Методика преподавания темы: «Давление твёрдых тел, жидкостей и газов» в 7 классе

1.Поурочное тематическое планирование учебного материала

2.Основные понятия и законы темы

2.1 Основные понятия

2.2 Законы темы

3.Методика формирования понятий и законов

3.1 Давление

3.2 Давление газа

3.3 Передача давления жидкостями и газами. Закон Паскаля

3.3.1 Свойства жидкостей и газов

3.3.2 Закон Паскаля

3.3.3 Гидравлический пресс

3.4 Давление в жидкости и газе при действии на них силы тяжести

3.4.1 Давление жидкости на дно и стенки сосуда

3.4.2 Давление внутри жидкости

3.4.3 Расчёт давления жидкости

3.4.4 Давление жидкости в сосудах произвольной формы

3.4.5 Сообщающиеся сосуды

3.4.6 Применение сообщающихся сосудов

3.4.7 Шлюзы

3.5 Вес воздуха. Атмосферное давление

3.5.1 Барометры

3.5.2 Насосы. Водяной поршневой насос

3.5.3 Воздушные поршневые насосы

3.5.4 Манометры

3.6 Архимедова сила

3.7 Плавание тел в жидкости

3.7.1 Ареометры

3.8 Воздухоплавание

3.9 Обобщение Заключение Список используемой литературы

Введение

урок физика давление

Тема «Давление твердых тел, жидкостей и газов» в курсе физики VII класса является одной из наиболее интересных для учащихся. Этот интерес обусловлен необычностью, новизной изучаемых явлений, первой встречей их с понятием «физический закон», большой связью изучаемого материала с жизнью, техникой. При учении данной темы учащиеся получают особенно яркие представления о применении изучаемых явлений и законов на практике. Безусловно, интерес к изучению темы стимулируется также разнообразием опытов, которые демонстрирует учитель (атмосферное давление, передача давления жидкостями и газами, архимедова сила, плавание судов, воздухоплавание и т. д.), а также опытами и наблюдениями, которые учащиеся выполняют на уроках и в процессе выполнения домашних заданий.

Учителю необходимо стремиться к тому, чтобы полнее использовать возможности, заложенные в содержании темы, для поддержания и развития познавательного интереса учащихся и решения задач политехнического обучения.

Следует иметь в виду, что многие вопросы темы, например закон Паскаля, архимедова сила, изучаются в средней школе только один раз, в VII классе. Это обстоятельство накладывает на учителя особую ответственность.

Цель работы: Рассмотреть особенности темы «Давление твёрдых тел, жидкостей и газов» и методику формирования основных ее понятий и законов.

Задачи:

· Выявить особенности преподования темы «Давление твёрдых тел, жидкостей и газов»;

· Рассмотреть методику формирования основных ее понятий;

· Рассмотреть методику формирования законов.

При решении задач курсовой работы я пользовался следующими литературными источниками информации: методика преподавания физики в 7—8 классах средней школы: Пособие для учителя / А. В. Усова, В. П. Орехов, С. Е. Каменецкий и др.; методика преподавания физики в средней школе: Частные вопросы: Учеб. пособие для студентов пед. ин-тов по физ.-мат. спец./С. В. Анофрикова, М. А. Бобкова, Л. А. Бордонская и др.; теория и методика обучения физике в школе: Частные вопросы: Учеб. пособие для студ. пед. вузов / С. Е. Каменецкий, Н. С. Пурышева, Т. И. Носова;

Н.С.Пурышева, Н. Е. Важеевская: Физика 7кл.-М.: «Дрофа», 2001; сетью интернет.

1.Поурочное тематическое планирование учебного материала

В программе основной школы тема «Давление твёрдых тел, жидкостей и газов» изучается в III четверти. Учебный материал этой темы расположен в следующей последовательности:

1) давление твёрдого тела на твёрдое. При этом рассматриваются только те случаи, когда поверхность соприкосновения тел расположена горизонтально. Здесь вводятся понятие о давлении, единице давления — 1 Па;

2) передача давления жидкостью и газом (Закон Паскаля);

3) давление жидкости, обусловленное притяжением Земли (весовое давление). Здесь вводят формулу для расчёта давления жидкости на данном уровне () и рассматривают свойство сообщающихся сосудов;

4) давление газа, обусловленное притяжением Земли (весовое давление). Здесь вводят понятие «атмосферное давление», рассматривают способы измерения давления газов;

5) выталкивающее действие жидкости и газа на погружённое в них тело (вводят понятие «архимедова сила» и формулу для расчёта её значения (); рассматривают условия плавания тел).

Таблица 1

2.Основные понятия и законы темы

2.1 Основные понятия

Давление — величина, равная отношению силы, действующей перпендикулярно поверхности, к площади этой поверхности.

или ,

где p — давление, F — сила, действующая на поверхность, и S — плошадь поверхности.

Атмосферное давление — давление, которое оказывает атмосфера Земли на все находящиеся в ней предметы.

Архимедова сила — сила выталкивающая тело из жидкости или газа. (Тело погружённое в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, направленная вертикально вверх, численно равная весу жидкости или газа, вытесненного телом, и приложенная в центр тяжести погружённой части тела).

2.2 Законы темы

Закон Паскаля. Давление, производимое на жидкость или газ, передаётся без изменения в каждую точку жидкости или газа.

3.Методика формирования понятий и законов

3.1 Давление

Следуя логике изложения материала в учебнике, показывают, что «результат действия силы» зависит и от абсолютного значения силы, и от площади поверхности тела, на которую действует сила. При этом под «результатом действия силы» понимают деформацию тел при их взаимодействии.

Из жизненного опыта учащимся хорошо известно, что человек тяжелой ношей глубже проваливается в снег, чем без ноши, на лыжах? меньше, чем без лыж.

