Изучение материала по теме "Гидростатика"

   ВВЕДЕНИЕ 

   В настоящее время школьная программа  по физике предполагает изучение обширного  материала, включающего в себя огромное количество сложных для понимания  учащимися физических процессов  и явлений. Но, к сожалению, количество часов, выделяемых на усвоение детьми этого объема знаний, сведено к минимуму (в общеобразовательных классах он составляет 2-3 часа, в профильных – 5-7 часов в неделю) Такая ситуация в школе пагубно сказывается на  качестве знаний детей по данному предмету. Это приводит к возникновению проблем, как при периодической, так и при итоговой проверке усвоенных знаний и касается всех изучаемых в школе разделов физики без исключения. Я же в своей курсовой работе хочу коснуться конкретно темы «Гидростатика», так как данный раздел физики, на мой взгляд, является интересным и наиболее приближенным к реальной жизни. С данной темой школьники встречаются в 7-9 классах, в зависимости от выбранной программы по физике. И если в 9 классе (как правило, профильном) школьники способны понять математическое и физическое объяснение законов гидростатики, то в 7-8 классах они еще не готовы к восприятию всех тонкостей физики, а лишь знакомятся с ней. Однако при составлении вопросов и задач для выпускных экзаменов эта проблема не учитывается. Скорее всего, подразумевается, что выпускник переосмыслил многие темы, в том числе и гидростатику, с более общих позиций, с учетом знания всего курса физики. К сожалению, это предположение верно не всегда. В связи с этим, я считаю, что необходимо формировать умение решать физические задачи, а также проводить активную работу по расширению содержания базового курса физики, в том числе и темы «Гидростатика», за счет факультативных занятий и элективных курсов для старших классов.

   В своей курсовой работе я проанализирую  содержание  и порядок изучения материала по теме «Гидростатика», предлагаемого некоторыми учебниками по физике, а также выделю наиболее и наименее удачные подходы к изложению вопросов данной темы и обращу внимание на наглядность и доступность излагаемого материала. Далее я представлю разработку элективного курса по решению физических задач для старших классов, которая будет содержать теоретический материал и примеры решения задач по гидростатике.   
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТИВНОГО  КУРСА ПО ФИЗИКЕ «РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ ПО ГИДРОСТАТИКЕ» 

   Элективный  курс «Решение задач по гидростатике» рассчитан на учащихся 10-11 классов общеобразовательных учреждений универсального профиля, где физика преподается по базовому уровню. Предлагаемый мною курс рассчитан на преподавание в объеме 8 часов. Его основная направленность – повторить и углубить знания, приобретенные при изучении темы «Гидростатика» в 7-8 классах, а также подготовить учащихся к ЕГЭ с опорой на полученные знания и умения.

   Данный  курс преследует следующие цели: способствовать пониманию наиболее сложных вопросов по теме «Гидростатика», научить применять знания по физике для объяснения явлений природы, свойств вещества, решения физических задач, углубить теоретические и практические знания по данной теме, развить логическое мышление учеников.

   Программа курса «Решение задач по гидростатике» (8 часов).

1. Закон Паскаля (1 ч).

2. Гидростатическое  давление (1 ч).

3. Сообщающиеся сосуды. (1 ч).

4. Гидравлический пресс (1 ч).

5. Закон  Архимеда (1 ч).

6. Условия плавания тел (1 ч).

7. Уравнение Бернулли (2 ч).  
 

  2.1 ИЗУЧЕНИЕ ТЕМЫ  «ЗАКОН ПАСКАЛЯ» 

   Положив стопку книг на поверхность стола, стоящего в углу комнаты, мы увеличим лишь его  давление на пол; стены, с которыми соприкасается  стол, этого «не заметят», т.е. твердые тела передают производимое на них извне давление по направлению действия силы, вызывающей это давление. Совсем иначе передают внешнее давление жидкости и газы.

