XXVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Физика в стакане: от Архимедовой силы к тайнам плавания тел и созданию разноцветных "коктейлей" плотности

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Сокольников А.С. 1

---

1МБОУ СОШ 46

Петкевич В.М. 1

---

1МБОУ СОШ 46

Работа в формате PDF

425.9 KB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

«Самый захватывающий возглас, который можно услышать в науке, возглас, возвещающий об открытии, — не «Эврика!», а «Вот интересно…»».

Айзек Азимов

(Именно с этого «вот интересно» началось данное исследование: почему одни предметы тонут, а другие плавают?)

ВВЕДЕНИЕ

Каждый день мы видим удивительные вещи: корабли не тонут, льдинки плавают, а масло растекается по поверхности супа. Мне стало очень интересно — почему так происходит? Я решил разобраться в этом и провести собственное исследование.

Актуальность моей работы в том, что она помогает оживить учебник. Физика становится понятной и интересной, когда ты не просто читаешь про законы, а проверяешь их своими руками.

Цель работы: экспериментально исследовать условия плавания тел в жидкостях.

Задачи:

1. Изучить, что такое плотность, сила тяжести и сила Архимеда.

2. Проверить на опыте закон Архимеда.

3. Выяснить, как плотность тела влияет на то, будет оно тонуть или плавать.

4. Создать многослойный «коктейль» из жидкостей с разной плотностью.

5. Сделать модель подводной лодки и понять, как она всплывает и погружается.

Гипотеза: Я предположил, что тело плавает, когда выталкивающая сила Архимеда равна или больше силы тяжести, и это зависит от плотности тела и плотности жидкости.

Объект исследования: процесс плавания тел.
Предмет исследования: зависимость плавучести от плотностей тела и жидкости.

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПЛАВАНИЯ ТЕЛ

1.1. Великое открытие в ванне: история закона Архимеда

Перед тем как ставить опыты, я изучил теорию по учебникам и научным сайтам. Вот что я узнал:

1. Закон Архимеда открыл древнегреческий учёный Архимед. Легенда гласит, что он догадался о нём, сидя в ванне. Закон говорит: на тело, погружённое в жидкость, действует выталкивающая сила, равная весу вытесненной жидкости.

2. Плотность — это физическая величина, которая показывает, какая масса вещества содержится в единице объёма. Её вычисляют по формуле: ρ = m/V, где m- масса, V- объем тела . Именно плотность решает, утонет предмет или нет.

3. Условия плавания тел:

1. Если плотность тела больше плотности жидкости -тело тонет.

2. Если плотность тела равна плотности жидкости - тело плавает внутри.

3. Если плотность тела меньше плотности жидкости - тело всплывает.

4. Применение закона Архимеда: Этот закон используется в кораблестроении. Корабль плавает, потому что его средняя плотность (с учётом воздушных полостей) меньше плотности воды. Подводные лодки управляют плавучестью, заполняя балластные цистерны водой (чтобы погрузиться) или сжатым воздухом (чтобы всплыть).

Когда тело помещают в жидкость, на него действуют две силы:

Сила тяжести (Fтяж) — тянет тело вниз: Fтяж = m·g,

Архимедова сила (FА) — выталкивает тело вверх: FА = ρж × g × Vпогр,

где ρж — плотность жидкости (кг/м³),

g — ускорение свободного падения (Н/кг),

Vпогр — объём погружённой части тела (м³).

Именно соотношение этих двух сил определяет судьбу тела в жидкости. Существует три возможных варианта [1]:

1. Тело тонет: Fтяж > Fа,
Если сила тяжести больше архимедовой силы, тело опускается на дно. Это происходит, когда плотность тела больше плотности жидкости. Пример: железный гвоздь в воде.

2. Тело плавает внутри жидкости: Fтяж = Fа,
Когда силы уравновешивают друг друга, тело может находиться в равновесии на любой глубине. Это возможно, если плотность тела равна плотности жидкости. Пример: подводная лодка на определённой глубине.