Наблюдения школьников дополняют демонстрацией: на влажный песок ставят столик и нагружают его гирей; ножки стола заметно погружаются в песок. После этого переворачивают столик крышкой низ и вновь ставят на него тот же груз? столик совсем незначительно вдавливается в песок.

Следовательно, для полной характеристики результата действия силы на опору необходимо одновременно учитывать абсолютное значение силы и площади опоры, на которую это действие распределяется. Для этого вычисляют значение силы, приходящейся на единицу площади. Таким образом обосновывают необходимость введения физической величины? давления.

Указывают единицы давления: 1 Н/м2, получившую наименование «паскаль» (обозначение Па), и 1 Н/см2. Последняя единица более наглядна. Соотношение между ними определяют алгебраическим способом:

Из определения следует формула:

или ,

Для создания наглядных образов полезно познакомить учащихся с различными давлениями, встречающимися в технике, природе и быту (гусеничный трактор на почву — 4? 6 Н/см2, колеса вагона па рельсы? 30 000 Н/см2, человек при ходьбе — 30? 40 Н/см2).

Нужно также рассмотреть различные примеры, показывающие, как на практике увеличивают, или уменьшают давление (заточка режущего инструмента, устройство широких фундаментов).

Полезно обратиться к примерам, которые показывают, что давление могут производить силы, имеющие в пространстве самые различные направления. Например, сила давления книги на стол вертикальна; сила давления тисков на деталь обычно горизонтальна; сила давления лезвий кусачек на проволоку может быть направлена как угодно в пространстве. Но во всех случаях сила давления перпендикулярна той поверхности, на которую действует.

В результате анализа рассмотренных примеров осуществляют четкое разграничение существенного признака силы давления (перпендикулярность ее к поверхности) от несущественных признаков (ориентация вектора силы в пространстве).

Анализ рассмотренных примеров важен для предупреждения распространенной ошибки в усвоении данного понятия, заключающейся в том, что силу давления отождествляют с весом тела.

Для закрепления и углубления полученных знаний решают задачи:

1. Сила тяжести, действующая на штатив, 30 Н, площадь подставки 300 см². Какова сила давления и давление штатива на стол?

2. Какое давление оказывает прямоугольный брусок на стол, если его класть различными гранями?

При решении второй задачи с помощью динамометра определяют вес бруска, а затем находят площадь трех различных граней. Задачу полезно решить с помощью фронтального эксперимента. Невольные затруднения у учащихся возникают тогда, когда по условию задачи оказывается, что незначительная сила, например сила давления на шило 50 Н, может создавать давление в миллионы ньютонов на квадратный сантиметр.

В связи с решением указанных задач и для пояснения действия колющих и режущих инструментов можно показать следующие опыты.

Сквозь пробку продевают иголку и ставят ее на медную пластинку, пробивая последнюю ударом молотка по игле.

Показывают кернер и с его помощью наносят углубления по риске на металлической пластинке.

В целях расширения политехнического кругозора учащихся полезно рассказать им о том, что при высоких давлениях достигают существенных изменений свойств вещества. Например, стальная проволока, получаемая под давлением 20 ГПа, оказывается во много раз прочнее проволоки, полученной обычным методом протяжки. Колоссальные давления создаются самыми различными способами, в том числе с помощью взрывов. Используя эти давления, только в Институте гидродинамики; Сибирского отделения АН СССР создали большое количество различных металлов и сплавов с удивительными свойствами.

Для самостоятельного чтения ученикам можно рекомендовать «Занимательную физику» Я. И. Перельмана. Учащиеся с интересом прочтут такие разделы, как «Почему заостренные предметы колючи», «Наподобие Левиафана» и др.

Аналогичный материал для оживления преподавания нужно использовать и на уроке.

Для домашних самостоятельных работ рекомендуются задачи.

3.2 Давление газа

Основная задача урока? показать на основе молекулярно-кинетической теории причину существования давления в газах.

Давление газа на стенки сосуда объясняют ударами движущихся молекул. Тот факт, что во время удара одно тело с некоторой силой действует на другое, для учащихся понятен по жизненному опыту. Удар отдельной молекулы производит незаметное действие на стенку. Но число молекул газа в сосуде огромно, и они движутся с «большими скоростями. Поэтому результирующее действие всех молекул оказывается значительным.

Естественно предположить, что давление газа тем больше, чем больше число молекул в единице объема (т. е. плотность газа) и чем больше скорость молекул.

Для подтверждения этого вывода можно показать следующий опыт с пробковым пистолетом (Приложение, рис. 1). Уменьшив с помощью палочки объем воздуха между пробками, мы тем самым увеличиваем плотность воздуха в трубке в соответствии с формулой:? и, следовательно, его давление, что наглядно подтверждается следующим за этим выстрелом.

Ряд примеров увеличения давления при повышении плотности газа могут привести сами учащиеся (увеличение давления воздуха при его нагнетании в футбольную камеру или камеру велосипеда).

Зависимость давления газа от скорости молекул также понятна учащимся, но связать его с температурой школьники сами не смогут. Эти сведения им должен сообщить учитель, опираясь на эксперимент и имеющийся опыт детей.

Многим учащимся известно, что давление в велосипедных камерах, нагретых лучами солнца, возрастает так, что они могут лопнуть. Ученики правильно объясняют это: «при нагревании газ расширяется». Задача учителя? глубже разъяснить причину данного явления. Она заключается в увеличении скорости движения молекул при повышении температуры газа, в результате чего увеличивается число ударов молекул о стенки и сила каждого удара.

Для пояснения можно проделать опыт с дилатометром (Приложение, рис. 2). Баллон дилатометра нагревают рукой или на спиртовке (соблюдая необходимую предосторожность), закрыв отверстие стеклянной трубки, в которой находится подкрашенная капля жидкости. Открыв через некоторое время отверстие трубки, наблюдают, как возросшее давление нагретого воздуха выталкивает каплю наружу.

