Сила Архимеда
методическая разработка по физике (11 класс)

Сила Архимеда

В большинстве учебников выталкивающая сила, или сила Архимеда изучается в 7 классе (исключение – УМК Н.С. Пурышевой и Н.Е. Важеевской) и больше к изучению этого вопроса не возвращаются. Тема считается усвоенной. Но задания на нее есть  в КИМах ОГЭ  и ЕГЭ… С одной стороны – тема простая, формула несложная. С другой стороны, встречаются задания расчетные и качественные, которые ученики «с разбегу» решить не могут, интуитивно понимают неверно.

При изучении и/или закреплении темы «Сила Архимеда» можно заполнить обобщающую таблицу.

Здесь введены следующие обозначения: - сила Архимеда, или выталкивающая сила, - сила тяжести,  – плотность жидкости,  - плотность тела, V - объем тела,  - погруженный объем, h - высота тела,  - глубина погружения (осадка).

Таблица «Условия плавания тел»

Заполнять ячейки таблицы можно вместе с учениками. Так как ученикам известна формула силы Архимеда  и силы тяжести   то, зная баланс сил, они легко записывают баланс плотностей. При заполнении первой строки им требуются подсказки, дальше задание им дается легче, появляется азарт. Можно попросить учащихся самостоятельно в столбце «Результирующая сила» нарисовать тело и указать направление этой результирующей, что будет способствовать усвоению материала.

В комментарии можно записать особенности результирующей силы, для утонувшего тела еще раз привести формулировку закона Архимеда (ученики зачастую испытывают затруднения при ее запоминании и осознании).

Отдельно стоит отметить для тел, имеющих плотность меньше, чем плотность окружающей среды как соотносятся плотность жидкости и плотность тела, объем тела и погруженный объем, высота тела и погруженная высота (осадка) .

Отметим ряд типичных логических ошибок при решении задач на выталкивающую силу:

1. Тело плавает при частичном погружении и переходит в среду с другой плотностью, оставаясь на поверхности.  Ошибочно считают, что выталкивающая сила меняется. (Правильный ответ- выталкивающая сила не меняется. Меняется погруженный объем и  глубина погружения (осадка) – если плотность среды увеличилась, то погруженный объем и осадка уменьшаются).
2.  Ошибочно считают, что выталкивающая сила зависит от плотности тел, от массы тела. Интуитивно осознают, что меняется условие плавания тела. А оно зависит от равнодействующей силы (результата действия силы тяжести и выталкивающей силы).
3. Выталкивающая сила для полностью погруженного в жидкость тела зависит от глубины погружения. Так как сила Архимеда изучается после темы «Давление жидкости» и проговаривается, что эта сила – есть сумма сил гидростатического давления, действующих на тела, логика ошибочно подсказывает, что и выталкивающая сила зависит от глубины погружения. Здесь следует обратить внимание учеников, что они будут правы, если полностью погруженное в жидкость тело заменить на частично погруженное, тогда чем больше глубина погружения (здесь ее можно называть осадкой), тем больше выталкивающая сила.

Уже в седьмом классе можно решать задания по данной теме, которые встречаются потом в ОГЭ и даже ЕГЭ, ведь арифметика здесь совсем несложная. Например, задачи на выбор правильных утверждений (2 из 5), причем следует обратить внимание учеников на то, что утверждения принципиально соответствующие истине, но не подтвержденные данными опытами выбирать не следует. Легко будут усвоены задачи на выбор экспериментальных установок для проверки определенной гипотезы (например, зависит ли сила Архимеда от объема тела – в установках отличаться должны только объемы тел, все остальные условия должны быть одинаковыми). Немного сложнее решаются учащимися обратные задачи, в которых описаны два эксперимента, нужно определить, какие гипотезы в них проверялись.

Подводя итог, хочется отметить еще раз, что в теме «Сила Архимеда» на любом этапе изучения физики в школе ученикам полезно будет заполнить и всегда держать под рукой обобщающую таблицу.  Стоит начать решать задачи формата ОГЭ и ЕГЭ по этой теме, начиная с 7 класса, что приведет к успешному усвоению этой темы и в дальнейшем к хорошим результатам на экзаменах.

Задача 1 (Задание 16)

Ученик провел эксперимент по изучению выталкивающей силы, действующей на тело, полностью погруженное в жидкость, причем для эксперимента он использовал различные жидкости и сплошные цилиндры разного объема, изготовленные из разного материала.

Результаты экспериментальных измерений объема цилиндров  и выталкивающей силы  (с указанием погрешности измерения) для различных цилиндров и жидкостей он представил в таблице.

Какие утверждения соответствуют результатам проведенных экспериментальных измерений? Из предложенного перечня утверждений выберите два правильных. Укажите их номера.

1) Выталкивающая сила зависит от плотности жидкости.

2) Выталкивающая сила не зависит от плотности материала цилиндра.

3) Выталкивающая сила увеличивается при увеличении объема тела.

4) Выталкивающая сила, действующая на тело при погружении в масло, больше выталкивающей силы, действующей на тело при погружении в воду.

5) Выталкивающая сила не зависит от объема тела.

Задача 2 (Задание 16)

Ученик провёл эксперимент по изучению выталкивающей силы. Для этого он использовал точный динамометр, стакан, три различные жидкости: воду, керосин и глицерин — и сплошной кубик с ребром a = 5 см. Погрешность шкалы динамометра равна 0,01 Н. Каждый раз ученик подвешивал к динамометру кубик и погружал его в жидкость ровно на половину объёма. Результаты экспериментальных измерений представлены на графике зависимости показаний динамометра от плотности ρ жидкости.

Какие утверждения соответствуют результатам проведённых экспериментов? Из предложенного перечня утверждений выберите два правильных. Укажите их номера.

1) При увеличении плотности жидкости выталкивающая сила, действующая на кубик, увеличивается.

2) При уменьшении плотности вещества кубика выталкивающая сила, действующая на него, уменьшается.

3) Плотность материала кубика примерно равна 2400 кг/м3.

4) Выталкивающая сила, действующая на кубик, не зависит от глубины погружения кубика.

5) Выталкивающая сила, действующая на кубик, зависит только от плотности жидкости и плотности кубика.

Задача 3 (Задание 16)

На практической работе по физике ученик проводил экспериментальные исследования для изучения силы Архимеда. Он погружал в воду кубик массой m так, что основание кубика было всегда параллельно поверхности жидкости, и измерял модуль силы Архимеда. Результатом этих исследований явился график зависимости отношения модуля действующей на кубик силы Архимеда к модулю силы тяжести  от глубины x погружения кубика (см. рисунок) и соответствующие этому графику выводы. Из предложенного перечня утверждений выберите два правильных. Укажите их номера.

1) Ребро кубика равно 4 см.

2) Отношение плотности кубика к плотности жидкости равно 4.

3) Кубик может плавать в жидкости.

4) Когда кубик плавает в жидкости, над поверхностью воды выступает 4 см.

5) Полностью погружённый кубик вытеснит объём жидкости 1 см3.

Задача 4 (задание 5)

К динамометру прикрепили цилиндр, как показано на рисунке 1. Затем цилиндр полностью погрузили в воду (рисунок 2).

Определите объём цилиндра. Ответ запишите в кубических сантиметрах.

Задача 5 (задание 5)

Сосновый брусок в форме прямоугольного параллелепипеда, имеющего размеры a = 30 см, b = 20 см и c = 10 см, начинают осторожно опускать в ванну с водой (как показано на рисунке). Чему будет равна глубина погружения бруска в воду при плавании? Ответ дайте в см. (Плотность сосны ).

Задача 6 (задание 5)

Чему равен объем рыбы, плавающей в морской воде, если на нее действует выталкивающая сила 10,3 Н? Ответ дайте в м3 без указания единиц измерения. Плотность морской воды равна 1030 кг/м3.

Задача 7 (Задание 15)

Необходимо экспериментально проверить, зависит ли выталкивающая сила от плотности погружаемого в воду тела. Какие из указанных тел можно использовать для такой проверки?

1) А и Г

2) Б и В

3) А и Б

4) В и Г

Задача 8 (Задание 15)

Какой(-ие) из опытов Вы предложили бы провести, чтобы доказать, что сила Архимеда зависит от плотности жидкости, в которую погружено тело?

А. Показать, что выталкивающая сила изменится в случае, если одно и то же тело сначала полностью погрузить в сосуд с жидкостью одной плотности, а затем — полностью погрузить в сосуд с жидкостью другой плотности.

Б. Показать, что выталкивающая сила изменится, если в сосуд с водой сначала полностью погрузить тело одной плотности, а затем полностью погрузить тело другой плотности, но той же массы.

1) только А

2) только Б

3) и А, и Б

4) ни А, ни Б

Стоит обсуждать задачи типа «утонет ли медный шарик в расплавленном свинце?».