   Проделаем опыт. Будем использовать шар Паскаля. Он представляет собой полый шар, имеющий в различных местах узкие отверстия, и присоединенный к нему цилиндр с поршнем (рис.1). Наполним прибор водой. Если держать его шаром вниз, под действием силы тяжести вода однородной струйкой вытекает вертикально вниз. Введём в цилиндр поршень и нажмем на него, т.е. произведем на столб жидкости давление. Струйки, вытекающие из всех отверстий шара, имеют примерно одинаковую форму и длину.

   Теперь  немного видоизменим опыт: располагаем  прибор так, чтобы шар оказался вверху, а цилиндр с поршнем внизу. Вода из отверстий под действием силы тяжести не вытекает. Подействуем на поршень с силой, направленной вертикально вверх.  Вытекающие струйки располагаются в плоскости, параллельной плоскости доски, и их длина примерно одинакова.

   В предложенных опытах поршень давит  на поверхность воды  в цилиндре. Частицы воды, находящиеся под поршнем, уплотняясь, передают его давление другим слоям, лежащим глубже. Таким образом, давление поршня передается в каждую точку жидкости, заполняющей шар.

   Если  шар заполнить дымом, то при вдвигании  поршня в цилиндр из всех отверстий шара начнут выходить струйки дыма.

   Делаем  вывод: давление, производимое на жидкость или газ, передаётся без изменения в каждую точку жидкости или газа.

   Это утверждение называют законом Паскаля.  

   Закон Паскаля подтверждается также шарообразностью мячей. В них (в мячах) давление возникает из-за ударов молекул газа о стенки камеры, оно увеличивается, если мяч продолжать накачивать насосом.

    Рассмотрим следующий опыт (рис.2). В сосуде, закрытом пробкой, находится вода. В пробку вставлены три одинаковые по диаметру трубки, нижние отверстия которых находятся в воде на одинаковой глубине, но направлены в разные стороны (вниз, вбок и вверх), а также не достающая до воды трубка, к которой подсоединен резиновый баллон от пульверизатора. При нагнетании воздуха с помощью баллона в сосуде увеличивается его давление. Это избыточное давление передается поверхностному слою воды, который передаёт давление нижележащим слоям. Таким образом, созданное нами избыточное давление передается за счет хаотичности движения молекул воздуха и воды по всем направлениям.  Поэтому во всех трех трубках вода поднимается до одной и той же высоты.

   Поскольку уровень воды в трубках одинаков, можно также сделать вывод, что давление жидкостями передаётся по всем направлениям одинаково.

   2.2 РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ  ПО ТЕМЕ «ЗАКОН  ПАСКАЛЯ» 

   Задача  №1. Если выстрелить из мелкокалиберной винтовки в вареное яйцо, то в яйце образуется отверстие. Если же выстрелить в сырое яйцо, оно разлетится. Как объяснить это явление?

   Решение: При выстреле из мелкокалиберной винтовки в варёном яйце образуется отверстие, так как давление пули в этом яйце передаётся лишь по направлению её движения. Сырое яйцо разбивается пулей вдребезги, так как давление пули в жидкости, согласно закону Паскаля, передаётся одинаково по всем направлениям.

   Задача  №2. Почему взрыв снаряда под водой губителен для живущих в воде организмов?

   Решение: При взрыве образуется область повышенного давления, и оно передаётся по закону Паскаля по всем направлениям и с большой скоростью. Очень высокое давление пагубно влияет на рыб.

   Задача  №3. Когда на открытой площадке стало слишком жарко, волейболисты перешли в прохладный зал. Придётся ли им подкачивать мяч или выпускать из него часть воздуха? Если придется, то почему?

   Решение: Когда воздух внутри мяча охлаждается, беспорядочное движение его молекул замедляется. В результате давление воздуха внутри мяча уменьшается. Поэтому мяч придется подкачать, т.е. увеличить количество молекул газа внутри мяча.

   Задача  №4. Почему при выливании воды из медицинской грелки не слышно такого «бульканья», как при выливании воды из стеклянной бутылки?