Для проверки знаний учащихся по теме «Движение и силы» проводят итоговую контрольную работу.

Для проверки умений пользоваться измерительными приборами в ряд вариантов контрольной работы авторы пособия включили задания, требующие по рисункам мензурок и динамометров произвести соответственно определение объемов и веса тел. Указанные задачи можно заменить или дополнить практическим заданием или экспериментальной задачей.

3.3 Передача давления жидкостями и газами. Закон Паскаля

3.3.1 Свойства жидкостей и газов

При рассмотрении с учащимися основных свойств жидкостей вспоминают, что жидкости сохраняют объем и принимают форму сосуда, в который они налиты. Эти свойства жидкостей обусловлены особенностями их молекулярного строения и характером движения молекул? большой их подвижностью. Подвижностью молекул объясняют и текучесть жидкостей.

Связав текучесть жидкостей с их молекулярным строением и характером движения молекул, можно легко подвести учащихся к выводу о том, что текучесть разных жидкостей различна. Предположение проверяют с помощью опыта. Показывают различную текучесть воды, машинного масла, густой краски. Обращают внимание школьников на то, что при переливании «густой» жидкости вначале образуется возвышенность, но затем уровень жидкости становится горизонтальным. (Можно предложить учащимся дома, используя небольшие стеклянные трубочки и кусочки резиновой трубки, исследовать степень текучести различных жидкостей, например, воды и растительного масла.)

Далее уточняют, что вследствие подвижности частиц и действия сил взаимного притяжения между ними жидкости могут образовывать маленькие капельки. Обращают внимание учащихся на сферическую форму жидкости в условиях невесомости в космическом корабле.

Изучение свойств газов представляет некоторую трудность по сравнению с изучением свойств жидких и твердых тел. Школьники имеют о газах только самые общие и не всегда правильные представления. Кроме того, проведение опытов с газами сложнее, чем с жидкостями: многие газы бесцветны, их труднее «подкрасить», сохранить в открытых сосудах.

Изучение свойств газов начинают с повторения их основных свойств, которые сопоставляют со свойствами жидкостей. Газы, так же как и жидкости, не имеют определенной формы, но стремятся занять, возможно, больший объем. Показывают, что воздух заполняет всё свободное пространство, которое не занято другими телами. Для этого опускают в воду вверх дном стакан; поднимая постепенно стакан, наблюдают расширение воздуха. Объясняют это большой подвижностью частиц газа.

Отмечают, что благодаря текучести газ может перемещаться по трубам, как жидкость. В связи с этим в воспитательных и образовательных целях кратко можно рассказать о нефтеи газопроводах и их значении в народном хозяйстве. По газопроводу газ из Саратовской области поступает в Москву и другие города, из Бухары? в уральские города.

Обращают внимание учащихся, что жидкости и газы могут находиться в состоянии равновесия или быть в движении. Приводят примеры этих состояний для жидкостей и газов и указывают, что законы движения жидкостей и газов изучают в старших классах, в VII же классе рассматривают лишь жидкости и газы, которые находятся в равновесии (жидкости и газы в замкнутых сосудах, вода в непроточных прудах и озерах, воздух в безветрии).

3.3.2 Закон Паскаля

Закон Паскаля? основной закон гидрои аэростатики. Давление, производимое внешними силами на жидкость или газ, находящиеся в замкнутом сосуде, передается одинаково во всех направлениях.

При изучении закона Паскаля вначале рассматривают вопрос о давлении газов, уже знакомый учащимся по теме «Движение и силы». Учащиеся должны вспомнить, что давление газа на стенки сосуда или на находящиеся в нем тела обусловлено ударами молекул и зависит от их числа (плотности газа) и скорости движения (температуры).

Далее школьники узнают, что в замкнутом сосуде давление газа всюду одинаково. Объясняют это хаотичностью движения молекул, обусловливающей одинаковую плотность газа во всем объеме и одинаковую в среднем общую силу их ударов на единицу площади. При этом учащиеся должны знать, что давление газа, как и всякое давление, перпендикулярно стенкам сосуда или поверхности находящегося в нем тела.

Используя знания о взаимодействии молекул, выясняют, что между молекулами возникают упругие силы отталкивания. Жидкость ведёт себя подобно сжатой пружине или куску резины и поэтому давит на сжимающую ее оболочку.

Благодаря подвижности молекул, давление в жидкости во все стороны передается одинаково.

Вывод подкрепляют опытом с шаром Паскаля, обращая внимание на то, что внешнее давление на поршень производилось в одном направлении, вода вытекала по всем направлениям перпендикулярно соответствующим участкам поверхности.

Далее показывают опыт с шаром Паскаля, наполненным дымом. Опыт протекает быстро, поэтому повторяют его 2? 3 раза на фоне классной доски с боковым освещением.

Опыт можно поставить не менее выразительно и на самодельном приборе (Приложение, рис. 3), состоящем из полужесткой пластмассовой бутылки 1, в пробку которой вставлена трубка резиновой груши 2. Груша имеет ряд отверстий, прожженных тонкой накаленной проволокой. (Вместо бутылки 1 можно также использовать вторую резиновую грушу, соединив ее с первой резиновой трубочкой.)

Для демонстрации передачи давления газами грушу с воздухом погружают в стеклянный сосуд с водой и наблюдают за пузырьками воздуха, выходящими изо всех отверстий, когда надавливают на бутылку.

Можно показать также опыт с медленным выдуванием мыльного пузыря, который растягивается одинаково во все стороны.

Для закрепления полученных знаний решают качественные задачи:

1. Действует ли на искусственном спутнике Земли закон Паскаля?

