Проблемный урок на тему «Архимедова сила»

Рассматриваемая тема тесно связана с предыдущими темами: «Давление в жидкости и газе», «Атмосферное давление». При ее изучении учащиеся не встречаются с новыми физическими величинами, а имеют дело с величинами, ранее изученными, но в новых комбинациях. Поэтому они могут быть подведены к новой теме логическим путем.

Очевидно политехническое значение темы, поскольку на раскрываемых в теме закономерностях основано устройство водного транспорта и воздухоплавательных аппаратов.

Создание водного транспорта и изобретение воздухоплавательных аппаратов имеет длительную историю, которую раскрываем перед учащимися частично на уроках, более подробно — на внеклассных занятиях. Принцип историзма в преподавании находит здесь свое наглядное выражение.

В данной теме для изучения выделяются два основных вопроса:

• 1) действие жидкости и газа на находящееся внутри них тело — сила Архимеда;
• 2) поведение тел внутри жидкости и газа.

В нашей работе будет раскрыта методика изучения первого из названных вопросов.

Хотя сила Архимеда может быть вычислена теоретически из факта существования гидростатического давления и его зависимости от глубины, предпочтительнее вывести ее экспериментальным путем, во-первых, потому, что этот путь исходит от живого созерцания явления; во-вторых, потому, что он обеспечивает наибольшую активность класса при рассмотрении вопроса; наконец, потому, что в действительности закон был открыт Архимедом почти на две тысячи лет раньше расчета гидростатического давления.

На уроке, посвященном новой теме, в целях актуализации имеющихся знаний проводим фронтальный опрос по фактам, касающимся гидростатического давления. Раскрываем содержание следующих вопросов.

• 1. Как передают производимое на них давление твердые тела, жидкости и газы?
• 2. Чем объясняется имеющееся различие?
• 3. Как читается закон Паскаля?
• 4. Как на опыте показать, что давление внутри жидкости на разных уровнях разное, а на одном и том же уровне во всех направлениях одинаково?
• 5. Почему во многих случаях не принимают во внимание давление в газе, созданное весом этого газа?
• 6. От каких величин и как зависит давление жидкости на дно сосуда?
• 7. По какой формуле рассчитывают давление жидкости на стенки сосуда, давление внутри жидкости?
• 8. Чем объясняется существование атмосферного давления?

После этого повторения обращаем внимание учащихся на то, что в действительности внутри жидкости обычно находятся не отдельные геометрические площадки, а физические тела, ограниченные поверхностями разного направления, находящимися на разной глубине от поверхности жидкости. Каждая часть поверхности любого физического тела, находящегося внутри жидкости, испытывает со стороны жидкости определенное действие. Каково же будет общее действие жидкости на находящееся внутри нее тело? Возникает проблемная ситуация. Учитель объявляет, что исследование этого вопроса составит содержание урока и записывает на доске тему «Архимедова сила». Анализ проблемной ситуации подводит учащихся к тому, что для получения ответа на поставленный вопрос необходимо обратиться к опыту.

Опыт 1. К демонстрационному динамометру подвешивается гиря, и показывается растяжение пружины в воздухе. Затем груз погружают в сосуд с водой. На глазах учащихся растяжение пружины уменьшается. Учащиеся делают предварительный вывод.

Далее учитель путем фронтального опроса выясняет, какие у учащихся имеются жизненные наблюдения по данному явлению. На основе анализа опыта и жизненных наблюдений учащиеся делают вывод: вода производит на находящееся внутри нее тело или на погружаемое в нее тело выталкивающее действие. После этого возникает другой вопрос: от чего зависит значение данной силы? Вновь возникает проблемная ситуация, анализ которой позволяет сформулировать учебную проблему в виде конкретных вопросов.

1. Зависит ли значение выталкивающей силы от объема погружаемых тел при одной и той же их массе?

Опыт 2. Взяв два полых цилиндра разного объема и догрузив их дробью до одинаковых масс, прикрепляем их к коромыслу равноплечных весов и погружаем и то и другое тело в сосуды с водой.

Подъем конца рычага, к которому подвешен больший объем, позволяет сделать вывод: из двух тел одинаковой массы, погруженных в жидкость, на то из них действует большая выталкивающая сила, объем которого больше. Иными словами, выталкивающая сила зависит от объема, но не зависит от массы погружаемого тела.

2. Зависит ли значение выталкивающей силы от плотности жидкости?

Опыт 3. Уравновесив на равноплечном рычаге весов два тела одинакового объема и одинаковой массы, опускаем одно тело в обычную воду, другое — в концентрированный раствор соли.

Наблюдаем подъем того конца рычага, на котором находится тело, опущенное в соленую воду. Учащиеся делают вывод: значение выталкивающей силы увеличивается с увеличением плотности жидкости, в которое погружается тело.

3. Зависит ли значение выталкивающей силы от плотности погружаемого тела?

Постановка этого вопроса ведет к возникновению проблемной ситуации. Учащиеся не могут предложить опыт, с помощью которого можно было бы получить ответ на этот вопрос. Не могут они дать ответ на вопрос и на основе логических рассуждений. Поэтому говорим учащимся, что к решению проблемы можно будет вернуться после того, как получим ответ на основной вопрос темы: чему равно значение выталкивающей силы?