   Решение: по мере вытекания воды из стеклянной бутылки объем находящегося над водой воздуха возрастает, вследствие чего давление внутри бутылки уменьшается. Когда разность давлений снаружи и внутри становится достаточно большой, некоторая «порция» воздуха, т.е. воздушный пузырек, прорывается внутрь бутылки (при этом и возникает характерное «бульканье»). Давление внутри бутылки при этом несколько возрастает. Через некоторое время процесс повторяется. Если же стенки сосуда, из которого вытекает вода, не являются жёсткими, то по мере вытекания воды атмосферное давление сплющивает сосуд. Давление внутри сосуда остается практически равным атмосферному, так что «бульканье» не возникает.

   Задача  №5. Для чего электрические лампочки накаливания заполняют газом под давлением, несколько меньшим давления окружающего воздуха?

   Решение: При высокой температуре нити накала во время работы лампочки значительно повышается давление газа в ней, что может привести к разрушению баллона лампы. Чтобы этого не произошло, давление газа в лампочке делают несколько меньшим атмосферного.

   Задача  №6. Из мелкокалиберной винтовки поочередно стреляют в два стакана. В первом образуются отверстия, а второй разлетается вдребезги. Объясните это явление.

   Решение: Описанная ситуация возможна, если первый стакан пустой, а второй заполнен водой. 
 

   2.3 ИЗУЧЕНИЕ ТЕМЫ  «ГИДРОСТАТИЧЕСКОЕ  ДАВЛЕНИЕ» 

  На  каждую молекулу жидкости, находящейся  в поле тяготения Земли, действует сила тяжести. Под действием этих сил каждый слой жидкости давит на расположенные под ним слои. По закону Паскаля это давление передается жидкостью по всем направлениям одинаково. Следовательно, в жидкостях существует давление, обусловленное силой тяжести.

  Наблюдения  показывают, что жидкость, находящаяся  в сосуде в состоянии покоя, давит  на дно и стенки сосуда. Давление, оказываемое покоящейся жидкостью  на любую соприкасающуюся с ней  поверхность, называют гидростатическим.

    Получим формулу  для расчета гидростатического давления.

   Выделим мысленно вертикальный столб жидкости высотой h, основанием которого служит площадью S (рис.1).

   Объём выделенного столба жидкости равен  Sh. Сила, с которой столб жидкости действует на площадку (основание столба), представляет собой вес столба жидкости: F=P. Так как жидкость неподвижна, то вес столба жидкости равен действующей на него силе тяжести, следовательно:

   

,

где ρ  – плотность жидкости.

   Давление, производимое столбом жидкости на его основание, равно:

   

.

   Итак,

   

   Из  полученной формулы видно, что  гидростатическое давление на любой глубине жидкости не зависит от формы сосуда, в котором находится жидкость, а зависит лишь от высоты столба жидкости, её плотности и площади дна.

   Давление  внутри жидкости на любой глубине  h слагается из атмосферного давления p₀ (или внешнего давления) на жидкость и гидростатического давления :

   

   Зависимость силы давления от высоты столба жидкости и её плотности, легко продемонстрировать с помощью следующей экспериментальной установки (рис.2).

     На столик  динамометра поставим прозрачный  сосуд кубической формы с сантиметровыми  делениями на передней стенке. Будем дискретно наливать в сосуд воду до 1-го, 2-го, и т.д. делений и фиксировать показания динамометра: сила давления возрастает пропорционально высоте столба жидкости. Поскольку площадь остается неизменной, то можно сказать, что давление столба зависит от его высоты линейно. Повторим опыт с концентрированным раствором поваренной соли и установим, что давление столба жидкости зависит от её плотности.

   Проведем  опыт, показывающий, что сила, с которой  жидкость давит на дно сосудов  различной формы, но с одинаковой площадью дна и одинаковой высотой столба жидкости в них одна и та же. Поставим сосуды различной формы на специальные весы, позволяющие измерить силу давления на дно каждого сосуда (рис.3). Дно сосуда, стоящее на весах, не будем жестко связывать с сосудом, а сам сосуд закрепим неподвижно на подставке. Показания весов подтвердили, что сила давления на дно сосуда не зависит от формы сосуда.