3. Тело всплывает и плавает на поверхности: Fтяж < Fа.
Методы исследования

В своей работе я использовал несколько методов:

1. Теоретический анализ: изучал учебники, энциклопедии и научно-популярные статьи в интернете.

2. Эксперимент: провёл серию опытов с доступными материалами.

3. Наблюдение и сравнение: внимательно наблюдал за ходом экспериментов, записывал результаты и сравнивал их с теорией.

Оборудование и материалы:

Для опытов мне понадобились: динамометр, грузики, мерный стакан, вода, прозрачные стаканы, разные жидкости (мёд, масло, моющее средство, спирт), мелкие предметы (гайка, бусина, виноградинка), пластиковая бутылочка, пластилин.

1.2. Почему корабль не тонет? Условия плавания тел. Как работает подводная лодка? Техническое применение закона Архимеда

Одно из самых впечатляющих применений закона Архимеда — это конструкция подводных лодок. Кажется невероятным, как огромное стальное судно, плотность которого намного больше плотности воды, может не только плавать на поверхности, но и погружаться на многокилометровую глубину и снова всплывать [7].

Секрет кроется в балластных цистернах — специальных отсеках внутри корпуса подводной лодки.

Принцип работы:

1. Для погружения: цистерны заполняются забортной водой. Средняя плотность лодки (корпус + вода внутри цистерн) становится больше плотности окружающей воды. Сила тяжести превышает архимедову силу, и лодка погружается.

2. Для всплытия: сжатый воздух вытесняет воду из цистерн. Средняя плотность лодки уменьшается, архимедова сила становится больше силы тяжести, и лодка всплывает.

3. Для плавания на заданной глубине: количество воды в цистернах регулируют так, чтобы средняя плотность лодки точно равнялась плотности воды на этой глубине. Силы уравновешиваются, и лодка «висит» в толще воды [8].

Это гениальное инженерное решение демонстрирует, как человек, поняв фундаментальные законы природы, научился управлять ими для создания сложных технических устройств.

Интересно, что некоторые морские обитатели используют похожий принцип. Например, рыбы имеют плавательный пузырь, который они могут наполнять газом или освобождать от него, чтобы менять свою плавучесть и держаться на нужной глубине без лишних движений.

Таким образом, от простого наблюдения за переполненной ванной до создания сложнейших подводных аппаратов — таков путь развития идеи, рождённой более двух тысяч лет назад в Сиракузах.

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ ПЛАВАНИЯ

2.1. План и организация экспериментальной части

Основной целью экспериментальной части работы было практическое подтверждение теоретических положений, рассмотренных в первой главе. Для этого были поставлены следующие задачи:

1. Экспериментально проверить справедливость закона Архимеда путём сравнения выталкивающей силы с весом вытесненной жидкости.

2. Исследовать зависимость плавучести тел от их плотности на примере различных материалов.

3. Создать наглядную модель многослойной жидкости для демонстрации различий в плотностях веществ.

4. Сконструировать действующую модель подводной лодки, иллюстрирующую принцип управления плавучестью.

Все эксперименты проводились в домашних школьных условиях с использованием безопасных материалов и оборудования, доступных для школьника. Проведение опытов можно посмотреть на нашем канале https://t.me/LabSok и https://max.ru/join/76JSv6SLzxJFtzferfbwa02BlCeh7BsbmbefRY042VI

2.2. Опыты, проверка закона Архимеда и не только.

В этой части я подробно расскажу, как я проводил свои опыты и что из этого получилось. Я долго готовился: изучал теорию, собирал материалы и продумывал каждый шаг. Мне очень хотелось, чтобы всё прошло правильно и результаты были точными.

1. Подготовка к экспериментам

Перед началом я составил план для четырёх опытов. Моя учительница физики, Вероника Михайловна, помогла мне убедиться, что все опыты безопасны и их можно проводить дома. Я собрал всё необходимое: динамометр, грузики, мерные стаканы, разные жидкости (воду, мёд, масло, моющее средство, спирт), пластиковую бутылочку от капель, пластилин и разные мелкие предметы для испытаний (гайку, бусину, виноградинку). Все измерения я решил записывать в специальную тетрадь, чтобы ничего не забыть и не перепутать.

