металла, из которого она отлита, и определить, чистое ли это золото. Дальше, согласно легенде, Архимед, озабоченный мыслями о том, как определить объем короны, погрузился в ванну – и вдруг заметил, что уровень воды в ванне поднялся. И тут ученый осознал, что объем его тела вытеснил равный ему объем воды, следовательно, и корона, если ее опустить в заполненный до краев таз, вытеснит из него объем воды, равный ее объему. Решение задачи было найдено и, согласно самой расхожей версии легенды, ученый побежал докладывать о своей победе в царский дворец, даже не потрудившись одеться.

Однако, что правда – то правда: именно Архимед открыл принцип плавучести. Если твердое тело погрузить в жидкость, оно вытеснит объем жидкости, равный объему погруженной в жидкость части тела. Давление, которое ранее действовало на вытесненную жидкость, теперь будет действовать на твердое тело, вытеснившее ее. И, если действующая вертикально вверх выталкивающая сила окажется больше силы тяжести, тянущей тело вертикально вниз, тело будет всплывать; в противном случае оно пойдет ко дну (утонет). Говоря современным языком, тело плавает, если его средняя плотность меньше плотности жидкости, в которую оно погружено.

Закон Архимеда и молекулярно-кинетическая теория

В покоящейся жидкости давление производится посредством ударов движущихся молекул. Когда некий объем жидкости вымещается твердым телом, направленный вверх импульс ударов молекул будет приходиться не на вытесненные телом молекулы жидкости, а на само тело, чем и объясняется давление, оказываемое на него снизу и выталкивающее его в направлении поверхности жидкости. Если же тело погружено в жидкость полностью, выталкивающая сила будет по-прежнему действовать на него, поскольку давление нарастает с увеличением глубины, и нижняя часть тела подвергается большему давлению, чем верхняя, откуда и возникает выталкивающая сила. Таково объяснение выталкивающей силы на молекулярном уровне.

Такая картина выталкивания объясняет, почему судно, сделанное из стали, которая значительно плотнее воды, остается на плаву. Дело в том, что объем вытесненной судном воды равен объему погруженной в воду стали плюс объему воздуха, содержащегося внутри корпуса судна ниже ватерлинии. Если усреднить плотность оболочки корпуса и воздуха внутри нее, получится, что плотность судна (как физического тела) меньше плотности воды, поэтому выталкивающая сила, действующая на него в результате направленных вверх импульсов удара молекул воды, оказывается выше гравитационной силы притяжения Земли, тянущей судно ко дну, – и корабль плывет.

Формулировка и пояснения

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. 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. Интуитивно ясно, что 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.

Существование гидростатического давления приводит к тому, что на любое тело, находящееся в жидкости или газе, действует выталкивающая сила. Впервые значение этой силы в жидкостях определил на опыте Архимед. Закон Архимеда формулируется так: на тело, погруженное в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, равная весу того количества жидкости или газа, которое вытеснено погруженной частью тела.

Формула

Сила Архимеда, действующая на погруженное в жидкость тело, может быть рассчитана по формуле: F А = ρ ж gV пт,

где ρж – плотность жидкости,

g – ускорение свободного падения,

Vпт – объем погруженной в жидкость части тела.

Поведение тела, находящегося в жидкости или газе, зависит от соотношения между модулями силы тяжести Fт и архимедовой силы FA, которые действуют на это тело. Возможны следующие три случая:

1) Fт > FA – тело тонет;

2) Fт = FA – тело плавает в жидкости или газе;

3) Fт < FA – тело всплывает до тех пор, пока не начнет плавать.

Часто научные открытия становятся следствием простой случайности. Но только люди с подготовленным умом могут оценить важность простого совпадения и сделать из него далеко идущие выводы. Именно благодаря цепи случайных событий в физике появился закон Архимеда, объясняющий поведение тел в воде.

Предание

В Сиракузах об Архимеде слагали легенды. Однажды правитель этого славного города усомнился в честности своего ювелира. В короне, изготовленной для правителя, должно было содержаться определенное количество золота. Проверить этот факт поручили Архимеду.

Архимед установил, что в воздухе и в воде тела имеют разный вес, причем разность прямо пропорциональна плотности измеряемого тела. Измерив вес короны в воздухе и в воде, и проведя аналогичный опыт с целым куском золота, Архимед доказал, что в изготовленной короне существовала примесь более легкого металла.

