Закон архимеда плавание тел доклад
Обновлено: 05.07.2024
Биография Архимеда из Сиракуз. Легенда открытия основного закона гидростатики. Первое практическое применение и доказательство справедливости закона Архимеда, который является основой гидравлики — науки, изучающей законы движения и равновесия жидкостей.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 17.04.2010 |
| Размер файла | 32,6 K |
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Легенда открытия закона Архимеда
Первое практическое применение и доказательство справедливости закона Архимеда
Закон Архимеда
Легенда открытия закона Архимеда
Архимед был приближён ко двору царя Гиерона II и его сына-наследника.
По преданию, царь Сиракуз - Гиерон II подозревая своего ювелира в обмане при выделки золотой короны, поручил своему родственнику Архимеду открыть обман и доказать, что в корону примешано серебра больше, чем следовало. Причудливая форма короны не позволяла измерить её объём и определить удельный вес металла. Долго безуспешно трудился Архимед над решением предложенной задачи.
Так и был открыт знаменитый закон Архимеда - основной закон гидростатики.
Первое практическое применение и доказательство справедливости закона Архимеда
Идея Архимеда очень проста. Тело, погружённое в воду, вытесняет столько жидкости, каков объём самого тела. Поместив венец в цилиндрический сосуд с водой, можно определить, какое количество жидкости он вытеснит, т. е. узнать его объём.
Архимед, зная объём и взвесив венец, легко вычислить удельную массу. Это и даст возможность установить истину: ведь золото -- очень тяжёлый металл, а более лёгкие примеси, и тем более пустоты, уменьшают удельную массу изделия.
Таким образом, сначала Архимед измерил объём и вес короны. Для того чтобы уличить нечистого на руку ювелира, достаточно было взвесить корону и равный ей по весу слиток золота в воде. Сплав весит меньше.
Возникла следующая задача определение соотношения объёмов или весов двух металлов в сплаве. Для этого Архимед взвешивал в воздухе и воде сплавы двух металлов.
Если ?1 и ? 2 - плотности (удельные веса) металлов сплава, ? - плотность воды, V1 и V2 - их объёмы в сплаве, V - объём сплава, а Р1 и Р2 - вес сплава в воздухе и в воде, то для определения V1 и V2 надо решить систему уравнений:
Если в первой системе представить P1= cV, где ?c -удельный вес всего сплава, то, разделив оба уравнения на V, получим систему уравнений для отношений и металлов в сплаве, т. е. с помощью весов решим систему двух линейных алгебраических уравнений.
Закон Архимеда является (наряду с другими, позже открытыми фактами) основой гидравлики -- науки, изучающей законы движения и равновесия жидкостей.
«1) Тела, равнотяжелые с жидкостью, будучи опущены в эту жидкость, погружаются так, что никакая их часть не выступает над поверхностью жидкости, и не будут двигаться вниз.
2) Тело, более легкое, чем жидкость, будучи опущено в эту жидкость, не погружается целиком, но некоторая часть его остается над поверхностью жидкости.
3) Тело, более легкое, чем жидкость, будучи опущено в эту жидкость, погружается настолько, чтобы объем жидкости, соответствующий погруженной (части тела), имел вес, равный весу всего тела.
4) Тела, более легкие, чем жидкость, опущенные в эту жидкость насильственно, будут выталкиваться вверх с силой, равной тому весу, на который жидкость, имеющая равный объем с телом, будет тяжелее этого тела.
Пункт 5 содержит фактически общеизвестный закон Архимеда, открытие которого позволило ему, согласно преданию, осуществить проверку состава короны сиракузского царя Гиерона.
«. Исходя из своего открытия, он, говорят, сделал два слитка, каждый такого же веса, какого была корона, -- один из золота, другой из серебра. Сделав это, он наполнил водой сосуд до самых краев и опустил в него серебряный слиток, и вот, какой объем слитка был погружен в сосуд, соответственное ему количество вытекло воды. Вынув слиток, он долил в сосуд такое количество воды, на какое количество стало там ее меньше, отмеряя вливаемую воду секстарием, чтобы, как и прежде, сосуд был наполнен водой до самых краев. Так отсюда он нашел, какой вес серебра соответствует какому определенному количеству воды.
