Федорино С.И. Закон Архимеда. Условие плавания тел

Предлагаю один из трех уроков, показанных мною во время финала конкурса «Крыштальны журавель».

Задачи урока:

• обнаружить наличие силы, выталкивающей тело из жидкости или газа;

• выяснить, от каких факторов зависит или не зависит выталкивающая сила;

• научить учащихся вычислять величину силы, выталкивающей тело из жидкости;

• выяснить, при каких условиях тело тонет, всплывает или плавает внутри жидкости или на ее поверхности.

Организация и ход урока

1-й этап. Доска закрыта. Объявляется тема урока и его девиз «Опыт ценнее тысячи мнений, рожденных воображением» (М.В.Ломоносов). Вступительное слово учителя, совместное с учениками целеполагание урока, организация групповой работы: класс разбивается на 10 групп (2-3 человека) – 5 команд (по две дублирующие команды). У каждой команды на парте стоит оборудование и карточка-задание (см. приложение 1). Напоминаем учащимся, как можно измерить давление внутри жидкости, как рассчитать силу давления на площадку, находящуюся внутри жидкости. Затем, используя жизненный опыт учащихся, обращаем их внимание на то, что под водой значительно легче удержать тяжелый предмет, чем в воздухе. Предлагаем привести примеры. Примеры дополняем опытом. Погружаем под воду теннисный шарик и выпускаем его из рук, он всплывает. Если детский шарик наполнить водородом и выпустить его из рук, то он поднимается вверх. Возникает вопрос, как объяснить эти явления. Так может быть поставлена проблема.

2-й этап. Открываем левую половину доски. На ней изображен опорный план-конспект (см. приложение 2), который необходимо дополнить выводами и рисунками. Всем группам предлагается сделать одинаковое практическое задание по обнаружению выталкивающей силы: с помощью динамометра определить вес алюминиевого цилиндра в воздухе Р_возд и в воде Р_жид. Выясните, где вес тела больше – в воздухе или в воде? Используя правило нахождения равнодействующей силы (стр. 85 учебника), определите, куда направлена выталкивающая сила? Как вычислить выталкивающую силу? На основании опыта группами делается вывод, что тело, находящееся в жидкости, выталкивается из нее с некоторой силой. Эта сила направлена вверх, и ее величину можно рассчитать по формуле F_выт = Р_возд– Р_жид. Затем показываем, что и на тело, находящееся в газе, также действует выталкивающая сила. Для этого к одному из плеч рычага от учебных весов подвешиваем колбу для взвешивания воздуха и опускаем ее в цилиндрическую банку. Весы уравновешиваем. Затем банку наполняем углекислым газом (углекислый газ готовится заранее) и наблюдаем: равновесие весов нарушается. Колба поднимается вверх. Этот опыт подтверждает выталкивающее действие газа.

3-й этап. Представители групп у доски отвечают на поставленные вопросы и заполняют опорный конспект. Ученикам сообщается, что разность F_выт = Р_возд– Р_жидесть выталкивающая сила, называемая силой Архимеда в честь древнего ученого, изучавшего плавание тел и первым определившего выталкивающую силу. Поэтому силу Архимеда можно вычислить по ранее полученной формуле: F_A= Р_возд– Р_жид. Далее ставим вопрос: «От чего зависит величина силы, с которой тело выталкивается из жидкости?» Открываем правую половину доски.

4-й этап. Для ответа на поставленный вопрос команды выполняют первое практическое задание из своих карточек (см. приложение 1). После сделанных выводов представителями команд заполняется таблица в опорном конспекте на доске. Дублирующие команды проверяют правильность полученных выводов. На основании опытов делается такой вывод: сила Архимеда, выталкивающая погруженное в жидкость тело, зависит от плотности жидкости и объема тела, но не зависит от формы, массы тела и глубины его погружения в жидкость. Далее учащимся формулируется закон Архимеда и записывается формула: F_А= ρ_ж∙g∙V_т. Делаем совместный вывод, что теория подтверждается практикой.

5-й этап. Для выяснения условия плавания тел команды выполняют второе задание из своих карточек (см. приложение 1). На основании опыта учащиеся делают выводы: если плотность вещества, из которого сделано тело, больше, чем плотность жидкости, то тело тонет; если плотность вещества, из которого сделано тело, меньше, чем плотность жидкости, то тело всплывает. Такие выводы можно получить, сравнивая между собой силу Архимеда и силу тяжести. Представители команд заполняют опорный конспект у доски. Проблемной ситуацией остается практическое наблюдение, когда тело может находиться внутри жидкости в любой ее точке (F_A= F_т).Для разрешения этой проблемы ученикам показывается физическая демонстрация «Картезианский водолаз», которую можно изготовить самостоятельно. Для этого в пластиковую бутылку (2 литра), заполненную доверху водой, опускают пипетку, подкрашенную в зеленке. Пипетку частично заполняют водой с таким расчетом, чтобы она плавала в закрытой пробкой бутылке. Сжимая бутылку руками, можно добиться того, чтобы пипетка зависала на любой глубине. В результате выполнения пятого этапа в тетрадях учеников будет опорный план-конспект урока (см. приложение 2).