Вновь возникает проблемная ситуация. В процессе анализа ситуации некоторые учащихся предлагают теоретически вычислить значение выталкивающей силы; другие считают, что ответ на вопрос может быть получен опытным путем. Однако конкретного теоретического пути и опыта никто не предлагает. На помощь приходит учитель, который говорит, что ответ на вопрос можно получить, опираясь на эксперимент.

Опыт 4. Имеется пружинный динамометр, к которому прилагаются цилиндры — сплошной и полый; внутренний объем последнего равен объему сплошного цилиндра. Динамометр укрепляем на штативе. К пружине подвешиваем цилиндры. Растяжение пружины отмечаем на штативе, фиксируя, таким образом, вес системы в воздухе. Полностью помещаем сплошной цилиндр системы в жидкость, налитую в отливной сосуд до уровня отливной трубки. При этом часть жидкости из отливного сосуда выливается в стакан. Пружина сокращается, и указатель поднимается вверх, показывая тем самым уменьшение веса тела в жидкости. Этот факт учащиеся объясняют действием на тело выталкивающей силы со стороны жидкости. Учащимся задаем вопрос: чему равно значение выталкивающей силы? Анализ вопроса должен подвести учащихся к выводу, что для ответа на вопрос следует воспользоваться вытесненной жидкостью. Наливаем вытесненную жидкость в полый цилиндр системы. При этом последний до краев наполняется жидкостью, а указатель динамометра возвращается в первоначальное положение.

Анализ результатов опыта подводит учащихся к двум выводам:

• 1) тело, полностью погруженное в жидкость, вытесняет объем жидкости, равный своему объему;
• 2) выталкивающая сила, действующая на целиком погруженное в жидкость тело, равна весу жидкости в объеме этого тела.

Теперь учащиеся готовы для поиска ответа на вопрос: зависит ли выталкивающая сила от плотности погружаемого тела? Ответ на вопрос ищем, вновь опираясь на эксперимент.

Опыт 5. Алюминиевый и латунный цилиндры из набора для калориметрических работ имеют одинаковые объемы, но разные массы. Взвешиваем эти тела сначала в воздухе, затем — в воде. Результаты измерений записываем на классной доске. Вычислив разность между весом каждого тела в воздухе и в воде, делаем вывод: выталкивающая сила не зависит от плотности погружаемого в жидкость тела.

Жизненные наблюдения учащихся позволяют им задать вопрос: чему будет равна выталкивающая сила, действующая на тело, плавающее на поверхности жидкости? Вновь возникает проблемная ситуация, анализ которой позволяет сформулировать учебную проблему: как определить выталкивающую силу, действующую на тело, плавающее на поверхности жидкости?

Опыт 6. В отливной сосуд наливаем воду до уровня боковой трубки. После этого в сосуд погружаем плавающее тело (деревянный брусок), предварительно взвесив его в воздухе. Помещенное в жидкость тело вытесняет объем воды, равный объему погруженной в нее части тела. Взвесив эту воду, находим, что ее вес равен весу тела в воздухе. Делаем вывод: выталкивающая сила, действующая на тело, плавающее в жидкости, равна весу жидкости в объеме погруженной части тела.

На основе проделанных опытов формулируем общий вывод: выталкивающая сила, действующая на тело, погруженное в жидкость, равна весу жидкости в объеме погруженной части тела.

Говорим учащимся, что выталкивающую силу называют силой Архимеда (в честь древнегреческого ученого, впервые экспериментально изучившего данное явление).

Далее демонстрируем учащимся подъем в воздухе воздушного шара, наполненного газом, плотность которого меньше плотности воздуха.

На этой основе делается вывод, что выталкивающая сила действует на тела, погруженные не только в жидкость, но и в газ. Поскольку плотность газов в условиях, близких к нормальным, в сотни раз меньше плотности жидкостей, то выталкивающую силу, действующую на находящееся в газе тело, в большинстве случаев не замечаем и не учитываем. Данная сила становится практически значимой для тел, имеющих большие объемы. Именно на использовании силы Архимеда основано воздухоплавание с помощью воздушных шаров, наполненных теплым воздухом или другим менее плотным, чем воздух, газом.

Завершающим этапом изучения вопроса является формулировка закона Архимеда для жидкостей и газов: на тело, погруженное в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, равная весу жидкости или газа, вытесненного телом.

Записывается математическое выражение закона Архимеда:

где р — плотность жидкости или газа.

На следующем уроке закон Архимеда выводим теоретически, опираясь на факт существования гидростатического и аэростатического давления и его зависимости от глубины.

Таким образом, полученные на основе эксперимента результаты учащиеся имеют возможность доказать на основе теории, что, с одной стороны, позволяет учителю показать роль теоретического метода исследования в физике, а с другой — дает возможность развивать логическое мышление учащихся.

Контрольные вопросы и задания

• 1. В чем заключается различие между проблемными уроками физики в основной и средней школе?
• 2. Какова роль демонстрационного эксперимента на различных этапах проблемного урока?
• 3. Каковы преимущества проблемного урока в обеспечении прочности и действенности приобретаемых учащимися знаний?
• 4. Охарактеризуйте роль проблемного обучения в формировании у учащихся логических операций.