«В этом рассказе, -- отмечает Я.Г. Дорфман, -- убедительно лишь заключение Архимеда о том, что корона состоит из сплава, а не из чистого золота. Но ниоткуда не следует, что второй компонентой было обязательно серебро.
Во всяком случае, следует отметить, что это выдающееся открытие Архимеда знаменует собой первое в истории применение физического измерительного метода к контролю и анализу химического состава без нарушения целостности изделия.
Огромное практическое значение этого открытия в эпоху, когда еще никаких других методов подобного рода не было, естественно, привлекло к себе всеобщее внимание и стало предметом дальнейших исследований и практических использований на протяжении многих последующих веков.
По-видимому, и сам Архимед не ограничился описанным полукачественным экспериментом, а перешел к более точному количественному измерению.
Сравнивая на этом приборе веса упомянутых слитков в воде, Архимед мог с помощью подвижного груза определять численное отношение удельных весов золота и серебра, а, сопоставляя таким же способом веса короны и одного из этих слитков, мог установить относительное количество золота и серебра в короне (если в состав короны входили только эти два металла).
Архимеда закон - так называется открытый Архимедом важный гидростатический закон, согласно которому каждое тело, погруженное в жидкость, теряет столько своего веса, сколько весит вытесненная им жидкость.
Этот закон основан на гидростатическом давлении, вследствие которого тело, погруженное в жидкость, поднимается с действующей отвесно вверх силой, равной весу вытесненной им жидкости.
Для доказательства Архимедова закона на опыте служат гидростатические весы, т.е. совершенно равноплечие весы, которые дают возможность взвешивать тела, погруженные в воду или в любую жидкость. К примеру, если уравновесить на двух чашах весов слиток чистого металла и слиток сплава, то при помещении обеих чаш весов в воду равновесие нарушится настолько, насколько изменится соотношение количества металлов в сплаве. Этим доказывается истинность Архимедова закона, на основании этого закона производится также определение плотности (удельного веса тела) с помощью гидростатических весов и ареометра.
Подобные документы
Изучение "Закона Архимеда", проведение опытов по определению архимедовой силы. Вывод формул для нахождения массы вытесненной жидкости и расчета плотности. Применение "Закона Архимеда" для жидкостей и газов. Методическая разработка урока по данной теме.
конспект урока [645,5 K], добавлен 27.09.2010
Отношение веса вещества к весу равного объема воды. История открытия закона Архимеда. Откуда берется выталкивающая сила. Основные приборы, использующие в своей работе закон Архимеда. Принцип действия пикнометра. Поплавковые плотномеры и ареометры.
реферат [1,4 M], добавлен 11.02.2012
Древнегреческий ученый, математик и изобретатель Архимед из Сиракуз. Основные изобретения ученого. Закон Архимеда и его анализ. Причина возникновения выталкивающей силы в разности сил на разных глубинах. Понятие силы Архимеда. Условия плавания тел.
презентация [910,4 K], добавлен 05.03.2012
Открытие Архимеда о действии сил на погруженное в жидкость тело - условие, которое стало основой науки о плавании. Причина возникновения выталкивающей силы. Применение Закона Архимеда при постройке кораблей, подводных лодок, понтонов; основные понятия.
презентация [1,7 M], добавлен 03.12.2010
Основное уравнение гидростатики, его формирование и анализ. Давление жидкости на криволинейные поверхности. Закон Архимеда. Режимы движения жидкости и гидравлические сопротивления. Расчет длинных трубопроводов и порядок определения силы удара в трубах.
контрольная работа [137,3 K], добавлен 17.11.2014
История открытия закона всемирного тяготения. Иоган Кеплер как один из первооткрывателей закона движения планет вокруг солнца. Сущность и особенности эксперимента Кавендиша. Анализ теории силы взаимного притяжения. Основные границы применимости закона.
презентация [7,0 M], добавлен 29.03.2011
История открытия Исааком Ньютоном "Закона всемирного тяготения", события, предшествующие данному открытию. Суть и границы применения закона. Формулировка законов Кеплера и их применение к движению планет, их естественных и искусственных спутников.