2. В одних велосипедных насосах отверстия для шланга делают в дне цилиндра, а в других? сбоку. Зависит ли от этого давление нагнетаемого в камеру воздуха?

Как пример практического применения закона Паскаля для жидкостей рассматривают гидравлическую машину.

Хорошую модель гидравлической машины (Приложение, рис. 4) нетрудно собрать, используя два медицинских шприца с разной площадью сечения цилиндров. Из опыта делают вывод, что гидравлическая машина дает выигрыш в силе во столько раз, во сколько раз площадь большего поршня больше площади малого поршня.

После этого можно решить задачу:

Отверстия сосуда (Приложение, рис. 5) закрыты поршнями. Площадь малого поршня 10 см², большого — 50 см². На малый поршень действует сила 10 Н. Какой массы груз нужно поместить на большой поршень, чтобы жидкость осталась в равновесии?

3.3.3 Гидравлический пресс

При изучении пресса используют действующую модель пресса. Положив на поршень пресса деревянный брусок или кусок кирпича, сжимают и разрушают его. С помощью расчетов показывают, какую силу может развить пресс. В заключение демонстрируют кинофильм «Гидравлический пресс» и проводят беседу по его содержанию. Желательна также экскурсия для ознакомления с работой пресса.

В качестве самостоятельной работы в классе или дома можно дать учащимся задание разобрать устройство гидравлического домкрата, гидравлического и пневматического тормозов и отбойного молотка.

3.4 Давление в жидкости и газе при действии на них силы тяжести

3.4.1 Давление жидкости на дно и стенки сосуда

Учащимся показывают открытый цилиндрический сосуд с жидкостью и ставят задачу доказать путем рассуждений и на опыте, что жидкость давит на дно и стенки сосуда.

Существование давления жидкости на дно учащимся очевидно. Однако и в этом случае нелишне показать существование давления на опыте, наливая воду в цилиндр, дно которого затянуто резиновой перепонкой (Приложение, рис. 6, а).

Далее в процессе беседы с классом устанавливают, что каждый слой жидкости вследствие действия на него силы тяжести давит на нижележащие слои подобно поршню в гидравлическом прессе. Это давление по закону Паскаля передается без изменения по всем направлениям: вниз, вбок, вверх. Следовательно, жидкость должна давить не только на дно, но и на стенки сосуда.

Предлагают учащимся придумать опыты, которые бы подтвердили данное предположение. По аналогии с опытом, показанным на рисунке 6, а, учащиеся обычно «придумывают» опыты, схемы которых даны на рисунке 6, б, в (Приложение). Нагляден также опыт с двумя динамометрами и сосудом из полиэтиленового мешочка, заполненного жидкостью и зажатого лапками штатива (Приложение, рис. 7).

3.4.2 Давление внутри жидкости

Понятие о давлении внутри жидкости более абстрактно, чем понятие о давлении на дно или стенки сосуда, поскольку здесь нет в явном виде площадки, на которую давит жидкость.

Внимание учащихся обращают на то, что внутри жидкости оказывается сжатым любой ее слой. Поэтому он давит по всем направлениям на соседние слои. Ставят задачу обнаружить давление внутри жидкости на опыте. В учебнике («Физика-7» А. В. Перышкина и Н. А. Родиной, § 37, с. 76) для этого предложен интересный прием: пустые сосуды, подобные изображенным на рисунке 6, помещают в более широкий сосуд с жидкостью. Прогибание пленки доказывает существование давления внутри жидкости. Этот опыт прост и нагляден по своей идее. Однако при его практической постановке в школе неизбежно возникают трудности: нелегко подобрать сосуды таких размеров, чтобы прогиб пленки был хорошо виден всему классу.

Поэтому можно использовать также и известный опыт (Приложение, рис. 8) с резиновым капсюлем а, хотя при этом и приходится пользоваться незнакомым пока для учащихся жидкостным манометром.

Сначала учащимся показывают капсюль. Для демонстрации действия прибора его присоединяют с помощью трубки б к открытому водяному манометру и надавливают на резиновую пленку пальцем. Наблюдают изменение уровня воды в коленах манометра. Затем опускают капсюль в сосуд с жидкостью, например с водой, и показывают, что в любом месте внутри жидкости существует давление, которое на одной и той же глубине одинаково по всем направлениям.

С помощью опытов (см. рис. 8, Приложение) показывают также зависимость давления от глубины и плотности жидкости.

Для закрепления материала решают следующую задачу:

На рисунке 9 (Приложение) показаны сосуды с различными жидкостями. Укажите, в каких сосудах давление на дно больше и почему.

О давлении на дно сосудов учащиеся должны судить по высоте (глубине) жидкости и ее плотности.

3.4.3 Расчёт давления жидкости

Вначале, используя знания учащихся о расчете давления твердых тел, вычисляют силу давления и давление жидкости на дно прямоугольного сосуда. Для этого можно дать следующие задачи:

1. В сосуд прямоугольной формы с площадью дна 20 X 30 см налит керосин до высоты 50 см. Определите массу и давление керосина на дно.

Решение. Сила давления равна весу Р жидкости, налитой в сосуд. Для определения веса нужно знать массу жидкости:

По таблицам находим ,

Давление. Площадь дна S = 20 см-30 см 600 см²,

2. Рассчитайте давление керосина на дно по условиям предыдущей задачи, если в нем не будут указаны размеры дна.

Решение сводится к определению массы, а затем веса столба керосина площадью основания 1 см² и высотой 50 см.

Совпадение ответов задач 1 и 2 должно убедить учащихся в правильности второго, более экономного и, главное, более общего правила для подсчета давления жидкости на заданной глубине. На этой основе дают формулу: .

