Как найти подъемную силу физика 7 класс

На прошлом уроке мы познакомились с принципом плавания судов и их основными характеристиками. Но с давних времен люди хотели передвигаться не только по воде, но и по воздуху.

На данном уроке мы узнаем, как действует архимедова сила в воздухе, рассмотрим принцип воздухоплавания и необходимые условия для его осуществления.

Принцип воздухоплавания

Для начала дадим определение.

Воздухоплавание — это контролируемые или неконтролируемые полеты в атмосфере Земли на летательных аппаратах легче воздуха. 

Самый первый летательный аппарат, отправившийся в полет, — воздушный шар (рисунок 1). В начале развития воздухоплавания шары наполняли горячим воздухом, теперь — гелием или водородом. Рассмотрим, какие условия нужны, чтобы шар поднялся в воздух.

В прошлых уроках мы узнали условия плавания тел в жидкости. Эти же условия применимы и для тел, погруженных в газ. Так мы получаем первое условие:

Средняя плотность шара (оболочка и газ) должна быть меньше плотности воздуха.

На воздушный шар так же действуют две противоположно направленные силы: архимедова (выталкивающая сила) и сила тяжести (рисунок 2). Соответственно, для того, чтобы воздушный шар начал подниматься наверх, нам необходимо, чтобы архимедова сила была больше силы тяжести: $F_А > F_{тяж}$.

Вспомним формулу для определения архимедовой силы: $F_A = rho_{возд} gV$, где $rho_{возд}$ — это плотность воздуха, в котором находится воздушный шар, а $V$ — объем шара, заполненный газом (горячим воздухом, водородом или гелием).

Почему уменьшается выталкивающая сила, действующая на шар, по мере его подъема?
Плотность воздуха зависит от высоты — с увеличением высоты плотность становится меньше. Значит, архимедова сила при поднятии шара вверх уменьшается.

Дальше шар достигает предельной высоты своего подъема. Для того чтобы воздушный шар начал опускаться, из его оболочки выпускают часть газа с помощью специального клапана. 

Подъемная сила

Поднимаясь в небо, воздушный шар поднимает за собой определенный груз: кабину, оборудование, приборы, людей, сама оболочка тоже имеет свой вес. Но как узнать, какой груз способен поднять воздушный шар?

Главной характеристикой воздухоплавательного судна является его подъемная сила — сила, которую необходимо знать, чтобы определить, какой груз данное судно может поднять.

Рассмотрим пример. Пусть в воздух запущен воздушный шар объемом $50 space м^3$, который наполнен гелием ($rho_{He} = 0.189 frac{кг}{м^3}$).

Расчет подъемной силы

Как рассчитать подъемную силу шара, наполненного гелием?
Чтобы найти подъемную силу, нужно из архимедовой силы вычесть вес гелия.

Найдем вес гелия по формуле:
$P_{He} = gm_{He}$.

Выразим массу гелия через его плотность и объем:
$m_{He} = rho_{He} V$.

Тогда:
$P_{He} = grho_{He} V$,
$P_{He} = 9.8 frac{Н}{кг} cdot 0.189 frac{кг}{м^3} cdot 50 space м^3 approx 93 space Н$.

Архимедова сила, которая будет действовать на этот шар в воздухе, равна весу воздуха объемом $50 space м^3$. Плотность воздуха равна $1.3 frac{кг}{м^3}$.

Рассчитаем ее:
$F_А = grho_{возд}V$,
$F_А = 9.8 frac{Н}{кг} cdot 1.3 frac{кг}{м^3} cdot 50 space м^3 = 637 space Н$.

Значит, воздушный шар может поднять груз весом $637Н space – space 93 Н = 544 space Н$. Это и есть его подъемная сила.

Если мы рассчитаем подъемную силу для такого же шара, но наполненного водородом, то увидим, что его подъемная сила будет больше. Но водород — это горючий газ, поэтому гелий используют чаще из соображений безопасности.

Но самый простой способ управления — при заполнении шара горячим воздухом. Как регулируют высоту подъема воздушного шара, наполненного горячим воздухом?
С помощью горелки, установленной под отверстием в нижней части шара, можно регулировать температуру, а значит, его плотность и архимедову силу. Следовательно, таким образом можно контролировать высоту подъема шара.

При увеличении температуры шар поднимается, а при понижении — опускается. Когда вес шара и кабины будет равен архимедовой силе, шар повиснет в воздухе на одной высоте.

