1. ФИО: Шевцова Любовь Николаевна
2.Место работы: МБОУ МО Плавский район «Молочно-Дворская СОШ»
3. Должность: учитель физики
4.Предмет: физика
5.Класс: 7
6.Базовый учебник: Физика. 7 кл.: учеб. для общеобразоват. учреждений /А.В. Перышкин. – 2-е изд., стереотип – М.: Дрофа, 2013. – 221, с.: ил.
7. Тип урока: урок изучения нового материала с использованием ЭОР и самостоятельной деятельности учащихся.
8.Метод обучения: исследовательский.
9.Тема и номер урока в теме: «Давление твердых тел, жидкостей и газов»
Урок № 46.16
Тема урока : «Плавание тел».
Цель урока :
Выяснить экспериментальным путем условия, при которых тело в жидкости плавает, всплывает и тонет; сформулировать вывод в том, что поведение тел в жидкости зависит от соотношения выталкивающей силы Архимеда и силы тяжести, плотностей жидкости и тела, погруженного в жидкость.
Задачи:
Образовательные:
Актуализировать знания учащихся о действии жидкостей и газов на погруженные в них тела ; выяснить и сформулировать условия плавания тел.
Развивающие:
Формирование навыков организации самостоятельной деятельности учащихся с использованием ЭОР; овладение навыками самостоятельного приобретения новых знаний, организации учебной деятельности, постановки целей, планирования, самоконтроля и оценки результатов своей деятельности, умений предвидеть возможные результаты своих действий; сформировать познавательные интересы, интеллектуальные и творческие способности учащихся.
Воспитательные:
Воспитывать интерес к предмету, потребность в познании нового, внимание, самостоятельность, коммуникативные качества, компьютерную грамотность, аккуратность.
Здоровьесберегающие:
Профилактика умственного перенапряжения путем смены деятельности.
Необходимое техническое оборудование : ПК, мультимедийный проектор, презентация, оборудование для проведения опытов.
Оборудование : несколько стаканов с растворами соли, сахара, марганцовки, яйцо в воде, набор тел: бруски железный, алюминиевый, дубовый, пробковый, пенопластовый кубик, ареометр.
Планируемый результат |
||
Личностные умения | Метапредметные умения | Предметные умения |
- проявление эмоционально-ценностного отношения к учебной проблеме; Проявление творческого отношения к процессу обучения; Готовность к равноправному сотрудничеству; Потребность в самовыражении и самореализации, социальном признании; Убежденность в возможности познания природы; Проявление самостоятельности в приобретении новых знаний и практических умений | Познавательные : Умение находить сходство и различие между объектами, обобщать полученную информацию; Умение вести наблюдение; Умение прогнозировать ситуацию. Регулятивные: Умение выполнять учебное задание в соответствии с целью; Умение соотносить учебные действия с известными правилами; Умение выполнять учебное действие в соответствии с планом. Коммуникативные: Умение формулировать высказывание; Умение согласовывать позиции и находить общее решение; Умение адекватно использовать речевые средства и символы для представления результата. | Предметные умения Умение объяснять условия плавания тел на основе изученного понятия архимедовой силы и силы тяжести, действующие на тело, погруженное в жидкость, а также от зависимости плотности тела и жидкости; Умение составлять план эксперимента, заполнять таблицу и делать вывод; Умение работать с текстом учебника. |
«Без сомнения, все наше знание начинается с опыта.»
И.Кант
СТРУКТУРА И ХОД УРОКА
Таблица 1
Этап урока | Деятельность учителя | Деятельность ученика | Название используемых ЭОР | Время (в мин) |
|||||||||||||
Оргмомент | Приветствие учащихся. | Приветствуют учителя Проверяют готовность своего рабочего места. | |||||||||||||||
Актуализация знаний, повторение пройденного материала. |
(Сформулировать, записать формулу) Слайд № 1 Слайд № 2
Слайд № 3 Просмотр ролика Архимедова сила: Опишите картинку | Отвечают на вопросы, формулируют закон Архимеда. Слайд № 2 Выполняют тест, согласно инструкциям учителя. Проверяю по ключу. Слайд № 4 (плавает, часть над водой, часть под водой) | Архимедова сила (айсберг) | ||||||||||||||
Постановка цели урока | Объявление темы урока. Постановка целей и их запись каждым предложившим цель | Формулируют цели урока Слушают учителя. Отвечают на вопросы учителя, делая различные предположения. | |||||||||||||||
Изучение нового материала | Создание мотивации. Слайд № 5-8 Рассказ о мальчике: Однажды учитель продемонстрировал ученикам волшебное яйцо, которое умело плавать, а точнее всплывать со дна стакана и загадал ученикам загадку: как не трогая стакана с водой и яйцом и не используя никаких инструментов достать яйцо из стакана? Самый сообразительный, потратив всего 1 минуту, уже держал это яйцо в руках и получил «5». Как ему это удалось? ТБ. (на столах несколько стаканов с растворами соли, сахара, марганцовки, яйцо в воде) Демонстрирует опыт: доливают в стакан раствор соли. Слайд № 9 3адание группе 1 :
Оборудование: сосуд с водой и набор тел: бруски железный, алюминиевый, дубовый, пробковый. Слайд № 10 Задание группе 2 :
Оборудование: сосуд с водой, деревянный и пенопластовый кубики. Слайд № 11 Задание группе 3 :
Оборудование: стакан с водой, стакан с маслом, деревянный брусок 2 шт. Учитель: Мы говорили об условии плавания твёрдых тел в жидкости. А может ли одна жидкость плавать на поверхности другой? Задание группе 4 : Наблюдение всплытия масляного пятна, под действием выталкивающей силы воды. Цель работы: Провести наблюдение за всплытием масла, погруженного в воду, обнаружить на опыте выталкивающее действие воды, указать направление выталкивающей силы. Оборудование: сосуды с маслом, водой, пипетка. Последовательность проведения опыта:
После выполнения эксперимента обсуждаются результаты работы, подводятся итоги. Пока учащиеся выполняют задания, наблюдаю за их работой, оказываю необходимую помощь. Учитель: Заканчиваем работу, приборы отодвиньте на край стола. Переходим к обсуждению результатов. Сначала выясним, какие тела плавают в жидкости, а какие – тонут. (Группа 1,2)(Учащиеся приводят примеры и делают вывод.) и т.д. Слайд № 12 Слайд № 13,14 Учитель: (Группа 4) Снова вернёмся к таблице плотности веществ. Объясним, почему на воде образуется масляная плёнка. Действие прибора - Ареометр (демонстрируем определение плотности воды и масла) | Пробуют в парах на своих местах. Вывод:
Выполняют задание. Заполняют таблицу. Сравнивают значения плотностей.