3.4.4 Давление жидкости в сосудах произвольной формы

Зарисовывают на классной доске сосуды, применяющиеся в приборе для демонстрации гидростатического парадокса (Приложение, рис. 10), и ставят перед учащимися вопрос: «С одинаковой или различной силой давит жидкость на дно сосудов?»

Обычно учащиеся полагают, что наибольшее давление на дно оказывает жидкость в сосуде б и наименьшее? в сосуде в.

Ответ проверяют на опыте и опровергают предположения учащихся. Возникает проблемная ситуация.

Результаты опыта объясняют, пользуясь законом Паскаля, особо подчеркивая, что давление передается от слоя к слою по всем направлениям независимо от формы сосуда. Давление зависит только от высоты и плотности жидкости. При одной и той же высоте оно одинаково во всех трех сосудах. Одинакова и сила давления, так как сосуды имеют равную площадь дна.

Для закрепления материала решают задачи:

1. Будет ли работать в состоянии невесомости гидравлический пресс?

При решении этой задачи выясняют, что давление, обусловленное весом жидкости, не имеет значения для работы гидравлической машины. Машина работает в результате передачи жидкостью внешнего давления, оказываемого на поршень.

2. Вычислите давление, которое оказывает на дно вода в стакане (произвести для этого все необходимые измерения).

3. Сосуды, изображенные на рисунке 11 (Приложение), имеют равные площади дна. В левый сосуд налита вода массой 10 кг, а в правый? массой 500 г. В каком сосуде вода давит на дно с большей силой?

4. На рисунке 12 (Приложение) показаны два одинаковых сосуда. На дно сосуда б поставлена гиря массой 200 г, а в сосуд а налита вода массой 200 г. С одинаковой ли силой давят на дно гиря и вода? Ответ обоснуйте.

Для экономии времени рисунки 9, 11, 12 (Приложение) полезно заготовить заранее на листах бумаги или на кодограмме.

Материал об исследованиях морских глубин дан в учебнике для дополнительного чтения. Учащиеся при желании могут изучить его самостоятельно дома или на уроке. К уроку можно подготовить выступления 1? 2 учеников о водолазных устройствах и подводных работах.

3.4.5 Сообщающиеся сосуды

Понятие о сообщающихся сосудах можно дать на примере сосудов, сделанных из прямых стеклянных трубок, соединённых резиновой трубкой такой длинны, чтобы их можно было поднимать и опускать. Трубки заполняют подкрашенной водой. Затем полезно одну из трубок заменить зигзагообразной и показать, что и в этом случае однородная жидкость устанавливается на одном уровне. Для объяснения явления делают рисунок на доске и рассматривают давление столбов жидкости в каждом сосуде на площадку, а (Приложение, рис. 13). Так как жидкость не перемещается из одного колена трубки в другой, следовательно, давление на площадку справа и слева одинаково, что может быть только при условии одинаковой высоты столбов однородной жидкости.

Изучение этого вопроса можно поставить и по-другому — начать не с эксперимента, а с теоретических рассуждений, заставив учащихся самостоятельно прийти к нужному выводу, а затем проверить его опытом.

В ознакомительном плане на примере конкретного опыта можно рассмотреть равновесие разнородных жидкостей в сообщающихся сосудах. При этом лучше взять тот случай, когда жидкости в сообщающихся сосудах. При этом лучше взять тот случай, когда жидкости в нижней части сосудов находящихся на одном уровне (Приложение, рис.14). По аналогии с рисунком 13 (Приложение) заключают, что давление жидкости справа и слева на площадку, а равны. Далее не трудно догадаться, что высота более лёгкой жидкости, имеющей меньшую плотность, будет больше. А измерения и расчёты покажут, то высоты жидкостей в сообщающихся сосудах обратно пропорциональны их плотностям.

3.4.6 Применение сообщающихся сосудов

Одним из важных применений сообщающихся сосудов является водопровод. Желательно в ознакомительном плане дать учащимся общее представление о водопроводе, например, с помощью модели, изготовленной из стекла (Приложение, рис. 15).

Если предоставиться возможность, то можно провести экскурсию на водопроводную станцию.

3.4.7 Шлюзы

Учащимся предлагается самостоятельно по рисункам объяснить действие шлюзов. В связи с этим вопросом рассказывают о единой Европейской водной системе России, о грандиозных стройках и планах строительства гидротехнических сооружений в нашей стране.

На дом следует рекомендовать выполнение интересных индивидуальных экспериментальных заданий: изготовление из стеклянных и резиновых трубок сообщающихся сосудов и проверку с их помощью горизонтальности линий поверхности стола, подоконника и т. п.; изготовление модели фонтана и водомерного стекла и т. д.

3.5 Вес воздуха. Атмосферное давление

Понятию об атмосферном давлении следует предпослать опыты, подтверждающие наличие веса у воздуха.

Первоначальное понятие об атмосферном давлении, а также о способах его измерения учащиеся получают еще в V классе на уроках географии. Поэтому, сравнивая свойства жидкостей и газов, ученики могут самостоятельно объяснить причину возникновения атмосферного давления. Задача же учителя? углубить имеющиеся у школьников сведения, на основе полученных ими знаний о молекулярном строении газов и силе тяжести.

В ознакомительном плане следует рассказать учащимся об изменении атмосферы с высотой, отсутствии атмосферы на Луне и малых планетах, об атмосфере Венеры и исследовании ее с помощью советских автоматических станций.

После такого обзора следует перейти к анализу конкретных опытов и наблюдений.

Воронку затягивают тонкой резиновой пленкой (Приложение, рис. 16) и через трубку откачивают из нее воздух. Перепонка прогибается внутрь. Ученики должны сами объяснить действие на перепонку атмосферного давления. Нередкое у учащихся бытовое объяснение явления («пленка всасывается») должно быть исправлено.

