Предложите способ измерения выталкивающей силы используйте только предоставленное оборудование

Предложите способ измерения выталкивающей силы используйте только предоставленное оборудование

Инновационный подход к определению выталкивающей силы Архимеда

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

В процессе изучения «Физики» у школьников и у их родителей в том числе, возникает много неразрешенных вопросов относительно применения закона Архимеда как при решении задач по физике, так и при рассмотрении каких-либо практических вопросов. Один из таких вопросов «может ли исчезать архимедова сила?» часто возникает не только у учащихся, но и у преподавателей или специалистов. Идут горячие дискуссии по этому вопросу. Всем известный закон Архимеда, однако, и по сей день ученым не даёт покоя. Это первый закон физики, и уж он – то за 23 века своего существования должен быть изучен до идеального состояния, однако этого не произошло. Этот закон описывает действие жидкостей и газов на погруженное в них тело, и является основным законом аэрогидростатики. Но он не только не доведён до идеального состояния, но даже ещё не сформулирован. В этом законе отсутствует как формулировка, так и основное уравнение, без чего физических законов не бывает [1]. Поэтому, участвовать в разрешении этих неразрешенных вопросов является актуальным и сегодня.

Гипотеза: Учительница по физике рассказывала, что некоторые великие изобретения и открытия появились с использованием детских поделок, конструкторов и игрушек в домашних условиях. Однажды, пользуясь электронными весами, мы предположили, что можем также провести полезные исследования жидкости, используя закон Архимеда и дополняя его.

Объект исследования – выталкивающая сила жидкости.

Предложить упрощенный способ для измерения выталкивающей силы жидкости с повышенной точностью.

Изучить информацию о существующих на сегодня способах измерения выталкивающей силы жидкости и их недостатки;

Предложить новый, более точный и простой способ измерения силы Архимеда;

Экспериментально подтвердить возможность применения предложенного способа определения величины выталкивающей силы жидкости на уроках физики при изучении закона Архимеда.

Методы исследования: информационный поиск, наблюдения, исследовательские, экспериментальные.

Основная часть работы:

Существующие способы измерения выталкивающей силы жидкости и их недостатки:

Известно, что закон Архимеда впервые был упомянут им в трактате «О плавающих телах», где он 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». Известно так же, что измерение выталкивающей силы жидкости основывается на законе Архимеда « на тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, равная весу вытесненной этим телом жидкости». Выталкивающая сила, действующая на погруженное в жидкость тело, равна по величине и противоположна по направлению весу вытесненной жидкости [2].

где: Р_а— сила Архимеда, ρ — плотность жидкости, V — объем погруженного тела, g — ускорение свободного падения.

Данная работа направлена на анализ и исследование вопросов, связанных с определением величины выталкивающей силы жидкости. Закон Архимеда объясняют согласно изложенным способам, т.е. при помощи разности гидростатических давлений (см. рис.1), на примере прямоугольного тела.

Рис.1. Схема сил действующих на тело в жидкости.

Сегодня, как и многие столетия (2300 лет тому назад) с момента открытия Архимедом закона о выталкивающей силе жидкости, для измерения величины этой силы применяется часто «ведерко Архимеда» или же взвешивание тела на воздухе и в жидкости. Предложенной еще самим Архимедом методикой измерения величины выталкивающей силы жидкости и величины объёма погруженного в жидкость тела, пользуются и по сей день как в учебных, так и в научно – исследовательских лабораториях различных стран мира [2, с. 144]. В комплект «Ведерко Архимеда» входят динамометр пружинный, сосуд отливной, груз, стакан подвесной, нить для подвески, штатив. Сущность способа Архимеда заключается в том, что через сливной сосуд сливается вытесненная погруженным тело жидкость и замеряется вес этой порции вытесненной жидкости, что соответствует величине выталкивающей силы Архимеда. Как следует из описанных способов, процесс измерения выталкивающей силы Архимеда в обоих случаях довольно трудоемкий, требуется много дополнительных приборов [3, с.307], а точность измерения не достаточно высокая. Кроме этого, все существующие на сегодня в мире приборы для измерения выталкивающей силы жидкости, так или иначе связанны с измерением силы Архимеда согласно изложенных выше способов, т.е. все они трудоёмки и не достаточно точны, так как измерять силу направленную вверх, значительно труднее, чем измерять силу направленную вниз, которую можно измерять не косвенным, а прямым способом и с большей точностью.

