חומרי לימוד על חוק ארכימדס

חומרי הלימוד של חוק ארכימדס מורכבים ממיומנויות בסיסיות ומדדי השגת מיומנויות, חומרי למידה, שאלות לדוגמה, שאלות תרגול ומבחנים מעצבים.

א. מיומנויות בסיסיות

3.1 יישום חוקי הנוזלים הסטטיים בחיי היומיום

4.1 תכנון וביצוע ניסויים המנצלים את תכונותיהם של נוזלים סטטיים, כולל הצגת תוצאות הניסוי והשימוש בהן.

ב. מדדי השגת יכולות

1. זכירה (C1), הבנה (C2), יישום (C3), ניתוח (C4) והסקה (C5) של מושג הציפה, חוק ארכימדס ומושגי הציפה, הריחוף והשקיעה

2. פתרו (C4) ותקנו (C6) שאלות על ציפה וחוק ארכימדס

3. בצעו (P2) את הניסוי על חוק ארכימדס

4. הראו (P3) וקבעו (P5) את כוח הציפה ואת חוק ארכימדס

חוק ארכימדס

א. מבוא

האם אי פעם היית על ספינה? ספינה עם מסה גדולה מאוד לא תטבע, בעוד שסלע קטן וקל כן. למה זה כך?

האם אתם יודעים מה התמונה משמאל? צוללת היא ספינה שיכולה לצוף על פני הים וגם לצלול מתחת למים. איך צוללת צפה וצוללת?

מה אתם רואים בתמונה מימין? בלוני אוויר חם יכולים לעוף בגבהים גבוהים. למה בלונים עפים, ואיך מטיסים כדור פורח?

ספינות יכולות לצוף על פני הים ולצלול מתחת למים, בדיוק כפי שבלונים יכולים לצוף באטמוספירה, המכונה גם אוויר. כדי להבין זאת, עליכם תחילה להבין את חוק ארכימדס . כדי להבין את חוק ארכימדס, עליכם תחילה להבין את מושג הציפה.

מקור התמונה: Google.com

II. כוח ציפה

מה מרגיש קל יותר, סלע שמורם מהיבשה או אותו סלע שמורם במים? אם מעולם לא חוויתם זאת, כדאי לכם לנסות זאת כדי לענות על שאלה זו. כבד יותר להרים סלע מהיבשה, אך אותו סלע קל יותר במים. זאת בשל כוח הציפה.

כאשר גוף טובל בנוזל, יהיה הפרש לחצים בין הנוזל שמעל הגוף לנוזל שמתחתיו. לנוזל שמתחת לגוף יש לחץ גבוה יותר מאשר לנוזל שמעל הגוף. ציפה מתרחשת עקב הפרש לחץ הנוזל בעומקים שונים.

בתמונה, נראה חפץ צף בנוזל. לנוזל שמתחת לנוזל יש לחץ גדול יותר מאשר לנוזל שמעל החפץ, מכיוון שהנוזל שמתחת לחפץ עומק גדול יותר מהנוזל שמעל החפץ (h₂ > שעה₁).

תיאור: FA = כוח ציפה, ρ = צפיפות הנוזל, g = תאוצה _עקב כוח הכבידה, V = נפח העצם הטבול בנוזל

החלף את ρV בנוסחת כוח הציפה ב-m בנוסחת הצפיפות:

תיאור: m = מסה, g = תאוצת כבידה, w = כוח משיכה.

בהתבסס על משוואה 2, כוח הציפה (FA ₎ שווה למשקל (w) של הנוזל הנדחק. נפח הנוזל הנדחק שווה לנפח העצם בנוזל.

ג. חוק ארכימדס

כאשר גוף טובל לחלוטין או חלקי בנוזל, הנוזל מפעיל כוח כלפי מעלה (ציפה) על הגוף, כאשר גודל כוח הציפה שווה למשקל הנוזל הנדחק. נפח הנוזל הנדחק שווה לנפח הגוף הטבול בנוזל.