По преданию, Архимед сделал это открытие в ванне, наблюдая за выплеснувшейся водой. Что стало дальше с нечестным ювелиром, история умалчивает, но умозаключение сиракузского ученого легло в основу одного из важнейших законов физики, который известен нам, как закон Архимеда.

Формулировка

Результаты своих опытов Архимед изложил в труде «О плавающих телах», который, к сожалению, дошел до наших дней лишь в виде отрывков. Современная физика закон Архимеда описывает, как совокупную силу, действующую на тело, погруженное в жидкость. Выталкивающая сила тела в жидкости направлена вверх; ее абсолютная величина равна весу вытесненной жидкости.

Действие жидкостей и газов на погруженное тело

Любой предмет, погруженный в жидкость, испытывает на себе силы давления. В каждой точке поверхности тела данные силы направлены перпендикулярно поверхности тела. Если бы эти они были одинаковы, тело испытывало бы только сжатие. Но силы давления увеличиваются пропорционально глубине, поэтому нижняя поверхность тела испытывает больше сжатие, чем верхняя. Можно рассмотреть и сложить все силы, действующие на тело в воде. Итоговый вектор их направления будет устремлен вверх, происходит выталкивание тела из жидкости. Величину этих сил определяет закон Архимеда. Плавание тел всецело основывается на этом законе и на различных следствиях из него. Архимедовы силы действуют и в газах. Именно благодаря этим силам выталкивания в небе летают дирижабли и воздушные шары: благодаря воздухоизмещению они становятся легче воздуха.

Физическая формула

Наглядно силу Архимеда можно продемонстрировать простым взвешиванием. Взвешивая учебную гирю в вакууме, в воздухе и в воде можно видеть, что вес ее существенно меняется. В вакууме вес гири один, в воздухе - чуть ниже, а в воде - еще ниже.

Если принять вес тела в вакууме за Р о, то его вес в воздушной среде может быть описан такой формулой: Р в =Р о - F а;

здесь Р о - вес в вакууме;

Как видно из рисунка, любые действия со взвешиванием в воде значительно облегчают тело, поэтому в таких случаях сила Архимеда обязательно должна учитываться.

Для воздуха эта разность ничтожна, поэтому обычно вес тела, погруженного в воздушную среду, описывается стандартной формулой.

Плотность среды и сила Архимеда

Анализируя простейшие опыты с весом тела в различных средах, можно прийти к выводу, что вес тела в различных средах зависит от массы объекта и плотности среды погружения. Причем чем плотнее среда, тем больше сила Архимеда. Закон Архимеда увязал эту зависимость и плотность жидкости или газа отражается в его итоговой формуле. Что же еще влияет на данную силу? Другими словами, от каких характеристик зависит закон Архимеда?

Формула

Архимедову силу и силы, которые на нее влияют, можно определить при помощи простых логических умозаключений. Предположим, что тело определенного объема, погруженное в жидкость, состоит из тоже же самой жидкости, в которую оно погружено. Это предположение не противоречит никаким другим предпосылкам. Ведь силы, действующие на тело, никоим образом не зависят от плотности этого тела. В этом случае тело, скорее всего, будет находиться в равновесии, а сила выталкивания будет компенсироваться силой тяжести.

Таким образом, равновесие тела в воде будет описываться так.

Но сила тяжести, из условия, равна весу жидкости, которую она вытесняет: масса жидкости равна произведению плотности на объём. Подставляя известные величины, можно узнать вес тела в жидкости. Этот параметр описывается в виде ρV * g.

Подставляя известные значения, получаем:

Это и есть закон Архимеда.

Формула, выведенная нами, описывает плотность, как плотность исследуемого тела. Но в начальных условиях было указано, что плотность тела идентична плотности окружающей его жидкости. Таким образом, в данную формулу можно смело подставлять значение плотности жидкости. Визуальное наблюдение, согласно которому в более плотной среде сила выталкивания больше, получило теоретическое обоснование.

Применение закона Архимеда

Первые опыты, демонстрирующие закон Архимеда, известны еще со школьной скамьи. Металлическая пластинка тонет в воде, но, сложенная в виде коробочки, может не только удерживаться на плаву, но и нести на себе определенный груз. Это правило - важнейший вывод из правила Архимеда, оно определяет возможность построения речных и морских судов с учетом их максимальной вместимости (водоизмещения). Ведь плотность морской и пресной воды различна и суда, и подводные лодки должны учитывать перепады этого параметра при вхождении в устья рек. Неправильный расчет может привести к катастрофе - судно сядет на мель, и для его подъема потребуются значительные усилия.