2. Инновационный способ измерения выталкивающей силы Архимеда.

« О выталкивающей силе знали все,

а чему она равна – понял один»

Авторами данной работы предлагается простой и более точный способ измерения величины выталкивающей силы жидкости. Сущность предлагаемого способа измерения величины выталкивающей силы Архимеда заключается в следующем, рис.2.

Рис.2. Схема сил, действующих на тело погруженное в сосуд

с жидкостью установленный на чаше весов.

На погруженное в жидкость тело действует выталкивающая сила Архимеда, направленная вертикально вверх и равная весу вытесненной телом жидкости [4;5], причем величина этой силы не зависит от количества жидкости, в которую погружено тело, то есть для определения величины выталкивающей силы Архимеда достаточно такого объема жидкости, чтобы полностью погруженное в жидкость тело не касалось дна и стенок сосуда. Как следует из рис.2., имеются весы 1 на чашу 2 которых установлен сосуд с жидкостью 3 и погруженное на тонкой нити в эту жидкость тело 4 без соприкосновения со стенками и дном сосуда. Согласно известным законам гидростатики, на погруженное в жидкость тело действует сила тяжести , выталкивающая сила Архимеда Р_аи сила натяжения нити Р_н. Однако из третьего закона Ньютона следует, что “всякому действию соответствует равное и противоположно направленное противодействие”. Из рисунка видно, что сила Архимеда Р_а действует на погруженное тело и направлена вдоль нити вверх, пытаясь поднять это тело вверх на что — то опираясь. Опираться же сила Архимеда, как видно из рисунка, может только на дно сосуда через жидкость и, соответственно, на чашу весов, благодаря которым можно измерять истинную величину выталкивающей силы Архимеда не косвенно, а прямым способом и более точно. Это значит, что предлагаемый способ позволяет без каких либо дополнительных приспособлений и устройств непосредственно на весах измерять не саму силу Архимеда Р_а, направленную вертикально вверх, а ее реакцию R _а равную по модулю силе Архимеда Р_а и направленную в противоположную сторону (вниз), воздействуя на чашу весов. Заметим, что на чашу весов передаётся также вес сосуда с жидкостью G _ж и, соответственно, возникает ответная реакция со стороны чаши весов R _вес , направленная вверх ( R _{вес =} G _ж ), но при замерах для удобства считывания показаний и исключения лишних вычислений, обе эти силы не учитываются, рис.3, т.е. включается режим для весов «без учета веса тары», или «обнуление весов». Весы показывают в этом случае истинную величину выталкивающей силы Архимеда, Р_а рис.4, действующую на погруженное в жидкость тело, равную по модулю величине реакции силы Архимеда R _а, рис.2, действующей на дно сосуда и, соответственно, на чашу весов. Уравнение сил запишем следующим образом:

Где: R _а – новая сила, неизвестная на сегодняшний день из мировой технической литературы и других источников. По мнению авторов, это явление может быть классифицировано как «открытие».

Экспериментальные исследования

Для подтверждения выше изложенного, были проведены экспериментальные исследования силы Архимеда с использованием точной измерительной аппаратуры.

Из представленных фотографий, рис.3. и рис.4, видно, что для измерения выталкивающей силы жидкости использовались электронные весы, модель JW -1, фирмы ACOM c ценой деления 0,01г. и max пределом взвешивания 200г. В качестве погруженного на тонкой нити в сосуд с жидкостью тела использовалась гиря массой 100г., а сосудом служил обычный пластиковый стаканчик наполненный дистиллированной водой плотностью один г/см 3 . На рис.3. показан момент «обнуления весов», т.е. включение для весов режима «без учета веса тары». Из рис.4. видно, что выталкивающая сила Архимеда, действующая на погруженную в воду гирю, равна 13,31г. Фотографии позволяют наглядно продемонстрировать использование простого и более точного способа измерения величины выталкивающей силы жидкости как в учебных, так и в научно- исследовательских лабораториях.

