Закон Паскаля
Содержание:
Введение…………………………………………………………
ГЛАВА 1. Закон Архимеда.
§ 11. Биография
Архимеда………………………………………………………… 4
§ 1.2.Легенда об открытии закона Архимеда……………………………………..5
§ 1.3. Закон
Архимеда………………………………………………………… …..6-8
§ 1.4 Вывод закона Архимеда для тела произвольной формы……………………9
§1.5 Проделаем опыты….………………………………………………..….…
§ 1.6 Условие плавания тел…………………………………………………….…12
§ 1.7 Проверка справедливости закона Архимеда для газов……………………13
§ 1.8 Интересные факты…………………………………………………………..
ГЛАВА 2. Закон Паскаля
§ 2.1 Биография Блез Паскаля……………………………………………………15
§ 2.2 Паскаля закон и его опыт…………………………………………………..16
§ 2.3 Использование закона Паскаля людьми……………………………….17-19
§ 2.4 Закон Паскаля: формула и применение………………………………...20-21
§2.5 Единица давления…………………………………………………………
Заключение……………………………………………………
Используемая литература…………………
Введение:
Целью данной работы является систематизация, закрепление и расширение теоретических знаний и практических навыков в решении комплексных задач с элементами исследования.
Основные задачи :
- систематизация и углубление теоретических и практических знаний студента в выбранной области науки;
- овладение современными методами поиска, обработки и использования педагогической, методической и специальной информации;
- анализ и интерпретация получаемых данных, четкая формулировка суждений и выводов;
- изыскание путей (способов, методов) улучшения организации и повышение эффективности работы специалиста по конкретному направлению профессиональной деятельности;
- оценка теоретической и практической ценности выполненного исследования.
Физика - (от др.-греч. φύσις — природа) — область естествознания.. Наука
Физическое понимание процессов, происходящих в природе, постоянно развивается. Большинство новых открытий вскоре получают применение в технике и промышленности. Однако новые исследования постоянно поднимают новые загадки и обнаруживают явления, для объяснения которых требуются новые физические теории. Несмотря на огромный объём накопленных знаний, современная физика ещё очень далека от того, чтобы объяснить все явления природы.
Сегодня мы познакомимся с примерами того, как законы физики приходят на помощь человеку в его практической деятельности; рассмотрим принцип действия пневматических инструментов и гидравлических машин.
ГЛАВА 1. Закон Архимеда.
§ 1.1 Биография Архимеда.
(Рисунок 1)
Архимед (287—212 до н. э) - греческий механик, физик, математик, инженер. (Рис 1)
Родом из Сиракуз (Сицилия). Разработал предвосхитившие интегральное исчисление методы нахождения площадей, пове
ностей и объемов различных фигур и тел. В основополагающих трудах по статике и гидростатике (закон Архимеда) дал образцы применения математики в естествознании и технике. Автор многих изобретений (архимедов винт, определение состава сплавов взвешиванием в воде, системы для поднятия больших тяжестей, военные метательные машины и др.). Высшими достижениями учёного в области физики являются научное обоснование действия рычага и открытие закона, согласно которому на всякое тело, погружённое в жидкость, действует выталкивающая сила, направленная вверх и равная весу вытесненной им жидкости (закон Архимеда).
Во время 2-й Пунической войны (218—201 гг. до н. э.) перешедшие на сторону Карфагена Сиракузы подверглись римской осаде. Архимед прославился активным участием в обороне города. Он создал множество боевых машин, надолго отсрочивших взятие Сиракуз. Возможность существования некоторых из этих механизмов до сих пор вызывает сомнение у ряда учёных (несмотря на прямые свидетельства античных авторов). Так, Архимеду вроде бы удалось сфокусировать солнечный свет с помощью гигантского зеркала и направить полученный луч на вражеские корабли. При взятии Сиракуз учёный был убит римскими солдатами.
§ 1.2 Легенда об открытии закона Архимеда.