IV. צף, צף, שקיעה

4.1 צף

חפץ צף על פני נוזל אם:

1. כוח המשיכה של העצם קטן מכוח הציפה (w < F _A ), או

2. צפיפות העצם קטנה מצפיפות הנוזל ( )

אם כוח הציפה גדול מכוח הכבידה, אז הכוח המתקבל אינו אפס. לפי חוקי התנועה של ניוטון, הגוף ינוע כלפי מעלה. אבל במציאות, הגוף נמצא במנוחה על פני הנוזל. לפי החוק הראשון של ניוטון, אם גוף נמצא במנוחה, אז...

ΣF_y = 0

F _A – w – F _a = 0

F _A = ​​​​w + F _a

F _A = ​​כוח ציפה שמפעיל הנוזל על העצם, Fa = דחף אטמוספרי , w = משקל העצם.

4.2 צף

חפץ צף על פני נוזל אם:

1. כוח המשיכה של העצם זהה לכוח הציפה (w = F _A ), או

2. צפיפות העצם זהה לצפיפות הנוזל ()

לפי החוק הראשון של ניוטון, אם גוף נמצא במנוחה אז

Σ F _y = 0

F _A – w = 0

F _A = ​​​​w

4.3 שקיעה

1. כוח המשיכה של העצם גדול מכוח הציפה (w > F _A ), או

2. צפיפות העצם גדולה מצפיפות הנוזל ( )

לפי החוק הראשון של ניוטון, אם גוף נמצא במנוחה אז

Σ F _y = 0

w – F _A – N = 0

w = FA ₊ N

F ₌ כוח ציפה שמפעיל הנוזל על העצם, N = כוח נורמלי שמפעיל הבסיס על העצם , w = כוח הכבידה של העצם.

למה ספינות צפות?

לאחר לימוד התיאור לעיל, כעת ננסה לענות על השאלה, מדוע ספינה בעלת מסה גדולה לא שוקעת בעוד שחול בהיר שוקע בים? חול שוקע מכיוון שצפיפות החול גדולה מצפיפות מי הים. בעוד שהספינה, למרות שהיא מורכבת מברזל שצפיפותו גדולה מצפיפות מי הים (צפיפות הברזל היא 7874 ק"ג/מ"ק ^, צפיפות מי הים היא 1025 ק"ג/מ"ק ⁾ , נפח הספינה גדול מאוד כך שצפיפות הספינה, אם מחושבת באמצעות נוסחת הצפיפות ρ = m/V, הערך קטן מצפיפות מי הים.

אם נשתמש במושג ציפה וכוח משיכה, ספינות צפות משום שכוח הציפה גדול מכוח המשיכה של הספינה.

איך צוללות צוללות

כדי לצוף, צפיפותה של צוללת חייבת להיות קטנה מצפיפות מי הים, באופן דומה צוללת יכולה לצלול אם צפיפותה גדולה או שווה לצפיפות מי הים. נפח הצוללת זהה, לכן כדי שהיא תוכל לצלול ולצוף, ניתן לשנות את צפיפות הצוללת על ידי הכנסת מים ואוויר למיכלי הנטל. אם רוצים לצלול, יש להכניס מים למיכל הנטל, ואם רוצים לצוף אל פני השטח, יש להוציא את המים מהמיכל ואוויר מוכנס אליו.

לפי מושג הציפה והכבידה, צוללת יכולה לצוף אם כוח הציפה גדול מכוח המשיכה של הצוללת. צוללת יכולה לצלול אם כוח המשיכה של הספינה גדול מכוח הציפה שמפעילים מי הים על הצוללת.

למה ואיך בלוני אוויר חם יכולים לעוף

בלונים עפים באוויר משום שבתוך הבלון יש גז שצפיפותו קטנה מצפיפות האוויר שמסביב. מצד שני, אם צפיפות הגז בתוך הבלון זהה לצפיפות האוויר סביבו, הבלון נופל לקרקע ואינו עף למקום גבוה.