Закон Архимеда необходим и подводникам. Дело в том, что плотность морской воды меняет свое значение в зависимости от глубины погружения. Правильный расчет плотности позволит подводникам правильно рассчитать давление воздуха внутри скафандра, что повлияет на маневренность водолаза и обеспечит его безопасное погружение и всплытие. Закон Архимеда должен учитываться также и при глубоководном бурении, огромные буровые вышки теряют до 50% своего веса, что делает их транспортировку и эксплуатацию менее затратным мероприятием.

Цели урока: убедиться в существовании выталкивающей силы, осознать причины её возникновения и вывести правила для её вычисления, содействовать формированию мировоззренческой идеи познаваемости явлений и свойств окружающего мира.

Задачи урока: Работать над формированием умений анализировать свойства и явления на основе знаний, выделять главную причину, влияющую на результат. Развивать коммуникативные умения. На этапе выдвижения гипотез развивать устную речь. Проверить уровень самостоятельности мышления школьника по применению учащимися знаний в различных ситуациях.

Архимед – выдающийся ученый Древней Греции, родился в 287 году до н.э. в портовом и судостроительном г. Сиракузы на острове Сицилия. Архимед получил блестящее образование у своего отца, астронома и математика Фидия, родственника сиракузского тирана Гиерона, покровительствовавшего Архимеду. В юности провёл несколько лет в крупнейшем культурном центре в Александрии, где у него сложились дружеские отношения с астрономом Кононом и географом-математиком Эратосфеном. Это послужило толчком к развитию его выдающихся способностей. В Сицилию вернулся уже зрелым ученым. Он прославился многочисленными научными трудами главным образом в области физики и геометрии.

Последние годы жизни Архимед был в Сиракузах, осажденных римским флотом и войском. Шла 2-я Пуническая война. И великий ученый, не жалея сил, организовывает инженерную оборону родного города. Он построил множество удивительных боевых машин, топивших вражеские корабли, разносивших их в щепы, уничтожавших солдат. Однако слишком маленьким было войско защитников города по сравнению с огромным римским войском. И в 212 г. до н.э. Сиракузы были взяты.

Гений Архимеда вызывал восхищение у римлян и римский полководец Марцелл приказал сохранить ему жизнь. Но солдат, не знавший в лицо Архимеда, убил его.

Одним из важнейших его открытий стал закон, впоследствии названный законом Архимеда. Существует предание, что идея этого закона посетила Архимеда, когда он принимал ванну, с возгласом “Эврика!” он выскочил из ванны и нагим побежал записывать пришедшую к нему научную истину. Суть этой истины и предстоит выяснить, нужно убедиться в существовании выталкивающей силы, осознать причины её возникновения и вывести правила для её вычисления.

Давление в жидкости или газе зависит от глубины погружения тела и приводит к появлению выталкивающей силы, действующей на тело и направленной вертикально вверх.

Если тело опустить в жидкость или газ, то под действием выталкивающей силы оно будет всплывать из более глубоких слоев в менее глубокие. Выведем формулу для определения силы Архимеда для прямоугольного параллелепипеда.

Давление жидкости на верхнюю грань равно

где: h1 – высота столба жидкости над верхней гранью.

Сила давления на верхнюю грань равна

F1= р1*S = ж*g*h1*S,

Где: S – площадь верхней грани.

Давление жидкости на нижнюю грань равно

где: h2 – высота столба жидкости над нижней гранью.

Сила давления на нижнюю грань равна

F2= p2*S = ж*g*h2*S,

Где: S – площадь нижней грани куба.

Поскольку h2 > h1, то р2 > р1 и F2 > F1.

Разность между силами F2 и F1 равна:

F2 – F1 = ж*g*h2*S – ж*g*h1*S = ж*g*S* (h2 – h1).

Так как h2 – h1 = V – объему тела или части тела, погруженной в жидкость или газ, то F2 – F1 = ж*g*S*H = g* ж*V

Произведение плотности на объем есть масса жидкости или газа. Следовательно, разность сил равна весу вытесненной телом жидкости:

F2 – F1= mж*g = Pж = Fвыт.

Выталкивающая сила есть сила Архимеда, определяющая закон Архимеда

Равнодействующая сил, действующих на боковые грани равна нулю, поэтому в расчетах не участвует.