Согласно легенде, Герон, тиран Сиракуз, поручил Архимеду выяснить, сделана ли его корона целиком из золота или же в нее подмешано серебро. Эта задача занимала Архимеда довольно долго, пока не помог случай. Однажды, принимая ванну, Архимед заметил, что чем больше он погружается в воду, тем больше воды выливается из ванны. Он понял, что явление даст ему ключ к разгадке задачи, в восторге выскочил он из ванны, восклицая: «Эврика!»
Чтобы раскрыть мошенничество с короной, Архимед применил следующий метод: он опустил в сосуд, наполненный водой, золотой слиток того же веса, что и корона, а потом собрал и взвесил вылившуюся воду. Затем Архимед повторил такой же опыт со слитком серебра того же веса и нашел, что воды вылилось больше (потому что при одинаковом весе объем серебра превышает объем золота). Повторив опыт с короной вместе слитков, Архимед получил результат, лежавший где-то посередине между результатами двух опытов, откуда и заключил, что корона сделана не из чистого золота.
- К какому же выводу пришел Архимед?
§ 1.3 Закон Архимеда.
Закон статики жидкостей и газов, согласно которому на погруженное в жидкость (или газ) тело действует выталкивающая сила, равная весу вытесненной этим телом жидкости (или газа).
Тот факт, что на погруженное
в воду тело действует некая сила,
всем хорошо известен: тяжелые тела
как бы становятся более легкими
– например, наше собственное тело
при погружении в ванну. Купаясь в речке
или в море, можно легко поднимать и передвигать
по дну очень тяжелые камни – такие, которые
не удается можем поднять на суше; то же
явление наблюдается, когда по каким-либо
причинам выброшенным на берегу оказывается
кит – вне водной среды животное не может
передвигаться – его вес превосходит
возможности его мышечной системы. В то
же время легкие тела сопротивляются погружению
в воду: чтобы утопить мяч размером с небольшой
арбуз требуется и сила, и ловкость; погрузить
мяч диаметром полметра скорее всего
не удастся. Сила, действующая вертикально
вверх на погруженное в жидкость или газ
тело, называется архимедовой.
Возникновение архимедовой силы объясняется
тем, что с увеличением глубины растет
давление жидкости (газа). Поэтому силы
давления, действующие на нижние элементы
поверхности тела, превосходят аналогичные
силы, действующие на верхние элементы
поверхности.
где — плотность жидкости (газа), — 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. В зависимости от соотношения силы тяжести и архимедовой силы, действующих на тело, тело будет либо тонуть (FА< Fтяж), либо всплывать (FА> Fтяж), либо находиться в равновесии, т. е. плавать. ( Рис. 2)
(Рисунок 2)
Закон Архимеда можно объяснить при помощи разности гидростатических давлений на примере прямоугольного тела.
где PA, PB — давления в точках A и B, ρ — плотность жидкости, h — разница уровней между точками A и B, S — площадь горизонтального поперечного сечения тела, V — объём погружённой части тела.
В теоретической физике также применяют закон Архимеда в интегральной форме:
,
где — площадь поверхности, — давление в произвольной точке, интегрирование производится по всей поверхности тела.
В отсутствие гравитационного поля, то есть в состоянии невесомости, закон Архимеда не работает. Космонавты с этим явлением знакомы достаточно хорошо. В частности, в невесомости отсутствует явление (естественной) конвекции, поэтому, например, воздушное охлаждение и вентиляция жилых отсеков космических аппаратов производятся принудительно, вентиляторами.
Некий аналог закона Архимеда
справедлив также в любом поле
сил, которое по-разному действуют
на тело и на жидкость (газ), либо в
неоднородном поле. Например, это относится
к полю сил инерции (например, центробежно
§1.4 Вывод закона Архимеда для тела произвольной формы.
Гидростатическое давление жидкости на глубине
При переходе от интеграла, по поверхности к интегралу по объёму пользуемся обобщённой теоремой Остроградского-Гаусса.
Получаем, что модуль силы Архимеда равен , а направлена она в сторону, противоположную направлению вектора напряжённости гравитационного поля.
§ 1.5 Проделаем опыты.
К коромыслу весов подвесим два одинаковых шара. Их вес одинаков, поэтому коромысло находится в равновесии (рис. «а»). Подставим под правый шар пустой стакан. От этого вес шаров не изменится, поэтому равновесие сохранится (Рис. 3).