Делают вывод:
А если равны?
Опыт с киндерами (мензурка с водой и 3 киндера разной массы) Вывод: Таким образом, глубина погружения тела в жидкость зависит от плотности самого тела. Вывод: Глубина погружения тела в жидкость зависит от плотности жидкости Вывод: Жидкости ведут себя также, как и твердые тела. Их расположение в сосуде зависит от плотности. | Резина и кирпич в жидкости Гиря в ртути Мертвое море | ||||||||||||||
Закрепление нового материала | Предлагает учащимся заполнить таблицу Слайд № 15 Проверка Слайд № 16
| Выполняют задание, применяя полученные знания . Делают и записывают вывод в тетрадь | |||||||||||||||
Рефлексия. | Со всеми ли задачами мы справились? Выясняем? | Формулируют выводы. Задают вопросы учителю. | |||||||||||||||
Подведение итогов урока | Анализирует результаты выполнения учащимися заданий . Выставляет оценки | Слушают учителя. | |||||||||||||||
Домашнее задание | Формулирует домашнее задание, комментирует его: § 50, упр. 25 № 2, 4 Задание с пластилином! Слайд № 17,18 | Фиксируют домашнее задание. |
ПЕРЕЧЕНЬ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ НА ДАННОМ УРОКЕ ЭОР Таблица 2
Название ресурса | Форма предъявления информации (иллюстрация, презентация, видеофрагменты, тест, модель и т.д.) | ||
“Архимедова сила” | Рисунок, текст, звук. Озвученная иллюстрация для изучения закона Архимеда.(Айсберг) | ||
“Выталкивающая сила и плотность жидкости” | Иллюстрированный и озвученный рассказ о различной величине архимедовой силы в пресной и солёной воде. (мертвое море) | ||
“Гиря в воздухе, воде и ртути” | Видеофрагмент, в котором демонстрируется как железная гиря тонет в воде и плавает в ртути. | ||
“Плавание тел” | Интерактивная модель, позволяющая провести виртуальный опыт по выявлению зависимости глубины погружения тела в жидкость (резина и кирпич) |
Приложения
Тест
1.
По какой формуле определяется Архимедова сила?
А.
Б.
В. Г.
2.
В каком случае Архимедова сила, действующая на самолёт больше: у поверхности Земли или на высоте 10 км?
А.
Больше у поверхности Земли.
Б.
В обоих случаях одинаково
В.
Больше на высоте 10 км.
3.
Какая сила равна весу жидкости, вытесненной этим телом?
А.
Сила сопротивления.
Б. Архимедова сила.
В.
Сила упругости.
4.
Человек находится в воде. Как изменяется Архимедова сила, действующая на человека при вдохе?
А.
Уменьшается.
Б. Увеличивается.
В. Не изменяется.
5.
Тело весом 8 Н погружено в воду. Вес вытесненной жидкости равен 6 Н. Каково значение выталкивающей силы?
А.
2 Н
Б.
6 Н
В.
8 Н
Г.
14 Н
6
.
На рычажных весах уравновешены одинаковые тела. Нарушится ли равновесие и как, если опустить одно тело в воду, а другое в керосин?
А.
Нарушится равновесие, перетянет тело, опущенное в керосин.
Б.
Нарушится равновесие, перетянет тело, опущенное в воду.
В.
Не нарушится.
7. Тело, подвешенное на нити, опускают в воду. Как при этом изменится сила тяжести, вес тела и сила Архимеда?
Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:
Увеличится;
уменьшится; https://accounts.google.com
Подписи к слайдам:
МБОУ МО Плавский район « Молочно-Дворская СОШ» Учитель физики Шевцова Л.Н.
Отвечаем на вопросы 1.Как называют силу, которая выталкивает тела, погруженные в жидкости и газы. 2. Как подсчитать архимедову силу? 3.От каких величин зависит архимедова сила? 4.От каких величин она не зависит?
На тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, направленная вверх и равная по модулю весу жидкости, которую вытесняет данное тело. При полном погружении тела объемом V т и плотностью ρ ж, архимедова сила F А:
Древнегреческий ученый Архимед, 287 г. до нашей эры. «Архимедова сила»
Ключ к тесту 1. В 2. А 3. Б 4. Б 5. Б 6. А А – 3 Б – 2 В – 1 8. Решение и ответ: F a = 1,3 кг/м 3 *6 м 3 * 9,8 Н/кг = 76,44 Н Ответ: 76,44 Н Вопросы 1- 6 - 1 балл; «5» - 10 -11 баллов; Вопрос 7 - 1-2 балла; «4» - 8 - 9 баллов; Задача № 8 - 3 балла «3» - 5 - 7 баллов; Итого: 11 баллов «2» - менее 5 баллов.
О каком плавающем теле идёт речь? Сегодня над морем Большая жара; А в море плывёт Ледяная гора. Плывёт и, наверное Считает: Она и в жару не растает.