Таким образом, на тело, погруженное в жидкость или газ, действует выталкивающая сила равная весу вытесненной им жидкости или газа.

Закон Архимеда, впервые был упомянут Архимедом в трактате "О плавающих телах". Архимед писал: "тела более тяжелые, чем жидкость, опущенные в эту жидкость, будут опускаться пока не дойдут до самого низа, и в жидкости станут легче на величину веса жидкости в объеме, равном объему погруженного тела".

Рассмотрим, как зависит сила Архимеда и зависит ли от веса тела, объема тела, плотности тела и плотности жидкости.

Исходя из формулы силы Архимеда, она зависит от плотности жидкости, в которую погружено тело, и от объёма этого тела. Но она не зависит, например, от плотности вещества тела, погружаемого в жидкость, так как эта величина не входит в полученную формулу.
Определим теперь вес тела, погружённого в жидкость (или газ). Так как две силы, действующие на тело в этом случае, направлены в противоположные стороны (сила тяжести вниз, а архимедова сила вверх), то вес тела в жидкости будет меньше веса тела в вакууме на архимедову силу:

P А = m т g – m ж g = g (m т – m ж)

Таким образам, если тело погружено в жидкость (или газ), то оно теряет в своём весе столько, сколько весит вытесненная им жидкость (или газ).

Следовательно:

Сила Архимеда зависит от плотности жидкости и объема тела или его погруженной части и не зависит от плотности тела, его веса и объема жидкости.

Определение силы Архимеда лабораторным методом.

Оборудование: стакан с чистой водой, стакан с соленой водой, цилиндр, динамометр.

Ход работы:

• определяем вес тела в воздухе;
• определяем вес тела в жидкости;
• находим разницу между весом тела в воздухе и весом тела в жидкости.

4. Результаты измерений:

Сделать вывод как зависит сила Архимеда от плотности жидкости.

Выталкивающая сила действует на тела любых геометрических форм. В технике наиболее распространены тела цилиндрической и сферической форм, тела с развитой поверхностью, полые тела в форме шара, прямоугольного параллелепипеда, цилиндра.

Гравитационная сила приложена к центру масс погруженного в жидкость тела и направлена перпендикулярно к поверхности жидкости.

Подъемная сила действует на тело со стороны жидкости, направлена по вертикали вверх, приложена к центру тяжести вытесненного объема жидкости. Тело движется в направлении, перпендикулярном к поверхности жидкости.

Выясним условия плавания тел, которые основываются на законе Архимеда.

Поведение тела, находящегося в жидкости или газе, зависит от соотношения между модулями силы тяжести F т и силы Архимеда F A , которые действуют на это тело. Возможны следующие три случая:

• F т > F A - тело тонет;
• F т = F A - тело плавает в жидкости или газе;
• F т < F A - тело всплывает до тех пор, пока не начнет плавать.

Другая формулировка (где P t - плотность тела, P s - плотность среды, в которую оно погружено):

• P t > P s - тело тонет;
• P t = P s - тело плавает в жидкости или газе;
• P t < P s - тело всплывает до тех пор, пока не начнет плавать.

Плотность организмов живущих в воде почти не отличается от плотности воды, поэтому прочные скелеты им не нужны! Рыбы регулируют глубину погружения, меняя среднюю плотность своего тела. Для этого им необходимо лишь изменить объем плавательного пузыря, сокращая или расслабляя мышцы.

Если тело лежит на дне в жидкости или газе, то сила Архимеда равна нулю.

Закон Архимеда используется в судостроении и воздухоплавании.

Схема плавающего тела:

Линия действия силы тяжести тела G проходит через центр тяжести K (центр водоизмещения) вытесненного объема жидкости. В нормальном положении плавающего тела центр тяжести тела Т и центр водоизмещения K размещены по одной вертикали, называемой осью плаванья.

При качке центр водоизмещения К перемещается в точку К1, и сила тяжести тела и Архимедова сила FА образуют пару сил, которая стремится либо вернуть тело в исходное положение, либо увеличить крен.

В первом случае плавающее тело обладает статической устойчивостью, во втором случае устойчивость отсутствует. Устойчивость тела зависит от взаимного расположения центра тяжести тела Т и метацентра М (точки пересечения линии действия архимедовой силы при крене с осью плавания).