(Рисунок 3) |
Заполним стакан углекислым газом, плотность которого больше плотности воздуха (рис. «в»). Равновесие нарушится, показывая, что вес правого шара стал меньше. Это произошло потому, что на шар в углекислом газе действует большая архимедова сила, чем в воздухе.
(Рисунок 4)
Второй опыт. Подвесим к динамометру большую картофелину (Рис. 4). Вы видите, что её вес равен 3,5 Н. Погрузим картофелину в воду. Мы обнаружим, что её вес уменьшился и стал равен 0,5 Н.
Вычислим изменение веса картофеля:
DW = 3,5 Н – 0,5 Н = 3 Н
Почему же вес картофеля уменьшился именно на 3 Н? Очевидно потому, что в воде на картофель подействовала выталкивающая сила такой же величины. Другими словами, сила Архимеда равна изменению веса тела:
|
Fарх – архимедова сила, Н. DWт – изменение веса тела, Н. |
Эта формула выражает способ измерения архимедовой силы: нужно дважды измерить вес тела и вычислить его изменение. Полученное значение равно силе Архимеда.
Для вывода следующей формулы проделаем опыт с прибором «ведерко Архимеда». Основные его части следующие: пружина со стрелкой 1, ведерко 2, тело 3, отливной сосуд 4, стаканчик 5.
Сначала пружину, ведерко и тело подвешивают к штативу (рис. «а») и отмечают положение стрелки жёлтой меткой. Затем тело помещают в отливной сосуд. По мере погружения тело вытесняет некоторый объем воды, который сливается в стаканчик (Рис. 5). Вес тела становится меньше, поэтому пружина сжимается, и стрелка поднимается выше жёлтой метки.
(Рисунок 5)
Перельём воду, вытесненную телом, из стаканчика в ведерко (рис. «в»). Самое удивительное в том, что когда вода будет перелита (рис «г»), стрелка не просто опустится вниз, а укажет точно на жёлтую метку! Значит, вес влитой в ведерко воды уравновесил архимедову силу.
§ 1.6 Условие плавания тел.
Поведение тела, находящегося в жидкости или газе, зависит от соотношения между модулями силы тяжести и силы Архимеда , которые действуют на это тело. Возможны следующие три случая:
- — тело тонет;
- — тело плавает в жидкости или газе;
- — тело всплывает до тех пор, пока не начнет плавать.
Другая формулировка (где — плотность тела, — плотность среды, в которую оно погружено):
- — тело тонет;
- — тело плавает в жидкости или газе;
- — тело всплывает до тех пор, пока не начнет плавать.
§ 1.7 Проверка справедливости закона Архимеда для газов.
Под колокол вакуумного насоса (Рис. 6) помещают равноплечие весы, на которые подвешены пустотелый стеклянный шар большого объема и гиря, уравновешивающая вес этого шара в воздухе. Если откачать из-под колокола воздух, то равновесие нарушится и коромысло весов, на котором подвешен шар, опустится вниз. Объясним это явление.
(Рисунок 6)
Как отмечалось, вес Р'ш шара в воздухе был уравновешен весом Р'г гири в воздухе, т. е. Р'ш= Р'г. Но если справедлив закон Архимеда, то и на шар, и на гирю в воздухе действуют выталкивающие силы. Поэтому вес шара в воздухе равен Р'ш= Рш-Fш, а вес гири в воздухе Р'г= Рг-Fг, где Рг и Рш - истинные веса гири и шара, т. е. их веса в пустоте, a Fг и Fш - архимедовы выталкивающие силы, действующие соответственно на гирю и шар. Fш=rвgVш и Fг=rвgVг, где rв - плотность воздуха, Vш - объем шара, Vг - объем гири. Так как Vш >>Vг, то выталкивающая сила Fш, действующая на шар, значительно больше выталкивающей силы Vг, действующей на гирю. Поэтому наблюдаемое в воздухе равновесие шара и гири не означает одинаковости их весов в пустоте. На самом деле истинный вес шара Pш больше истинного веса гири Pг. Это сразу обнаруживается, когда из-под колокола насоса откачивают воздух. Весы выходят из равновесия, шар опускается вниз. Таким образом, данный опыт наглядно показывает справедливость закона Архимеда и для газов.