«Без сомнения, все наше знание начинается с опыта.» И.Кант
Урок - исследование «Условия плавания тел»
Каковы условия плавания тел в жидкости?
Фронтальная экспериментальная работа 1 группа. Задание: Пронаблюдайте, какие из предложенных тел тонут, и какие плавают в воде. Найдите в таблице учебника плотности, соответствующих веществ и сравните с плотностью воды. Оборудование: сосуд с водой и набор тел: бруски железный, алюминиевый, дубовый, пробковый. Результаты оформите в виде таблицы. Плотность жидкости Плотность вещества Тонет или нет Вода – 1000 кг/м 3 Железо Алюминий Дерево (дуб) Пробка
Фронтальная экспериментальная работа 2 группа. Задание: Сравните глубину погружения в воде деревянного и пенопластового кубиков одинаковых размеров. Сделайте выводы на основании результатов опытов Оборудование: сосуд с водой, деревянный и пенопластовый кубики.
Фронтальная экспериментальная работа 3 группа. Задание: Выясните, отличается ли глубина погружения деревянного кубика в жидкости разной плотности. Результат опыта представить на рисунке Сделайте выводы на основании результатов опытов. Оборудование: стакан с водой, стакан с маслом, деревянный брусок 2 шт.
Условие плавания тел всплывает плавает тонет плотность жидкости больше плотности тела плотность жидкости равна плотности тела плотность жидкости меньше плотности тела
Фронтальная экспериментальная работа 4 группа. Задание: Наблюдение всплытия масляного пятна, под действием выталкивающей силы воды. Цель работы: Провести наблюдение за всплытием масла, погруженного в воду, обнаружить на опыте выталкивающее действие воды, указать направление выталкивающей силы. Оборудование: сосуды с маслом, водой, пипетка. Последовательность проведения опыта: Возьмите с помощью пипетки несколько капель масла. Опустите пипетку на глубину 3 – 4 см в стакан с водой. Выпустите масло и пронаблюдайте, образование масляного пятна на поверхности воды. На основе проделанного опыта сделайте вывод
Плавание одной жидкости на поверхности другой. Жидкости, как и твердые тела подчиняются условиям плавания тел.
F A и F T Ж и Т Тонет, плавает или всплывает Тонет Плавает Всплывает
F A и F T Ж и Т Тонет, плавает или всплывает F A F T Ж > Т Всплывает
Домашнее задание: § 50 Упр.25(2,4)
Уходя с урока, выберите смайлик:
Спасибо за внимание!
Условие плавания тел
Поведение тела, находящегося в жидкости или газе, зависит от соотношения между модулями силы тяжести и силы Архимеда , которые действуют на это тело. Возможны следующие три случая:
· – тело тонет;
· –
· –
Другая формулировка (где – плотность тела, – плотность среды, в которую оно погружено):
· – тело тонет;
· – тело плавает в жидкости или газе;
· – тело всплывает до тех пор, пока не начнет плавать.
Природа силы Архимеда
 |
 |
| Рис.94. |
Чтобы понять природу силы, действующей на погруженное тело со стороны жидкости, достаточно рассмотреть простой пример (рис. 94).
Кубик с ребром погружен в воду, причем и вода, и кубик неподвижны. Известно, что давление в тяжелой жидкости увеличивается пропорционально глубине – очевидно, что более высокий столбик жидкости более сильно давит на основание. Гораздо менее очевидно (или совсем не очевидно), что это давление действует не только вниз, но и в стороны, и вверх с той же интенсивностью – это закон Паскаля.
Если рассмотреть силы, действующие на кубик (рис. 94), то в силу очевидной симметрии силы, действующие на противоположные боковые грани, равны и противоположно направлены – они стараются сжать кубик, но не могут влиять на его равновесие или движение. Остаются силы, действующие на верхнюю и на нижнюю грани. Пусть – глубина погружения верхней грани, – плотность жидкости, – ускорение силы тяжести; тогда давление на верхнюю грань равно^
а на нижнюю:
.
Сила давления равна давлению, умноженному на площадь, т.е.
где – ребро кубика,причем сила направлена вниз, а сила – вверх. Таким образом, действие жидкости на кубик сводится к двум силам – и и определяется их разностью, которая и является выталкивающей силой:
Сила – выталкивающая, так как нижняя грань, естественно, расположена ниже верхней и сила, действующая вверх, больше, чем сила, действующая вниз. Величина 
равна объему тела (кубика) , умноженному на вес одного кубического сантиметра жидкости (если принять за единицу длины 1 см). Другими словами, выталкивающая сила, которую часто называют архимедовой силой, равна весу жидкости в объеме тела и направлена вверх.
Пример. Если тело неоднородно и его центр тяжести не совпадает с центром тяжести вытесненного им объёма жидкости, то возникает ещё и вращение тела.
Рис. 95.
|
Выведем плавающее тело (модель корабля) из положения равновесия, слегка наклонив его (рис. 95).
При этом объём погружённой части корабля изменится, изменится и выталкивающая сила, причём точка её приложения сместится в сторону более погружённой части тела. Образовавшаяся пара сил (сила тяжести и выталкивающая сила) будет возвращать тело в первоначальное положение, если направление выталкивающей силы пересечётся с линией , содержащей цент тяжести тела . Если же точка пересечения окажется ниже центра тяжести, то тело перевернётся. Для устойчивости корабля точка должна располагаться выше центра тяжести последнего. Количество воды, вытесненной плавающим судном, называется водоизмещением .
Предмет гидроаэродинамики
Гидроаэродинамикой называется раздел гидроаэромеханики , в котором изучаются движение жидкостей и газов и их взаимодействие с твёрдыми телами.
Будем рассматривать движущуюся жидкость. Движение жидкости называется течением , а совокупность частиц движущейся жидкости – потоком . Графически движение жидкостей изображается с помощью линий тока.