Показывают, как поднимается вода в стеклянной трубке вслед за поршнем.

В связи с этим опытом можно кратко рассказать об истории открытия атмосферного давления.

Повторяют расчет давления жидкости на дно сосуда. Показывают, что рассчитать величину атмосферного давления таким же способом невозможно. Поэтому величину атмосферного давления не рассчитывают, а измеряют с помощью барометров.

После этого показывают кинофрагмент «Опыт Торричелли».

Для того чтобы учащиеся наглядно представляли себе значение атмосферного давления, нужно выразить нормальное атмосферное давление в ньютонах на квадратный сантиметр.

При решении этой задачи рассуждают следующим образом.

Атмосферное давление равно давлению, которое оказывает столб ртути высотой 760 мм. Допустим, площадь столба равна 1 см². Тогда давление равно весу ртутного столба Р:

Но вес столба ртути численно равен атмосферному давлению, следовательно, p?10 Н/см2.

Школьники должны знать, что атмосферное давление на уровне моря примерно равно 10 Н/см2.

Для закрепления полученных понятий можно показать ряд эффектных опытов, которыми так богата данная тема. В том числе Обычно показывают исторические опыты с магдебургскими тарелками (Приложение, рис. 17) и цилиндром Герике (Приложение, рис. 18). Последний опыт можно показать без насоса, предложив ученику вдыхать в себя воздух из цилиндра через чистый конец резиновой трубки. Учащиеся бывают поражены тем, что одним вдохом можно втянуть в цилиндр и поднять тяжелый металлический поршень.

3.5.1 Барометры

Для пояснения устройства и принципа действия анероида можно использовать изготовленную своими силами модель, показанную на рисунке 19 (Приложение). Роль мембранной коробки в модели играет герметически запаянная консервная банка. Стрелка 2 укреплена на кронштейне 3 и с помощью тяги соединена с системой рычагов, связанных с концом пружины 4, которая припаяна к середине верхней крышки банки. Для демонстрации модель помещают под колокол воздушного насоса.

Следует также иметь большую настенную таблицу, показывающую устройство анероида. Если в кабинете есть барометр, на шкале которого написано: «буря», «дождь», «переменно», «ясно», «великая сушь», указывают, что барометр измеряет только давление воздуха и одно показание барометра не может еще служить фактором для уверенного предсказания погоды. Если в кабинете есть барограф, то следует показать и его как образец самопишущего автоматического прибора.

В физическом кабинете полезно вывесить барометр и приучать учащихся пользоваться им. Показания барометра желательно заносить в тетрадь или на лист бумаги, вывешенный рядом с барометром, а затем по данным наблюдений строить график изменения давления со временем.

Наконец, в данной теме надо рассмотреть вопрос зависимости атмосферного давления от высоты местности. Отметить роль исследования Паскаля в определении высоты места по показанию барометра.

Изменение атмосферного давления с высотой можно обнаружить, измерив анероидом давление на различных этажах или, еще лучше, у подножия и на вершине высокого холма.

Для закрепления и углубления полученных понятий полезно решить ряд задач:

1. Приложите ко рту чистый лист бумаги и вдохните в себя. Что происходит при этом с листом и почему?

2. Оцените (примерно) силу, с которой атмосферное давление сжимает магдебургские тарелки, считая, что воздух из них откачан полностью.

При решении этой задачи площадь тарелок (в см2) лучше сообщить учащимся, чтобы не тратить времени на вычисление площади круга и не отвлекать внимания учеников от физической сущности вопроса. (Учителю надо помнить, что при расчетах принимается во внимание площадь сечения одной, а не двух тарелок.)

3. Вычислите вес воздуха в комнате и силу атмосферного давления, действующего на пол. Равна ли сила атмосферного давления весу воздуха, и если нет, то почему? Изменится ли давление в помещении, если его закрыть герметически, как кабину космического корабля или корпус самолета?

4. Рассчитайте силу атмосферного давления, которая действует на обложку книги. Почему вы не чувствуете этой силы, когда держите книгу в руках?

3.5.2 Насосы. Водяной поршневой насос

Вспоминают и воспроизводят опыт поднятия воды в стеклянной трубке вслед за поршнем и указывают на использование этого явления в водяных насосах. Желательно работу насосов показать на моделях из стекла (Приложение, рис. 20).

Можно использовать и прозрачные модели насосов, предназначенные для проецирования на экран. Полезно также изготовить рисунки-таблицы насосов с ярко выделенными клапанами. Большое впечатление на учащихся производит демонстрация модели пожарного насоса.

Следует указать на применение насосов при устройстве безбашенной водокачки для снабжения водой животноводческих ферм, больниц. Устройство такого водопровода понятно из рисунка 21 (Приложение). Насос 1, приводящийся в движение электродвигателем 2, нагнетает воду в бак 3 из водоема 4. В баке есть воздушная подушка, которая по мере поступления воды сжимается и производит давление на воду. При определенном давлении вода поднимается и по магистральной трубе 5 поступает к потребителю.

3.5.3 Воздушные поршневые насосы

При объяснении действия воздушного насоса используют готовый рисунок (плакат) или рисуют схему его на доске, особенно выделяя при этом клапаны.

Целесообразнее сначала изучить насос для накачивания шин, с которым большинство школьников встречалось на практике. Далее перейти к рассмотрению мощных насосов-компрессоров, обеспечивающих продувание воздуха при выплавке металлов, перекачивание по трубопроводам горючего газа, получение сжатого воздуха для пневматических инструментов и машин. С работой компрессора знакомят учащихся по таблице (Приложение, рис. 22).

Устройство насоса Комовского можно подробно не разбирать, а только показать ученикам, как им пользоваться, и продемонстрировать ряд опытов с ним.