На использовании действия архимедовой силы в газах основано воздухоплавание - полеты дирижаблей, аэростатов и т. п.
§ 1.8 Интересные факты.
Плотность оганизмов, живущих в воде почти не отличается от плотности воды, поэтому прочные скелеты им не нужны!
Рыбы регулируют глубину погружения,
меняя среднюю плотность своего
тела. Для этого им необходимо лишь
изменить объем плавательного пузыря
, сокращая или расслабляя мышцы.
У берегов Египта, водится удивительная
рыба фагак. Приближение опасности заставляет
фагака быстро заглатывать воду. При этом
в пищеводе рыбы происходит бурное разложение
продуктов питания с выделением значительного
количества газов. Газы заполняют не только
действующую полость пищевода, но и имеющийся
при ней слепой вырост. В результате тело
фагака сильно раздувается, и, в соответствии
с законом Архимеда, он быстро всплывает
на поверхность водоема. Здесь он плавает,
повиснув вверх брюхом, пока выделившиеся
в его организме газы не улетучатся. После
этого сила тяжести опускает его на дно
водоема, где он укрывается среди придонных
водорослей.
Чилим (водяной орех) после цветения
дает под водой тяжелые плоды.
Эти плоды настолько тяжелы, что
вполне могут увлечь на дно все
растение. Однако в это время у
чилима, растущего в глубокой воде,
на черешках листьев возникают вздутия,
придающие ему необходимую
ГЛАВА 2. Закон Блез Паскаля.
§ 2.1 Биография Блез Паскаля.
Блез Паскаль ( 1623 - 1662 )
(Рисунок 7)
Французский математик, физик, философ,писатель.
Родился в семье одного из лучших юристов города Клермон-Ферран. Отец, глубоко интересуясь математикой, привил любовь к этой науке своему сыну, который впоследствии стал одним из крупнейших математиков и физиков
Франции (Рис. 7)
Невероятные успехи Блеза до сих пор считают ярким проявлением таланта, граничащего с гениальностью. Первый свой трактат по математике он написал в возрасте 17 лет. Далее его открытия последовали одно за другим. Однако успех не вскружил ему голову и к 30-летнему возрасту он глубоко погрузился в религию и философию.
Блез стал последователем янсенизма —учения, противоречащего ортодоксальному католицизму и отрицавшего свободу воли, признававшего предопределение и требовавшего от своих адептов аскетизма и бескомпромиссного этического самосовершенствования. Иезуиты были врагами янсенистов, и в связи с этим ученый написал книгу «Письма к провинциалу» —шедевр сатирической прозы, который доказывает полную несостоятельность иезуитских доктрин.
Последние годы жизни Паскаль провел в монастыре Пор-Руаяль-д-Шан — интеллектуальном сердце столицы Франции.
После смерти вышел в свет его труд «Мысли», который был издан близкими друзьями и почитателями. В «Мыслях» Паскаль развивает представление о трагичности и хрупкости человека, находящегося между двумя безднами — бесконечностью и ничтожеством (человек — «мыслящий тростник»).
§ 2.2 Паскаля закон и его опыт.
Закон гидростатики, согласно которому давление на поверхность жидкости, произведённое внешними силами, передаётся жидкостью одинаково во всех направлениях.
Следует обратить внимание на то, что в законе Паскаля речь идет не о давлениях в разных точках, а о возмущениях давления, поэтому закон справедлив и для жидкости в поле силы тяжести. В случае движущейся несжимаемой жидкости можно условно говорить о справедливости закона Паскаля, ибо добавление произвольной постоянной величины к давлению не меняет вида уравнения движения жидкости (уравнения Эйлера или, если учитывается действие вязкости, уравнения Навье — Стокса), однако в этом случае термин закон Паскаля как правило не применяется. Для сжимаемых жидкостей (газов) закон
Паскаля, вообще говоря, несправедлив.
(Рисунок 8)
В 1648 году то, что давление
жидкости зависит от высоты ее столба, продемонстрировал Блез Паскаль.