Рис. 96.
|
Линия тока в гидромеханике – это линия , в каждой точке которой касательная к ней совпадает по направлению с вектором скорости частицы в данный момент времени (рис. 96).
Линии тока проводят так, чтобы густота их, характеризуемая отношением числа линий к площади перпендикулярной им поверхности, через которую они проходят, была больше там, где больше скорость течения жидкости, и меньше там, где жидкость течёт медленнее.
Часть жидкости, ограниченная линиями тока, называется трубкой тока (рис. 97).
В случае установившегося движения трубка тока подобна трубе со стенками, внутри которой с постоянным расходом течёт жидкость.
Рис. 97. Трубка тока.
– векторы скоростей в соответствующих точках.
|
Движение жидкостей или газов представляет собой сложное явление. Для его описания используются различные упрощающие предположения (модели).Ограничимся простейшим случаем движения жидкости, когда выполняются следующие условия:
1). Жидкость несжимаемая .
Опыт показывает, что сжимаемостью жидкости и газа можно пренебречь, когда скорости их движения малы по сравнению со скоростью распространения звука .
2). Жидкость идеальная, (т.е. без внутреннего трения между движущимися слоями). При движении идеальной жидкости не происходит превращения механической энергии во внутреннюю энергию, поэтому выполняется закон сохранения механической энергии.
Движению реальных жидкостей и газов всегда присуща вязкость.
3). Движение жидкости установившиеся (стационарное).
Течение жидкости называется стационарным , если форма и расположение линий тока , а также значения скоростей в каждой её точке со временем не изменяются (при стационарном течении отсутствуют вихри).
Вязкость
Идеальная жидкость является абстракцией. Всем реальным жидкостям присуща вязкость (внутреннее трение ). Вязкость проявляется в том, что возникшее в жидкости или газе движение после прекращения действия причин, его вызывающих, постепенно прекращается. Говоря о вязкости, имеют в виду тела жидкие, капельно–жидкие и упруго–жидкие.
Вязкость– важная физико-химическая характеристика веществ. Значение вязкости приходится учитывать при перекачивании жидкостей и газов по трубам (нефтепроводы, газопроводы).
Вя́зкость (вну́треннее тре́ние )–1).одно из явлений переноса, свойство текучих тел (жидкостей и газов) оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. ; 2).свойство газов и жидкостей оказывать сопротивление необратимому перемещению одной их части относительно другой при сдвиге, растяжении и других видах деформации. В результате работа, затрачиваемая на это перемещение, рассеивается в виде тепла.
Силы вязкости (силы внутреннего трения) возникают при относительном движении слоёв жидкости (газа). Они приложены к слоям жидкости и действуют по касательным к ним. Два слоя, движущихся друг относительно друга, взаимодействуют вдоль поверхности раздела с равными по модулю и противоположными по направлению силами внутреннего трения. Физические причины появления таких сил различны для жидкостей и газов.
В жидкостях эти силы обусловлены главным образом сцеплением между молекулами, принадлежащими разным слоям. В газах сцепление между молекулами мало, а их подвижность велика. Поэтому образование сил внутреннего трения в газах происходит в основном за счёт обмена молекулами между движущимися слоями. Однако в обоих случаях (и в жидкостях, и в газах) между движущимися слоями осуществляется перенос импульса.
Вязкость твёрдых тел обладает рядом специфических особенностей и рассматривается обычно отдельно.
Изменение скорости от слоя к слою с увеличением координаты происходит по линейному закону (рис. 99).
Опыт показывает, что на каждый слой действует сила пропорциональная площади слоёв и величине , характеризующей быстроту изменения скорости слоёв при переходе от слоя к слою, т.е. направлении, перпендикулярном слоям: . Величину называют градиентом скорости .
При ламинарном сдвиговом течении жидкости между двумя плоскопараллельными пластинками, верхняя из которых движется с постоянной скоростью под действием силы , а нижняя пластинка неподвижная, слои жидкости перемещаются с разными скоростями – от максимальной у верхней пластинки до нуля у нижней (рис. 99). При этом касательное напряжение , а скорость деформации , где – площадь пластинок, –расстояние между ними. Ньютоновскими называют жидкости, для которых вязкость не зависит от скорости деформации.
Основной закон вязкого течения был установлен И.Ньютоном (1687 г.):
где - тангенциальная (касательная) сила, вызывающая сдвиг слоёв жидкости (газа) друг относительно друга; – площадь слоя, по которому происходит сдвиг; –коэффициент динамической вязкости (или просто вязкость).
Используя понятие касательного напряжения формулу закона Ньютона можно представить в виде: . Касательное напряжение в общем случае неодинаково в разных точках поверхности. Сила вязкости, действующая на элемент поверхности , равна: . Поэтому полная сила вязкости равна:
Значение вязкости зависит от рода жидкости (газа) и от температуры.
Характер зависимости вязкости жидкостей и газов от температуры различный. У жидкостей с увеличением температуры уменьшается и растёт с увеличением давления; а у газов, наоборот, с ростом температуры вязкость увеличивается. Последнее указывает на различие в них механизмов внутреннего трения. Особенно сильно от температуры зависит вязкость масел. Отечественный физик П.Л.Капица установил, что при температуре жидкий гелий переходит в сверхтекучее состояние, в котором его вязкость равна нулю. Переход вещества из жидкого состояния в стеклообразное обычно связывают с достижением вязкости порядка 
.
Наряду с динамической вязкостью используют понятие кинематической вязкости :
где – плотность вещества.
Величина называетсятекучестью .
В технических науках часто пользуются понятием относительной вязкости , под которой понимают отношение коэффициента динамической вязкости раствора к коэффициенту динамической вязкости чистого растворителя: ,где – динамическая вязкость раствора; – динамическая вязкость растворителя.
