Выяснение условий плавания тела в жидкости

Лабораторная работа №13
Выяснение условий плавания тела в жидкости
Раздел физики: «Механические явления»
Цель работы: На опыте выяснить условия, при которых тело плавает в жидкости, а при
которых оно тонет.
Краткое описание идеи
В виртуальной подводной среде на разных уровнях и по разным координатам находятся
ключевые точки (сокровища), через которые необходимо пройти подводной лодке (собрать
сокровища). Ключевые точки размещены заранее, координаты фиксированы, отображение
сопровождается анимацией. Отображение подлодки в среде производится через маркер
дополненной реальности. Перемещение подлодки в горизонтальной плоскости
осуществляется перемещением маркера по рабочему столу. Перемещение подлодки в
вертикальной плоскости осуществляется путем добавления и уменьшения массы грузов,
прицепленных к ней. Добавление и уменьшение грузов осуществляется при помощи
маркера изменения количества (вносимого в область видимости камеры положительной
или отрицательной стороной) либо в интерфейсе программы. В интерфейсе программы в
областях информации отображается вес подлодки сила тяжести и выталкивающие сила,
действующая на неё. При прохождении ключевой точки автоматически заполняются
некоторые ячейки таблицы результатов. Ячейки таблицы с условиями плавания тела
заполняются вручную (для соблюдения методики исследования). Дополнительными
заданиями могут стать всплытие подлодки на поверхность и погружение на дно. В
результатах учитывается время сбора сокровищ и общая итоговая сумма.
Подробное описание идеи
Формат работы: технология дополненной реальности.
Виртуальные приборы и материалы:
 Подводная лодка (батискаф)
 Аквалангист
 Ключевые точки (сокровища): могут быть разного количества для финального
подсчета заработанной прибыли.
Реальные материалы:
 Маркер предмета (на выбор: подводная лодка, аквалангист, рыбка)
 Маркер изменения количества груза (2-х сторонний) для увеличения и
уменьшения массы предмета.
Теоретическая часть:
Закон Архимеда: на тело, погружённое в жидкость, действует выталкивающая сила,
равная весу жидкости в объеме погруженной части тела.
Сила Архимеда вычисляется по формуле:
где — плотность жидкости, — ускорение свободного падения, а
— объём погружённого тела (или часть объёма тела, находящаяся ниже
поверхности).
Если тело плавает на поверхности или равномерно движется вверх или вниз, то
выталкивающая сила (называемая также архимедовой силой) равна по модулю (и
противоположна по направлению) силе тяжести, действовавшей на вытесненный телом
объём жидкости (газа), и приложена к центру тяжести этого объёма.
Тело плавает, если сила Архимеда уравновешивает силу тяжести тела.
Справочные материалы:
Нет
Практическая работа
Этап 1.
1. Выберите предмет для исследования – батискаф.
2. Последовательно пройдите все контрольные точки (соберите сокровища) изменяя силу
тяжести, действующую на батискаф при помощи маркера количества или интерфейсных
кнопок.
3. Занесите значения силы тяжести в таблицу.
4. Сравните силу тяжести батискафа и выталкивающую силу, действующую на батискаф в
момент прохождения каждой контрольной точки. Результаты занесите в таблицу.
Таблица результатов
Ключевая
точка
1
2
3
4
5
Сила тяжести,
Н
Выталкивающая
сила,
Н
15 000
15 000
15 000
15 000
15 000
Сравнение
Fт и FA
(>, <, =)
Fт
Fт
Fт
Fт
Fт
…
…
…
…
…
Поведение тела
(погружается,
всплывает, лежит на
дне, плавает на
поверхности)
FA
FA
FA
FA
FA
Легенда:
Заполняется автоматически по результатам измерений
Заполняется вручную учеником
Заполняется автоматически по результатам измерений и по результатам данных
введенных вручную
Заблокированные ячейки
Этап 2
1. Выберите предмет для исследования – аквалангист или рыбка
2. Последовательно пройдите все контрольные точки (соберите сокровища) изменяя силу
тяжести и выталкивающую силу, действующую на аквалангиста (рыбку) при помощи
маркера количества или интерфейсных кнопок.
3. Сравните силу тяжести и выталкивающую силу, действующую на аквалангиста в момент
прохождения каждой контрольной точки. Результаты занесите в таблицу.
Таблица результатов
Ключевая
точка
1
2
3
4
5
масса груза,
кг
Сила тяжести,
Н
Выталкивающая
сила,
Н
Сравнение
Fт и FA
(>, <, =)
Fт
Fт
Fт
Fт
Fт
…
…
…
…
…
Поведение тела
(погружается,
всплывает, лежит на
дне, плавает на
поверхности)
FA
FA
FA
FA
FA
Вывод:
Если сила тяжести равна силе Архимеда, то тело плавает в жидкости.
Если сила тяжести больше силы Архимеда, то тело тонет.
Если сила тяжести меньше силы Архимеда, то тело плавает на поверхности жидкости.
Набросок сцены в виртуальной среде:
Схематический рисунок вашего видения процесса проведения лабораторной работы.
Дополнительные сведения и примечания:
Текущий (измененный) общий вес предмета можно выводить в интерфейсе программы
в непосредственной близости от предмета. Также дополнительно можно отображать вектор
направления и значения силы тяжести и архимедовой силы.
Масса грузов должна отличаться от массы аквалангиста примерно на один порядок:
Можно перечислить грузы, находящиеся в контрольных точках и занести их в таблицу.
Расчеты для программирования:
Сила тяжести, действующая на аквалангиста или рыбку при сборе груза
равна F=(ma+mг)*g
Сила Архимеда, действующая на аквалангиста (рыбку) при сборе груза равна:
Fa= ρg(Va+Vг), где ma,Va масса и объем аквалангиста, mг,Vг масса и объем поднятого
груза.