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

Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу.

План уроку

Вивчення нового матеріалу

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:

Fт , — сила тяжіння, спрямована вертикально вниз, і FA — виштовхувальна сила, спрямована вертикально угору, то поводження тіла в рідині буде залежати від співвідношення цих сил. Якщо ці сили рівні, тобто Fт = FA, 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, ρт — його густина, тому  . Виштовхувальна ж сила, якщо тіло занурене в рідину повністю, дорівнює  , де ρp — густина рідини.

Порівняйте тепер вирази для сили ваги Fт й виштовхувальної сили FA , — ви побачите, що вони відрізняються тільки тим, що в перший з них входить густина ρт , тіла а в другий — густина рідини ρp . 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-1

1. У-1: § 16.

2. Сб-1:

рів1 — № 18.4, 18.5, 18.12, 18.16, 18.18.

рів2 — № 18.22, 18.27, 18.29, 18.33, 18.36.

рів3 — № 18.45, 18.49, 18.50, 18.55, 18.58.

Домашнє завдання-2

1. У-2: §§ 24, 25.

2. Сб-2:

рів1 — № 21.1, 21.2, 21.3, 21.7, 21.8.

рів2 — № 21.12, 21.13, 21.14, 21.16, 21.17.

рів3 — № 21.19, 21.21, 21.23, 21.24, 21.25.

3. Д: Підготуватися до самостійної роботи № 15 «Закон Архімеда. Умова плавання тіл».

Завдання для самостійної роботи № 15 «Закон Архімеда. Умова плавання тіл»

Початковий рівень

1. Виберіть правильне твердження. На яке із двох однакових тіл діє більша виштовхувальна сила?

А На перше тіло;

Б на друге тіло;

В на обидва тіла однакові.

2. Виберіть правильне твердження. У якій рідині буде плавати парафінова свічка?

А У гасі;

Б бензині;

В воді.

Середній рівень

1. а) Наведіть приклади, які підтверджують існування виштовхувальної сили, що діє на тіла, занурені в рідину або газ.

б) Яка піднімальна сила повітряної кульки масою 6 г, якщо з боку повітря на нього діє виштовхувальна сила 0,1 Н?

2. а) Чому цвях у воді тоне, а важка металева яхта ні?

б) Пліт, що пливе річкою, має площу 6 м2. Після того як на нього помістили вантаж, його осадка збільшилася на 15 см. Яка вага поміщеного на пліт вантажу?

Достатній рівень

1. а) У посудині знаходяться три рідини, що не змішуються між собою. Де опиняться кинуті в посудину золоте кільце, свинцева куля, крижинка й пробка?

б) Яку силу треба прикласти до коркового куба з ребром 0,5 м, щоб утримати його під водою?

2. а) Чи однакова архімедова сила діє на обидва тіла, опущені у воду? Поясніть свою відповідь.

б) При зважуванні тіла в повітрі динамометр показав 4,4 Н, а у воді — 1,6 Н. Визначте об’єм тіла.

Високий рівень

1. а) Чому підводним човнам забороняється лягати на дно, якщо воно піщане або мулисте?

б) Коли підвішений до динамометра суцільний вантаж опускають у воду, динамометр показує 34 Н, а коли вантаж опускають у гас, динамометр показує 38 Н. Які маса й густина вантажу?

2. а) Суцільні кулі — алюмінієва і сталева — урівноважені на важелі. Чи порушиться рівновага, якщо обидві кулі занурити у воду? Розгляньте випадки: а) коли кулі мають однакову масу; б) коли кулі мають однаковий об’єм.

б) Деяке тіло, виготовлене у формі циліндра, плаває у воді, як показано на рисунку. Визначте густину цього тіла.