Слоистое течение с градиентом скорости обычно возникает так. В результате молекулярного сцепления тонкий слой жидкости «прилипает» к поверхности твёрдого тела. И если это тело движется относительно жидкости, то вместе с ним движется и прилипший слой, который благодаря силам вязкого трения увлекает соседний слой, а тот в свою очередь – следующий слой и т.д. По мере удаления от поверхности тела в перпендикулярном направлении скорость слоёв жидкости убывает, что и означает возникновение градиента скорости.
Вязкость газов
В кинетической теории газов коэффициент внутреннего трения вычисляется по формуле:
где – средняя скорость теплового движения молекул, − средняя длина свободного пробега. Из этого выражения, в частности, следует, что вязкость не очень разреженных газов практически не зависит от давления, поскольку плотность прямо пропорциональна давлению, а − обратно пропорциональна.
С повышением температуры вязкость большинства газов увеличивается, это объясняется увеличением средней скорости молекул газа , растущей с температурой как .
Прибор для измерения вязкости называется вискозиметром.
Качественно существенное отличие сил вязкого трения от сухого тренияв том, что тело при наличии только вязкого трения и сколь угодно малой внешней силы обязательно придет в движение, т.е. для вязкого трения не существует трения покоя, и наоборот− под действием только вязкого трения тело, вначале двигавшееся, никогда (в рамках макроскопического приближения, пренебрегающего броуновским движением) полностью не остановится, хотя движение и будет бесконечно замедляться.
Ламинарный и турбулентный режимы течения жидкостей
Существует два режима течения жидкостей: ламинарный и турбулентный.
Рис. 100.
|
Ламинарное течение (лат.Lāmina − «пластинка») – упорядоченное течение жидкости и газа , при котором жидкость (газ ) перемещается как бы слоями , параллельными направлению течения (рис. 100).
Установившееся течение идеальной жидкости всегда ламинарное при любых скоростях течения, т.к. в такой жидкости отсутствуют силы внутреннего трения. В случае реальных жидкостей ламинарное течение наблюдается у очень вязких жидкостей или при течениях, происходящих с достаточно малыми скоростями, а также при медленном обтекании жидкостью тел малых размеров. В частности, ламинарное течение имеет место в узких (капиллярных) трубках, в слое смазки в подшипниках, в тонком пограничном слое, образующемся при обтекании их жидкостью или газом и др.
Турбулентное течение (от лат. turbulentus – бурный, беспорядочный) – форма течения жидкости или газа , при которой их элементы совершают неустановившиеся движения по сложным траекториям , что приводит к интенсивному перемешиванию между слоями жидкости или газа (рис. 102).
Большинство течений жидкостей и газов турбулентное как в природе (движение воздуха в земной атмосфере, воды в реках и морях, газа в атмосферах Солнца и звёзд и в межзвёздных туманностях и т.п.), так и в технических устройствах (трубах, каналах, струях, в пограничных слоях около твёрдых тел, в следах за такими телами и т.п.).
Турбулентное течение нестационарно: скорость и давление в каждой точке потока колеблется около некоторых средних значений. Это связано с тем, что при турбулентном течении частицы жидкости приобретают составляющие скоростей, перпендикулярные течению, поэтому они могут переходить из одного слоя в другой, а их скорости в различных слоях мало отличаются.
В результате перемешивания слоёв жидкости средняя скорость течения практически одинакова по всему сечению трубки тока (трубы). Только в очень тонком слое, примыкающем к стенкам трубы, скорость быстро падает до нуля. Изменение средней скорости турбулентного течения в зависимости от расстояния от оси трубы представлено на рис. 103.
Рис. 103.
|
Английский учёный О. Рейнольдсдоказал, что характер течения жидкости зависит от безразмерной величины, называемой числом Рейнольдса : ,где –кинематическая вязкость, –средняя по сечению трубы скорость течения жидкости, – характерный линейный размер, например, диаметр трубы.
Опыт показывает, что при малых значениях числа Рейнольдса течение жидкости (газа) является ламинарным, а при больших – турбулентным.
Значение числа Рейнольдса, характеризующее переход от ламинарного к турбулентному течению, называют критическим – .
Изучая на опыте течение жидкости (газа) по круглым трубам в обычных условиях, установили, что .
Если для некоторого потока ,то течение будет ламинарным, если – течение турбулентное. При , близком к , ламинарное течение неустойчиво и очень чувствительно к разного рода факторам (резкие переходы в трубе, шероховатость стенок, вибрации и др.). Устраняя эти факторы, можно добиться того, что ламинарное течение сохраняется вплоть до значения . Это явление называется затягиванием ламинарного режима. «Затягивание» приобретает большое практическое значение в связи с созданием длинных линий газо – нефтепроводов, т.к. силы внутреннего трения при ламинарном течении значительно меньше, чем при турбулентном: при одном и том же расходе перекачка жидкости при ламинарном течении требует меньших перепадов давления, т.е. меньших затрат энергии.
Уравнение неразрывности струи
Рис.104.
|
Рассмотрим трубку тока переменного сечения и , по которой течёт идеальная несжимаемая жидкость (рис. 104).
За время через сечение проходит объём жидкости , через сечение – объём жидкости . Следовательно, за через сечение пройдёт объём жидкости где - скорость течения жидкости в сечении , а через сечение за – , где - скорость течения жидкости в сечении S 2 .
Так как жидкость несжимаемая, то через сечение пройдёт такой же объём жидкости, как и через сечение , т.е. .
Произведение скорости стационарного течения идеальной несжимаемой жидкости на поперечное сечение трубки тока есть величина постоянная для данной трубки тока :
Последнее соотношение, выражающее закон сохранения массы для любого объёма жидкости (газа), называется уравнением неразрывности струи.
Следствие из уравнения неразрывности струи: если жидкость движется по трубе переменного сечения, то скорость ее движения обратно пропорциональна площади сечения трубок: .
