7 класс

Закон архимеда и плавание тел

Любое тело на Земле падает вниз под воздействием силы тяготения и возникшей соответствующей силы тяжести, направленной вниз. Но, наверняка, все мы замечали, что при погружении предмета в воду — он становится легче. Значит, при погружении предметов в жидкости начинает действовать некая другая сила выталкивающего характера, направленная противоположно силе тяжести вверх.

Выталкивающая сила, противодействующая силе тяготения, называется архимедовой, в честь известного греческого ученого Архимеда, жившего в III веке до нашей эры. Согласно закона Архимеда, на любое тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, величина которой эквивалентна весу тела.

Примеры диффузии в природе, быту и технике

Процесс диффузии окружает нас как в повседневной жизни, так и в природе. Зачем мы завариваем чай в кипятке, ведь потом нужно ждать, пока он остынет? Почему не разогреть воду только до комфортной температуры?

Ответ — чтобы ускорить процесс диффузии. В кипятке диффузия между молекулами чая, сахара и воды будет происходить намного быстрее, и чай заварится быстрее и лучше.

{"questions":,"answer":},"choice-13":{"type":"choice","options":,"answer":[]}},"hints":[]},{"content":"Что называют диффузией?`choice-20`","widgets":{"choice-20":{"type":"choice","options":,"answer":}},"hints":[]}]}

Диффузия широко используется в промышленности. Например, в технике при сварке деталей, склеивании.

В природе благодаря диффузии поддерживается однородный состав атмосферного воздуха рядом с поверхностью Земли, а диффузия солей в почве позволяет растениям получать нормальное питание.

Соленая вода весит больше пресной воды

Кубический фут соленой воды весит (в среднем) 64, 1 фунта, в то время как кубический фут пресной воды весит всего 62, 4 фунта. Причиной разницы в весе является то, что в соленой воде растворена соль.

Растворение соли в воде увеличивает плотность воды или массу на единицу объема. Когда соль добавляется в воду, она реагирует с молекулами воды, образуя полярную связь с водой, которая перестраивает молекулы соли и воды с необычным эффектом:

Кубический дюйм соли, добавленный к объему воды, не увеличит объем воды на кубический дюйм. Упрощенное объяснение состоит в том, что молекулы воды плотно упаковываются вокруг молекул соли, сжимаясь ближе друг к другу, чем в отсутствие соли. Когда кубический дюйм соли добавляется к объему воды, объем воды увеличивается менее чем на кубический дюйм.

В кубическом футе соленой воды содержится больше молекул, чем в кубическом футе пресной воды, и, следовательно, весит больше.

Напомним, что принцип Архимеда гласит, что направленная вверх сила на затопленном объекте равна весу воды, которую он вытесняет. Соленая вода весит больше, чем пресная вода, поэтому она оказывает большую направленную вверх силу на погруженный в воду объект. Объект, который вытесняет кубический фут пресной воды, будет испытывать восходящую силу 62, 4 фунта, тогда как тот же объект в соленой воде будет испытывать восходящую силу 64, 1 фунта.

Представление об атомах

Мысль о том, что всё в природе состоит из атомов, возникла давно. Еще 2500 лет назад древнегреческие философы полага­ли, что вещество состоит из таких частиц, которые нельзя разделить. Само слово «атом» восходит к греческому слову «атомос», что значит «неделимый». В Древней Греции (см. статью «Загадочные жители Греции«) философы обсуждали гипотезу о том, что всё вещество в мире состоит из неделимых частиц. Правда, Аристотель в этом сомневался.

Термин «атом» был впервые использован английским химиком Джоном Даль­тоном (1766- 1844). В 1807 г. Дальтон выдвинул свою атомную теорию. Атомами он назвал составляющие всякое вещество малые частицы, которые не изменяются входе химических реакций. Согласно Дальтону, химическая реакция — это процесс, при котором атомы соединяются вместе или отделяются друг от друга. Атомная теория Дальтона лежит в основе представлений современных ученых.

