Исследовательская работа.

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. Актуальность темы исследования…………………………..3

2. Цели и задачи исследования………………………………...4

3. Объект и проект исследования………………………………4

4. Основная часть исследования……………………………….5

   1. Теоретическая часть ..……………………………….5

1. Открытие силы Архимеда…………………..………5

2. Определение силы Архимеда..……………………..6

3. Принцип работы подводных лодок…..…………….8

1. Практическая часть……………………………….....10

1. Заключение…………………………………………………….12

2. Литература……………………………………………………..13

Кто овладел творениями Архимеда, будет меньше удивляться открытиям самых великих людей нашего времени.

Г. Лейбниц

1. Актуальность темы исследования.

На протяжении многих столетий человек задавался вопросом: «Почему люди не летают как птицы?», «Почему мы не можем плавать в воде как рыбы?». Что же мешает нам покорить для жизни другую стихию, такую как воздух и вода? Долгое время этот вопрос оставался без ответа. Пока однажды один ученый, звали его Архимед, не доказал, что покорить эти две стихии можно, но нужно правильно воспользоваться знаниями о процессах происходящих в воздухе и воде, и сравнить их с процессами, происходящими на суше. Архимед доказал, что существует сила, изучение и правильное применение которой позволяет нам ответить на интересующие нас вопросы и решить проблемы, возникающие при полетах по воздуху или при плавании в воде. Например, почему маленький камешек брошенный в воду, идет ко дну, а например огромный корабль плавает на поверхности? Мы решили провести исследование и рассмотреть применение силы Архимеда на примере работы подводной лодки, сконструированной нами.

Данная исследовательская работа дала нам возможность углубить полученные на уроке  знания об архимедовой силе. Потому что в учебнике не всегда есть ответ на поставленный вопрос, который может удовлетворить наше любопытство. Из результатов собственных экспериментов, которые позволили нам расширить знания по данной теме, мы сформулировали причины и условия изменения поведения тела внутри жидкости.

1. Цель и задачи исследования.

Цель исследования:

изучить историю открытия архимедовой силы, проанализировать поведение тела внутри жидкости, исследуя основной закон гидростатики – закон Архимеда

Задачи исследовательской работы:

• изучить историю открытия архимедовой силы;

• изучить основные принципы плавания тел;

• изготовить макет подводной лодки;

• провести ряд экспериментов с использованием макета лодки;

• проанализировать полученные результаты.

1. Предмет и объект исследования

Предметом исследования в данной работе является выталкивающаяся сила в жидкостях.

Объектом исследования является макет подводной лодки собранный своими руками.

Гипотеза: Изготовление макета подводной лодки и исследование ее движения способствует лучшему усвоению знаний о силе Архимеда и вызывает устойчивый интерес к изучению предмета.

Методы: исследовательские, расчетные и проектные.

- изучение теоретического материала;

-знакомство с теоретическим материалом через интернет-ресурсы

- выполнение практической работы по изготовлению макета подводной лодки;

Результатом данной работы будет действующий макет подводной лодки, работа которой будет продемонстрирована перед учащимися.

Основная часть

1. Теоретическая часть.

1.1 Открытие силы Архимеда.

Существует легенда о том, как Архимед пришел к открытию, что выталкивающая сила равна весу жидкости в объёме тела.

Царь Гиерон (250 лет до н. э.) поручил Архимеду проверить честность ювелира и определить, сделана корона из чистого золота или с примесями других металлов и нет ли внутри нее пустот.

До нашего времени не дошло описание методов, которыми пользовался Архимед, но можно предположить следующее. Сначала он определил, что кусок чистого золота в 19,3 раза тяжелее такого же объёма воды. Иначе говоря, плотность золота в 19,3 больше плотности воды.

Архимеду надо было найти плотность вещества из которого была сделана корона. Если эта плотность оказалась больше плотности воды не в 19,3 раза, а в меньшее число раз, значит, корона была изготовлена не из чистого золота. Взвесить корону было легко, но как найти её объём, ведь корона была очень сложной формы? Много дней мучила Архимеда эта задача. Однажды, размышляя об этом, Архимед погрузился в ванну, и заметил, что вытесненная его телом вода пролилась через край. Гениального учёного тут же осенила яркая идея, и с криком “Эврика, эврика!” он, как был нагой, бросился проводить эксперимент.

Архимед взвесил корону сначала в воздухе, затем в воде. По разнице в весе он рассчитал выталкивающую силу, равную весу воды в объёме короны. Определив затем объём короны, он смог уже вычислить её плотность, а, зная плотность, ответить на вопрос царя: нет ли примесей дешёвых металлов в золотой короне?

Легенда говорит, что плотность вещества короны оказалась меньше плотности чистого золота. Тем самым мастер был изобличен в обмане, а наука обогатилась замечательным открытием.