Виды воздухоплавательных судов

Рассмотрим, какие бывают воздухоплавательные суда.

Аэростат — это воздушный шар, летательный аппарат, который легче воздуха.

Этот термин происходит от греческого «аэр» — «воздух», «сато» — «стоять». Так, воздушный шар тоже является аэростатом.

Аэростаты могут контролируемо менять свою высоту, но перемещаться в горизонтальном направлении может только под действием ветра (рисунок 3).

Стратостат — это воздушный шар, который предназначен для полетов на высоту более 11 км.

Такие летательные аппараты помогают исследовать верхние слои атмосферы — стратосферу (рисунок 4).

Дирижабль — это управляемый аэростат.

До начала производства больших пассажирских самолетов именно эти летательные аппараты использовались для перевозки пассажиров и грузов. Дирижабль имеет удлиненную форму, гондолу для пассажиров/грузов и гондолу с двигателем, от которого работает пропеллер (рисунок 5).

История воздухоплавания

Воздушные шары

В 1709 году бразильский священник и естествоиспытатель Бартоломеу Лоренсу де Гусмао представил проект предположительно первого воздушного шара. Его оболочка была сделана из бумаги, вместо кабины был поддон с глиняным горшком. В горшке сгорали горючие материалы, шар наполнился горячим воздухом и поднялся в воздух.

В 1783 году во Франции был изобретен и поднят в воздух первый полноценный воздушный шар братьями Этьеном и Жозефом Монгольфье (рисунок 6).

В 1785 году состоялся удивительный полет через Ла-Манш на воздушном шаре Жан-Пьера Бланшара и Джона Джеффриса (рисунок 7). Во время пути шар начал терять подъемную силу, и естествоиспытатели, сбросив из кабины все, что было, благополучно приземлились в Кале (Франция).

В 1849 году воздушные шары были впервые применены в качестве военной техники. Австрия организовала бомбежку с помощью небольших аэростатов. Далее воздушные шары использовали как во время Первой мировой войны, так и во время Второй.

В годы холодной войны аэростаты стали использовать в разведывательных целях — их было практически невозможно засечь никакими локаторами или радарами.

Во Франции установлен мировой рекорд по количеству воздушных шаров, одновременно находящихся в небе, — 456 воздушных шаров.

Дирижабль

В 1852 году в воздух поднялся первый дирижабль (рисунок 9). Анри Жиффар поднялся в небо на шаре, который имел объем $2500 м^3$, и продемонстрировал, что теперь аэростат способен выполнять повороты.

Стратостаты

В 1931 году состоялся первый полет на стратостате (рисунок 10). Огюст Пикар и Пауль Кипфер поднялись на высоту 15 785 метров. Полет состоялся из города Аугсбург, Германия.

Беспилотный стратостат-рекордсмен BU60-1 был запущен в 2002 году японским космическим агентством JAXA и достиг высоты 53 км. Стратостат был сделан из очень тонкого материала (его вес составил менее 40 кг при размерах 75 на 54 метра).

В 2016 году британской компанией был запущен самый большой дирижабль Airlander 10 (рисунок 11). Максимальная грузоподъемность составляет почти 10 тонн, а в длину он составляет 92 метра.

Упражнения

Посмотреть ответ

Скрыть

Посмотреть ответ

Скрыть

Посмотреть ответ

Скрыть

Как рассчитать подъёмную силу шара, наполненного гелием?

Пример заполнения шаров различными газами

Рас­смот­рим дви­же­ние тел, по­гру­жен­ных в газ. Так как сила Ар­хи­ме­да дей­ству­ет на тела, не толь­ко по­гру­жен­ные в жид­кость, но и в газ, то, ис­поль­зуя её дей­ствие, можно скон­стру­и­ро­вать, по ана­ло­гии с вод­ны­ми су­да­ми, и ле­та­тель­ные ап­па­ра­ты, на­при­мер воз­душ­ные шары.

Для воз­ду­хо­пла­ва­ния необ­хо­ди­мо, чтобы вы­тал­ки­ва­ю­щая «ар­хи­ме­до­ва сила» была боль­ше силы тя­же­сти. По­про­бу­ем от­пу­стить два воз­душ­ных ша­ри­ка: один из них опу­стил­ся на землю, а вто­рой устре­мил­ся в небо. По­че­му? Воз­душ­ные шары де­ла­ют из проч­ной обо­лоч­ки, а внут­рен­ность на­пол­ня­ют газом. Для того чтобы шар под­ни­мал­ся в небо, плот­ность этого газа долж­на быть мень­ше плот­но­сти воз­ду­ха. Это может быть гелий, во­до­род или тёп­лый на­гре­тый воз­дух.