На частицы реальной жидкости действуют силы трения со стороны стенок трубы и со стороны соседних частиц. Поэтому скорость частиц жидкости в поперечном сечении трубы различна: она максимальна в центре трубы и уменьшается до нуля у ее стенок. В этом случае в формуле уравнения неразрывности – это средняя скорость течения жидкости в данном сечении.
Уравнение Бернулли
Следствием закона сохранения механической энергии для стационарного поток аидеальной и несжимаемой жидкости является уравнение Бернулли, сформулированное в 1738г.
Рис. 105.
|
Рассматривается стационарное движение идеальной несжимаемой жидкости по трубе переменного сечения (рис.105). Различные части трубы находятся на разных высотах.
Исходя из закона сохранения механической энергии и уравнения неразрывности струи Д.Бернулли получил следующее уравнение:
,
где –плотность жидкости, – динамическое давление, –гидростатическое давление, – статическое давление (давление жидкости на поверхность обтекаемого тела).
При стационарном течении идеальной жидкости полное давление, равное сумме статического, динамического и гидростатического давлений, одинаково во всех поперечных сечениях трубки тока.
Для горизонтальной трубки тока уравнение Бернулли примет вид:
,
где –полное давление.
Из уравнения Бернулли и уравнения неразрывности следует, что при течении жидкости по горизонтальной трубе, имеющей различные сечения, скорость течения жидкости больше в местах сужения, а статическое давление – в более широких местах, т.е. там, где скорость меньше.
Уравнение Бернулли хорошо выполняется для реальных жидкостей, внутреннее трение которых невелико. Поэтому уравнение Бернулли широко применяется в гидравлике при расчёте течения жидкостей и газов в трубопроводах, при расчёте компрессоров, турбин, насосов и других гидравлических и газовых машин.
Теоретическое обоснование уравнения Бернулли
За промежуток времени жидкость в трубе сечением переместится на , а в трубе сечением – на , где и – скорости частиц жидкости в трубах.
Условие несжимаемости записывается в виде:
или ,
здесь – объем жидкости, протекшей через сечения и .
Таким образом, при переходе жидкости с участка трубы с большим сечением на участок с меньшим сечением скорость течения возрастает, т.е. жидкость движется с ускорением. Следовательно, на жидкость действует сила. В горизонтальной трубе эта сила может возникнуть только из-за разности давлений в широком и узком участках трубы. Давление в широком участке трубы должно быть больше чем в узком участке. Если участки трубы расположены на разной высоте, то ускорение жидкости вызывается совместным действием силы тяжести и силы давления. Сила давления – это упругая сила сжатия жидкости. Несжимаемость жидкости означает лишь то, что появление упругих сил происходит при пренебрежимо малом изменении объема любой части жидкости.
Так как жидкость предполагается идеальной, то она течет по трубе без трения. Поэтому к ее течению можно применить закон сохранения механической энергии.
При перемещении жидкости силы давления совершают работу:
Работа сил давления равна изменению потенциальной энергии упругой деформации жидкости, взятому с обратным знаком.
Изменения, произошедшие за время в выделенной части жидкости, заключенной между сечениями и в начальный момент времени, при стационарном течении, сводятся к перемещению массы жидкости ( – плотность жидкости) из одной части трубы сечением в другую часть сечением (заштрихованные объемы на рис. 105). Закон сохранения механической энергии для этой массы имеет вид:
,
где и – полные механические энергии массы в поле тяготения:
,
.
Отсюда следует:
.
Это и есть уравнение Бернулли. Из него следует, что сумма:
.
остается неизменной вдоль всей трубы.
Уравнение Бернулли можно применять к достаточно широкому классу задач аэродинамики.
Примеры.
1). Рассмотрим истечение жидкости из широкого сосуда (рис. 106).
Рис. 106.
|
Поскольку скорость жидкости вблизи поверхности в широком сосуде пренебрежимо мала, то уравнение Бернулли принимает вид:
,
где – атмосферное давление, – перепад высоты вдоль линии тока. Таким образом,
Это выражение для скорости истечения называют формулой Торричелли. Скорость истечения идеальной жидкости из отверстия в сосуде такая же, как и при свободном падении тела с высоты без начальной скорости.
2). Подъёмная сила крыла самолёта
Строгое теоретическое решение этой задачи чрезвычайно сложно, и обычно для исследования сил применяются экспериментальные методы. Уравнение Бернулли позволяет дать лишь качественное объяснение возникновению подъемной силы крыла. На рис.107 изображены линии тока воздуха при обтекании крыла самолета. Из-за специального профиля крыла и наличия угла атаки , т.е. угла наклона крыла по отношению к набегающему потоку воздуха, скорость воздушного потока над крылом оказывается больше, чем под крылом. Поэтому на рис.107 линии тока над крылом располагаются ближе друг к другу, чем под крылом. Из уравнения Бернулли следует, что давление в нижней части крыла будет больше, чем в верхней; в результате появляется сила действующая на крыло. Вертикальная составляющая этой силы называется подъемной силой. Подъемная сила позволяет скомпенсировать силу тяжести, действующую на самолет, и тем самым она обеспечивает возможность полета тяжелых летательных аппаратов в воздухе. Горизонтальная составляющая представляет собой силу сопротивления среды.
Теория подъемной силы крыла самолета была создана Н.Е.Жуковским. Он показал, что при обтекании крыла существенную роль играют силы вязкого трения в поверхностном слое. В результате их действия возникает круговое движение (циркуляция) воздуха вокруг крыла (зеленые стрелки на рис.107). В верхней части крыла скорость циркулирующего воздуха складывается со скоростью набегающего потока, в нижней части эти скорости направлены в противоположные стороны. Это и приводит к возникновению разности давлений и появлению подъемной силы.