В начале нашего столетия ученые начали строить модели атомов. Эрнест Резерфорд (1871 — 1937) показал, что  отрицательно заряженные электроны обращаются вокруг положительно заряженного ядра. Нильс Бор (1885 — 1962) утверждал, что электроны обращаются по определенным орбитам. В 1932 г. Джеймс Чедвик (1891 — 1974) установил, что ядро атома состоит из частиц, которые он назвал протонами и нейтронами.

Равновесие тел в жидкости

Закон Архимеда

Гравитационное поле Земли создает гидростатическое давление, которое приводит к существованию статической подъемной силы, действующей на тела, погруженные в жидкость. Закон, определяющий величину силы плавучести, был открыт Архимедом: данная сила (сила Архимеда (Fa)) равна весу жидкости, объем которой равен объему погруженной в нее части тела:

где ρ — плотность жидкости (газа); V — объем тела, находящийся в веществе; g — ускорение свободного падения.

Сила Архимеда проявляется только при наличии силы тяжести. Таким образом, в условиях невесомости гидростатическое давление равно нулю, что означает Fa = 0.

Сила Архимеда направлена вверх. Он проходит через центр масс вытесняемой телом жидкости (эта точка обозначается буквой С). Точка C называется центром возвышения тела. Положение точки плавучести определяет баланс и устойчивость тела плавучести.

Условия плавания тела в жидкости.

Закон Архимеда позволяет нам объяснить проблемы, связанные с парением тел. Представьте себе тело, которое помещено в жидкость и предоставлено самому себе. Тело тонет, когда его вес превышает вес вытесняемой им жидкости. Когда вес тела и вес жидкости, которую оно перемещает, одинаковы, тело находится в равновесии в жидкости.

Тело плавает и перемещается к поверхности жидкости, если вес жидкости, выталкиваемой телом, превышает вес тела. Когда он поднимается на поверхность жидкости, тело плавает. В этом случае деталь может выступать над поверхностью жидкости.

Условия плавания тел в жидкости для однородных тел (плотность вещества тела ρ=const) определяют следующим образом:

Для неоднородных тел используют понятие средней плотности, при этом среднюю плотность тела сравнивают с плотностью жидкости.

При рассмотрении движения тела на границе жидкостей имеющих разные плотности, учитывают, что сила Архимеда равна:

ρ1 — плотность первой жидкости; ρ2 — плотность второй жидкости; V1 — объем части тела, находящийся в первой жидкости; V2 — объем этого же тела, находящийся во второй жидкости.

Равновесие тел в жидкости

Если средняя плотность тела меньше плотности жидкости, часть тела будет выступать над поверхностью

Для плавучих сооружений очень важно понятие устойчивости плавания. При определении устойчивости баланса тела случаи делятся:

• тело полностью погружено в жидкость;
• тело частично погружено в жидкость.

Если тело полностью находится в жидкости и плавает в ней (средняя плотность тела равна плотности жидкости), то для возможных поворотов и движений центр тяжести тела и центр плавучести не меняют свое положение относительно тела. Равновесие устойчиво, если центр тяжести тела находится ниже центра плавучести.

Если бы тело и жидкость были абсолютно несжимаемыми (или их сжимаемость была бы одинаковой), баланс тела был бы безразличен. Но на самом деле твердые тела, как правило, имеют меньшую сжимаемость, чем жидкости. Корпуса из таких материалов равномерно плавают в жидкостях одинаковой плотности.

Гораздо более сложный случай, когда тело не полностью находится в жидкости, когда деталь выступает над свободной поверхностью жидкости. В этом случае перемещение тела из положения равновесия вызывает изменение формы объема жидкости, которую тело вытесняет. Происходит изменение положения центра плавучести относительно тела.

Устойчивость равновесия такого тела определяется представлением о метацентре плавающего тела. Это точка, назовем ее M, которая получается на пересечении вертикальной оси симметрии тела и линии действия силы плавучести. Если метацентр расположен выше центра масс тела, то момент силы плавучести пытается вернуть тело в равновесие, а значит, тело плавает равномерно.

Задания

Задание №1

Налейте в один стакан холодной воды, в другой — теплой. Опустите в каждый из них несколько кристалликов марганцовки. Объясните наблюдаемое явление.