Из истории известно, что задача о золотой короне побудила Архимеда заняться вопросом о плавании тел. Опыты, проведенные Архимедом, были описаны в сочинении «О плавающих телах», которое дошло до нас. Седьмое предложение (теорема) этого сочинения сформулировано Архимедом следующим образом:

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".

Интересно, что сила Архимеда равна нулю, когда погруженное в жидкость тело плотно, всем основанием прижато ко дну.

1. Определение силы Архимеда.

Архимедову силу можно определить на опыте:

Небольшое ведерко и тело цилиндрической формы подвешиваем на пружине, закрепленной в штативе. Растяжение пружины отмечаем стрелкой на штативе, показывая вес тела в воздухе. Приподняв тело, под него подставляем стакан с отливной трубкой, наполненный жидкостью до уровня трубки. Затем погружаем тело целиком в жидкость. При этом часть жидкости, объём которой равен объёму тела, выливается из отливного стакана в колбу. Указатель пружины поднимается вверх, пружина сокращается, показывая уменьшение веса тела в жидкости. Если в ведёрко налить жидкость из колбы (т.е. ту, которую вытеснило тело), то указатель пружины возвратится к своему начальному положению.

На основании этого опыта можно заключить, что сила, выталкивающая тело, целиком погруженное в жидкость, равна весу жидкости в объёме этого тела. Зависимость давления в жидкости (газе) от глубины погружения тела приводит к появлению выталкивающей силы (силы Архимеда), действующей на любое тело, погруженное в жидкость или газ. Тело при погружении двигается вниз под действием силы тяжести. Архимедова сила направлена всегда противоположно силе тяжести, поэтому вес тела в жидкости или газе всегда меньше веса этого тела в вакууме.

Данный опыт подтверждает, что архимедова сила равна весу жидкости в объёме тела.

=ρgV ρV=m получаем =mg а нам известно, что P=mg значит получим: =P

Но все же почему вес тела в воде меньше веса тела в  воздухе? Известно, что всякая жидкость давит на погруженное в неё тело со всех сторон: и сверху, и снизу, и с боков. Почему же на тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, всегда направленная вверх?  

Рассмотрим силы, которые действуют со стороны жидкости на погруженное в неё тело. Почему силы, действующие на боковые грани тела равны и уравновешивают друг друга? А вот силы, действующие на верхнюю и нижнюю грани тела неодинаковы?

Рассчитаем  выталкивающую силу.

= =

==S

Получаем: =-= ρgS(-)= ρgSh

Где h – высота параллелепипеда

Sh=V – объем параллелепипеда

ρV=m – масса жидкости внутри параллелепипеда

Выталкивающая сила равна весу жидкости в объёме погружённого в неё тела.

   Архимедова сила направлена противоположно силе тяжести; поэтому вес тела при взвешивании в жидкости или газе оказывается меньше веса, измеренного в вакууме.

Отсюда можно сделать следующие выводы:

Если сила тяжести больше архимедовой силы, то тело опускается вниз – тонет.

   Если модуль силы тяжести равен модулю архимедовой силы, то тело может находиться  в равновесии внутри жидкости на любой глубине.

   Если архимедова сила больше силы тяжести, то тело поднимается вверх – всплывает.

Если всплывающее тело частично выступает над поверхностью жидкости, то объем погруженной части плавающего тела такой, что вес вытесненной жидкости  равен весу плавающего тела.

Именно эти принципы соотношения силы тяжести и силы Архимеда применяются в судоходостронии.

1. Принцип работы подводных лодок.

Современная техника применяя закон Архимеда, позволила создать подводные аппараты, с помощью которых человек начал опускаться на большую глубину и изучать жизнь океана. Принцип работы таких механизмов пришел к нам из животного мира моллюсков. Существует такая разновидность моллюсков – наутилусы, которые имеют биологическое строение раковины отличное от своих сородичей. Раковина, в которой живут эти моллюски - это спиралевидная раковина, разделённая внутри перегородками на несколько камер. В самой последней живет моллюск. Каждая перегородка имеет отверстие. Когда наутилус хочет опуститься на глубину, он наполняет камеры водой, а для того чтобы подняться, нагнетает газ, который вытесняет воду. Раковина становится лёгкой и всплывает. На данном примере очень ярко выражена сила Архимеда, то есть если вес тела меньше силы Архимеда, то тело всплывает, а если вес тела больше силы Архимеда, то тело тонет.

По такому принципы работают подводные судна или лодки.

Подводная лодка устроена так, что вокруг основного рабочего корпуса размещены отсеки – балластные цистерны, наполненные воздухом.

Лодка, если цистерны наполнены воздухом держится на поверхности, так как её средняя плотность меньше чем у воды.