לפי מושג הציפה, כדור פורח עולה משום שכוח הציפה גדול מכוח המשיכה של הבלון. הבלון נופל לקרקע כאשר כוח המשיכה של הבלון גדול מכוח הציפה שמפעיל האוויר על הבלון.

שאלות לדוגמה

5.1. משקל המטען באוויר הוא 5 ניוטון, משקל המטען כאשר נמדד בנוזל הוא 4 ניוטון. מה גודל כוח הציפה?

דִיוּן

זה ידוע:

משקל המטען באוויר (w) = 5 ניוטון

משקל המטען במים (w _F ) = 4 ניוטון

נשאל: כוח ציפה ( _FA )

ג'וואב:

כאשר מודדים בנוזל, חלק ממשקל המטען אובד עקב כוח הציפה. גודל כוח הציפה = ההפרש בין משקל המטען באוויר למשקל המטען בנוזל.

F _A = ​​​​5 – 4 = 1 ניוטון

5.2. מיכל מלא מים, אבן מוכנסת פנימה כך שחלק מהמים יישפך. נפח המים שנשפכו הוא 0,1 מ"ק ^. צפיפות המים = 1000 ק"ג/מ"ק ^, תאוצת כוח הכבידה 10 מ/ש"ק ^. כמה כוח ציפה מפעילים המים על האבן?

דִיוּן

זה ידוע:

נפח מים שנשפכו (V) = 0,1 ^מ"ק

צפיפות המים ( ρ ) = 1000 ק"ג/ ^מ"ק

תאוצת כוח הכבידה (g) = 10 מטר/שנייה ²

נשאל: כוח ציפה ( _FA )

ג'וואב:

F _A = ​​ρ g V = (1000)(10)(0,1) = 1000 N

5.3. כאשר מכניסים חפץ למיכל מלא במי ים, חלק ממי הים נשפכים החוצה עד 0,2 מ"ק ^. צפיפות מי הים = 1025 ק"ג/מ"ק ^. תאוצת הכבידה היא 10 מ"ש/שנייה ^2. חשב את משקל מי הים שנעקרו/נשפכו.

דִיוּן

זה ידוע:

נפח (V) = 0,2 ^מ"ק

צפיפות מי הים (ρ) = 1025 ק"ג/ ^מ"ק.

תאוצת כוח הכבידה (g) = 10 מטר/שנייה ²

שאלה: משקל מי הים שהוזזו/נשפכו

ג'וואב:

חוק ארכימדס קובע שגודל כוח הציפה = משקל מי הים שנדחקים/נשפכים

F _A = ​​ρ g V = (1025)(10)(0,2) = 2050 N

5.4. מתכת שוקלת 100 ניוטון כאשר היא נמדדת באוויר ו-80 ניוטון כאשר היא נמדדת במים. מהו נפח המתכת? צפיפות המים = 1000 ק"ג/מ"ק ^, תאוצה עקב כוח הכבידה = 10 מטר/ ^שנייה².

דִיוּן

זה ידוע:

משקל באוויר (w) = 100 ניוטון

משקל במים (w _f ) = 80 ניוטון

צפיפות המים ( ρ) = 1000 ק"ג/ ^מ"ק

תאוצת כוח הכבידה (g) = 10 מטר/שנייה ²

נשאל: נפח המתכת

ג'וואב:

F _A = ​​​​100 – 80 = 20 ניוטון

F _A = ​​​​ρ g V

20 = (1000)(10) וולט

20 = 10.000 וולט

5.5. גוף שמשקלו 20 ניוטון מונח בנוזל. אם כוח הציפה הוא 30 ניוטון, האם הגוף שוקע, צף או צף?

דִיוּן

כוח הציפה גדול ממשקל העצם, F _A > w, ולכן העצם צף.

גוף שוקע אם כוח הציפה קטן ממשקל הגוף (FA _< w)

VI. שאלות תרגול ותשובות

https://gurumuda.net/soal-ujian/soal-latihan-hukum-archimedes

VII. שאלות מבחן מעצבות

https://gurumuda.net/soal-ujian/tes-formatif-hukum-archimedes

???

דפטאר פוסטקה