Марганцовка начнет растворяться в обоих стаканах. Вода будет постепенно окрашиваться — будет идти процесс диффузии.

В стакане с теплой водой, кристаллики марганцовки растворятся быстрее, чем в стакане с холодной водой. Это объясняется тем, что скорость протекания диффузии зависит от температуры. Чем выше температура, тем больше скорость молекул — тем быстрее проходит диффузия (рисунок 4).

Рисунок 4. Диффузия в теплой и холодной воде

Задание №2

Пользуясь рисунком 2, объясните процесс диффузии в жидкостях.

Сначала мы видим четкую границу между двумя жидкостями (между их молекулами). Постепенно эта граница начинает размываться. Идет процесс диффузии. Молекулы воды постепенно проникают между молекулами медного купороса, а молекулы медного купороса проникают между молекулами воды. В конце концов, обе жидкости смешаются. Процесс диффузии завершится и мы получим однородную жидкость (раствор медного купороса).

Задание №3

Если у вас дома имеется комнатное растение, проведите его подкормку путем опрыскивания кроны питательным раствором. Пронаблюдайте, как булет развиваться растение. Объясните, на каком явлении основан такой способ подкормки.

Такой тип подкормки (листовая подкормка) способствует более активному росту комнатных растений. Такой способ поддержать рост растения возможен благодаря диффузии. В данном случае диффузия будет происходить между питательными веществами подкормки и поверхностью листьев растения.

Задание №4

Налейте в стакан воды и поставьте его в кастрюлю с теплой водой на плиту, поддерживая температуру $50-60 \degree C$. Насыпьте в стакан соль и размешайте. После того, как соль растворится , досыпьте ее вновь. И так до тех пор, пока не получите насыщенный раствор (то есть соль не будет растворяться). Теперь раствор перелейте в другую емкость, чтобы избавиться от излишков соли на дне. Возьмите самый крупный кристаллик соли, подвесьте его на ниточку и опустите в соляной раствор. Через несколько дней вы увидите, как кристаллик начнет увеличиваться в размере. На каком явлении основан рост кристаллика?

Дело в том, что при понижении температуры растворимость веществ уменьшается. То есть, если бы мы попытались растворить такое же количество соли в холодной воде, то у нас просто бы не получилось это сделать.

Почему же при охлаждении такого раствора соль оседает на подвешенном кристаллике соли, а не выпадает на дно в виде осадка? Причина такого поведения вещества в строении самих молекул соли. Они имеют не шарообразную форму, и они не симметричные. Поэтому они не могут состыковаться друг с другом в любом положении, а только в определенном. Подвешенный кристаллик соли называют центром кристаллизации. Вокруг него и выстраиваются ровными рядами другие молекулы соли из раствора — образуется кристалл.

Так на каком явлении основан рост кристаллика соли? Вышеописанные процессы соответствуют процессу, который противоположен диффузии. Это обратная диффузия.

Урок-исследование «Условия плавания тел»

Тип урока: исследование

Используемые технологии: Традиционная, групповая, инновационная.

Цель урока: Выяснить условия плавания тел в зависимости от плотности жидкости и тела, усвоить их на уровне понимания и применения, с использованием логики научного познания.

1. установить теоретически и экспериментально соотношение между плотностью тела и жидкости, необходимое для обеспечения условия плавания тел;
2. продолжить формировать умение учащихся проводить опыты и делать из них выводы;
3. развитие умений наблюдать, анализировать, сопоставлять, обобщать;
4. воспитание интереса к предмету;
5. воспитание культуры в организации учебного труда.

Предполагаемые результаты:

Знать: Условия плавания тел.

Уметь: Экспериментально выяснять условия плавания тел.

Оборудование: Мультимедиа, экран, индивидуальные карточки задания, таблица плотностей, исследуемые материалы.

Задача

Представим, что объем погруженной в воду части айсберга составляет $100 м^3$. Плотность льда равна $900 \frac$, плотность соленой воды равна $1030 \frac$. Необходимо найти весь объем айсберга и его массу.