Опыт 1: Проверка закона Архимеда.

Я измерил вес грузика в воздухе (0,98 Н) и в воде (0,88 Н). Разница — 0,10 Н. Это и есть сила Архимеда. Затем я измерил объём вытесненной воды — 10 мл. Её вес оказался 0,098 Н. Результаты почти совпали! Погрешность составила всего 2%. Вывод: закон Архимеда подтвердился.

Опыт 2: Плотность решает всё.

Я опускал в воду разные предметы:

• утонули: железный гвоздь, алюминиевый шарик, пластилин (их плотность больше плотности воды).

• Поплыли: деревянный кубик, пластиковый шарик, пенопласт (их плотность меньше).
  Вывод: моя гипотеза подтвердилась — плавучесть действительно зависит от соотношения плотностей.

Таблица 1: Результаты исследования плавучести различных материалов

Опыт 3: Многослойный «коктейль» плотности.

Я аккуратно налил в стакан пять разных жидкостей: мёд, моющее средство, воду, масло и спирт. Они не смешались, а расположились красивыми слоями — снизу самая плотная (мёд), сверху самая лёгкая (спирт). Предметы, которые я бросал в стакан, останавливались там, где их плотность равнялась плотности слоя. Это очень наглядно показало, что такое плотность. Градиент плотностей от дна к поверхности стакана:

1. Мед (1,43 г/см³)

2. Моющее средство (1,05 г/см³)

3. Вода (1,00 г/см³)

4. Масло (0,93 г/см³)

5. Спирт (0,79 г/см³)

Рис. 1 Очередность слоев

Опыт 4: Модель подводной лодки.

Я сделал модель из пластиковой бутылочки с грузиком.

• когда бутылочка пустая, она плавает;

• если впустить в неё воду, она тонет;

• если вылить воду, она снова всплывает.

• Таблица 2: Параметры модели подводной лодки в разных состояниях

  Состояние	Масса, г	Объем, см³	Средняя плотность, г/см³	Поведение в воде
  Пустая	10	30	0,33	Плавает (выступает на 20 мм)
  Частично заполненная	25	30	0,83	Плавает (выступает на 5 мм)
  Полностью заполненная	35	30	1,17	Тонет

• Этот опыт наглядно показывает, что управление плавучестью осуществляется через изменение средней плотности объекта, что соответствует принципу действия балластных систем реальных подводных аппаратов

Этот опыт показал принцип работы настоящей подводной лодки: чтобы погрузиться, она заполняет цистерны водой (увеличивает среднюю плотность), чтобы всплыть — вытесняет воду воздухом (уменьшает плотность).

Интересно, что некоторые морские обитатели используют похожий принцип. Например, рыбы имеют плавательный пузырь, который они могут наполнять газом или освобождать от него, чтобы менять свою плавучесть и держаться на нужной глубине без лишних движений [2].

Таким образом, от простого наблюдения за переполненной ванной до создания сложнейших подводных аппаратов — таков путь развития идеи, рождённой более двух тысяч лет назад в Сиракузах.

Общий вывод: Все мои опыты подтвердили теоретические законы. Физика, которую мы проходим в школе, действительно работает в реальной жизни!

ГЛАВА 3. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ И ВЫВОДЫ 

Для систематизации полученных данных и наглядного представления результатов всех проведенных экспериментов составлена сводная таблица.

Таблица 3. Сводные результаты всех экспериментов

На основании теоретического анализа и экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы:

Вывод 1: Экспериментальное подтверждение закона Архимеда

Закон Архимеда, открытый более двух тысяч лет назад, был успешно проверен в школьных условиях. В пределах погрешности измерений (2%) архимедова сила действительно равна весу вытесненной жидкости:

Fа = (ρ · g · V) ± ΔF

Вывод 2: Установление критерия плавучести

Поведение тела в жидкости однозначно определяется соотношением плотностей.