3.5.4 Манометры

Сначала изучают U-образный открытый жидкостный манометр. С принципом его действия учащиеся кратко были уже ознакомлены при изучении давления внутри жидкости.

Из металлических манометров сначала можно познакомить учащихся с манометром мембранным, для этого нетрудно собрать модель, в которой роль мембранной коробки может играть воронка или цилиндр Герике, затянутый резиновой перепонкой. Движение от мембраны к стрелке можно передать с помощью рычага или, еще лучше, с помощью зубчатых передач (Приложение, рис. 23).

Принцип действия трубчатого манометра можно показать на модели (Приложение, рис. 24). Основная его часть? изогнутая резиновая трубка (сплющенная горячим утюгом). Для упругости внутрь трубки вставляют проволоку или часовую пружину. Для демонстрации трубку укрепляют на вертикальной панели и соединяют со стрелкой. При нагнетании в трубку воздуха она распрямляется и движет стрелку по шкале.

Опыты с воздушными насосами позволяют повторить свойства газов: их значительную сжимаемость, стремление восстановить прежний объем, возрастание давления при уменьшении объема. Эти свойства объясняют на основе молекулярно-кинетических представлений.

В заключение учащиеся узнают о практическом использовании сжатого воздуха в баллонах автомобилей, в тормозном устройстве железнодорожного вагона. Полезно также в ознакомительном плане рассказать о применении сжатого воздуха в пневматических инструментах, пневматической почте, о выталкивании воды из цистерн подводной лодки, о самооткрывающихся дверях вагонов.

Вопрос о техническом использовании сжатого воздуха можно рассмотреть также на занятиях физического кружка.

Для самостоятельного решения учащимся дают задачи.

По данной теме проводят контрольную работу.

3.6 Архимедова сила

Приступая к изучению архимедовой силы, полезно иметь в виду следующее. Существует ряд формулировок архимедовой силы. Приведем и проанализируем наиболее распространенные из них.

«Тело, погруженное в жидкость, теряет в своем весе столько, сколько весит жидкость в объеме тела».

«На тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, направленная вертикально вверх и равная весу жидкости, вытесненной телом».

«Сила, выталкивающая целиком погруженное в жидкость тело, равна весу жидкости в объеме этого тела».

Основной недостаток первой формулировки состоит в том, что требует особого пояснения понятие «потеря в весе». Кроме того, в этой (так же, как и в следующей) формулировке говорится об архимедовой силе только применительно к жидкостям.

Вторая и третья формулировки требуют дополнительных пояснений понятия «жидкость, вытесненная телом» и при буквальном понимании данных слов могут привести к ошибке. Например, вес тела, плавающего в сосуде, может быть во много раз больше не только «вытесненной» им, но и всей вообще жидкости, налитой в сосуд, если зазор между стенками сосуда и телом невелик. Кроме того, замечено, что понятие «вытесненная жидкость» плохо воспринимается учащимися, когда речь идет о плавании судов, поскольку здесь неясно, где эта «вытесненная жидкость».

Во всех приведенных формулировках описывается случай, когда тело целиком погружено в жидкость или газ. Это нередко затрудняет применение данных формулировок, например, когда рассматривают плавание тел.

Поэтому в формулировке архимедовой силы должны быть четко выделены следующие моменты: архимедова сила действует на тела и в жидкости, и в газе; сила направлена вверх; сила равна весу жидкости или газа в объеме тела, если оно погружено целиком; сила равна весу жидкости или газа в объеме погруженной части тела, если тело погружено частично.

Поэтому желательнее более общая формулировка, например: «Тело, погруженное в жидкость или газ, выталкивается вертикально вверх с силой, равной весу жидкости или газа в объеме тела (или его погруженной части)».

Учитель должен помнить, что на жидкость или газ в соответствии с третьим законом Ньютона действует такая же по значению сила, как и на тело, но направленная в противоположную сторону. Этот факт полезно рассмотреть при решении ряда задач, так же как и вопрос об отсутствии выталкивающей силы в состоянии невесомости.

При изучении архимедовой силы возможны два основных подхода: 1) архимедову силу устанавливают с помощью опытов и затем объясняют теоретически на основе закона Паскаля и весового давления жидкости; 2) архимедову силу выводят теоретически и потом подтверждают с помощью эксперимента.

Второй способ изложения материала труднее, поэтому в ряде случаев можно использовать первый или некоторый средний путь: использование жизненного опыта учащихся для постановки проблемы; обнаружение выталкивающей силы на опыте; качественное объяснение причины возникновения выталкивающей силы на основе давления, обусловленного весом столба жидкости, и закона Паскаля; измерение архимедовой силы; решение задач. Теоретический вывод архимедовой силы можно дать при решении задач или повторении материала.

Наконец, заслуживает внимания вопрос об исторических сведениях при изучении данного материала. Многие учителя в начале урока, посвященного архимедовой силе, заинтересовывают учащихся ярким рассказом об Архимеде? этом величайшем ученом древности, жизнь которого связана со многими легендами. Рассказ об Архимеде можно поручить и ученикам.

Если такого сообщения на уроке не будет, то полезно его сделать на вечере физики, а учащимся рекомендовать чтение дополнительных глав об Архимеде в учебнике или иных пособиях.

3.7 Плавание тел в жидкости

С целью активизации мышления учащихся следует, прежде всего, четко определить проблему, которая должна быть решена. Для этого можно, например, опустить в аквариум или стеклянный большой сосуд три тела, одно из которых тонет, другое плавает, а третье всплывает, и поставить перед школьниками вопрос: «Почему одни тела в жидкости тонут, другие плавают, а третьи всплывают?» В сильных по успеваемости классах условие плавания тел в жидкости можно вывести теоретически как результат действия двух противоположно направленных сил: силы тяжести и выталкивающей силы, а затем вывод подтвердить опытом, поставив лабораторную работу на тему «Выяснение условия плавания тел в жидкости». Для работы необходимо иметь пробирки с пробками (вместо пробирок можно использовать бутылочки) и дробь или сухой песок, который используют в качестве балласта.