Дано:$V_1 = 100 м^3$$\rho_л = 900 \frac$$\rho_в = 1030 \frac$

Отметим на рисунке силы, действующие на айсберг: $F_A$ и $F_т$.

Сила $F_A$ приложена к центру погруженной в воду части айсберга и направлена вверх.Сила $F_т$ приложена к центру тела айсберга и направлена вниз.

Так как айсберг плавает (не тонет и не всплывает до конца), он находится в состоянии равновесия:$F_A = F_т$$F_A = \rho_gV_1$$F_т = mg$$\rho_gV_1 = mg$

Отсюда найдем массу айсберга:$m = \rho_V_1 = 1030 \frac \cdot 100 м^3 = 103 000 кг = 103 т$

Урок-исследование «Условия плавания тел»

Тип урока: исследование

Используемые технологии: Традиционная, групповая, инновационная.

Цель урока: Выяснить условия плавания тел в зависимости от плотности жидкости и тела, усвоить их на уровне понимания и применения, с использованием логики научного познания.

1. установить теоретически и экспериментально соотношение между плотностью тела и жидкости, необходимое для обеспечения условия плавания тел;
2. продолжить формировать умение учащихся проводить опыты и делать из них выводы;
3. развитие умений наблюдать, анализировать, сопоставлять, обобщать;
4. воспитание интереса к предмету;
5. воспитание культуры в организации учебного труда.

Предполагаемые результаты:

Знать: Условия плавания тел.

Уметь: Экспериментально выяснять условия плавания тел.

Оборудование: Мультимедиа, экран, индивидуальные карточки задания, таблица плотностей, исследуемые материалы.

Закон Архимеда

На тело, полностью или частично погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, равная весу вытесненной этим телом жидкости. Эта сила зависит от плотности жидкости и объема погруженного тела.

Закон кажется простым, но на самом деле не очевидно, что объекты одного объема испытывают одинаковую выталкивающую силу при погружении в воду. К примеру, на кубы из пробки и свинца будет действовать одинаковая выталкивающая сила, но при этом они будут вести себя по-разному. Это обусловлено соотношением выталкивающей силы и веса предмета. Закон Архимеда применяется во многих случаях, к примеру, он помогает нам понять принцип плавучести и считается основополагающим принципом гидростатики.

Плутарх писал, что Архимед был настолько увлечен математикой, что слугам приходилось заставлять его принимать ванну, и пока они его мыли, он продолжал рисовать геометрические фигуры на собственном теле.

Архимед изобрел «луч смерти» — конструкцию из зеркал, которые перенаправили солнечные лучи на римские корабли и вызвали на них пожар. Эта история считалась выдумкой до тех пор, пока Дэвид Уоллес из Массачусетского технологического института не провел эксперимент. Его студенты сделали деревянную копию римского корабля и с помощью 127 зеркал перевели на него солнечные лучи с расстояния в 30 метров. Через 10 минут корабль загорелся.

Когда римляне захватили Сиракузы, один солдат наткнулся на Архимеда, изучающего нарисованную на песке математическую диаграмму. Ученый, раздосадованный тем, что его отвлекли, сказал солдату: «Не трогай мои чертежи!». После этих слов он был убит.

Грузовые марки

Грузовые марки — это линии, начерченные на борту судна. Они показывают, сколько груза судно может выдержать тех или иных условиях. Так, поскольку холодная вода плотнее теплой, она выталкивает судно сильнее. Значит, судно может взять па борт больше груза. Солёная вода плотнее пресной, следовательно, в пресной воде судно следует меньше нагружать. Изобрел грузовые марки Сэмюэл Плимсолл (1824-1898). Когда судно погружается в воду до соответствующей линии (см. рис.), оно считается полностью нагруженным. Значение буквенных символов: TF – пресная вода тропики, SF – пресная вода летом, T – солёная вода тропики, S – солёная вода летом, W – солёная вода зимой, WNA – Сев. Атлантика зимой.