Вывод 3: Демонстрация градиента плотностей

Создание многослойного "коктейля" из несмешивающихся жидкостей наглядно показало:

1. Разные жидкости имеют разную плотность

2. Жидкости располагаются в порядке убывания плотности (снизу вверх)

3. Каждое тело находит "свой" уровень, где его плотность равна плотности окружающей жидкости

Вывод 4: Принцип управления плавучестью

Модель подводной лодки продемонстрировала, что плавучестью можно управлять, изменяя среднюю плотность объекта. Этот принцип лежит в основе работы:

• Подводных лодок (балластные цистерны)

• Рыб (плавательный пузырь)

• Батискафов (системы балласта)

Вывод 5: Важность понятия "средняя плотность"

Исследование показало, что для сложных объектов (корабль, подводная лодка) важно рассматривать не плотность материала, а среднюю плотность всего объекта с учетом воздушных полостей. Именно поэтому стальной корабль плавает, хотя плотность стали (7,87 г/см³) значительно превышает плотность воды.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведя исследование, я пришёл к следующим выводам:

1. Закон Архимеда справедлив и легко проверяется в домашних условиях.

2. Главный фактор, определяющий, утонет тело или поплывёт, — это соотношение плотности тела и плотности жидкости.

3. С помощью простых и безопасных экспериментов можно наглядно и интересно изучать сложные физические законы.

4. Понимание этих законов объясняет многие явления вокруг нас — от плавания кораблей до работы подводных лодок.

Практическая значимость: Мои эксперименты можно использовать на уроках физики для лучшего понимания темы «Плавание тел». Они наглядны, безопасны и легко повторяются.

Перспективы: В будущем мне хотелось бы исследовать, как влияет на плавучесть температура воды и солёность, а также создать более сложную, управляемую модель подводного аппарата.

Проведенное исследование «Физика в стакане: от Архимедовой силы к тайнам плавания тел и созданию разноцветных "коктейлей" плотности» позволило достичь всех поставленных целей и задач, получив как теоретические, так и практические результаты, подтверждающие фундаментальные законы физики.

В начале работы была выдвинута гипотеза о том, что тело плавает тогда, когда выталкивающая сила, действующая на него со стороны жидкости, равна или больше силы его тяжести, и что это соотношение напрямую зависит от плотности самого тела и плотности жидкости. В ходе исследования эта гипотеза получила полное экспериментальное подтверждение.

Работа демонстрирует, что физика — это не скучная наука о формулах, а увлекательное исследование законов, которые управляют миром — от капли воды в стакане до океанских глубин. И каждый ученик, вооружившись знаниями и простыми инструментами, может стать таким исследователем.

Список использованных источников и литературы:

1. Перельман Я.И. Занимательная физика. Книга 1. — М.: АСТ, 2018.

2. Перышкин А.В. Физика. 7 класс. — М.: Дрофа, 2022.

3. Кикоин И.К., Кикоин А.К. Физика: Учебник для 7 класса. — М.: Просвещение, 2020.

4. Научно-популярный портал «Элементы». URL: https://elementy.ru

5. Образовательный портал «ЯКласс». URL: https://www.yaklass.ru

6. Сайт «Классная физика». URL: http://class-fizika.ru

7. Условия плавания тел: таблица // Школьная физика онлайн.

8. https://physics.ru/courses/op/content/chapter7/section/paragraph3/theory.html

9. Примеры плавания тел в природе // Природные явления с точки зрения физики. URL: https://nature-physics.ru/ 

Приложения:

Приложение А. Фотоматериалы экспериментальной части
(Фотографии проведения опытов: проверка закона Архимеда, многослойный коктейль, модель подводной лодки)

Рис.1 Опыт 3 Плавучесть тел Рис.2 Опыт 4

Рис. 3 Опыт 2 рис.4 Опыт 1