Изучение условий плавания тела можно провести и по-другому. Вначале проводят 20?25-минутную лабораторную работу, из которой учащиеся устанавливают, при каких условиях тело плавает, тонет и всплывает. Затем проводят беседу, обращая особое внимание на случай, когда сила, выталкивающая тело из жидкости и направленная вертикально вверх, больше силы, направленной вниз. Всплывающее тело достигает поверхности жидкости. При дальнейшем перемещении его вверх выталкивающая сила начинает уменьшаться, так как уменьшается объем погруженной в жидкость части тела. Тело приходит в равновесие, когда выталкивающая сила, равная весу жидкости в объеме погруженной части тела, станет равной действующей на тело силе тяжести. Полезно решить экспериментальные задачи:

1. Внешне одинаковые (окрашенные) деревянный и пробковый бруски равных размеров помещают в аквариум с водой. Укажите, какой из плавающих брусков деревянный и какой пробковый. Ответ обоснуйте.

2. Используя масштабную линейку, определите подъемную силу деревянного бруска известной плотности. Решение проверьте на опыте.

Большой интерес у школьников вызывает опыт с картезианским Водолазом (Приложение, рис. 25). Вместо пробирки с водой можно также показать фигурку «водолаза» или «рыбки», плавающих в высоком цилиндрическом сосуде. Для этого на маленькую пробирку наносят парафин или воск, придавая ей форму человека или рыбки.

Подъем «затонувшего» судна можно показать, используя модель следующего устройства. Берут запаянные наглухо высокие консервные банки (Приложение, рис. 26). Внизу банок делают отверстия, а сверху впаивают газоотводные трубки, которые соединяют с тройником. «Судно» изготавливают из дерева и утяжеляют железом так, чтобы оно тонуло. Привязав «судно» к «понтонам», сначала ему дают затонуть, выпуская из «понтонов» воздух. Затем трубку соединяют с грушей или насосом и накачивают воздух. «Понтоны» освобождаются от, воды и всплывают, поднимая «судно».

Все это очень хорошо показано в фильме «Условия плавания тел», который следует продемонстрировать на уроке, объяснив учащимся, что такое ватерлиния, грузоподъемность судов, обратив внимание на различную осадку судов в морской и речной воде.

3.7.1 Ареометры

Этот материал в учебнике дан для дополнительного чтения. Если учитель сочтет возможным рассмотрение его в классе, можно предложить ему следующий план урока.

Вначале устанавливают, что степень погружения одного и того же тела, например деревянного бруска или пробирки с песком, в различные жидкости неодинакова и зависит от их плотности. Затем обращают внимание на то, что глубина погружения тела в одну и ту же жидкость не должна меняться в различных местах Земли, на разных высотах или даже планетах, так как выталкивающая сила жидкости и сила тяжести плавающего тела будет во всех случаях изменяться в равной мере, подобно тому как это бывает с гирями и телами при взвешивании на рычажных весах в разных местах Земли.

После этого можно поставить лабораторную работу с целью показа учащимся принципа действия градуировки ареометра.

Оборудование для работы: сосуды с водой, насыщенной раствором поваренной соли, керосином и пробирка с соответствующим количеством песка (подобрать заранее), закрытая пробкой. Внутрь пробирки вложена трубочка из миллиметровой бумаги.

Учащиеся поочередно опускают пробирку в сосуд с водой и керосином и замечают глубину ее погружения. Зная плотность каждой жидкости, изготавливают шкалу модели ареометра. Затем школьникам раздают ареометры фабричного изготовления, которыми они измеряют плотность жидкостей и этим проверяют правильность градуировки моделей ареометров.

Для закрепления материала о плавании тел решают задачи следующего типа:

1. На столе имеются металлическая коробка, весы, гири, линейка, аквариум с водой. Рассчитайте, будет ли плавать коробка, если опустить ее в воду. Ответ проверьте на опыте.

2. В сосуде с водой плавает чашка. Как изменится уровень воды в сосуде, если, наклонив чашку, потопить ее в воде? Ответ проверьте на опыте.

3. Для очистки семян ржи от рожков спорыньи их погружают в 20 — процентный раствор поваренной соли. Рожки всплывают, а рожь остается на дне. Почему для очистки берут раствор соли, а не чистую воду?

4. Подводная лодка, опустившись на мягкий грунт (илистое дно), иногда с трудом отрывается от него. Как это объяснить?

Полезно провести контрольную кратковременную работу с вариантами ответов. Содержание ее может быть таким.

Таблица

3.8 Воздухоплавание

После работы с учебником полезно продемонстрировать кинофильм «Воздухоплавание» и провести беседу по содержанию фильма.

К уроку можно подготовить 1?2 учеников, которые в течение 5?7 минут расскажут о воздухоплавании, покажут с помощью эпидиаскопа подобранные ими иллюстрации и ряд опытов:

1. Стеклянный сосуд достаточных размеров наполняют парами эфира, а сверху пускают плавать крупные мыльные пузыри. Одновременно пускают 1?2 пузыря в стороне от сосуда и показывают, что в воздухе они опускаются вниз. Пары эфира можно заменить углекислым газом (Приложение, рис. 27).

2. Показывают также подъем мыльных пузырей, наполненных водородом или светильным газом.

По теме могут быть решены задачи:

1. Знаменитый древнегреческий ученый Аристотель взвешивал кожаный мешок без воздуха и наполнив его воздухом. Обнаружив одинаковый вес, Аристотель сделал вывод, что воздух невесом. Докажите, что вывод Аристотеля неверен.