Вода – самое распространенное на земле вещество. Ею заполнены океаны, моря, озера и реки; пары воды входят в состав воздуха. Вода содержится в организмах животных и растений. Так, например, в организме млекопитающих массовая доля воды составляет примерно 70%. Если всю воду Земли распределить равномерным слоем по ее поверхности, то образовался бы Мировой океан глубиной 4 км.
Океаны и моря, озера и реки полны обитателями подводного мира. Как же вода действует на них? Почему водные животные не нуждаются в массивных скелетах? А водные растения всегда сохраняют вертикальное положение?
Почему под водой мы можем легко поднять камень, который с трудом поднимаем в воздухе? Почему водоплавающие птицы мало погружаются в воду? Почему человек может долгое время находиться на поверхности воды?
На эти и многие другие вопросы мы попытались ответить при реализации своей работы.
изучить закон Архимеда
изучить условия плавания тел
подобрать и изучить литературу
вспомнить историю открытия закона Архимеда.
вывести условие плавания тел.
Провести опыты, доказывающие гидростатическую силу
Предмет исследования: физика.
Объект исследования: Архимедова сила.
Методы исследования: 1) Теоретический.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Теоретическая часть
Немного истории открытия закона Архимеда
Открытие Архимедом выталкивающей силы
Закон Архимеда
Формулировка закона Архимеда: на тело, погруженное в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, равная весу того количества жидкости или газа, которое вытеснено погруженной частью тела.
Условие плавания тел
На законе Архимеда основана теория плавания тел в жидкостях и газах.
Открытие основного закона гидростатики – одно из крупнейших завоеваний античной науки. Этот закон гласит, что на тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, равная весу жидкости, вытесненной этим телом.
Кроме плотности тела, выталкивающая сила зависит так же от плотности жидкости, в которую помещают данное тело. Чем больше плотность жидкости, тем больше выталкивающая сила. Например, алюминиевая чайная ложка быстрее тонет в молоке, чем в мёде. Плотность мёда - 1350кг/м 3 , а плотность молока – 1030кг/м 3 .
Рассмотрим случаи, когда выталкивающая сила зависит от плотности жидкости.
Воспользуемся касторовым маслом. Нальём масло в прозрачный стакан, не торопясь, капнем в него насколько капель подкрашенной акварелью воды. Капли будут медленно оседать на дно. Мы получим разноцветные шарики. Можно использовать растворы нескольких цветов, то в стакане с маслом возникнет картина, напоминающая висящие разноцветные шары. Это происходит потому, что плотность касторового масла и воды практически одинакова. Этот опыт называется опыт Плато.
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:
Сила тяжести больше силы Архимеда — тело тонет;
Сила тяжести меньше силы Архимеда — тело плавает в жидкости или газе;
Сила тяжести равна силе Архимеда — тело всплывает до тех пор, пока не начнет плавать.
Практическая часть
Даже тем, кто не умеет хорошо плавать, знакомо чувство легкости, когда при погружении в воду качаешься на волнах. Это не просто ощущение, это на самом деле так. Вода поддерживает твердые тела, уменьшая их вес.
Следующие опыты, проведенные нами, позволят понять, поему некоторые тела не тонут и даже тяжелые корабли остаются на плаву.
На тело, погруженное в жидкость, кроме силы тяжести, действует выталкивающая сила — сила Архимеда. Жидкость давит на все грани тела, но давление это неодинаково. Ведь нижняя грань тела погружена в жидкость больше, чем верхняя, а давление с глубиной возрастает. То есть сила, действующая на нижнюю грань тела, будет больше, чем сила, действующая на верхнюю грань. Поэтому возникает сила, которая пытается вытолкнуть тело из жидкости.
Значение архимедовой силы зависит от плотности жидкости и объема той части тела, которая находится непосредственно в жидкости. Сила Архимеда действует не только в жидкостях, но и в газах.
Закон Архимеда: на тело, погруженное в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, равная весу жидкости или газа в объеме тела.
Сила Архимеда, действующая на погруженное в жидкость тело, может быть рассчитана по формуле:
 |
где ρж – плотность жидкости, Vпт – объем погруженной в жидкость части тела.