Циркуляция воздуха, обусловленная силами вязкого трения, возникает и вокруг вращающегося тела (например, цилиндра). При вращении цилиндр увлекает прилегающие слои воздуха, вызывая его циркуляцию. Если такой цилиндр установить в набегающем потоке воздуха, то возникнет сила бокового давления, аналогичная подъемной силе крыла самолета. Это явление называется эффектом Магнуса.
Рис.108 иллюстрирует обтекание вращающегося цилиндра набегающим потоком. Эффект Магнуса проявляется, например, при полете закрученного мяча при игре в теннис или футбол.
Мы знаем, что на любое тело, находящееся в жидкости, действуют две силы, направленные в противоположные стороны: сила тяжести и архимедова сила. Сила тяжести равна весу тела и направлена вниз, архимедова же сила зависит от плотности жидкости и направлена вверх. Как физика объясняет плавание тел , и каковы условия плавания тел на поверхности и в толще воды?
Условие плавания тел
Согласно закону Архимеда условие плавания тел следующее: если сила тяжести равна архимедовой силе, то тело может находиться в равновесии в любом месте жидкости, то есть плавать в ее толще. Если сила тяжести меньше архимедовой силы, то тело будет подниматься из жидкости, то есть всплывать. В случае же, когда вес тела больше выталкивающей его архимедовой силы, то тело будет опускаться на дно, то есть тонуть. Выталкивающая сила зависит от плотности жидкости. А вот будет тело плавать или тонуть зависит от плотности тела , так как его плотность увеличит его вес. Если плотность тела будет выше плотности воды, то тело утонет. Как же быть в таком случае?
Плотность сухого дерева за счет полостей, наполненных воздухом, меньше плотности воды и дерево может плавать на поверхности. А вот железо и многие другие вещества значительно плотнее воды. Как же возможно строить корабли из металла и перевозить различные грузы по воде в таком случае? А для этого человек придумал небольшую хитрость. Корпус корабля, который погружается в воду, делают объемным, а внутри этот корабль имеет большие полости, заполненные воздухом, которые сильно уменьшают общую плотность корабля. Объем вытесняемой кораблем воды, таким образом, сильно увеличивают, увеличивая выталкивающую его силу, а плотность корабля в сумме делают меньше плотности воды, дабы корабль мог плавать на поверхности. Поэтому каждый корабль имеет определенный предел массы грузов, который он может увезти. Это называется водоизмещением судна.
Различают порожнее водоизмещение - это масса самого судна, и полное водоизмещение - это порожнее водоизмещение плюс общая масса экипажа, всей оснастки, запасов, топлива и грузов, которую может нормально увезти данное судно без риска утонуть при относительно спокойной погоде.
Плотность тела у организмов, населяющих водную среду, близка к плотности воды. Благодаря этому они могут находиться в толще воды и плавать благодаря подаренным им природой приспособлениям - ластам, плавникам и пр. В передвижении рыб большую роль играет специальный орган - плавательный пузырь. Рыба может менять объем этого пузыря и количество воздуха в нем, благодаря чему ее суммарная плотность может меняться, и рыба может плавать на различной глубине, не испытывая неудобств.
Плотность человеческого тела немного больше плотности воды. Однако, человек, когда у него в легких содержится некоторое количество воздуха, тоже может спокойно держаться на поверхности воды. Если же ради эксперимента, находясь в воде, вы выдохните весь воздух из легких, вы медленно начнете опускаться на дно. Поэтому всегда помните, что плавать не страшно, опасно наглотаться воды и впустить ее в легкие, что и является наиболее частой причиной трагедий на воде.
: выталкивающая (архимедова) сила F А, направленная вертикально вверх, и сила тяжести Fт, направленная вертикально вниз. Если эти силы равны, т. е.
F А = F т (48.1)
то тело будет находиться в равновесии.
Равенство (48.1) выражает условие плавания тел
: для того чтобы тело плавало, необходимо, чтобы действующая на него сила тяжести уравновешивалась архимедовой (выталкивающей) силой.
Условию плавания тел можно придать иную форму. Представим архимедову силу в виде
F А = p ж V ж g (48.2)
Аналогичным образом можно выразить и силу тяжести , действующую на тело. Мы знаем, что F т = mg, где m - масса тела; но масса тела равна произведению плотности тела на его объем: m = рV. Поэтому
Подставим выражения (48.2) и (48.3) в равенство (48.1):
Разделив обе части этого равенства на получим условие плавания тел в новой форме
:
Из полученного соотношения можно вывести два важных следствия.
1. Для того чтобы тело плавало, будучи полностью погруженным в жидкость, необходимо, чтобы плотность тела была равна плотности жидкости.
Д о к а з а т е л ь с т в о. Если тело полностью погружено в жидкость, то объем вытесняемой телом жидкости будет равен объему всего тела (см. рис. 134, а): V ж = V. А раз так, то эти объемы в формуле (48.4) можно сократить. При этом останется: p = p ж, что и требовалось доказать.
2. Для того чтобы тело плавало, частично выступая над поверхностью жидкости, необходимо, чтобы плотность тела была меньше плотности жидкости
.
Д о к а з а т е л ь с т в о. Если тело плавает, частично выступая над поверхностью жидкости, то объем вытесняемой телом жидкости будет меньше объема всего тела (см. рис. 134, б): V ж 
Рисунок 134.Зависимость плавания тела от его плотности и плотности жидкости.
При р>р ж плавание тела невозможно, так как в этом случае сила тяжести превышает архимедову силу, и тело тонет.
Что будет происходить с телом, у которого р<р ж, если его полностью погрузить в жидкость? В этом случае архимедова сила будет преобладать над силой тяжести, и потому тело начнет подниматься вверх. Пока тело будет двигаться, будучи полностью погруженным в жидкость, архимедова сила будет оставаться неизменной. Но как только тело достигнет поверхности жидкости и появится над ней, эта сила (по мере уменьшения объема части тела, погруженной в жидкость) будет становиться все меньше и меньше. Всплытие прекратится тогда, когда архимедова (выталкивающая) сила уменьшится и станет равной силе тяжести. При этом, чем меньшей плотностью (по сравнению с плотностью жидкости) обладает тело, тем меньшая его часть останется внутри жидкости (рис. 135).