Объяснение подъемной силы шара

То есть можно по­до­брать со­че­та­ние вы­тал­ки­ва­ю­щей силы и силы тя­же­сти, чтобы шар как бы завис в воз­ду­хе. Воз­душ­ный шар может под­ни­мать в небо раз­лич­ные грузы: ка­би­ну, людей, раз­ные при­бо­ры, таким об­ра­зом, шар может под­нять в воз­дух вес груза, на­зы­ва­е­мый подъ­ем­ной силой шара. Для того чтобы рас­счи­тать подъ­ём­ную силу шара, нам необ­хо­ди­мо вспом­нить неко­то­рые по­ня­тия.

Формулы расчета подъемной силы

Итак, вес газа мы можем рас­счи­тать по фор­му­ле: P_г = m_г ∙ g, масса газа, умно­жен­ная на сво­бод­ное па­де­ние.

Необ­хо­ди­мо также пом­нить, что масса газа рас­счи­ты­ва­ет­ся сле­ду­ю­щим об­ра­зом: m_г = ϱ ∙ V, плот­ность газа, умно­жен­ная на объём обо­лоч­ки шара.

По­лу­ча­ет­ся, что для рас­че­та веса газа мы долж­ны умно­жить плот­ность газа на уско­ре­ние сво­бод­но­го па­де­ния и на объём: P_г = ϱ_г ∙ g ∙V.

Также необ­хо­ди­мо вспом­нить, что сила Ар­хи­ме­да рас­счи­ты­ва­ет­ся по фор­му­ле: F_а = ϱ_в ∙ g ∙ V, плот­ность воз­ду­ха, в ко­то­рый по­гру­жён шар, на уско­ре­ние сво­бод­но­го па­де­ния и на объём шара.

Вес шара будет скла­ды­вать­ся из веса газа, за­пол­ня­ю­ще­го обо­лоч­ку, и веса самой обо­лоч­ки: P_ш= P_г+ P_о.

Итак, для того чтобы рас­счи­тать подъ­ем­ную силу шара, нам необ­хо­ди­мо из ве­ли­чи­ны силы Ар­хи­ме­да вы­честь вес шара F_под = F_а– P_ш.

Решение задачи

Рас­смот­рим ре­ше­ние за­да­чи:

Ра­дио­зонд объ­ё­мом 10 ку­би­че­ских мет­ров за­пол­нен газом, плот­ность ко­то­ро­го со­став­ля­ет 0,09 кг на метр ку­би­че­ский. Необ­хо­ди­мо найти вес ап­па­ра­ту­ры, ко­то­рый может под­нять этот ра­дио­зонд, если из­вест­но, что вес обо­лоч­ки ра­дио­зон­да со­став­ля­ет 6 нью­то­нов. За­пи­шем крат­кое усло­вие за­да­чи:

V = 10 м³

ϱ_г = 0,09 кг/ м³–плот­ность газа, ко­то­рым за­пол­не­на обо­лоч­ка 0,09 кг на метр ку­би­че­ский

ϱ_в = 1,29 кг/ м³– таб­лич­ные дан­ные плот­но­сти воз­ду­ха – 1,29 кг на метр ку­би­че­ский

P₀ = 6 H – вес обо­лоч­ки 6 Н

———————-

F_под= ? – найти вес ап­па­ра­ту­ры, чис­лен­но он будет равен подъ­ём­ной силе ра­дио­зон­да.

Итак:

Для рас­че­та подъ­ём­ной силы нам необ­хо­ди­мо из силы Ар­хи­ме­да вы­честь вес шара, F_под = F_а– P_{ш ,} ко­то­рый будет со­сто­ять из веса газа, за­пол­нив­ше­го обо­лоч­ку, плюс вес самой обо­лоч­ки P_ш= P_г+ P_о

А для рас­че­та силы Ар­хи­ме­да по­на­до­бит­ся: F_а = ϱ_в ∙ g ∙ V.

Необ­хо­ди­мо пом­нить, что вес газа рас­счи­ты­ва­ет­ся по фор­му­ле: P_г = ϱ_г ∙ g ∙ V.