6-й этап. В заключение учащиеся выполняют тест (см. приложение 3). Обсуждать ответы на вопросы теста может целая группа. Проверяют тест представители других групп. 8-7 выполненных правильно заданий – отметка «5», 6-5 – отметка «4». Здесь же приводится информация о домашнем задании.

Приложение 1

Карточка-задание № 1

Задание 1. Оборудование — кусок пластилина, сосуд с водой, нить, динамометр.

а) Куску пластилина придайте форму шара, куба, цилиндра.

б) Поочередно опуская каждую фигурку в воду, с помощью динамометра определите F_A.

в) Сравните эти силы и сделайте вывод о зависимости (независимости) F_Aот формы тела.

Задание 2. а) Опускайте в воду по очереди тела, сделанные из пенопласта, пробки, пластилина, стекла, алюминия.

б) Результаты наблюдений запишите в таблицу:

Карточка-задание № 2

Задание 1. Оборудование: набор грузов разной массы, но одинакового объема, сосуд с водой, нить, динамометр.

а) Поочередно опуская каждое тело в воду, с помощью динамометра определите F_A.

б) Сравните эти силы и сделайте вывод о зависимости (независимости) F_Aот массы тела.

Задание 2. а) Опускайте в воду по очереди тела, сделанные из пенопласта, пробки, пластилина, стекла, алюминия.

б) Результаты наблюдений запишите в таблицу:

Карточка-задание № 3

Задание 1. Оборудование: алюминиевый высокий цилиндр, сосуд с водой, нить, динамометр, линейка.

а) Разделите высоту цилиндра на четыре равные части с помощью линейки и карандаша.

б) Поочередно погружая в воду каждую часть выделенного объема цилиндра, с помощью динамометра определите F_A.

в) Сравните эти силы и сделайте вывод о зависимости (независимости) F_Aот объема погруженной части тела.

Задание 2. а) Опускайте в воду по очереди тела, сделанные из пенопласта, пробки, пластилина, стекла, алюминия.

б) Результаты наблюдений запишите в таблицу:

Карточка-задание № 4

Задание 1. Оборудование: набор различных тел, сосуд с водой, сосуд с раствором соли, нить, динамометр.

а) Поочередно опуская каждое тело в воду, с помощью динамометра определите F_A,действующую в воде.

б) Поочередно опуская каждое тело в раствор соли, с помощью динамометра определите F_A,действующую в растворе соли.

в) Сравните эти силы и сделайте вывод о зависимости (независимости) F_Aот плотности жидкости.

Задание 2. а) Опускайте в воду по очереди тела, сделанные из пенопласта, пробки, пластилина, стекла, алюминия.

б) Результаты наблюдений запишите в таблицу:

Карточка-задание № 5

Задание 1. Оборудование: тело небольшой формы, мензурка с водой, нить, динамометр.

а) Тело с помощью нити закрепите к динамометру.

б) Опуская тело в мензурку на различную глубину, с помощью динамометра определите F_A.

в) Сравните эти силы и сделайте вывод о зависимости (независимости) F_Aот глубины погружения тела в жидкость.

Задание 2. а) Опускайте в воду по очереди тела, сделанные из пенопласта, пробки, пластилина, стекла, алюминия.

б) Результаты наблюдений запишите в таблицу:

Приложение 2

Оформление доски в конце урока

Приложение 3

Тест

1. На поверхности воды плавает тело. Что можно сказать о плотности вещества, из которого сделано тело?

A) Больше 1000 кг/м³; Б) равно 0 кг/м³; B) равно 1000 кг/м³; Г) меньше 1000 кг/м³.

2. Четыре стальных шарика опущены в воду так, как показано на рисунке. На какой из шариков действует большая выталкивающая сила?

А) 1; Б) 2; В) 3; Г) 4.

3. Где больше выталкивающая сила действует на самолет: у поверхности Земли или на высоте?

A) В обоих случаях одинакова и равна нулю; Б) в обоих случаях одинакова и не равна нулю; B) на высоте 10 км; Г) у поверхности Земли.

4. Где пловцу легче плыть: в море или в реке?

A) Везде одинаково; Б) в море; B) в пресной воде; Г) нет правильного ответа.

5. Вес тела в воздухе 10 Н, а в жидкости 6 Н. Чему равна сила Архимеда?

А) 6 Н; Б) 4 Н; В) 16 Н; Г) 0 Н.

6. Куда направлена выталкивающая сила?

A) Вниз; Б) зависит от условия задачи; B) вдоль поверхности жидкости; Г) вверх.

7. Средняя плотность тела 1000 кг/м³. Где будет находиться это тело, погруженное в воду?

А) В любой точке внутри жидкости; Б) на дне сосуда; В) точно в центре; Г) на поверхности жидкости.

8. Ртуть – это жидкий металл. Будет ли действовать выталкивающая сила на тело, погруженное в ртуть?

A) Нет, так как это металл; Б) нет, так как выталкивающая сила действует только в воде; B) да, так как это жидкость; Г) да, так как у ртути самая большая плотность.