Разработка урока по теме "Давление"

Введение

Накачивая или откачивая газ в сосуде, мы увеличиваем или, наоборот, уменьшаем массу газа. Из-за этого изменяется плотность газа - увеличивается или уменьшается. Одновременно изменяется и давление газа - говорят, что оно «повышается» или «понижается» (иногда говорят, что давление «растёт» или «падает»). Однако давление газа можно изменить не только изменением его плотности, но и другим путём - изменяя температуру газа. При нагревании газа его давление будет возрастать, а при охлаждении - уменьшаться.

Глава 1. Давление

Давление газа

Давление может создаваться не только твёрдыми или жидкими телами, но и газами. Например, парусный корабль плывёт по морю именно потому, что на его паруса давит ветер - движущийся газ. Однако покоящиеся газы тоже могут создавать давление. Рассмотрим опыт, подтверждающий это.

Слева на рисунке - так называемая тарелка воздушного насоса. На ней лежит завязанный воздушный шарик с небольшим количеством воздуха (рис. «а»). Накроем его стеклянным колоколом и откачаем из-под него воздух. Мы увидим, что шарик «раздулся», будто в него накачали дополнительную порцию воздуха (рис. «б»). Однако это не так: воздуха в шарике не прибавилось, ведь он завязан. В чем же разгадка противоречия?

Воздух в шарике постоянно давит на его оболочку изнутри. Но и воздух вокруг шарика давит на его оболочку - снаружи (см. рисунок). Откачивая воздух из-под колокола, мы уменьшаем наружное давление. В результате внутреннее давление начинает превосходить наружное и тем самым раздувает оболочку сильнее.

Рассмотренный опыт с тарелкой и колоколом воздушного насоса продемонстрировал нам, что покоящиеся газы постоянно оказывают давление на окружающие их тела. В зависимости от внешних условий это давление может проявляться или же быть незаметным.

Накачивая или откачивая газ в сосуде, мы увеличиваем или, наоборот, уменьшаем массу газа. Из-за этого изменяется плотность газа - увеличивается или уменьшается. Одновременно изменяется и давление газа - говорят, что оно «повышается» или «понижается» (иногда говорят, что давление «растёт» или «падает»). Однако давление газа можно изменить не только изменением его плотности, но и другим путём - изменяя температуру газа. При нагревании газа его давление будет возрастать, а при охлаждении - уменьшаться. На рисунке изображён котёл для воды с прочным корпусом и плотно прилегающей крышкой. На котле имеется манометр - прибор, отмечающий повышение или понижение давления пара. При нагревании котла давление пара возрастает, так как мы видим изменившееся положение стрелки манометра и многочисленные струи пара, вырывающиеся из щелей между корпусом и крышкой.

Опыты показывают, что не только водяной пар, но и вообще все газы при нагревании увеличивают свое давление на окружающие тела, а при охлаждении - уменьшают.

Паровая турбина. Она применяется на тепловых электростанциях. Сгорающий природный газ или мазут нагревают воду, которая превращается в пар. Его подвергают дальнейшему сильному нагреванию. В результате давление пара значительно возрастает, и его направляют на лопасти ротора турбины (см. фото). Чем выше давление пара, тем с большей скоростью будет вращаться ротор. В современных турбинах давление пара составляет более 10 000 кПа, а его температура 300-500 °С.

Давление жидкости

Вокруг нас много жидкостей. Одни из них движутся, например, вода в реках или нефть в трубах, другие - покоятся. При этом все жидкости имеют вес и поэтому давят на дно и стенки сосуда, в котором находятся. Подсчет давления движущейся жидкости - непростая задача, поэтому изучим лишь как рассчитывать давление, создаваемое покоящейся жидкостью, называемое гидростатическим давлением (греч. «статос» - неподвижный). Оно вычисляется по следующей формуле.

p - давление слоя жидкости, Па. ? - плотность жидкости, кг/м³. g - коэффициент силы тяжести, Н/кг. h - высота слоя жидкости, м.

Рассмотрим, как выведена (то есть получена) эта формула.

Сила F, с которой жидкость давит на дно сосуда, является весом жидкости. Его мы можем подсчитать по формуле W = F_тяж = mg, так как жидкость и её опора (дно сосуда) покоятся. Вспомним также формулу m = ?V для выражения массы тела через плотность его вещества и формулу V = Sh для подсчета объёма тела, имеющего форму прямоугольного параллелепипеда. В результате имеем равенство:

Это равенство иллюстрирует не только способ вывода формулы для вычисления гидростатического давления. Оно также показывает, что формула p = ?gh является частным случаем формулы p = F/S. Поэтому здесь уместны те же замечания, что и при изучении силы Архимеда (см. § 3-е «под чертой»).

Заметим, что при выводе формулы совершенно необязательно предполагать, что слой высотой h и плотностью ? образован именно жидкостью. В наших рассуждениях ничего не изменится, если вместо давления жидкости мы рассмотрим давление твердого тела прямоугольной формы или даже газа, заключенного в соответствующий сосуд. Создаваемое ими весовое давление будет именно таким, как предсказывает формула

p = ?gh .

Формула p = ?gh показывает, что давление, создаваемое слоем жидкости, не зависит от её массы, а зависит от плотности жидкости, высоты её слоя и места наблюдения. При увеличении толщины слоя жидкости или её плотности гидростатическое давление будет возрастать.

Полученный нами вывод можно проверить опытами. Проделаем их. Справа изображена стеклянная трубка, дно которой затянуто резиновой плёнкой. Увеличивая высоту слоя налитой жидкости, мы будем наблюдать увеличение растяжения пленки. Этот опыт подтверждает, что при увеличении высоты слоя жидкости создаваемое ею давление увеличивается.

На следующем рисунке изображены трубки с водой и «крепким» раствором соли. Видно, что уровни жидкостей находятся на одной и той же высоте, но давление на плёнку в правой трубке больше. Это объясняется тем, что плотность раствора соли больше, чем плотность обычной воды.

Иногда вместо слов давление слоя жидкости употребляют выражение давление столба жидкости. Это выражения-синонимы.

Глава 2. Методические разработки по теме «Давление»

Урок 1. Давление. Единицы давления

Цели:

Образовательные:

· сформировать четкое представление о давлении твердых тел;

· определить способ его нахождения;

· ввести единицу давления 1 Па;

Развивающие:

· показать причинно-следственные связи;

· помочь учащимся осознать практическую значимость темы “Давление твердых тел”;

· осознать ценность совместной деятельности;

· содействовать развитию умений использовать такие методы познания, как наблюдение, гипотеза, эксперимент, осуществлять самооценку учебной деятельности;

Воспитательные:

· показать объективность проявления законов физики в быту и технике.

Тип урока: объяснение нового материала (конструирование учебного текста).

Формируемые умения: наблюдать, анализировать, сравнивать результаты опытов, делать выводы.

Оборудование:

- ящик с песком, дощечка с вбитыми по углам гвоздями, гири 1 кг, 2 кг;

- иллюстрации по теме “Давление в саду, в походе, в строительстве, в мастерской, в магазине”;

- портрет Б. Паскаля;

- таблица “Примеры давлений, встречающихся в технике”;

- квадрат из бумаги площадью 1 см²;

- спичечные коробки, наполненные солью, с расчерченными по 1 см² гранями;

- презентация “Давление” CD “Кирилл и Мефодий” кадры 1-5, 8.

Демонстрации: зависимость давления от действующей силы и от площади опоры.

План урока

· Организационный момент.

· Мотивация, цели, задачи.

· Новый материал - конструирование учебного текста.

o этап - демонстрация опытов. Выводы.

o этап - изображение усвоенного в виде схемы-опоры.

o этап - закрепление - фронтальное экспериментальное задание.

· Итог урока. Рефлексия.

· Домашнее задание.

· Ход урока

o Организационный момент.

· Учитель. Ребята, прежде чем объяснить вам, чем мы будем заниматься на уроке, я прошу вас посмотреть, как называются § 33, 34.

o Мотивация, цель урока.

· Учитель. Вам, конечно, хорошо известно слово “давление” и вы понимаете смысл следующих предложений.

· Давление резко падает. Возможны осадки.

· Защитники команды “Динамо” не выдержали давление нападающих “Спартака”.

· У больного внезапно повысилось давление.

· “Наутилус” скользнул в бездонные глубины, несмотря на огромное давление внешней среды.

· Это была женщина, - сказал комиссар Мегре и добавил: - Только тонкий каблук женских туфель мог произвести такое большое давление.

· Во всех этих предложениях слово “давление” использовано в разных ситуациях и имеет разный смысл.

· Наша сегодняшняя цель - разобраться, что в физике понимают под словом давление.

· Если мы выдвинем гипотезу, что давление физическая величина - то опытным путем мы должны будем установить, от чего оно зависит, вывести расчетную формулу и единицы измерения. Затем на практике проверить наше знание.

§ Новый материал - конструирование учебного текста.

o Изучения визуального материала. Выдвижение гипотезы.

Учитель. Перед вами на столах картинки. Догадайтесь, с какой целью их поместили перед вами, как связаны они с темой нашего урока?

Работа групп с визуальным материалом. Комментарии детьми любой понравившейся картинки, в ходе которых выдвигаются гипотезы: давление - это деформация, давление может быть большим и малым.

2. Воспроизведение явления на опыте.

Учитель. Проделаем опыт. Возьмем небольшую доску, в которую вбиты четыре гвоздя, и поместим ее остриями вверх, на песок. Сверху на нее поставим гирю. Что мы увидели?

Ответ. Шляпки гвоздей незначительно вдавились в песок.

Учитель. Что можно сделать, чтобы гвозди погрузились в песок глубже?

Ответ. Перевернуть доску и снова поставить ее (вместе с гирей) на песок.

Учитель. Почему при действии одной и той же силы гвозди углубились в песок по-разному?

Ответ. Площадь поверхности, на которую опирались гвозди, в одном случае была больше, в другом - меньше.

Учитель. Итак, как зависит давление от площади опоры?

Ответ-вывод. Чем больше площадь опоры, тем меньше давление.

Запись на доске: давление ~ 1/площадь

Учитель. Какая это зависимость - прямая или обратная?

Ответ. Обратная.

Учитель. Изменялась ли сила, с которой наш прибор действовал на песок?

Ответ. Сила одна и та же.

Учитель. Предложите еще один способ изменения давления.

Ученики. Поставить на доску еще гирю.

Учитель. Что мы при этом изменили?

Ответ. Силу давления.

Учитель. В каком случае песок продавился сильнее?

От чего еще зависит результат действия силы?

Ответ- вывод. От величины самой силы (модуля силы).

Учитель. Какая это зависимость - прямая или обратная?

Ответ. Прямая.

Запись на доске: давление ~ сила

Учитель. Следовательно, давление - это физическая величина, которая зависит от модуля силы и от площади, на которую действует эта сила.

3. Изображение знания в знаковой системе.

а) конструирование формулы



б) единицы измерения: за единицу давления принимают давление, создаваемое силой 1 Н, действующей на поверхность площадью 1 м, перпендикулярно этой поверхности.

Учитель. Хотите на себе испытать давление в 1 Па? Положите себе на ладонь квадратик бумаги площадью 1 см². 1 Па - очень маленькое давление.

Зачастую на практике измеряют давление в

Работа у доски и в тетрадях.

Учитель. Выразите значения силы в основных единицах СИ.

1 гПа = __ Па, 1 кПа = __ Па, 1мПа = __ Па

4.Фронтальный эксперимент.

Учитель: Как получить большое давление?

Из формулы видно, что для увеличения давления надо либо увеличить силу F, либо уменьшить площадь поверхности S, на которую производится давление. Но я думаю, что спичечный коробок, наполненный солью, на самой большой грани окажет давление на стол большее, чем на самой малой.

Убедите меня в том, что я не права.

Что вы должны будете для этого сделать?

Ответ: Рассчитать давление спичечного коробка на опору в трех положениях и сравнить их.

Учитель: По какому плану будете выполнять работу?

Ответы:

1. Измерим силу давления бруска на стол (вес бруска).

2. Вычислим площадь грани, на которой стоит брусок, посчитав квадратные сантиметры или умножив длину на ширину грани.

3. Рассчитаем давление, которое производит брусок на стол каждой гранью.

4. Результаты занесем в таблицу.

5. На основе полученных результатов сформулируем вывод.

Работа учащихся в парах, заполнение таблицы на доске.

IV. Итог урока. Рефлексия.

Учитель: Что в физике понимают под давлением?

Ответы: Давление - физическая величина, равная отношению модуля силы, действующей перпендикулярно поверхности к площади этой поверхности. (p, = Па)

Просмотр видеопрезентации “Давление”, CD “Кирилл и Мефодий”, кадры 1-5, 8.

Учитель: Какой этап урока вам показался наиболее интересным?

Глава 3. Самостоятельные работы по теме «Давление»

Давление твердых тел

Начальный уровень

1. В каком положении брусок оказывает наибольшее давление на опору? Выберите правильное утверждение.

А.В положении 1.

Б. В положении 2.

В. положении 3.

2. Чтобы определить давление, надо силу, действующую перпендикулярно поверхности, ... Выберите правильное утверждение.

· А... умножить на площадь поверхности.

· Б. ... разделить на площадь поверхности.

· В... разделить на массу тела.

· 3.Как изменится давление, оказываемое человеком на пол, если он поднимет одну ногу? Выберите правильное утверждение.

А. Уменьшится.

В. Увеличится.

В. Давление не изменится.

4. Два человека одинаковой массы лежат -- первый на полу, второй на диване. Какой из них оказывает большее давление? Выберите правильное утверждение.

А. Первый.

Б. Второй.

В.Оба оказывают одинаковое давление.

5. Какое давление на пол оказывает ковер весом 150 Н и площадью 3 м²? Выберите правильный ответ.

А. 450 Па.

Б. 150 Па.

В.50 Па.

6. На опору какой площади необходимо поставить груз весом 50 Н, чтобы произвести давление 10⁵ Па? Выберите правильный ответ.

А. 5 см².

Б. 50 см².

В.500 см².

Средний уровень

а) Назовите известные вам способы увеличения давления.

б) Какое из указанных ниже численных значений давления наибольшее и какое -- наименьшее: 5 кН/м², 50 Н/см², 500 Па?

а) Назовите известные вам способы уменьшения давления.

б) Выразите в гектопаскалях и килопаскалях давления: 20000 Па; 6500 Па.

а) Почему острым ножом легче резать хлеб?

б) Выразите в паскалях давления: 0,2 кПа; 20 Н/см².

а) Почему острая кнопка легче входит в дерево, чем тупая?

б) Вам даны два кирпича. Как следует их расположить, чтобы давление, оказываемое ими на пол, было максимальным?

а) Для чего режущие и колющие инструменты затачивают?

б) Как произвести давление в 1 кПа, если в вашем распоряжении сила в 50 кН?

а) Почему человек, идущий на лыжах, не проваливается в снег? б) На деревянную стенку надавили в одном случае ладонью с силой 100 Н, а в другом -- с такой же силой острым предметом.

Силы равны по величине. Почему же различны результаты их действия?

Достаточный уровень

а) Вам даны три кирпича. Как их расположить, чтобы давление, оказываемое ими на поверхность земли, было наибольшим?

б) Трактор массой 12 т имеет площадь опоры обеих гусениц 2,4 м². Какое давление на грунт производит трактор?

а) При скреплении различных деталей винтами и болтами под них подкладывают специальные шайбы. Для чего это делают?

б) Каток, работающий на укладке шоссе, оказывает на него давление 400 кПа. Площадь опоры катка 0,12 м². Чему равна масса этого катка?

а) Как изменится давление, если площадь, по которой равномерно распределена вся сила давления, увеличится в 5 раз?

б) Игла при проигрывании грампластинки давит на нее силой 0,27 Н. Какое давление оказывает игла, если площадь ее острия равна 0,0003 см²?

а) Каким образом человек, стоящий на полу, может быстро удвоить свое давление на пол?

б) Площадь соприкосновения всех колес вагона с рельсами 0,001 м². Какое давление производит этот вагон на землю, если его масса 30 т?

а) Зависит ли давление, которое оказывается автомобилем на землю, от того, как сильно накачаны его колеса?

б) Каток массой 6000 кг имеет площадь опоры 2000 см². Какое давление оказывает он на почву?

а) Зачем у лопаты верхний край, на который надавливают ногой, изогнут?

б) Штормовой ветер силой 10 баллов создает давление на преграду около 1000 Па. Определите силу давления на стену дома высотой 5 м и длиной 10м, если ветер дует перпендикулярно поверхности дома?

Высокий уровень

а) Трактор оказывает на землю примерно такое же давление, что и человек. Почему же тогда человек легко может стоять на кирпиче, в то время как трактор этот кирпич раздавит?

б) Какое давление оказывает на грунт мраморная колонна объемом 6 м³, если площадь ее основания 1,5 м²?

а) Масса одного тела в пять раз больше, чем масса другого. Могут ли эти тела оказывать одинаковое давление на стол? В каком случае?

б) Человек массой 70 кг стоит на снегу в лыжных ботинках. Длина подошвы каждого ботинка 30 см, ширина подошвы 10 см. Какое давление оказывает человек на снег? Во сколько раз уменьшится это давление, если человек станет на лыжи, длина которых 210 см, а ширина такая же, как средняя ширина подошв?

а) Лыжник оказывает на снег очень маленькое давление. Почему же тогда ломаются сухие ветки, если они попадают под лыжи? б) На горизонтальном полу лежит плита из бетона толщиной 25 см. Определите давление, производимое плитой.

а) Для чего при вытаскивании гвоздей из доски подкладывают под клещи железную полоску или дощечку?

б) На столе стоит сплошной медный куб. Какова масса куба, если он оказывает на стол давление 8 кПа?

а) Два человека одинаковой массы лежат -- один на полу, другой на диване. Одинаковы ли силы давления, оказываемые ими на опору? Одинаковы ли давления? Почему диван кажется более мягким, чем пол?

б) Один литературный герой, закаляя свою волю, спал на доске, утыканной гвоздями (остриями вверх). Оцените, из скольких гвоздей должно было состоять ложе героя, считая, что масса героя 70 кг, острие каждого гвоздя имеет площадь 0,1 мм², а человеческая кожа может выдерживать давление 3 МПа.

а) Начинающий факир составил для себя следующий план подготовки к лежанию на гвоздях: сначала привыкнуть лежать на 200 гвоздях, затем на 300 гвоздях и т. д., постепенно доводя число гвоздей до 2000. Каков недостаток этого плана?

б) Полый алюминиевый куб с длиной ребра 10 см оказывает на стол давление 1,3 кПа. Какова толщина стенок куба?

Давление в жидкости и газе

Начальный уровень

1. В каком состоянии вещество передает оказываемое на него давление только по направлению действия силы? Выберите правильное утверждение.

А.Только в жидком.

Б. Только в твердом.

В. Только в газообразном.

2. Как изменится давление на тело с увеличением глубины его погружения в жидкость? Выберите правильное утверждение.

А.Увеличится.

Б. Уменьшится.

ВНе изменится.

3.Какое давление производит столб ртути высотой 76 см?

А.10ГЗ кПа.

Б. » 101 кПа.

В.» 10,1 кПа.

4.Изменится ли давление воды на дно доверху наполненного ведра, если в воду опустить камень? Выберите правильное утверждение.

А. Увеличится.

Б. Уменьшится.

В. Не изменится.

5. Каково давление воды на глубине 10 м? Выберите правильный ответ.

А.10 кПа.

Б. 100 кПа.

В. 1000 кПа

6. Из баллона, наполненного газом, выпустили половину газа. Как изменится при этом давление газа? Выберите правильное утверждение.

А.Увеличится.

Б. Давление газа не изменится.

В. Уменьшится.

Достаточный уровень

а) Почему на одной и той же глубине давление воды в море больше, чем в реке?

б) Какое давление на дно сосуда оказывает слой керосина высотой 0,5м?

а) Используя закон Паскаля, объясните, почему зубную пасту легко выдавить из тюбика?

б) Определите силу давления нефти на пробку площадью 10 см² в дне цистерны, если высота уровня нефти 1,5 м.

а) В каком случае давление на дно сосуда больше: когда он заполнен водой, бензином или спиртом? Почему?

б) В цистерне, наполненной нефтью, на глубине 4 м поставлен кран. Определите давление на кран.

а) Как изменится объем пузырька воздуха при его подъеме со дна водоема на поверхность? Почему?

б) Определите высоту водонапорной башни, если манометр, установленный у основания, показывает давление, равное 50 кПа?

а) Для разрушения льдов в северных морях взрывчатку закладывают под лед (в воду), а не на лед. Почему это усиливает взрывной эффект?

б) Водолаз в жестком скафандре может погружаться на глубину 250 м. Определите давление воды в море на этой глубине.

а) Почему вода из самовара вытекает сначала быстро, а потом все медленнее и медленнее?

б) Плоскодонная баржа получила пробоину в днище площадью 200 см². С какой силой надо прижимать пластырь, которым заделывают пробоину, чтобы выдержать напор воды на глубине 2 м?

Высокий уровень

а) Сосуды имеют одинаковые формы и размеры и расположены так, как показано на рисунке. Что можно сказать: а) о массах воды в сосудах? б) о давлении на дно сосудов? в) о силах давления на дно сосудов?

б) В сосуде находится один над другим три слоя несмешиваю- щихся жидкостей: воды, керосина и ртути. Высота каждого слоя 5 см. Сделайте пояснительный рисунок и укажите на нем порядок расположения слоев. Определите давление жидкостей на дно сосуда и на глубине 7,5 см.

а) Два сосуда одинаковой формы и размеров установлены так, как показано на рисунке. Что можно сказать: а) о массах воды в сосудах? б) о давлении на дно сосудов? в) о силах давления на дно сосудов?

б) В цилиндрический сосуд налиты ртуть и вода в равных по массе количествах. Общая высота двух слоев жидкости равна 29,2 см. Вычислите давление на дно этого сосуда, а) Сосуды имеют одинаковые площади дна. Что можно сказать: а) о массах воды в сосудах? б) о давлении на дно сосудов? в) о силах давления на дно сосудов?

б) Вычислите давление нефти на дно бака, если уровень ее находится в 9,5 м от дна. Определите также общую силу давления на дно, площадь которого 290 м²

а) Два сосуда имеют одинаковые объемы, но различные площади дна. Что можно сказать: а) о массах воды в сосудах? б) о давлении на дно сосудов? в) о силах давления на дно сосудов?

б) Брусок размером 0,5 х 0,4 х 0,1 м находится в баке с водой на глубине 0,6 м. Вычислите, с какой силой вода давит на нижнюю грань бруска.

б) Определите силу давления керосина на квадратную пробку площадью поперечного сечения 16 см², если расстояние от пробки до уровня керосина в сосуде равно 40 см. а) Что вы можете сказать о величине давления и силах давления на дно сосуда во всех отсеках?

Литература

1. Атаманская М.С. Возможности конструирования содержания образования учителями физики.- Ростов/н\Д.: Издательство Ростовского областного ИПК и ПРО, 2006.

2.ШахмаевН.М. и Дик Ю.И. Физика 7 класс. Учебник для общеобразовательных учреждений.- М.:Мнемозина, 2003.

3. Иллюстрации Б.Рытмана из книги Егормышкиной -Алексеевой М.Н. “Физика - юным”.- М.: Просвещение, 1969.