Воздухоплавание

Тела могут летать по тем же причинам, по каким они плавают в воде. На них действу­ет сила выталкивания воздуха. Плотность воздуха так мала, что в нем могут плавать очень немногие тела. Это, на­пример, баллоны с горячим воздухом, который менее плотен, чем холодный. Воздушные шары можно также наполнить гелием или другими газами, которые легче воз­духа.

Суда и лодки

Когда-то лодки и суда плавали, повинуясь силе ветра или мускульной силе человека. Создание двигателя позволило кораблестроителям использовать винты, толкающие судно сквозь толщу воды. В последнее время появились суда на подводных крыльях. «Великобритания» (построен в 1843 году) – первый железный корабль с гребным винтом. Его приводил в движение паровой двигатель. Корабль был также оснащён парусами. Контейнеровозы перевозят грузы в больших металлических ящиках. Их можно быстро погрузить на судно и сгрузить обратно при помощи кранов. Одно судно может принять на борт до 2000 контейнеров. Танкеры перевозят нефть и про чие жидкости в баках, расположенных в трюмах. Некоторые танкеры в 20 раз длиннее теннисного корта. 

Подводные лодки 

Подводные лодки погружаются и всплывают, изменяя свою относительную плотность. У них на борту есть большие контейнеры – балластные резервуары. Когда из них уходит воздух и внутрь закачивается вода, плотность лодки увеличивается и она погружается. Чтобы всплыть на поверхность, экипаж удаляет из резервуаров воду и накачивает туда воздух. Плотность вновь уменьшается и лодка всплывает. Балластные резервуары помещаются между внешним корпусом и стенками внутреннего отсека. Экипаж живёт и работает во внутреннем отсеке. Подводная лодка оснащена мощными винтами, которые позволяют ей двигаться сквозь толщу воды. На некоторых лодках установлены атомные реакторы (см. статью «Ядерная энергия и радиоактивность«).

Диффузия в жидкостях

Как протекает диффузия в жидкости?Рассмотрим опыт, который покажет нам, что молекулы, из которых состоят тела, находятся в беспорядочном движении и в жидких телах (рисунок 1).

Рисунок 1. Иллюстрация опыта с водой и медным купоросом

Для начала нальем в стакан раствор медного купороса темно-голубого цвета (часто используется как бытовой антисептик). Затем аккуратно нальем в этот же стакан воды.

Вначале между жидкостями будет видна резкая граница, но со временем она будет размываться. Через 2-3 недели граница исчезнет совсем: процесс диффузии завершится.

Если рассмотреть данный процесс на молекулярном уровне (рисунок 2), то прекрасно видно, что молекулы воды и медного купороса на границе раздела этих двух жидкостей начинают меняться местами, а со временем жидкость в стакане и вовсе станет однородной.

Рисунок 2. Диффузия в жидкостях (раствор медного купороса и вода)

Теория об атомно-молекулярном строении

Атомно-молекулярная теория основывается на нескольких положениях:

• все вещества состоят из молекул. Они, являются наименьшими частицами вещества, обладающими всеми его свойствами;
• при химической реакции молекулы разрушаются и образуют новые вещества;
• у молекул наблюдается постоянное и хаотичное движение;
• вещества с одними и теми же атомами в составе имеют схожие свойства;
• атомы не обладают каким-либо зарядом;
• в составе атома выделяется ядро, имеющее положительный заряд, и отрицательно заряженная электронная оболочка.

Химическая и физическая активность веществ определяется положениями атомно-молекулярной теории

Элемент в химии

Под понятием «химический элемент» понимают совокупность атомов, которые имеют одинаковый заряд ядра. На сегодняшний день известно 118 элементов. 24 из них получены синтетическим путем. Они обозначаются определенными символами. Например, кислород – О, сера – S и т.д.

Основная характеристика химического элемента

Заряд ядра характеризует химический элемент. Он определяется числом положительно заряженных протонов. От этого зависят химические и физические свойства молекул элемента.

Обозначения элементов

Для обозначения химических элементов используют символы. Они образуются из названия элемента и чаще представлены начальными буквами. Например, медь – это Сu (cuprum), кислород – O (oxygenium) и т.д. В периодической системе рядом с символом элемента указывают его атомную массу, порядковый номер, заряд иона и число атомов в молекуле.

