Temat

Prawo Archimedesa

Etap edukacyjny

Drugi

Podstawa programowa

I. Wykorzystanie pojęć i wielkości fizycznych do opisu zjawisk oraz wskazywanie ich przykładów w otaczającej rzeczywistości.

V. Właściwości materii. Uczeń:
9c) demonstruje prawo Archimedesa i na tej podstawie analizuje pływanie ciał; wyznacza gęstość cieczy lub ciał stałych.

Czas

45 minut

Ogólny cel kształcenia

Posługiwanie się pojęciem siły wyporu.

Kształtowane kompetencje kluczowe

1. Rozpoznawanie cech opisujących siłę wyporu.

2. Posługiwanie się prawem Archimedesa.

3. Przedstawianie przykładów wykorzystania prawa Archimedesa.

Cele (szczegółowe) operacyjne

Uczeń:

- rozpoznaje siłę wyporu i jej cechy,

- podaje treść prawa Archimedesa i przykłady jego zastosowania.

Metody kształcenia

1. Uczenie się przez obserwację.

2. Uczenie się przez eksperymentowanie.

Formy pracy

1. Praca indywidualna.

2. Praca z całą klasą.

Etapy lekcji

Wprowadzenie do lekcji

Wiemy już, że ciśnienie hydrostatyczne zależy od wysokości słupa cieczy, gęstości cieczy i przyspieszenia grawitacyjnego.

Gęstość ciała mierzymy jako stosunek masy ciała do jego objętości.

Ciężar ciała mierzymy za pomocą siłomierza lub odpowiedniej wagi.

Realizacja lekcji

Polecenie 1

Przyjrzyj się doświadczeniu wykonanemu przez nauczyciela.

Doświadczenie 1

Problem badawczy:
Czy woda wpływa na ciężar zanurzonego w niej ciała?

Hipoteza badawcza:
Rzeczywisty ciężar ciała nie ulega zmianie, ale pozorny ciężar ciała zanurzonego w wodzie jest mniejszy niż ciężar tego samego ciała znajdującego się w powietrzu.

Pomoce:

a) siłomierz;
b) statyw;
c) prostopadłościany o tych samych wymiarach, wykonane z różnych metali, np. z miedzi, aluminium i żelaza;
d) zlewka z wodą.

Przebieg:

1. Za pomocą siłomierza wyznacz ciężar tego prostopadłościanu.
2. Wynik zapisz w tabeli.
3. Zawieszony prostopadłościan zanurz całkowicie w zlewce z wodą; nie zanurzaj haczyka samego siłomierza.
4. Odczytaj ponownie wynik i zapisz wskazania siłomierza.
5. Wykonaj takie same pomiary dla pozostałych prostopadłościanów.

Zapisz wyniki doświadczenia w tabeli:

[Tabela 1]

Obserwacja:
Doświadczenie pokazało, że wskazania siłomierza podczas pomiaru, gdy ciało było zanurzone w wodzie, są mniejsze niż podczas pomiaru, gdy znajdowało się ono w powietrzu.

[Ilustracja 1]

Wnioski:

- Różnica między pomiarami nie zależy od materiału, z jakiego wykonane są prostopadłościany, i jest zawsze stała, pod warunkiem że ich objętości są takie same.
- Zaobserwowana prawidłowość dotyczy wszystkich cieczy.
- Na ciało zanurzone w dowolnej cieczy działa dodatkowa siła, która ma zwrot przeciwny w stosunku do siły grawitacji.  
- Siła ta nazywana jest siłą wyporu, a jej wartość nie zależy od rodzaju substancji, z której wykonane jest zanurzane ciało.

Polecenie 2

Podaj nazwy sił przedstawionych na rysunku:

[Grafika interaktywna]

Polecenie 3

Wykonaj doświadczenie wg podanego schematu.

Doświadczenie 2

Problem badawczy:
Od czego zależy siła wyporu?

Obserwacje:

a) Siła wyporu zależy od rodzaju cieczy, w której jest całkowicie zanurzone ciało.

[Ilustracja 2]

b) Siła wyporu zależy od objętości zanurzonego ciała.

[Ilustracja 3]

Polecenie 4

Wykonaj doświadczenie wg podanego schematu.

Doświadczenie 3

Doświadczenie wykonaj pod opieką osoby dorosłej.

Problem badawczy:

Od czego nie zależy siła wyporu?

Hipoteza:
Siła wyporu nie zależy od kształtu ciała, objętości cieczy, głębokości zanurzenia, masy ciała.

Pomoce:

a) zlewki o różnej objętości,
b) woda,
c) siłomierz,
d) kulka z plasteliny,
e) sznurek.

Instrukcja:

1. Zawieś kulkę na sznurku.
2. Wyznacz ciężar kulki za pomocą siłomierza.
3. Zanurz całkowicie kulkę w zlewkach o różnej objętości wody.
4. Odczytaj wskazania siłomierza.
5. Zanurz kulkę w wodzie - odczytaj wskazania siłomierza.
6. Zmień kształt kulki i powtórz działania z punktu 5.
7. Zanurz kulkę w cylindrze miarowym napełnionym wodą i odczytuj wartość siły wyporu na różnej głębokości zanurzenia kulki.

Obserwacje:

a) Siła wyporu nie zależy od kształtu ciała (punkt 6 instrukcji).

[Ilustracja 4]

b) Siła wyporu nie zależy od objętości cieczy, w której jest zanurzona (punkt 3 instrukcji).

[Ilustracja 5] 

Siła wyporu nie zależy od głębokości zanurzenia ciała (punkt 7 instrukcji).

[Ilustracja 6]

Wnioski:
Siła wyporu działająca na ciało zanurzone w cieczy zależy od gęstości cieczy i objętości zanurzonego ciała. Siła wyporu nie zależy od kształtu ciała, masy ciała, objętości cieczy, głębokości zanurzenia ciała. 

W oparciu o powyższe doświadczenia możemy sformułować treść prawa Archimedesa.

Na każde ciało zanurzone w cieczy działa siła wyporu zwrócona ku górze i równa pod względem wartości ciężarowi wypartej cieczy.

Wartość siły wyporu FIndeks dolny w_w obliczamy według wzoru:

gdzie:

d – gęstość wypartej cieczy;
V – objętość wypartej cieczy;
g – przyspieszenie ziemskie.

Polecenie 5

Odpowiedz na pytanie:

Czy prawo Archimedesa będzie słuszne dla ciał zanurzonych w gazie?

Zaproponuj sposób potwierdzenia słuszności prawa dla gazów.

Odpowiedź:

a) Prawo Archimedesa jest słuszne również dla ciał zanurzonych w gazie, ponieważ objętość gazu wypartego przez ciało też ma swój ciężar.

b) Prawo Archimedesa dla gazów można sprawdzić za pomocą balonu wypełnionego wodorem lub helem.

Podsumowanie lekcji

1. Siła wyporu działa na ciało zanurzone w cieczy lub gazie.
2. Siła wyporu jest skierowana zawsze z dołu ku górze.
3. Siła wyporu zależy od gęstości cieczy lub gazu i objętości ciała zanurzonego w cieczy lub gazie.
4. Prawo Archimedesa:

Na każde ciało zanurzone w cieczy (lub gazie) działa siła wyporu zwrócona ku górze i równa pod względem wartości ciężarowi wypartej cieczy (lub wypartego gazu).

5. Siłę wyporu możemy policzyć korzystając z wzoru:

gdzie:

d – gęstość wypartej cieczy;
V – objętość wypartej cieczy;
g – przyspieszenie ziemskie.