Индивидуальный проект на тему "Классификация задач на тему "Гидростатика"

Цель проекта: изучить задачи раздела физики "Гидростатика" для их классификации по видам (типам).

Актуальность: так как гидростатика изучает законы равновесия жидкости и распределения в ней давления, то она необходима при решении современных разнообразных вопросов инженерной практики.

Задачи:

1. Собрать информацию по теме "Гидростатика";
2. Проанализировать различные задачи по этой теме;
3. Составить классификацию видов задач гидростатики.

Гипотеза: все задачи из раздела физики "Гидростатика" можно разделить на несколько групп по определенным одинаковым признакам.

Объект исследования: физика.

Предмет исследования: задачи по теме "Гидростатика".

Понятие жидкости

Жидкость - одно из агрегатных состояний вещества. Жидкое состояние обычно считают промежуточным между твердым телом и газом, так как газ не сохраняет ни объема, ни формы, а твердое тело сохраняет и то, и другое.

Основные свойства жидкости:

• Не сохраняет формы;
• Имеет постоянный объем;
• Обладает текучестью;
• Обладает вязкостью
• Образование поверхностного натяжения;
• Участвует в процессах испарения и конденсации.

Что такое гидростатика?

Гидростатика - раздел физики, изучающий равновесие жидкостей, в частности, в поле действия силы тяжести, а также воздействие жидкостей на тела, погруженные в них

Важной особенностью жидкостей является способность отдельных ее частей перемещаться относительно друг друга беспрепятственно, поэтому жидкости способны легко принимать любую форму.

На любые тела, погруженные в жидкость или газ, действуют силы, распределенные по поверхности этих тел, эти силы описываются таким понятием как давление. Давление- величина, равная отношению модуля силы давления F, действующей перпендикулярно поверхности, к площади этой поверхности.

Зная распределение давления, а также некоторые законы гидростатики, можно вычислить силы, действующее на погруженный в жидкость объект. Основные законы гидростатики: закон для толщи жидкости - зависимость давления от глубины, который для несжимаемой жидкости в однородном поле тяжести, закон Архимеда, а также закон Паскаля.

Основные законы гидростатики

Законы для толщи жидкости

В любой жидкости существует гидростатическое давление. Гидростатическое давление - давление в жидкости, возникающие под действием силы тяжести. Гидростатическое давление внутри жидкости на любой глубине не зависит от формы сосуда, в котором находится жидкость.

В однородной покоящейся жидкости давления в точках, лежащих на одном уровне, одинаковы. Кроме этого на определенной глубине жидкость давит одинаково по всем направлениям, поэтому давление на стенку сосуда на данной глубине будет таким же, как и на горизонтальную площадку, расположенную на этой же глубине.

Сила, с которой покоящаяся жидкость действует на стенки сосуда, направлена перпендикулярно к этим стенкам

Закон Паскаля

Данный закон был открыт Блезом Паскалем в 1653 году и справедлив как для жидкостей, так и для газов. Закон имеет следующую формулировку: "Внешнее давление, приложенное к жидкости или газу, находящемуся в ограниченном объеме, передается во всех направлениях одинаково".

Это значит, что с какой силой тело давит на жидкость, с такой же силой жидкость давит во всех направлениях. Такое свойство жидкости связано с тем, что ее молекулы подвижны и могут менять свое положение относительных других молекул.

Закон Архимеда

Закон Архимеда был открыт в III веке до н. э. Формулировка закона: "на тело, погруженное в жидкость или газ, действует выталкивающая сила равная весу объема жидкости или газа, вытесненного частью тела, погруженной в жидкость или газ".

Выталкивающая сила, по-другому сила Архимеда, по направлению противоположна силе тяжести, прикладывается к центру тяжести тела. На основе данного закона формируются условия плавания тел:

1. Тело будет тонуть, если сила тяжести больше выталкивающей силы;
2. Тело будет всплывать, если сила тяжести меньше силы Архимеда;
3. Тело будет погружено в жидкость на какую-то часть своего объема или плавать в жидкости в случае, если сила Архимеда равна силе тяжести.