Для того, чтобы лодка опустилась балластные цистерны заполняются водой, увеличивая тем самым плотность лодки, которая в данном случае превышает плотность воды. В зависимости от заполненности цистерн водой, лодка начинает погружаться на определенную глубину. Глубина погружения будет зависеть от плотности лодки на момент заполнения цистерн. При увеличении объема воды внутри балластных отсеков будет увеличиваться и плотность лодки в общем.

Для того, чтобы подводная лодка изменила глубину погружения или всплыла на поверхность из отсеков удаляют воду и закачивают в балластные цистерны воздух. При этом плотность лодки начинает уменьшаться, что приводит к уменьшению веса тела в целом. В результате сила тяжести становится меньше и за счет действия выталкивающей силы лодка поднимается на поверхность.

Рассмотрев и изучив принцип работы подводных лодок мы решили построить макет одной из них.

1. Практическая часть.

Прежде чем приступить к работе по изготовлению макета лодки, мы определили основное назначение нашего изделия. Аппарат небольшого размера будет применяться как игрушечный вариант движущейся подводной лодки, частично погруженной в воду.

Много интересного узнали про подводные лодки. Нашли много разных моделей и принципов изготовления макетов лодок. Выбрали один из вариантов.

Работа началась с того, что нужно было определить материал из которого в последствии будет изготовлен макет нашей подводной лодки. Основной критерий – экономически-выгодный материал. Поэтому для изготовления макета применили пластиковые бутылки.

В начале сделали отверстия в пластмассовой бутылке, чтобы вода могла легко набираться и выходить из корпуса при погружении и всплывании. Изготовили основную часть модели, в которой находились кабина, перископ и главный инструмент – мотор.

На крышку, которая расположена на капельнице надели воздушный шарик и продели через крышку.

В отверстие крышки корпуса вставили шарик на капельнице и закрыли крышку корпуса. К нижней части лодки прикрепили действующий мотор от детской игрушки.

Когда лодка была готова, приступили к её испытанию. Набрали полную ванну воды, подводную лодку опустили на воду. Она заполнилась водой и опустилась на дно.

При надувании шарика через капельницу воздух стал попадать в верхний отсек, тем самым уменьшая плотность изделия относительности плотности воды. Заметили, что чем больше надувается шарик, тем ближе к поверхности воды поднимается лодка.

Когда включили мотор, то лодка начала движение в сторону начала корпуса. Основным минусом при проведении данного опыта являлось неудобное расположение некоторых частей макета, отвечающих за подачу воздуха в корпус лодку. Пришлось перемещаться вслед за конструкцией.

После проведения запуска лодки, стало интересно, какой вес может поднять наша модель, от чего это зависит? Для ответа на этот вопрос был проведен ряд экспериментов.

Первый раз к лодке прикрепил груз весом 50 г. Надули шарик приблизительно на половину объема. Подлодка поднимает такой груз.

Второй раз к лодке прикрепил груз весом 100 г. Надули шарик, сохраняя тот же объем. Подлодка не поднимает имеющийся груз, не достаточно объема воздуха.

Третий раз к лодке прикрепил груз весом 100 г. Надули шарик в два раза больше. Подлодка поднимает такой груз.

На примере нашей модели подводной лодки, продемонстрированной на уроке физики в классе, ребята захотели тоже изготовить подобную модель.

Заключение.

Ценнейше в жизни качество - вечно юное любопытство, не утолённое годами и возрождающееся каждое утро.

Р. Ролан

В процессе работы над этой темой мы узнали для себя много нового и интересного. Круг наших познаний увеличился не только в области действия силы Архимеда, но и применении ее в жизни. Перед началом работы мы имели о ней далеко неподробное представление. Особенно нам понравилось рассматривать Архимедову силу на примере подводного мира и его обитателей, решать непростые задачки, проделывать опыты и творчески подходить к оформлению своей работы. При проведении опытов мы подтвердили экспериментально справедливость закона Архимеда.

Мы думаем, что эта работа заинтересовала многих людей и заставила задуматься об окружающих нас явлениях и принципах их действия. Возможно, наши опыты дадут кому-то толчок в жизнь и не пройдут зря. Но для нас они не прошли без внимания. Мы решили попробовать себя больше в этой работе и узнать ещё много, много необычного и интересного.

Список использованной литературы:

1)Я.И. Перельман. Занимательная физика (книга 1) Екатеринбург. «Тезис» 1994 г.

2) Я.И. Перельман. Занимательная физика (книга 2) Екатеринбург. «Тезис» 1994 г.

3)Ф.М. Дягилев. Из истории физики и жизни её творцов Москва. «Просвещение» 1986 г.

4)В мире мудрых мыслей Москва. «Знание» 1962 г.

5)Новый энциклопедический словарь

Москва. Научное издательство «Большая Российская энциклопедия» Издательство «Рипол Классик» 2001 г.