По­лу­чим ко­неч­ную фор­му­лу, под­ста­вив все вы­ра­же­ния в ис­ход­ную:

F_под = ϱ_в ∙ g ∙ V – (ϱ_г ∙ g ∙V + P_о ) = ϱ_в ∙ g ∙ V- ϱ_г ∙ g ∙ V – P_о = ( ϱ_в – ϱ_г ) ∙ gV – P_о ,

под­ста­вим чис­ло­вые дан­ные:

 F_под = ( 1,29 – 0,09)∙10∙10 – 6 = 120 – 6 = 114 (Н).

Ответ: F_под = 114 Н

Подъ­ём­ная сила ра­дио­зон­да со­ста­вит 114 Н, это и есть вес ап­па­ра­ту­ры, ко­то­рый может под­нять этот ра­дио­зонд.

Развитие воздухоплавания

В за­клю­че­ние хо­чет­ся от­ме­тить, что люди меч­та­ли под­нять­ся под об­ла­ка с древ­них вре­мен. Меж­ду­на­род­ным со­об­ще­ством при­зна­но, что пер­вым это уда­лось фран­цуз­ским изоб­ре­та­те­лям – бра­тьям Мон­голь­фье в 1883 году. Они сде­ла­ли огром­ный шар из бу­ма­ги, на­пол­ни­ли его го­ря­чим воз­ду­хом, и экс­пе­ри­мент со­сто­ял­ся. Имен­но этот опыт по­ло­жил на­ча­ло раз­ви­тия воз­ду­хо­пла­ва­ния.

Впо­след­ствии по­яви­лись и дру­гие воз­душ­ные ап­па­ра­ты: аэро­ста­ты, ди­ри­жаб­ли, и по сей день в небо под­ни­ма­ют­ся шары и зонды, ко­то­рые ис­сле­ду­ют верх­ние слои ат­мо­сфе­ры. Воз­ду­хо­пла­ва­ние на се­го­дняш­ний день не толь­ко раз­вле­че­ние и не толь­ко спорт, но и ин­стру­мент на­уч­ных ис­сле­до­ва­ний.

Вопросы к конспектам

Тело, на­хо­дя­ще­е­ся внут­ри воды, вы­тал­ки­ва­ет­ся с силой 2 Н. С какой силой это тело будет вы­тал­ки­вать­ся ке­ро­си­ном, плот­ность ко­то­ро­го – 0,8 г/см³?

В сосуд пря­мо­уголь­ной формы с пло­ща­дью дна 20 х 30 см налит ке­ро­син до вы­со­ты 50 см. Опре­де­ли­те массу и дав­ле­ние ке­ро­си­на на дно.

Дать опре­де­ле­ние «ар­хи­ме­до­вой силе».

Скачать материал

без ожидания

Скачать материал

без ожидания

Описание презентации по отдельным слайдам:

• 

  1 слайд

  Решение задач на расчет подъемной силы воздушного шара

  Автор: учитель физики Онучина Вера Ивановна МОУ «Сернурская средняя общеобразовательная школа №2 имени Н.А. Заболоцкого»

  7 класс

• 

  2 слайд

  Цели:

  Обучающая:
  Рассмотреть алгоритм решения задач на расчет подъемной силы воздушного шара; формировать целостное восприятие научной картины мира, используя средства ИКТ.

  Развивающая:
  развивать операционный стиль мышления учащихся; развивать синтетическое мышление учащихся;продолжить работу над развитием интеллектуальных умений и навыков: выделение главного, анализ, умение делать выводы.

  Воспитывающая:
  формировать интерес учащихся к изучению физики и информатики; воспитывать аккуратность, умения и навыки рационального использования своего времени, планирования своей деятельности.

• 

  3 слайд

  Актуализация знаний

• 

  4 слайд

  На все тела в воздухе действует выталкивающая
  ( архимедова) сила. Чтобы найти архимедову силу, действующую на тело в воздухе, надо рассчитать ее по формуле, умножив ускорение свободного падения на плотность воздуха и на объем тела.

  Fа = g pVт

  Если эта сила окажется больше силы тяжести, действующей на тело, то тело взлетит. На этом основано воздухоплавание.
  На чем основано воздухоплавание?

• 

  5 слайд

  Чтобы воздушный шар поднимался выше, его надо наполнить газом, плотность которого меньше, чем у воздуха. Это может быть водород, гелий или нагретый воздух.

  Для того чтобы определить, какой груз может поднять воздушный шар, надо знать его подъемную силу. Подъемная сила воздушного шара равна разности между архимедовой силой и действующей на шар силой тяжести.

