розділи: фізика

клас:

#}

Мета уроку:

• Вивчити окремий випадок закону збереження енергії в застосуванні до пояснення залежності тиску від швидкості руху рідини і газу;
• Сформулювати закон Бернуллі;
• Розглянути приклади його застосування і прояви на практиці.

Тип уроку: комбінований.

Обладнання: комп'ютер, мультимедійний проектор, екран, презентація до уроку.

Устаткування для демонстрацій: ваги, макет крила літака, невелика воронка, тенісну кульку, повітродувки (фен), демонстраційний манометр, таблички на магнітах з фізичними формулами.

Устаткування для практичних робіт: стакан з водою, одноразовий шприц, два аркуші паперу, бруски.

Хід уроку

I. Організаційний момент.

слайд №1

Тема, радше назва, нашого уроку звучить не зовсім звичайно. Може бути хтось із вас подумав: до чого тут фізика? А дійсно, до чого тут фізика? А це і належить нам з'ясувати сьогодні. В кінці уроку ви повинні будете самі сформулювати правильно "фізичну" тему. Я ж скажу тільки, що ці об'єкти об'єднані одним і тим же законом, а саме, законом збереження повної механічної енергії. Працювати ви будете на робочих картах ( Додаток 1 ). Напишіть своє прізвище на карті у правому верхньому кутку.

II. Актуалізація знань.

Отже, начінаем.Раз вже я згадала закон збереження механічної енергії, то давайте його згадаємо.

III. Основна частина. Вивчення нового матеріалу.

Сьогодні на уроці ми будемо говорити про застосування закону збереження для рухомих потоків рідин і газів. Рух рідин і газів розділяється на ламинарное і турбулентний. На дидактичних картах ( Додаток 2 ) У вас є їх визначення. Давайте прочитаємо. Ми будемо розглядати ламінарний плин.

А почнемо ми з питання: чи можна утримати кульку в вертикальної воронці, видуваючи з неї повітря? Добре, давайте перевіримо це на досвіді. Критерієм будь-якої істини є досвід. Мені потрібен помічник, який виконає цей нескладний експеримент. Виявляється, щоб утримати кульку в воронці треба видувати повітря. Хто ж може пояснити цей "парадокс"? Тоді запишемо перше питання в таблицю на робочій карті. Чому при видування повітря з воронки кулька утримується в ній?

слайд №2

Продовжуємо відповідати на питання. Що станеться з аркушем паперу, якщо подути над ним? Розташуйте аркуш паперу на рівні рота і з силою продміть повітря. Що сталося з аркушем паперу? А чому? Запишіть в таблицю на робочих картах і це питання: чому піднявся листок?

Проведемо ще один досвід. Наберіть в шприц води з склянки і, натискаючи на поршень, випустіть її (добийтеся, щоб вона витікала безперервним струменем). Спочатку виконує товариш по парті, а сусід спостерігає. Потім помінятися ролями. Зверніть увагу на товщину витікає струменя. Струмінь стає вже. А тепер треба пояснити побачене. Є якісь припущення? Записуємо в таблицю друге питання: чому струмінь витікаючої води стає вже? До цих питань ми повернемося пізніше.

слайд №3

Що ж, питань, напевно, поки достатньо. Пора шукати відповіді. Допоможе в цьому відомий вам закон збереження механічної енергії і невідомий поки закон Бернуллі.

Розглянемо ламінарний плин рідини по трубі різного сеченія.Посмотріте на слайд. Там, де перетин не змінюється швидкість теж залишається постійною. Але чи однакова швидкість течії рідини на різних ділянках? І де більше? А може хто-небудь пояснити чому? (Так як рідина нестислива, то за однаковий проміжок часу t через кожне з цих перетинів повинна пройти рідина одного і того ж обсягу. Але як рідина, що протікає через перший перетин може "встигнути" за той же час протекти через значно менший перетин? Очевидно, що для цього при проходженні вузьких частин труби швидкість руху рідини повинна бути більше, ніж при проходженні широких).

Покажіть на малюнку 1 в робочих картах вектори швидкостей в різних ділянках. А тепер перевіримо як це вийшло у мене (слайд). Значить, швидкість залежить від перетину. Більш того, залежність ця обернено пропорційна. Математично це виражається наступним співвідношенням, яке носить назву рівняння нерозривності струменя: VS = const, тут - V швидкість рідини, S - площа перетину труби, по якій тече рідина. Сформулювати цей закон можна так: скільки вливається рідини в трубу, стільки повинно і виливатися, якщо умови течії не змінюються. Швидкість у вузьких ділянках труби повинна бути вище, ніж в широких.

Звідси слідує що

Висновок: чим менше площа перетину, тим більше швидкість.

Завдання №1. Як і у скільки разів зміниться кінетична енергії рідини, якщо перетин труби зменшити в 2 рази? (Відповідь збільшиться в 4 рази). А потенційна енергія? Обережно, помилка!

Потенційна енергія зменшиться, але необов'язково в 4 рази!

(Наприклад: 100 = 100, 100 = 10 + 90, 100 = 40 + 60)

слайд №4

З питанням про швидкість ви впоралися добре. А що скажете про тиск води в різних частинах? Якщо змінюється, то як? На малюнку 2 відзначте рівень води у вертикальних трубках в залежності від тиску рідини в горизонтальній трубі. А тепер подивимося, на цей слайд. У вузьких місцях труби висота стовпчика рідини менше, ніж в широких. Про що говорить різна висота води? Виявляється, у вузьких місцях труби тиск рідини менше, ніж в широких. А чому?

При переході рідини з широкого ділянки в вузький швидкість течії збільшується, то це означає, що десь на кордоні між вузьким і широким ділянкою труби рідина отримує прискорення. А за другим законом Ньютона для цього на цьому кордоні повинна діяти сила. Цією силою може бути тільки різниця між силами тиску в широкому і вузькому ділянках труби. У широкому ділянці труби тиск повинен бути більше, ніж у вузькому. Цей висновок випливає з закону збереження енергії. Якщо у вузьких місцях труби збільшується швидкість рідини, то збільшується і її кінетична енергія. А так як ми домовилися, що рідина тече без тертя, то цей приріст кінетичної енергії повинен компенсуватися зменшенням потенційної енергії, тому що повна енергія повинна залишатися незмінною. Але це не потенційна енергія "mgh", тому що труба горизонтальна і висота h скрізь однакова. Значить, залишається тільки потенційна енергія, пов'язана з силою пружності. Сила тиску рідини - це і є сила пружності стислої рідини. У широкої частини труби рідина трохи сильніше стисла, ніж у вузькій. Правда, ми тільки що говорили, що рідина вважається несжимаемой. Але це означає, що рідина не настільки стиснута, щоб скільки-небудь помітно змінився її обсяг. Дуже мала стиснення, що викликає появу сили пружності, неминуче. Воно і зменшується в вузьких частинах труби.

Щоб розібратися в причинах зменшення тиску в вузьких частинах і збільшення в широких, використовуємо закон збереження енергії і математичні навички. Я почну, а ви будете допомагати.

Робота сил тиску, досконала над елементом рідини при його переміщенні, дорівнює:

тут = V1 і = V 2 - обсяги рідини, що пройшла за один і той же час через перетину 1 і 2. Підставами (2) в (1) і отримуємо:

Так як висота центру мас труби не змінюється, то h1 = h 2. Виберемо нульовий рівень, що проходить через центр мас, тоді mgh 1 = mgh2 = 0.

Так як рідина практично нестислива, то обсяги її, що пройшли за одне і теж час рівні, V1 = V 2 (або ), Тому обидві частини рівності можна розділити обидві частини на V.

отже,

(*)

Таким чином, якщо швидкість, наприклад, збільшується, то збільшується перший доданок, значить, щоб рівність виконувалося, на таку ж величину другий доданок зменшується, тобто зменшується тиск.

Висновок: Чим більше швидкість потоку рідини, тим менше її тиск.

Залежність тиску від швидкості течії називають ефектом, а рівняння (*) - законом Бернуллі в честь автора, швейцарського вченого Данила Бернуллі, який, до речі, працював в С.-Петербурзі. Закон Бернуллі для ламінарних потоків рідини і газів є наслідком закону збереження енергії.

