Методическая разработка урока по физике на тему: «Воздухоплавание»

5. Как показать на опыте, что вес жидкости, вытесненной плавающим телом, равен весу тела в воздухе? (Путем сравнения массы вытесненной жидкости с массой погруженного в нее тела и путем опыта можно доказать, что вес жидкости, вытесненной плавающим телом равен весу тела в воздухе).

6. Как зависит глубина погружения в жидкость плавающего тел от его плотности? (Глубина погружения растет с увеличением плотности).

Решение задачи: Плавающее тело вытесняет керосин объемом 120см³. Какой объем воды будет вытеснять это тело?

Дано: g= 10Н/кг

V₁ = 120см³ = 0,000120м³

ρ_в =1000кг/ м³

ρ_к =800кг/ м³

Найти: V₂ =?

Решение: F_А1 = mg; F_А2 = mg – условия плавания тела в керосине. Отсюда F_А1 = F_А2 ;

ρ_кgV₁ = ρ_вgV₂ → ρ_кV₁ = ρ_вV₂ → V₂ = = = 0,000096м³= 96см³

m = ρ∙V

II. Изучение нового материала

Тысячи лет человек мечтал о полете над облаками. Но сила тяжести прочно привязывала его к земле. Впервые оторваться от нее удалось с помощью теплого воздуха. Братья Жозеф и Этьен Монгольфье во Франции летом 1783г. соорудили воздушный шар и, надув его теплым воздухом, отправили в полет. Первыми пассажирами стали баран и петух. Убедившись, что полеты безопасны, на монгольфьерах стали летать люди. Первый полет совершили французы Пилатр де Розье и д"Арланд. Монгольфьеры использовали в основном для развлекательных прогулок, как только остывал в них воздух они тот час же опускались.

Для военных и научных целей стали использовать воздушные шары, надуваемые гелием и водородом. На таком шаре совершил полет русский ученый Д.И.Менделеев для наблюдения солнечного затмения в 1887г.

Подъемную силу шара можно найти по формуле

F_А = ρ_возд ρgV_ж

Если эта подъемная сила станет больше силы тяжести, действующей на тело, то тело поднимается, оторвавшись от земли. На этом и основан принцип воздухоплавания.

Летательные аппараты, которые реализуют этот принцип называются аэростатами. Они бывают управляемыми, неуправляемыми и привязные.

Неуправляемые аэростаты свободно перемещаются по воздуху и имеют форму шара. Это воздушные шары.

Управляемые аэростаты – дирижабли, имеют двигатель и воздушные винты. Они могут перемещаться по заданному маршруту.

Привязные аэростаты при помощи троса фиксируются над данной точкой земной поверхности.

Согласно формуле F_А = ρ_возд ρgV_ж аэростат будет подниматься вверх, если плотность воздуха или газа внутри него меньше плотности воздуха за оболочкой.

Говоря о подъемной силе воздушного шара, понимают разность между архимедовой силой, действующей на шар и силой тяжести шара с газом.

F_n = F_A - F_м , или

F_А = (ρ_возд - ρ_газа) gV_шара

Вывод: чем меньше плотность газа внутри шара, тем больше подъемная сила.

Значит, причиной уменьшения архимедовой силы при подъеме шара вверх является уменьшение плотности воздуха.

Лучшими газами являются водород и гелий – самые легкие газы. Для водорода подъемная сила равна6 вес водорода объемом 1м³ = 0,9Н , а вес воздуха объемом 1м³ = 13Н, отсюда 13Н - 0,9Н = 12,1Н, для гелия – 11,2Н. Сейчас в целях безопасности используют воздух, который нагревают при помощи газовых горелок.

Пусть, например, в воздух запущен шар объемом 40 м³, наполненный гелием. Масса гелия, заполняющая оболочку шара, будет равна

ρ = m = ρ∙V m_г = ρ_г∙V= 0,1890 ∙ 40 м³ = 7,2 кг,

а его вес равен: Р_г = gm_г Р_г = 9,8 ∙ 7,2 кг = 71Н

Выталкивающая сила (архимедова), действующая на этот шар в воздухе равна весу воздуха объемом 40 м³, то есть

F_А = ρ_возд gV F_А = 9,8 ∙ 1,3 ∙ 40 м³ = 520Н

F_n = F_A - F_м F_n = 520Н – 71Н = 449Н, значит, этот шар может поднять груз весом 449Н. Это и есть его подъемная сила. А если, заменить гелий на водород, то этот шар сможет поднять груз весом 479Н. значит, его подъемная сила больше, чем шара, наполненного гелием.

В 30-е годы было построено несколько высотных аэростатов для исследования верхних слоев атмосферы – из называли стратостаты. Гондола стратостата делалась герметичной, чтобы люди на большой высоте не страдали от недостатка кислорода. Стратостаты достигали высоты свыше 30 км.

Аэростат летит туда – куда его гонит поток воздуха. На смену аэростатам пришли дирижабли – управляемые аэростаты, и летательные аппараты тяжелее воздуха – самолеты и вертолеты. Во время первой и второй мировой войн в армиях многих стран появились аэростаты, связанные с землей прочным тросом. Они использовались в качестве подвижных наблюдательных пунктов, для подвески радиоантенн, в качестве воздушных ограждений против самолетов противника.

Современные воздушные шары используются в спортивных целях, а дирижабли для аэрофотосъемок.

Авиаконструкторы изобрели гидросамолет-амфибию, способный взлетать с водной поверхности и успешно приводняться. Разработан и совершенствуется летательный аппарат, представляющий собой гибрид воздушного шара, самолета и вертолета.

Воздушные шары применили для зондирования атмосферы Венеры, они были доставлены туда советскими автоматическими станциями Вега-1 и Вега-2.

1. Закрепление изученного материала.

Решение задачи

Шар-зонд объемом 20м³ наполнен водородом. Вычислите подъемную силу этого шара, если он находится на высоте 10км, где плотность атмосферы равна 0,414 кг/м³. (изменение объема шара при подъеме не учитывать)

Дано: Решение:

1. Домашнее задание

1. § 52; вопросы к параграфу

2. Повторить формулы для определения давления, плотности, силы тяжести.