  Fпод = Fа – (Fт оболочки + Fт газа внутри + Fт груза)
  Как определить какой груз может поднять воздушный шар?

• 

  6 слайд

  Каким газом заполняют воздушные шары?
  Чем меньше плотность газа, заполняющего воздушный шар данного объема, тем меньше действующая на него сила тяжести и потому тем больше возникающая подъемная сила. При нагревании воздуха от 0 до 100 градусов Цельсия его плотность уменьшается
  только в 1,37 раз. Поэтому подъемная сила шаров, заполненных теплым воздухом, оказывается небольшой. Плотность же водорода в 14 раз меньше плотности воздуха, и подъемная сила шара, наполненного водородом более чем в три раза превышает подъемную силу нагретого воздуха того же объема. Водород, однако, горит и образует с воздухом легко воспламеняющуюся смесь. Негорючим и одновременно легким газом является гелий.

• 

  7 слайд

  Для чего нужен балласт?
  Плотность воздуха уменьшается с увеличением высоты над уровнем моря. Поэтому по мере поднятия воздушного шара действующая на него архимедова сила становится меньше.

  После того, как архимедова сила достигнет значения, равного силе тяжести, подъем воздушного шара прекратится. Чтобы подняться еще выше, с шара сбрасывают балласт. При этом сила тяжести уменьшается, и выталкивающая сила опять оказывается вновь большей.

• 

  8 слайд

  Как с высоты опуститься на землю?
  Для того, чтобы опуститься на землю, выталкивающую силу надо уменьшить. Для этого можно уменьшить объем шара. В верхей части оболочки шара имеется специальный выпускной клапан, через который можно выпустить часть газа. После этого шар начнет опускаться вниз.

• 

  9 слайд

  Для чего нужна горелка на воздушном шаре, заполненном теплым воздухом?
  Температуру теплого воздуха внутри воздушного шара можно регулировать с помощью обычно газовой горелки, установленной под оболочкой. Увеличивая пламя горелки, можно заставить шар подниматься выше и наоборот. Если подобрать такую температуру, при которой сила тяжести, действующая на шар с корзиной окажется равной силе архимеда,
  то шар ” повиснет” в воздухе.

• 

  10 слайд

  Fп = FA – Fтяж

  FA =возд g Vш , Fтяж =г g Vш

  Fп = (возд – г ) g Vш
  Если выталкивающая сила станет больше силы тяжести, действующей на тело, то оно поднимется, оторвавшись от земли.
  На этом основан принцип воздухоплавания.
  Летательные аппараты, которые реализуют этот принцип называются аэростатами.
  Подъёмная сила воздушного шара:

• 

  11 слайд

  Составление алгоритма подсчета подъемной силы

• 

  12 слайд

  Какие действия надо выполнить для подсчета подъемной силы воздушного шара?
  1)FA =возд g Vш

  2)Fтяж =г g Vш

  3)Fп = (возд – г ) g Vш

• 

  13 слайд

  Работа в программе Microsoft Excel

• 

  14 слайд

  Зависимость подъемной силы от объема воздушного шара

• 

  15 слайд

  Зависимость подъемной силы от плотности газа

• 

  16 слайд

  Домашнее задание
  Решить задачу:
  Какую силу нужно приложить, чтобы удержать удержать в воде камень массой 15 кг, объём камня 1000см 3 ?
  Составить и решить свою задачу на расчет подъемной силы

Краткое описание документа:

В наш век самолетов и ракет, для которых доступны любые высоты над поверхностью Земли, воздушные шары, громоздкие, ненадежные и неуправляемые, уже отошли в прошлое, хотя когда-то именно они дали человеку возможность подняться в воздух. Впрочем, в некоторых случаях воздушные шары очень удобны, они используются и сейчас. Например, с аэростата удобно обучать прыжкам с. парашютом, а метеорологи исследуют давление, температуру и воздушные потоки в атмосфере с помощью шаров-зондов. Презентация к уроку “Решение задач на определение подъемной силы воздушного шара” позволяет организовать обучение по предложенному алгоритму с применением программы Excel.

Найдите материал к любому уроку, указав свой предмет (категорию), класс, учебник и тему:

6 256 032 материала в базе

• Выберите категорию:

• Выберите учебник и тему

• Выберите класс:

• Тип материала:

  • Все материалы

  • Статьи

  • Научные работы

  • Видеоуроки

  • Презентации

  • Конспекты

  • Тесты

  • Рабочие программы

  • Другие методич. материалы

Найти материалы