В 1783 году братья МОНГОЛЬФЬЕ изготовили огромный бумажный шар, под которым поместили чашку с горящим спиртом. Шар наполнился горячим воздухом и начал подниматься, достигнув высоты 2000 метров.

Закон Архимеда – закон статики жидкостей и газов, согласно которому на погруженное в жидкость (или газ) тело действует выталкивающая сила, равная весу жидкости в объеме тела.

История вопроса

«Эврика!» («Нашел!») – именно этот возглас, согласно легенде, издал древнегреческий ученый и философ Архимед, открыв принцип вытеснения. Легенда гласит, что сиракузский царь Герон II попросил мыслителя определить, из чистого ли золота сделана его корона, не причиняя вреда самому царскому венцу. Взвесить корону Архимеду труда не составило, но этого было мало – нужно было определить объем короны, чтобы рассчитать плотность металла, из которого она отлита, и определить, чистое ли это золото. Дальше, согласно легенде, Архимед, озабоченный мыслями о том, как определить объем короны, погрузился в ванну – и вдруг заметил, что уровень воды в ванне поднялся. И тут ученый осознал, что объем его тела вытеснил равный ему объем воды, следовательно, и корона, если ее опустить в заполненный до краев таз, вытеснит из него объем воды, равный ее объему. Решение задачи было найдено и, согласно самой расхожей версии легенды, ученый побежал докладывать о своей победе в царский дворец, даже не потрудившись одеться.

Однако, что правда – то правда: именно Архимед открыл принцип плавучести. Если твердое тело погрузить в жидкость, оно вытеснит объем жидкости, равный объему погруженной в жидкость части тела. Давление, которое ранее действовало на вытесненную жидкость, теперь будет действовать на твердое тело, вытеснившее ее. И, если действующая вертикально вверх выталкивающая сила окажется больше силы тяжести, тянущей тело вертикально вниз, тело будет всплывать; в противном случае оно пойдет ко дну (утонет). Говоря современным языком, тело плавает, если его средняя плотность меньше плотности жидкости, в которую оно погружено.

Закон Архимеда и молекулярно-кинетическая теория

В покоящейся жидкости давление производится посредством ударов движущихся молекул. Когда некий объем жидкости вымещается твердым телом, направленный вверх импульс ударов молекул будет приходиться не на вытесненные телом молекулы жидкости, а на само тело, чем и объясняется давление, оказываемое на него снизу и выталкивающее его в направлении поверхности жидкости. Если же тело погружено в жидкость полностью, выталкивающая сила будет по-прежнему действовать на него, поскольку давление нарастает с увеличением глубины, и нижняя часть тела подвергается большему давлению, чем верхняя, откуда и возникает выталкивающая сила. Таково объяснение выталкивающей силы на молекулярном уровне.

Такая картина выталкивания объясняет, почему судно, сделанное из стали, которая значительно плотнее воды, остается на плаву. Дело в том, что объем вытесненной судном воды равен объему погруженной в воду стали плюс объему воздуха, содержащегося внутри корпуса судна ниже ватерлинии. Если усреднить плотность оболочки корпуса и воздуха внутри нее, получится, что плотность судна (как физического тела) меньше плотности воды, поэтому выталкивающая сила, действующая на него в результате направленных вверх импульсов удара молекул воды, оказывается выше гравитационной силы притяжения Земли, тянущей судно ко дну, – и корабль плывет.

Формулировка и пояснения

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. 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. Интуитивно ясно, что 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.

Существование гидростатического давления приводит к тому, что на любое тело, находящееся в жидкости или газе, действует выталкивающая сила. Впервые значение этой силы в жидкостях определил на опыте Архимед. Закон Архимеда формулируется так: на тело, погруженное в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, равная весу того количества жидкости или газа, которое вытеснено погруженной частью тела.

Формула

Сила Архимеда, действующая на погруженное в жидкость тело, может быть рассчитана по формуле: F А = ρ ж gV пт,

где ρж – плотность жидкости,

g – ускорение свободного падения,

Vпт – объем погруженной в жидкость части тела.

Поведение тела, находящегося в жидкости или газе, зависит от соотношения между модулями силы тяжести Fт и архимедовой силы FA, которые действуют на это тело. Возможны следующие три случая:

1) Fт > FA – тело тонет;

2) Fт = FA – тело плавает в жидкости или газе;

3) Fт < FA – тело всплывает до тех пор, пока не начнет плавать.