Он вставил в закрытую бочку, наполненную
водой, трубку диаметром 1 см2, длиной 5
м и, поднявшись на балкон второго этажа
дома, вылил в эту трубку кружку воды. Когда
вода в ней поднялась до высоты ~ 4 метра,
давление воды увеличилось настолько,
что в крепкой дубовой бочке образовались
щели, через которые потекла вода.
Трубка Паскаля (Рис. 8).
§ 2.3 Использование закона Паскаля людьми.
Закон Паскаля положен в основу устройства многих механизмов. Смотри рисунки запоминай !
1.Гидравлические прессы (Рис. 9)
(Рисунок 9)
Гидравлический мультипликатор предназначен для увеличения давления (р2 > р1, так как при одинаковой силе давления S1> S2 ). Мультипликаторы применяются в гидравлических прессах.
(Рисунок 10)
2. Гидравлические подъемники (Рис. 10).
Рисунок 10 - это упрощенная схема гидравлического
подъемника, который устанавливается
на самосвалах.
Назначение подвижного цилиндра - увеличение высоты подъема поршня. Для опускания груза открывают кран.
(Рисунок 11)
3. Заправочные агрегаты (Рис. 11).
Заправочный агрегат для снабжения
тракторов горючим действует так:
компрессор нагнетает воздух в герметически
закрытый бак с горючим, которое по шлангу
поступает в бак трактора.
4. Опрыскиватели (Рис. 12)
(Рисунок 12)
В опрыскивателях, используемых для
борьбы с сельскохозяйственными
вредителями, давление нагнетаемого в сосуд воздуха на раствор яда - 500 000 Н/м2. Жидкость распыляется при открытом кране.
5. Системы водоснабжения (Рис. 13).
(Рисунок 13)
Пневматическая система
6. Водометы (Рис. 14).
(Рисунок 14)
Струя воды, выбрасываемая водометом
под давлением 1 000 000 000 Н/м2, пробивает
отверстия в металлических болванках,
дробит породу в шахтах. Гидропушками
оснащена и современная противопожарная
техника.
7. При прокладке
трубопроводов (Рис. 15).
(Рисунок 15)
Давление воздуха "раздувает" трубы, изготовленные в виде плоских металлических стальных лент, сваренных по кромкам. Это значительно упрощает прокладку трубопроводов различного назначения.
8. В архитектуре (Рис. 16).
(Рисунок 16)
Огромный купол из синтетической
пленки поддерживается давлением, большим
атмосферного
лишь на 13,6 Н/м2.
9. Пневматические трубопроводы (Рис. 17).
(Рисунок 17)
Давление в 10 000 - 30 000 Н/м2 работает в пневмоконтейнерных трубопроводах. Скорость составов в них достигает 45км/час. Этот вид транспорта используется для перевозки сыпучих и других материалов.
Контейнер для перевозки бытовых отходов.
§ 2.4 Закон Паскаля: формула и применение.
Если мы положим на стол тяжелую стопку книг, то мы увеличим давление не только на стол, но и соответственно, на пол под столом. Стены, потолок, окна и двери этого давления на себе не почувствуют. Даже если мы сложим на стол всю одежду из шкафов, еду из холодильника, телевизор, гантели и вдобавок взгромоздимся с ногами сами, стены и потолок не ощутят никаких изменений. Разве что их может задеть щепкой от разлетевшегося под весом всего этого добра стола, но изменения в давлении на них будут равны нулю. С газами и жидкостями дело обстоит иначе. Если в закрытом сосуде мы изменим давление на наполняющую сосуд жидкость или газ, то изменение в давлении ощутят на себе абсолютно все стенки этого сосуда.
Закон Паскаля описывается формулой давления:
p=F/S,
где p – это давление,
F – приложенная сила,
S – площадь сосуда.
Из формулы мы видим, что при увеличении силы воздействия при той же площади сосуда давление на его стенки будет увеличиваться. Измеряется давление в ньютонах на метр квадратный или в паскалях (Па), в честь ученого, открывшего закон Паскаля. Его применение лежит в основе многих устройств и довольно распространено в производстве. Это, в частности, гидравлические прессы, пневматические тормоза и инструменты и многое другое.