Плавание тел

Классификация задач

По способу решения:

1. Простая задача, с применением одного закона гидростатики;
2. Комплексная задача с применением одновременно нескольких законов гидростатики.
3. Задача повышенной трудности с самостоятельным выводом формул.

По величине, которую необходимо найти:

1. Задача на нахождение плотности тела(жидкости);
2. Задача на нахождение объема тела;
3. Задача на нахождение объема полости внутри тела;
4. Задача на нахождение давления жидкости;
5. Задача на нахождение части(объема), на которую(ый) погружено тело в жидкость;
6. Задачи на нахождение предельных сил, при которых происходит разрыв сосуда и отрыв тела.

Алгоритм решения задач раздела гидростатика

1. Записать все данные из условия задачи;
2. При необходимости и для лучшего понимания процессов, описанных в условии задачи, делать рисунок;
3. Записать гидростатические законы, необходимые в решении данной задачи;
4. Выразить неизвестные величины через данные из условия задачи, получить буквенную запись уравнений;
5. Вместо буквенных обозначений подставить численные значения из условия и решить математически полученную систему уравнений.

Стоит помнить, что данный алгоритм подходит для решения всех задач гидростатики, но иногда встречаются такие задания, для которых существует индивидуальный подход, значительно упрощающий их решение.

Применение гидростатики в жизни

Результаты опроса показали, что гидростатика, по мнению старшеклассников, не имеет особой важности в современной жизни человека. Но стоит отметить, что на законы гидростатики используются человеком повсеместно. Опрашиваемые отвечали правильно, когда говорили, что гидростатика используется при строительстве дамб, ГЭС, а также в научных исследованиях, связанных с изучением свойств плавающих тел.

Но человечеством благодаря этому разделу физики были созданы различные устройства, о которых не упомянули старшеклассники. Рассмотрим их подробнее.

Законы гидростатики применяются в различных отраслях жизни людей. Например, такое устройство, как гидравлический пресс. Гидравлический пресс – устройство, позволяющее создавать и воздействовать на тело с большой сжимающей силой.

Еще одно устройство – это гидравлический подъемник или по другому гидравлический домкрат. Его действие также основано на свойствах жидкости передавать давление во всех направлениях. С помощью гидравлического подъемника можно поднимать тяжелые вещи на определенную высоту с применением небольших усилий.

Так же на законах гидростатики основан и принцип работы сифона.

Сифон - изогнутая трубка с коленами разной длины, по которой жидкость из сосуда с более высоким уровнем перемещается в сосуд с более низким уровнем жидкости

Пьезометр - жидкостный манометр. Данное устройство довольно легко сконструировано.Оно состоит из вертикальной трубки небольшого диаметра, один конец которой открыт в сторону атмосферы, а другой соединен с сосудом, в котором находится жидкость, давление в которой необходимо узнать. Таким образом данный прибор предназначен для измерения гидростатического давления.

Заключение

В заключение хотелось бы сказать, что в данной работе собраны все основные законы гидростатики, позволяющие успешно решать задачи данного раздела физики, но главную роль составляет классификация задач, предоставляющая человеку, интересующемуся или занимающемуся физикой, понять структуру заданий и возможные вариации вопросов, на которые необходимо ответить в процессе решения задач.

Кроме этого, в каждом классе задач представлено по 2-3 задания с подробными решениями, позволяющими обучающемуся понять принцип решения. На основе решения данных заданий был составлен универсальный алгоритм, который также может помочь учащемуся с пониманием принципа решения задач.

Проведенный опрос, говорит о том, что современная молодежь не заинтересована как физикой в общем, так и конкретно гидростатикой, хотя каждый человек ежедневно пользуется устройствами, созданными благодаря законам гидростатики.

Данный проект можно использовать как на уроках физики в школе при изучении гидростатики, так и при самостоятельном изучении в качестве учебного пособия.