Изотопы

У большинства элементов существуют изотопы, атомы которых имеют несколько отличное строение. Количество протонов и электронов в атомах изотопов одного элемента всегда неизменно. Атомы изотопов различаются числом нейтронов в ядре. Следовательно, у всех изотопов одного элемента один и тот же атомный номер, но разная атомная масса. На этом рисунке вы видите три изотопа углерода. У изотопа С12 есть 6 нейтронов и 6 протонов. С13 имеет 7 нейтронов. В ядре изотопа С12 восемь нейтронов и 6 протонов.

Физические свойства изотопов различны,  но они обладают одинаковыми химическими свойствами. Обычно большая часть атомов элемента (вещества, состоящего из атомов одного вида) принадлежит к одному изотопу, а другие изотопы встречаются в меньших количествах.

Факты из истории

Изучение атомов началось еще в Древней Греции, а в 17-м веке химикам удалось доказать, что атом — это наименьшая неделимая частица. Современные же физики провели ряд опытов, которые показывают, что на самом деле атом может делиться на меньшие субчастицы. В 1860 году на Всемирном съезде химиков в Германии (Карлсруэ) были приняты определения атома и молекулы.

Э. Резерфорд является создателем планетарной модели атома, он доказал свою теорию с помощью опыта по рассеиванию альфа-частиц. В сказке про молекулу можно использовать исторические справки, чтобы пополнить энциклопедические знания ребенка.

Кто первый изобрел биологию?

В 1543 г. Везалия «О строении человеческого тела», содержавшая его наблюдения и рисунки. Изобретение микроскопа открыло новый уровень для изучения живой природы В 1628 г. Гарвей опубликовал трактат, в котором описал строение и принципы функционирования кровеносной системы человека, положив начало развитию физиологии. В XVII в.

Линнея 1735. Рождение науки Вплоть до XIX в. Сам термин «биология» возник на заре XIX в. Его предложили независимо друг от друга двое ученых: немецкий ботаник Г.

Тревиранус и француз Ж.

Почти до средневековья эта энциклопедия была главным источником знаний о природе. Слайд 8 Клавдий Гален 131 год — около 200 — В своих научных исследованиях широко использовал вскрытия млекопитающих. Он первым сделал сравнительно-анатомическое описание человека и обезьяны. Изучал центральную и периферическую нервную систему. Историки науки считают его последним великим биологом древности Слайд 9 Леонардо да Винчи 1452 — 1519 — Внес определенный вклад в развитие биологии. Он изучал полет птиц, описал многие растения, способы соединения костей в суставах, деятельность сердца и зрительную функцию глаза, сходство костей человека и животных.

Биология — наука о жизни во всех её проявлениях и закономерностях, управляющих живой природой. Современная биология возникла в результате дифференциации и интеграции разных научных дисциплин и является комплексной наукой биохимия, биофизика, космическая биология. Каковы основные разделы биологии? Всего основных дисциплин три: зоология, ботаника и микробиология. Ботаника — это раздел, который изучает растения, их строение и эволюцию. Подраздел ботаники, микология, занимается изучением отдельного царства — грибов. Как образовались слова биологический? Корень: -био-; корень: -лог-; суффикс: -ическ; окончание: -ий. Как подготовиться к егэ по биологии?

Благодаря и из-за использования биологии в практической жизни, сегодня мы знаем и применяем знания таких наук, как агробиология — использования биологических знаний для рационального проведения агротехнических мероприятий; селекция — методологическое изучение и отбор растений, животных, насекомых и других живых существ для выявления их особенностей и закономерностей взаимодействия с человеком и окружающей средой, а также выведения новых пород или даже видов. Это только несколько примеров того, как развивается биология как наука, с какими науками перекликается и чем может быть полезна эта наука для человечества. Дополнительные материалы по теме: Биология как наука. Биология 5,6,7,8,9,10,11 класс, ЕГЭ, ГИА Строение и работа всех функций живых организмов, растений, грибов, микроорганизмов — вся биология.