На тело, которое находится внутри жидкости, действуют две силы: сила тяжести и сила Архимеда. Под действием этих сил тело может двигаться. Существует три условия плавания тел (рис. 5):
если сила тяжести больше архимедовой силы, тело будет тонуть, опускаться на дно;
если сила тяжести равна силе Архимеда, то тело может находиться в равновесии в любой точке жидкости, тело плавает внутри жидкости;
если сила тяжести меньше архимедовой силы, тело будет всплывать, поднимаясь вверх.
Рисунок 5 - Условия плавания тел
Закон Архимеда используют и для воздухоплавания. Впервые воздушный шар в 1783 году создали братья Монгольфье. В 1852 году француз Жиффар создал дирижабль — управляемый аэростат с воздушным рулем и винтом.
Легенду об открытии закона Архимеда многие знают с детства. Но на уроках физики в 7 классе этой историей не отделаешься: надо еще знать, как действует архимедова сила, в чем измеряется и как ее вычислить.
О чем эта статья:
Сила: что это за величина
Прежде чем говорить о силе Архимеда, нужно понять, что это вообще такое — сила.
В повседневной жизни мы часто видим, как физические тела деформируются (меняют форму или размер), ускоряются и тормозят, падают. В общем, чего только с ними не происходит! Причина любых действий или взаимодействий тел — ее величество сила.
Сила — это физическая векторная величина, которая воздействует на данное тело со стороны других тел. Сила измеряется в ньютонах — единице измерения, которую назвали в честь Исаака Ньютона.
Поскольку сила — величина векторная, у нее, помимо модуля, есть направление. От того, куда направлена сила, зависит результат.
Вот стоите вы на лонгборде: можете оттолкнуться вправо, а можете влево — в зависимости от того, в какую сторону оттолкнетесь, результат будет разный. В этом случае результат выражается в направлении движения.
Открытие закона Архимеда
Так вышло, что закон Архимеда известен не столько своей формулировкой, сколько историей возникновения.
Легенда гласит, что царь Герон II попросил Архимеда определить, из чистого ли золота сделана его корона, при этом не причиняя вреда самой короне. То есть расплавить корону или растворить — нельзя.
Взвесить корону Архимеду труда не составило, но этого было мало — нужно ведь определить объем короны, чтобы рассчитать плотность металла, из которого она отлита.
Рассчитать плотность металла, чтобы установить, золотая ли корона, можно по формуле плотности.
Формула плотности тела
ρ = m/V
ρ — плотность тела [кг/м 3 ]
m — масса тела [кг]
V — объем тела [м 3 ]
Дальше, согласно легенде, Архимед, озабоченный мыслями о том, как определить объем короны, погрузился в ванну — и вдруг заметил, что уровень воды в ванне поднялся. Тут ученый осознал, что объем его тела вытеснил равный ему объем воды, следовательно, и корона, если ее опустить в заполненный до краев таз, вытеснит из него объем воды, равный ее объему.
Попробуйте онлайн-курс подготовки к ЕГЭ по физике с опытным преподавателем в Skysmart!
Формула и определение силы Архимеда для жидкости
На поверхность твердого тела, погруженного в жидкость, действуют силы давления. Эти силы увеличиваются с глубиной погружения, и на нижнюю часть тела будет действовать со стороны жидкости большая сила, чем на верхнюю.
Равнодействующая всех сил давления, действующих на поверхность тела со стороны жидкости, называется выталкивающей силой или силой Архимеда. Истинная причина появления выталкивающей силы — наличие различного гидростатического давления в разных точках жидкости.
Определение архимедовой силы для жидкостей звучит так:
Выталкивающая сила, действующая на тело, погруженное в жидкость, равна по модулю весу вытесненной жидкости и противоположно ему направлена.
Формула архимедовой силы для жидкости
ρж — плотность жидкости[кг/м 3 ]
Vпогр — объем погруженной части тела [м 3 ]
g — ускорение свободного падения [м/с 2 ]
На планете Земля g = 9,8 м/с 2 .
А теперь давайте порешаем задачки, чтобы закрепить, как вычислить архимедову силу.
Задача 1
В сосуд погружены три железных шарика равных объемов. Одинаковы ли силы, выталкивающие шарики? Плотность жидкости вследствие ничтожно малой сжимаемости на любой глубине считать примерно одинаковой.
