Физика для старшей школы - Естественные науки

Закон Архимеда

Материалы по закону Архимеда

Вы когда-нибудь видели корабль? Если нет, то, скорее всего, видели его по телевизору или в интернете. Корабль с очень большой массой не тонет, в то время как небольшой, лёгкий камень может затонуть. Почему так происходит? Ответ довольно прост, если вы понимаете понятия плавучести и принципа Архимеда.

В повседневной жизни мы видим, что предметы, помещенные в жидкость, например, камень, имеют меньший вес, чем когда объект находится вне жидкости. Вам может быть трудно поднять камень с поверхности земли, но тот же камень легко поднять со дна бассейна. Это происходит благодаря силе плавучести. Плавучесть возникает из-за разницы давлений жидкости на разной глубине. Давление жидкости увеличивается с глубиной, чем глубже жидкость, тем больше давление жидкости. Когда объект помещается в жидкость, возникает разница давлений между жидкостью над объектом и жидкостью под ним. Жидкость, расположенная на дне объекта, имеет большее давление, чем жидкость, расположенная над объектом.

Давление жидкости

Материал, работающий под давлением жидкости

В физике давление определяется как сила на единицу площади, причем направление силы перпендикулярно площади поверхности. Математически давление выражается уравнением P = F/A, где P = давление, F = сила и A = площадь поверхности. Единица измерения силы (F) — Ньютон (Н), единица измерения площади — квадратный метр (м²). Поскольку давление — ^это сила на единицу площади, единицей измерения давления является Н/м² ^. Другое название Н/м² ^— паскаль (Па). Паскаль используется в качестве единицы измерения давления в честь Блеза Паскаля.

Когда жидкость находится в состоянии покоя, она оказывает силу, перпендикулярную всей поверхности, с которой соприкасается. Например, рассмотрим воду в стакане; каждая порция воды оказывает силу, перпендикулярную стенке стакана. Следовательно, каждая порция воды оказывает силу, перпендикулярную каждой единице площади занимаемого ею сосуда. Это важное свойство статической жидкости, жидкости в состоянии покоя. Когда жидкость оказывает силу на поверхность, где эта сила не перпендикулярна, поверхность будет оказывать и неперпендикулярную силу реакции. Это вызовет течение жидкости. Однако в действительности жидкость остается в состоянии покоя. Поэтому в жидкости в состоянии покоя сила всегда перпендикулярна поверхности занимаемого ею сосуда.

Понимание статических и динамических жидкостей

В физике жидкость определяется как вещество, способное течь. Вы уже узнали, что материалы, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни, состоят из твердых тел, жидкостей и газов. Термин «жидкость» охватывает как жидкости, так и газы, поскольку жидкости, такие как вода, и газы, такие как воздух, могут течь. Твердые тела, такие как камень или железо, не могут течь и, следовательно, не могут быть классифицированы как жидкости. Для лучшего понимания этого объяснения полезно рассмотреть несколько примеров из повседневной жизни. Когда вы принимаете душ, вам определенно нужна вода. Чтобы попасть в резервуар, вода течет либо из источника, либо из колодца. Вода — один из примеров жидкости. Есть и другие примеры жидкостей, такие как смазочное масло, молоко и так далее. Все эти жидкости можно классифицировать как жидкости, потому что они могут течь из одного места в другое. Газы также являются жидкостями. Газы также могут течь из одного места в другое. Порыв ветра — это пример движения воздуха из одного места в другое.

Поверхностное натяжение

Понимание поверхностного натяжения

Поверхностное натяжение возникает из-за того, что поверхность жидкости стремится затвердеть, образуя тонкую мембраноподобную структуру. На это влияют силы сцепления между молекулами воды. Для лучшего понимания этого объяснения рассмотрим следующую иллюстрацию. Давайте рассмотрим жидкость в контейнере.

Поверхностное натяжение 1 Молекулы жидкости обычно притягиваются друг к другу. Внутри жидкости каждая молекула жидкости окружена другими молекулами с каждой стороны; но на поверхности жидкости находятся только молекулы жидкости по бокам и снизу. Над ними нет других молекул жидкости. Поскольку молекулы жидкости притягиваются друг к другу, результирующая сила, действующая на молекулы внутри жидкости, равна нулю. И наоборот, молекулы жидкости на поверхности притягиваются молекулами жидкости по бокам и снизу. В результате на поверхности жидкости возникает результирующая сила, направленная вниз. Из-за этой результирующей силы, направленной вниз, жидкость на поверхности стремится уменьшить свою площадь поверхности, максимально сжимаясь.

Уравнение Пуазейля

Уравнение Пуазейля называется так потому, что оно было открыто Жаном Луи Мари Пуазейлем (1799-1869). Как уже объяснялось, любую жидкость можно считать идеальной. Идеальные жидкости не обладают вязкостью. Если представить себе идеальную жидкость, текущую в трубе, то каждая её часть движется с одинаковой скоростью (v). В отличие от идеальных жидкостей, реальные жидкости, или жидкости, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни, обладают вязкостью. Из-за своей вязкости, при течении в трубе, например, скорость каждой части жидкости меняется. Слой жидкости посередине движется быстрее (v велико), в то время как слой жидкости, прилегающий к трубе, не движется, то есть остаётся неподвижным (v = 0). Таким образом, от центра до края трубы каждая часть жидкости движется с разной скоростью. Для лучшего понимания, взгляните на изображение ниже…

Плотность и удельный вес

Плотность материала и удельный вес

Плотность

Одним из важных свойств вещества является плотность. Плотность — это отношение массы вещества к его объему. Математически это записывается так:

ρ = m/V

ρ — это греческая буква, обычно используемая для обозначения плотности, m — масса, а V — объем. Плотность однородной жидкости принципиально отличается от плотности однородного твердого тела. Например, железо или лед имеют одинаковую плотность во всех своих частях. Это отличается от жидкостей, таких как атмосфера или вода. В атмосфере Земли, чем выше слой атмосферы от поверхности Земли, тем ниже плотность, тогда как для морской воды, например, чем глубже слой, тем выше плотность. Плотность однородной жидкости может зависеть от таких факторов окружающей среды, как температура и давление.

Эксперимент по второму закону Ньютона

Тема эксперимента: Второй закон Ньютона

Цель эксперимента: – Исследовать взаимосвязь между силой и ускорением.

– Исследование взаимосвязи между массой и ускорением

Инструменты и материалы: направляющие, источник питания, многоуровневая балка, динамический поезд, хронометр, лента, грузы по 50 грамм (3), соединительные кабели.