Рис.3. Обнуление весов перед измерением.

Рис. 4. Прямое измерение величины выталкивающей силы жидкости.

В данной работе представлены сведения об определении выталкивающей силы жидкости (силы Архимеда) как физической величины, о различных способах её измерения. Эксперименты, описанные в работе, расширяют познания о способах измерения выталкивающей силы жидкости и позволяют сделать вывод, что силу Архимеда можно измерить разными способами, в том числе и с использованием инновационного способа, позволяющего упростить и повысить точность измерения.

Новизна представленной работы заключается в том, что впервые в уравнение сил, действующих на погруженное в жидкость тело, включена новая, неизвестная из уровня техники ранее, сила – реакция силы Архимеда R А. Разработана также схема сил, действующих на тело погруженное в сосуд с жидкостью, который установлен на чаше весов.

, Конкретные преимущества и полезность предлагаемого способа измерения величины силы Архимеда видны также в том, что у учебных и научно-исследовательских лабораторий отпадает необходимость в приобретении разнообразного измерительного оборудования для измерения силы Архимеда, достаточно иметь в лаборатории аналитические, технические электронные или другие точные весы.

Особенно важно отметить, что предлагаемый способ позволяет быстро и точно измерять величину выталкивающей силы Архимеда, действующей как на микротела (кусочек лезвия бритвы и т.п.), так и на тела большого объёма, погруженные в жидкость, для чего достаточно иметь разные типы весов с требуемой точностью измерений и нужную ёмкость для жидкости. Если же выталкивающая сила больше веса погружаемого в жидкость тела (например, теннисный шарик), то его погружают с помощью тонкой проволочки, воздействуя на него сверху вниз, преодолевая силу Архимеда. Величину выталкивающей силы при этом можно фиксировать на весах в любой момент времени, начиная от частичного погружения тела в жидкость до его полного погружения. Величину выталкивающей силы при погружении тела в жидкость можно наблюдать на экране компьютера, или же сделать запись с помощью самописца.

Результаты проведенных исследований могут найти применение как в учебных, так и в научно–исследовательских лабораториях, а также при разработке новых измерительных приборов, например, прецизионных плотномеров и т. д..

1. Дрюков В.М. О чём молчат физики. Тула, 2004.

2. Википедия: https://ru.wikipedia.org/wiki/Закон_Архимеда .

3. Перышкин А.В. Учебник по физике за 7 класс. Издание: 2-е изд.- М.: Дрофа, 2013г, стр.144—150, Архимедова сила.

4. Г.С.Ландсберг (Элементарный учебник физики), т.1, М, 1972 г, с. 356.

5. Кухлинг Х. Справочник по физике: Пер. с нем. / Под ред. Е.М. Лейкина.- М.: Мир, 1982.- 520 с.

6.. Осипов Н.Е., Тимохина И.Н., Осипов А.Н: Вновь открытая сила и новая формулировка закона Архимеда.Сборник статей X Международной научно-практической конференции. в 2ч. Ч. 1–Пенза: МЦНС «Наука и Просвещение». –2018.

Источник

Лабораторная работа «Определение выталкивающей силы»

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЫТАЛКИВАЮЩЕЙ СИЛЫ.

Цели : обнаружить на опыте выталкивающее действие жидкости на погруженное в нее тело и определить выталкивающую силу.

Приборы и материалы : динамометр, штатив с муфтой и лапкой, два тела разного объема, стаканы с водой и насыщенным раствором соли в воде.