Решение
Да, так как объемы одинаковы, а архимедова сила зависит от объема погруженной части тела, а не от глубины.
Задача 2
На графике показана зависимость модуля силы Архимеда FАрх, действующей на медленно погружаемый в жидкость кубик, от глубины погружения x. Длина ребра кубика равна 10 см, его нижнее основание все время параллельно поверхности жидкости. Определите плотность жидкости. Ускорение свободного падения принять равным 10 м/с 2 .
Решение
Сила Архимеда, действующая на кубик, равна FАрх = ρжgVпогр.
Vпогр. — объем погруженной части кубика,
ρж — плотность жидкости.
Учитывая, что нижнее основание кубика все время параллельно поверхности жидкости, можем записать:
где а — длина стороны кубика.
ρ = FАрх / ga 2 x
Рассматривая любую точку данного графика, получим:
ρ = FАрхga 2 x = 20,25 / 10 × 7,5 × 10 -2 = 2700 кг/м 3
Ответ: плотность жидкости равна 2700 кг/м 3 .
Условия плавания тел
Из закона Архимеда вытекают следствия об условиях плавания тел.
Погружение
Плавание внутри жидкости
Плавание на поверхности жидкости
Если плотность тела меньше плотности жидкости или газа — оно будет плавать на поверхности.
Почему корабли не тонут?
Корабль сделан из металла, плотность которого больше плотности воды. И, по идее, он должен тонуть. Но дело в том, что корпус корабля заполнен воздухом, поэтому общая плотность судна оказывается меньше плотности воды, и сила Архимеда выталкивает его на поверхность. Если корабль получит пробоину, то пространство внутри заполнится водой — следовательно, общая плотность корабля увеличится. Судно утонет.
В подводных лодках есть специальные резервуары, которые заполняют водой или сжатым воздухом. Если нужно уйти на глубину — водой, если подняться — сжатым воздухом. Рыбы используют такой же принцип в плавательном пузыре — наполняют его воздухом, чтобы подняться наверх.
Человеку, чтобы не утонуть, тоже достаточно набрать в легкие воздух и не двигаться — вода будет выталкивать тело на поверхность. Именно поэтому важно не тратить силы и кислород в легких на панику и борьбу, а расслабиться и позволить физическим законам сделать все за нас.
Формула и определение силы Архимеда для газов
На самом деле тут все очень похоже на жидкости. Начнем с формулировки закона Архимеда:
Выталкивающая сила, действующая на тело, погруженное в газ, равна по модулю весу вытесненного газа и противоположно ему направлена.
Формула архимедовой силы для газов
ρг — плотность газа [кг/м 3 ]
Vпогр — объем погруженной части тела [м 3 ]
g — ускорение свободного падения [м/с 2 ]
На планете Земля g = 9,8 м/с 2 .
Сила Архимеда для газов действует аналогично архимедовой силе для жидкостей. Давайте убедимся в этом, решив задачку.
Задача
Груз какой максимальной массы может удерживать воздушный шар с гелием объема 0,3 м 3 , находясь в атмосфере Земли? Плотность воздуха равна 1,3 кг/м 3 . Гелий считать невесомым.
Решение
Подставляем значения и получаем:
По второму закону Ньютона для инерциальных систем отсчета:
Выражаем массу груза и подставляем значения:
m = FАрх / g = 0,39 / 10 = 0, 039 кг = 39 кг
Ответ: груз максимальной массы 39 г может удержать данный шарик с гелием.
Когда сила Архимеда не работает
Архимедова сила не работает лишь в трех случаях:
Невесомость. Главное условие возникновения Архимедовой силы — это наличие веса у среды. Если мы находимся в невесомости, холодный воздух не опускается, а горячий, наоборот, не поднимается.
Тело плотно прилегает к поверхности. Отсутствие газа или жидкости между поверхностью и телом свидетельствует об отсутствии выталкивающей силы — телу просто неоткуда выталкиваться.
Растворы и смеси. Если взять спирт, плотность которого меньше плотности воды, и смешать его с водой, получится раствор. На него не будет действовать сила Архимеда, несмотря на то, что плотность спирта меньше плотности воды — он просто растворится.
Читайте также: