Усі уроки фізики 10 клас І семестр - Рівень стандарт - 2018 рік

Розділ І. Механічний рух

3. ЕЛЕМЕНТИ СТАТИКИ ТА ЗАКОНИ ЗБЕРЕЖЕННЯ

УРОК № 42 / I.3-5. РІВНОВАГА ТА РУХ РІДИНИ ТА ГАЗУ. ПІДІЙМАЛЬНА СИЛА КРИЛА

Мета: 1) ознайомити учнів з основними поняттями та законами гідро- та аеродинаміки, гідростатики; сприяти формуванню вмінь застосовувати теоретичні знання для пояснення фізичних явищ, що відбуваються в рідинах та газах, що перебувають у стані спокою або рухаються;

2) продовжити розвиток логічності мислення, математичної компетентності учнів;

3) продовжити формування соціальної та громадянської компетентності шляхом ознайомлення з використанням можливостей сучасної техніки, в основі роботи якої враховано закони гідро- та аеродинаміки, а також ознайомлення із внеском українських учених у розвиток літакобудування.

Очікувані результати: учні знають поняття гідростатичного тиску, течії; пояснюють причину підіймальної сили крила літака; наводять приклади прояву ефекту Магнуса.

Устаткування: інтерактивний плакат до уроку.

Тип уроку: урок вивчення та засвоєння нових знань.

ХІД УРОКУ

I. ОРГАНІЗАЦІЙНИЙ МОМЕНТ 0,5 хв

II. ПЕРЕВІРКА ДОМАШНЬОГО ЗАВДАННЯ 5 хв

Діяльність учителя

Компетентності

Діяльність учнів

Учитель організує перевірку домашньої задачі

Формування самоосвітньої компетентності: організація прийомів самонавчання, гнучкості застосування отриманих знань

Учні слухають учителя, однокласників, аналізують свої помилки, допущені при виконанні домашньої роботи, виявляють прогалини у своїх знаннях

III. МОТИВАЦІЯ НА ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ, ОГОЛОШЕННЯ ТЕМИ УРОКУ (ЦОР) 5 хв

Діяльність учителя

Компетентності

Діяльність учнів

Учитель пропонує учням питання дидактичної гри «Впізнай героя» та спонукає учнів визначити тему уроку, одночасно актуалізує знання учнів з гідростатики, відомі з курсу фізики 7 класу, та демонструє декілька дослідів

Тренування пам'яті, розвиток уваги, формування природничої та мовленнєвої компетентностей, умінь цілепокладання

Учні згадують поняття та формули, що вивчали в молодших класах, з'ясовують для себе, які знання необхідно отримати при вивченні теми уроку

Питання дидактичної гри

1. Сила, якою користуються всі підводні мешканці, є основною в розділі фізики, що пов’язує між собою воду та нерухомий стан тіла. (Сила Архімеда, гідростатика)

2. Гідравлічний прес, шлюзи, водопостачання — це практичне застосування законів цього розділу фізики.

3. Ще один розділ фізики пов’язує між собою воду та її рух. (Гідродинаміка)

4. Закони цього розділу використовують при проектуванні літаків.

Демонстрація

За наявності обладнання. Можна скористатися ЦОР для демонстрації відеофрагменту, у якому презентується зависання тенісної кульки у потоці повітря.

Проблемне питання

Восени 1912 р. океанський пароход «Олімпік» ішов у відкритому морі, а майже паралельно йому, на відстані сотні метрів, проходив з більшою швидкістю корабель, значно менший, броненосний крейсер «Гаук». Коли обидва судна зайняли положення, сталося щось неможливе: менше судно стрімко звернуло зі шляху, наче підкорюючись невідомій силі, повернулося носом до більшого корабля і, не слухаючись керма, почало рухатись майже прямо на нього. «Гаук» врізався носом у бік «Олімпіка». Удар був такий сильний, що «Гаук» зробив у борту «Олімпіка» велику пробоїну. Випадок зіткнення двох кораблів розглядали в морському суді. Капітана корабля «Олімпік» звинуватили в тому, що він не подав команди пропустити броненосець. Як ви думаєте, що сталося? Чому менший корабель, не слухаючись керма, пішов напереріз «Олімпіку»?

На це питання спробуємо дати відповідь під час уроку.

IV. ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ (ЦОР) 25 хв

1. Основні поняття гідроаеромеханіки

Попри те, що газ і рідина — різні фазові стани речовини, гідроаеромеханіки (механіка текучих речовин) у вивченні цих фаз речовини не розділяють їх, а вивчають їхні механічні властивості, взаємодію цих властивостей між собою та з твердими тілами, які перебувають на межі тверде тіло — рідина (або газ). Гідроаеромеханіка складається з кількох розділів.

1. Рух зі швидкістю, що набагато менша за швидкість звуку, — вивчає гідродинаміка.

2. Якщо швидкість руху тіла приблизно дорівнює швидкості звуку або перевищує її, то такий рух досліджує газова динаміка.

3. Вивчення руху тіл і літальних апаратів в атмосфері належить до розділу аеромеханіки.

2. Гідростатика

· Гідростатика — найбільш простий розділ гідроаеромеханіки, який досліджує ситуації, коли рух відсутній або швидкість значно мала.

Гідростатика дозволяє зрозуміти деякі властивості такої важливої гідродинамічної величини, як тиск. Тиск на підпору надають і тверді, і сипучі речовини, але він відрізняється від гідростатичного. Сила тиску p на дно посудини не залежить від його форми, а визначається тільки рівнем налитої в посудину рідини відповідно до гідростатичної формули:

p = р0+ ρgh,

де ρ — густина рідини, g — прискорення вільного падіння, h — глибина занурення, p0 — атмосферний тиск.

Сипучі тіла, подібно до рідини і газу, можуть чинити тиск на бічну поверхню, але для такого тиску не виконується закон Паскаля, який стверджує, що рідини і гази передають тиск в усіх напрямках однаково, причому тиск однаково передається по всьому об’єму рідини чи газу. У законі Паскаля вага рідини чи газу не враховується.

До основних законів гідростатики, крім закону Паскаля і гідростатичної формули, належить і закон Архімеда: на занурене в рідину або газ тіло діє виштовхувальна сила, яка дорівнює за величиною вазі витісненої рідини (або газу), спрямована проти сили тяжіння і прикладена до центра тяжіння витісненого об’єму.

3. Рух рідин і газів

У механіці рідину вважають суцільним середовищем, густина якого не залежить від тиску. Рух рідини називають течією, а саму рідину, що рухається, потоком. У випадку усталеного потоку рідини виділяють лінію потоку, яка є уявною кривою, дотична до якої у кожній її точці збігається за напрямком із вектором швидкості рідини V в цій точці. Трубка потоку — це поверхня, утворена лініями потоку, проведеними через усі точки замкнутого контуру. Частину потоку, обмежену трубкою потоку, називають струменем. На дотичній до струменя лежить вектор швидкості рідини  Ідеальна рідина — це рідина, у якій відсутня сила опору (сила внутрішнього тертя — в’язкість) між окремими шарами рідини, що рухаються.

Закон Бернуллі

Нехай рідина тече без тертя трубою змінного перекрою. Іншими словами, через всі перерізи труби проходять однакові об’єми рідини, бо рідині прийшлося б або розірватися десь, або стиснутися, що є неможливим. За час t через переріз S1 пройде об’єм V1 = S1l1 = S1v1t, а через переріз S2 — об’єм V2 = S2l2 = S2v2t.

Оскільки V1 = V2, то

Швидкість течії рідини в трубі змінного перекрою зворотно пропорційна площі поперечного перекрою.

Якщо площа поперечного перекрою збільшилася в 4 рази, то швидкість зменшилася у стільки ж разів і, навпаки, у скільки разів зменшився переріз труби, у стільки ж разів збільшилася швидкість течії рідини чи газу. Де можна спостерігати таке явище зміни швидкості? Наприклад, на ріці, що впадає в море, спостерігаємо зменшення швидкості, вода з ванни — швидкість збільшується, спостерігаємо турбулентну течію води. Якщо швидкість не велика, то рідина тече ніби розділена на шари («ламініа» — шар). Течію називають ламінарною.

З’ясували, що при витіканні рідини з вузької частини в широку або навпаки швидкість змінюється, а отже, рідина рухається з прискоренням. Що ж постає причиною виникнення прискорення? Яка ж сила надає рідині прискорення? Цією силою може бути лише різниця сил тиску рідини в широкій та вузькій частинах труби.

До цього висновку вперше дійшов Даніїл Бернуллі в 1726 році, і закон (рівняння) відтоді носить його ім’я.

Для ламінарної течії ідеальної нестисливої рідини рівняння Бернуллі має вигляд:

де p — статичний тиск; — динамічний тиск; pgh — ваговий тиск.

Рівняння Бернуллі показує, що тиск рідини (чи газу) більший там, де швидкість її течії менша і навпаки. Цей, здавалося б, парадоксальний висновок доводять досліди.

Дослід 1

Візьмемо два аркуші паперу за короткий бік на невеликій відстані один від одного і подуємо вздовж папірців (див. рисунок) Аркуші будуть притискатися один до одного.

Пояснення досліду: тиск повітря у просторі лівіше й правіше від папірців дорівнює атмосферному тиску.

Направивши повітряний потік між папірцями, ми тим самим в цьому швидкісному потоці повітря створюємо область зниженого тиску відповідно до закону Бернуллі, у результаті чого виникає різниця тиску у просторі між папірцями і з зовнішнього боку папірців. Ця різниця тиску постає причиною «прилипання» папірців.

Після цього досліду можна пояснити причини зіткнення двох суден.

4. Підіймальна сила крила

Розглянемо природу виникнення підіймальної сили.

На рисунку подано схематичне зображення спектру обтікання пластинки, поставленої під гострим кутом до стелі. Під пластинкою тиск підвищується, а над нею внаслідок зриву струминок створюється розрідження повітря, тобто тиск знижується. Завдяки створюваній різниці тиску і виникає аеродинамічна сила. Вона напрямлена в бік меншого тиску, тобто назад і вверх. Відхилення аеродинамічної сили від вертикалі залежить від кута, під яким пластинку поставили до стелі. Цей кут отримав назву кута атаки. Властивість плоскої пластинки створювати підіймальну силу, якщо на неї набігає під гострим кутом повітря (або вода), відома з давніх часів. Прикладом тому є повітряний змій і кермо корабля, час винаходу яких губиться у віках.

Підіймальна сила крила (позначимо її Y.) виникає не тільки за рахунок кута атаки α, але й також завдяки тому, що поперечним перерізом крила найчастіше є несиметричний профіль з більш випуклою верхньою частиною. Крило літака чи планера, переміщуючись, розсікає повітря. Одна частина струминок зустрічного потоку повітря піде під крилом, інша — над ним (рис.).

У крила верхня частина більш випукла, чим нижня, отже, верхнім струминкам прийдеться подолати більший шлях, ніж нижнім. Але кількість повітря, що набігає на крило і стікає з нього, однакова. Отже, верхні струминки, щоб не відстати від нижніх, мають набігати швидше. Відповідно до рівняння Бернуллі, якщо швидкість повітряного потоку під крилом менша, ніж над крилом, то тиск під крилом, навпаки, буде більший, ніж над ним. Ця різниця тиску і створює аеродинамічну силу R (рис.), однією зі складників якої є підіймальна сила Y.

Підіймальна сила крила тим більша, чим більший кут атаки, кривизна профіля (його носійні властивості), площа крила, густина повітря і швидкість польоту v, причому від швидкості підіймальна сила залежить у квадраті. Але варто пам’ятати, що кут атаки має бути меншим за деяке критичне значення акр, при перевищенні якого підіймальна сила падає. Розвиваючи підіймальну силу, крило завжди зазнає і лобового опору. Сила чолового опору X напрямлена по потоку якраз проти руху, отже, гальмує його. Підіймальна сила завжди перпендикулярна до потоку, що набігає. За рисунком, сила лобового опору X і підіймальна сила Y постають складниками сили R за напрямком швидкості v і перпендикулярно їй. Силу R називають повною аеродинамічною силою крила. Точку прикладання повної аеродинамічної сили називають центром тиску крила (ЦТ). Підіймальна сила літального апарата, врівноважуючи його вагу, дає можливість здійснювати політ, лобовий же опір гальмує його рух. Зрозуміло, що крилу необхідно надати такої форми, щоб воно розвинуло якомога більше значення підіймальної сили і водночас давало незначний лобовий опір. Число, що показує, у скільки разів підіймальна сила більша за лобовий опір, називають аеродинамічною якістю і позначають літерою K.

5. Ефект Магнуса

1852 року Магнус провів серію дослідів для пояснення явища відхилення від вертикальної площини артилерійських снарядів, що обертаються. Він показав, що поперечна сила, яка викликає це відхилення, виникає через взаємодію двох потоків повітря: того, що набігає на снаряд, і того, що обертається разом зі снарядом. Це явище отримало назву ефекту Магнуса.

Дослід

Для досліду зробимо циліндр з міцного, але не товстого паперу діаметром 5 см, довжиною 25-30 см. На циліндр намотаємо стрічку, один кінець якої причепимо до лінійки. Різким рухом уздовж горизонтальної поверхні стола надамо циліндру складного руху (поступального і обертального). За невеликої швидкості циліндр піднімається вверх і описує невелику вертикальну петлю.