Но обычно используется так:
Немного поговорим о Законе Паскаля:
На каждую частицу жидкости, находящейся в поле тяготения Земли, действует сила тяжести. Под действием этой силы каждый слой жидкости давит на расположенные под ним слои. В результате давление внутри жидкости на разных уровнях не будет одинаковым. Следовательно, в жидкостях существует давление, обусловленное ее весом.
Из этого можно сделать вывод: Чем глубже мы будем погружаться под воду, тем сильнее будет действовать на нас давление воды
Давление, обусловленное весом жидкости, называют гидростатическим давлением.
Графически зависимость
Рисунок 18
На основе закона Паскаля работают различные гидравлические устройства: тормозные системы, прессы, насосы, помпы и др. Закон Паскаля неприменим в случае движущейся жидкости (газа), а также в случае, когда жидкость (газ) находится в гравитационном поле; так, известно, что атмосферное и гидростатическое давление уменьшается с высотой.
§ 2.5 Единица давления.
Единицей давления называют такое
давление, при котором на единицу
площади действует сила, равная единице.
В СИ единицей давления служит давление,
при котором на один квадратный метр приходится
сила, равная одному ньютону. Эта единица
названа в честь Б. Паскаля паскалем (Па):
Широко применяется внесистемная единица
давления, называемая атмосферой. Она
равна давлению, оказываемому столбом
ртути высоты 760 мм (или водяным столбом
высоты 10,332 м)*):
1 атм=760 мм рт. ст. = 101 325 Па.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ:
Изучив законы Архимеда и Паскаля, мы выяснили насколько необходимо нам их знать, в каких областях они применяются и как были открыты.
По воде плавают суда, корабли, паромы. Человека, умеющего плавать, вода тоже поддерживает на плаву. Значит, вода производит на погруженное в нее тело выталкивающие действие. Закон Архимеда гласит, что на погруженное в жидкость (или газ) тело действует выталкивающая сила, равная весу вытесненной этим телом жидкости (или газа).Сила, действующая вертикально вверх на погруженное в жидкость или газ тело, называется архимедовой.
Закон Паскаля , согласно которому давление на поверхность жидкости, произведённое внешними силами, передаётся жидкостью одинаково во всех направлениях. Закон Паскаля положен в основу устройства многих механизмов:
В данной работе мы рассмотрели актуальность законов, познакомились с научными положениями, выводами и рекомендациями, их значение для теории и практики, практическую значимость и использование законов в современном обществе.
Используемая литература :
- Голованова Я. "Этюды об ученых"
- Иванов А. И., Минькова Р. Д. Физика. 7 класс
Кривченко И. В. Физика. 7 класс
- Перышкин А.В., Физика, 7 класс, 2006.
- Сёмке А.И. Физика. Занимательные материалы к урокам. 7 класс, - М.: НЦ ЭНАС, 2001 г.
- Фадеева А. А., Засов А. В., Киселев Д. Ф.. Физика. 7 класс
- http://frutmrut.ru/zakon-
paskalya/ - http://www.edu.yar.ru/
projects/socnav/prep/phis001/ liq/liquid23.html - http://www.nado5.ru/e-book/
zakon-paskalya - http://shpargalka.kz/fizika/
arhimedova-sila - http://class-fizika.narod.ru/
7_archim.htm - http://class-fizika.narod.ru/
- http://physica-vsem.narod.ru/
- http://physics03.narod.ru/
- http://elkin52.narod.ru/

- Закон: понятие, виды, структура
- Закон: понятие и виды
- Закон: понятие и виды
- Закон: понятие, признаки, виды
- Закон, понятия и основные признаки
- Закон, понятия и основные признаки
- Закон: поняття, ознаки, види та заходи з підвищення його ролі. Конституція (Основний Закон) України
- Законотворческий процесс, традиции и новые институты
- Законотворчество в РФ
- Законотворчество в РФ
- Законотворчество государства
- Законотворчість: поняття, ознаки, стадії, види
- Законотворчість: поняття, ознаки, стадії, види
- Закон Оукена и кривая Филлипса