Указание к работе:

1. Согласно закону Архимеда на погруженное в жидкость тело действует выталкивающая сила F _A , равная весу mg вытесненной жидкости:

Для сравнения архимедовой силы с весом тела нужно измерить вес тела P с помощью динамометра и вычислить архимедову силу F _A . архимедова сила F _A определяется по формуле:

где  — плотность воды (  = 1000 кг/м 3 ), V — объем вытесненной телом воды, g — ускорение свободного падения ( g = 9,81 м/с 2 ).

Объем V вытесненной воды можно измерить с помощью измерительного цилиндра как разность уровня воды при погружении в него исследуемого тела и без тела.

Архимедову силу FA , действующего на тело, тонущее в воде, можно найти, измерив с помощью динамометра вес тела P в воздухе и силу P ₁ , удерживающую тело в равновесии при погружении его в воду:

2. Измерьте вес Р первого тела с помощью динамометра.

3. Измерьте силу P ₁ , действующую на крючок динамометра при полном погружении тела в воду. Для этого укрепите динамометр на штативе и подвесьте к нему груз. Поставьте стакан с водой и опускайте муфту с лапкой и динамометром, пока все тело не окажется под водой. Это будет вес тела в воде.

4. Вычислите выталкивающую силу, действующую на тело.

5. Вместо чистой воды возьмите насыщенный раствор соли и вычислите выталкивающую силу.

6. Подвесьте к динамометру другое тело и проделайте п.2 – п.5

7. Результаты измерений и вычислений запишите в отчетную таблицу.

Вес тела в воздухе

Вес тела в жидкости

Насыщенный раствор соли в воде

На основе выполненных опытов сделайте выводы.

1. В какой воде и почему легче плавать: в морской или речной?

2. Подвешенный на нити стальной брусок погружен в воду. Назовите взаимодействующие тела и силы, действующие на брусок. Изобразите эти силы графически.

3. Объем куска железа 0,1 м 3 . Какая выталкивающая сила будет на него действовать при полном погружении в керосин?

Курс повышения квалификации

Дистанционное обучение как современный формат преподавания

• Сейчас обучается 807 человек из 76 регионов

Курс профессиональной переподготовки

Физика: теория и методика преподавания в образовательной организации

• Сейчас обучается 358 человек из 68 регионов

Курс повышения квалификации

Современные педтехнологии в деятельности учителя

• Курс добавлен 23.09.2021
• Сейчас обучается 46 человек из 23 регионов

Ищем педагогов в команду «Инфоурок»

Номер материала: ДБ-268474

Международная дистанционная олимпиада Осень 2021

Не нашли то что искали?

Вам будут интересны эти курсы:

Оставьте свой комментарий

Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.

Безлимитный доступ к занятиям с онлайн-репетиторами

Выгоднее, чем оплачивать каждое занятие отдельно

В Северной Осетии организовали бесплатные онлайн-курсы по подготовке к ЕГЭ

Время чтения: 1 минута

Попова предложила изменить школьную программу по биологии

Время чтения: 1 минута

Минобрнауки учредит именные стипендии для студентов из малочисленных народов

Время чтения: 1 минута

Российский совет олимпиад школьников намерен усилить требования к олимпиадам

Время чтения: 2 минуты

Минпросвещения разрабатывает образовательный минимум для подготовки педагогов

Время чтения: 2 минуты

Рособрнадзор откажется от ОС Windows при проведении ЕГЭ до конца 2024 года

Время чтения: 1 минута

Подарочные сертификаты

Ответственность за разрешение любых спорных моментов, касающихся самих материалов и их содержания, берут на себя пользователи, разместившие материал на сайте. Однако администрация сайта готова оказать всяческую поддержку в решении любых вопросов, связанных с работой и содержанием сайта. Если Вы заметили, что на данном сайте незаконно используются материалы, сообщите об этом администрации сайта через форму обратной связи.

Все материалы, размещенные на сайте, созданы авторами сайта либо размещены пользователями сайта и представлены на сайте исключительно для ознакомления. Авторские права на материалы принадлежат их законным авторам. Частичное или полное копирование материалов сайта без письменного разрешения администрации сайта запрещено! Мнение администрации может не совпадать с точкой зрения авторов.

Источник