Ефект Магнуса проявляється в таких природных явищах, як утворення смерчів над поверхнею океану. У місці зустрічі двох повітряних мас з різними температурами і швидкостями виникає обертальний навколо вертикальної осі стовп повітря й несеться вперед. Поперечно такий стовп може досягати сотень метрів і нестися зі швидкістю 100 м/c. Через швидке обертання повітря відкидається на периферію вихору і тиск всередині його знижується. Коли такий стовп наближається до води, то засмоктує її в себе, створюючи велику небезпеку для кораблів.

V. ЗАКРІПЛЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

За рисунками й демонстраціями поясніть спостережувані явища.

«Демон» Бернуллі

Дві повітряні кульки

Повітря продувається між двома повітряними кульками, підвішеними на нитках. Кульки зближуються і вдаряються одна об одну.

Лійка та свічка

Напроти лійки запалюємо свічку. Через лійку продуваємо повітря, полум’я свічки відхиляється в бік лійки.

Обговорення рисунків.

Вітер під будівлею

Зустрічні потяги

Швидкісні потяги при зустрічі мають сповільнити хід, бо шибки у вагонах розіб’ються. Чому? У який бік при цьому випаде шибка: всередину вагонів чи назовні? Чи може трапитись таке, якщо потяги рухаються в одному напрямку? Чи притягатиме вас до потяга, а чи відштовхуватиме від нього, якщо ви опинитесь надто близько до потяга, що швидко йде?

Крила та вентилятори на перегонових автомобілях

Перегонові автомобілі за час свого існування зазнали суттєвих змін. З-поміж найбільш значущих удосконалень можна назвати установлення в задній частині автомобіля горизонтального крила. Коли автомобіль з таким крилом здійснював поворот, водій нахиляв крило вперед. При виході з повороту, крило знову займало горизонтальне положення.

Цей пристрій виявився дуже ефективним засобом утримання машини на дорозі під час поворотів і дозволив робити повороти на значно більшій швидкості.

Але поламання таких крил на трасі робило машину некерованою, і тому прийшлося встановити нерухомі крила. У який спосіб крила — рухомі чи нерухомі — можуть утримувати автомобіль на повороті?

Одну з найдивніших перегонових машин «Чаппараль-2.1» побудував Джим Холл, який придумав і рухоме крило. Майже 20 років минуло з моменту перших експериментів легендарного Джима Холла з «машиною-крилом» Chapparal-Chevrolet до перемоги в Гран- прі «перегонового пилососа», що цілком завдячує своєю перевагою «граунд-ефекту». «Чаппараль» мав у задній частині два великих вентилятори, які засмоктували повітря з-під днища і гнали його назад. Збоку автомобіль був закритий щитками майже до самої дороги, щоб повітря проходило якраз під машиною. Завдяки цьому Холлу вдалося збільшити зчеплення коліс з дорогою і тим самим значно підвищити швидкість автомобіля.

Чому повітря, що проганялося під машиною і випускалося ззаду, посилювало зчеплення коліс з дорогою?

Чи можете ви оцінити збільшення зчеплення і швидкості?

Парасолька на вітру

За дощової вітряної погоди кожен помічав, що розкриті парасольки іноді «вивертаються навиворіт». Чому це відбувається? Таку ж дію чинить на дахи будівель сильний ураган.

Удар «сухий лист»

У футболі одним із підступних ударів для воротаря вважають такий собі «сухий лист». Схожий підрізаний удар — «сплін» застосовують у тенісі та інших іграх з м’ячем. Передбачити, куди спрямується кручений м’яч, недосвідченому спортсменові доволі важко. Поясніть, чому так відбувається.

Резерв часу

Задача 1

Насос пожежної машини забезпечує в рукаві тиск р1 = 5 атмосфер. Сопло брандспойта - це усічений конус з діаметром більшої основи d1 = 6 см, а меншої — d2 = 3 см. Визначте, знехтувавши втратами й опором, на якій максимальній відстані можливо загасити пожежу.

Задача 2

Дві манометричні трубки встановили на горизонтальній трубці змінного перекрою в місцях, де перерізи трубки дорівнюють 5 см2 і 3 см2. Визначте об’єм води, що протікає за одиницю часу черезпереріз труби, якщо різниця рівнів води в манометричних трубках дорівнює Δh = 0,2 м.

V. РЕФЛЕКСІЯ

VI. ДОМАШНЄ ЗАВДАННЯ

Вивчити відповідний параграф підручника, конспект уроку, формули, відповісти на запитання після параграфа, виконати завдання за задачником.





Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити