VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Инновационный подход к определению выталкивающей силы Архимеда
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Актуальность:
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.
Цель работы:
Предложить упрощенный способ для измерения выталкивающей силы жидкости с повышенной точностью.
Задачи работы:
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].
Ра = ρ g V ;
где: Ра— 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 Раи сила натяжения нити Рн. Однако из третьего закона Ньютона следует, что “всякому действию соответствует равное и противоположно направленное противодействие”. Из рисунка видно, что сила Архимеда Ра 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 Ра, направленную вертикально вверх, а ее реакцию Rа равную по модулю силе Архимеда Ра и направленную в противоположную сторону (вниз), воздействуя на чашу весов. Заметим, что на чашу весов передаётся также вес сосуда с жидкостью Gж и, соответственно, возникает ответная реакция со стороны чаши весов Rвес , направленная вверх (Rвес = Gж ), 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, Ра рис.4, действующую на погруженное в жидкость тело, равную по модулю величине реакции силы Архимеда Rа, рис.2, действующей на дно сосуда и, соответственно, на чашу весов. Уравнение сил запишем следующим образом:
G+ Rа = Pн + Ра , или: Rа = Pн+ Ра - G
Где: Rа – 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/см3. 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.
Заключение
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 RА. 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..
Список литературы:
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.