Рисунок 135. Зависмость погружения тела в жидкость от его плотности.
Вопросы.
1. Сформулируйте условие плавания тел.
2. В каком случае тело плавает полностью погруженным в жидкость?
3. В каком случае тело плавает, частично выступая над поверхностью жидкости?
4. Предположим, что в сосуд налили воду н керосин. Какая из этих жидкостей расположится сверху?
5. В какой из следующих жидкостей будет плавать лед: в керосине, в воде или в спирте?
6. В какой из следующих жидкостей будет плавать гвоздь: в ртути или в машинном масле?
7. Куриное яйцо тонет в пресной воде, но плавает в соленой. Почему?
8. Как зависит глубина погружения плавающего тела от его плотности?
Экспериментальное задание.
Опустите сырую картофелину в стеклянную банку с пресной водой. Почему она тонет? Как будет вести себя картофелина, если в воду насыпать соль? Медленно высыпая соль и размешивая воду, добейтесь того, чтобы картофелина могла плавать в толще воды, будучи полностью в нее погруженной. Какой должна быть плотность соленой воды, чтобы это было возможным?
Отослано читателями из интернет-сайтов
На данном уроке, тема которого: «Плавание тел» мы с вами поговорим о том, как себя ведут разные тела при погружении их в воду. Выясним, в чем причины таких различий, и проведем ряд экспериментов для лучшего понимания явления.
На двух предыдущих уроках мы выяснили, что на тело, погруженное в жидкость или газ, действует выталкивающая сила. Древнегреческий ученый Архимед предложил способ вычисления этой силы. На данном занятии мы порассуждаем о том, почему тела, погруженные в одни жидкости, будут всплывать на ее поверхность, а погруженные в другие жидкости - тонуть. Почему тела в разных жидкостях ведут себя по-разному?
Рассмотрим поведение двух брусков, железного и деревянного, одинакового объема при их погружении в воду. Железный брусок утонет, а деревянный всплывет на поверхность (см. рис. 1).
Рис. 1. Поведение разных тел в жидкости
Почему же это происходит? Рассмотрим, какие силы действуют на каждый брусок - это силы тяжести и выталкивающие силы - архимедовы (см. рис. 2).
Рис. 2. Действие сил на погруженные тела
Так как объемы этих тел одинаковы и жидкость, в которую они погружены, одна и та же, то значение выталкивающей силы будет одинаковой:
Бруски выполнены из разного материала, а значит, что при одном и том же объеме, но при различной плотности сила тяжести, действующая на железный брусок, будет больше, чем сила тяжести, действующая на деревянный брусок (см. рис. 3).
Рис. 3. Различие сил тяжести
Итак, поведение брусков в жидкости зависит от того, насколько отличаются силы тяжести и выталкивающие силы:
Теперь обратимся к математическим выражениям.
Подставим эти выражения в формулы для сил тяжести и архимедовых сил и увидим, что:
А может ли одно и то же тело тонуть в одной жидкости и плавать в другой? Проверим это экспериментально. Погрузим вареное яйцо в сосуд с водой (см. рис. 4).
Рис. 4. Вареное яйцо в жидкости
Яйцо тонет, но если добавить в воду соль и создать насыщенный раствор, то яйцо будет плавать на поверхности (см. рис. 5).
Рис. 5. Вареное яйцо в насыщенном растворе
То есть, когда плотности жидкостей различны, то чем больше эти плотности, тем больше выталкивающая сила и тело может плавать на поверхности одной жидкости и тонуть в другой. Подобного эффекта мы можем достичь, погрузившись в Мертвое море (см. рис. 6).
Рис. 6. Мертвое море
Плотность воды там составляет до . Человек может держаться на поверхности Мертвого моря, практически не прилагая для этого никаких усилий.
Большинство живых организмов, населяющих водную среду, имеет среднюю плотность, равную плотности воды. Именно это позволяет им плавать под водой. Особую роль играет плавательный пузырь. Изменяя его объем, рыбы могут плавать на разной глубине, так как они изменяют выталкивающую силу, действующую на них (см. рис. 7).
Рис. 7. Рыбы плавают на разной глубине благодаря плавательному пузырю
А где же используется подобное свойство в технике? Конечно, в судостроении. Корабли, выполненные из стали, прекрасно держатся на поверхности воды, а подобный кораблю кусок стали будет тонуть в той же самой воде. Итак, изменяя объем тела, можно добиться его плавучести.
Сегодня на занятии мы с вами разобрались, почему тела могут плавать или тонуть. Это зависит от соотношения силы тяжести и силы Архимеда. Так же можно сказать, что плавучесть тела будет зависеть от соотношения плотности тела и плотности жидкости.
Список литературы
- Ф.Я. Божинова, Н.М. Кирюхин, Е.А. Кирюхина Физика 7 кл.: Учебник. - Х.: Издательство «Ранок», 2007, 192 с.
- А.В. Перышкин. Физика 7 кл.: учеб. для общеобразоват. учреждений, 2-е издание, стереотипное. - М.: Дрофа, 2013. - 221 с.
- Интернет портал «class-fizika.narod.ru» ()
- Интернет портал «files.school-collection.edu.ru» ()
- Интернет портал «eduspb.com» ()
- Интернет портал «ru.solverbook.com» ()
- Интернет портал «двойкам-нет.рф» ()
Домашнее задание
- Что такое архимедова сила?
- Какое условие должно выполняться, чтобы тело плавало на поверхности воды? Тонуло?
- Сила тяжести, действующая на судно, равна 1000 кН. Какой объем воды вытесняет это судно, если оно держится на плаву?