слайд №5

Переконаємося на досвіді, що отриманий висновок справедливий і для газів. Для цього виконаємо ще практичні завдання (опис на дидактичної карті).

1 варіант. Візьміть в руки два листка паперу і розташуйте їх на расстояніі3- 4см один від одного і продуйте несильно між ними повітря. Що спостерігаємо? Чому? Між листочками тиск зменшився, а зовні залишилося таким же. Повторіть досвід, але подмімо тепер сильніше. Поясніть цей результат.

2 Варіант. Покладіть листок на дві книги, як показано на слайді. Продуйте повітря під листком спочатку несильно, а потім сильніше. Поясніть, що ви спостерігали.

Настав час для відповідей на залишені вами, але не забуті мною питання:

• Чому при видування повітря з воронки кулька утримується в ній?
• Чому піднявся листок?
• Чому струмінь витікаючої води стає вже?

Запишіть відповіді в таблиці.

Ось і настала черга літаків. Подивимося відеофрагмент ( додаток 4 ).

слайд №6

Так чому ж піднімається літак? У чому причина виникнення підйомної сили?

Вся справа в формі крила і в куті атаки.

Переконаємося на досвіді (рисунок 1). Чому порушилося рівновагу терезів?

Малюнок 1

До речі сказати, у птахів крило теж має схожу форму.

Ефект Бернуллі - це те, завдяки чому птиці і літаки можуть літати. Розріз крила у них практично однаковий: за рахунок складної форми крила створюється різниця обтекающих його зверху і знизу повітряних потоків, що дозволяє тілу підніматися вгору.

Формулу для розрахунку підйомної сили вперше отримав наш співвітчизник Микола Єгорович Жуковський - "батько російської авіації".

F = (P2 - P1) S = - (v12 - v22) S

Що стосується білок - летяг, то вони, звичайно ж не можуть розвинути велику швидкість і форма "крил" трошки інша, тому і підйомна сила у них невелика і виникає вона в великій мірі через кута нахилу. Як і звичайна білка, летяга більшу частину життя проводить на деревах, але на землю спускається набагато рідше. Між передніми і задніми лапами у неї є шкірна перетинка, яка дозволяє планувати з дерева на дерево. Так білка-летяга долає відстань до 50-60 м по низхідній параболічної кривої. Для стрибка летяга забирається на верхівку дерева. Під час польоту її передні кінцівки широко розставлені, а задні притиснуті до хвоста, утворюючи характерний трикутний силует. Змінюючи натяг перетинки, летяга маневрує, іноді змінюючи напрямок польоту на 90 °. Хвіст в основному виконує роль гальма. Посадку на стовбур дерева летяга зазвичай робить по дотичній, як би збоку. Перед посадкою приймає вертикальне положення і чіпляється всіма чотирма лапами, після чого відразу переходить на іншу сторону ствола. Цей маневр допомагає їй ухилятися від пернатих хижаків.

Задача№2: У польоті тиск повітря під крилом літака 97,8 кН / м2, а над крилом 96,8 кН / м2. Площа крила 20 м2. Визначити підйомну силу.

Рішення: F = PS, де P = P2 - P 1, тоді F = (P2 - P 1) S, F = 20.103 H

Відповідь: 20кН

Завдання №3. Про "кручених м'ячах" ви прочитаєте самостійно текст і дайте відповідь на питання.

слайд №7

Ефект Магнуса.

1. Чому рухаються обертаються тіла відхиляються від прямолінійної траєкторії?
2. Чому тиск на м'яч з різних сторін по-різному?
3. Чому відносна швидкість повітряного потоку різна по різні боки м'яча?

Можна навести ще безліч прикладів: бумеранг, літаючі тарілки, водоструминний насос, розпилювачі, карбюратори, катери на підводних крилах.

слайд №8

А ось подивіться, яку небезпеку становить зменшення тиску для морських судів. Потік води між судами має менший тиск, ніж зовні. Всі моряки знають, що два судна, що йдуть поруч на великих швидкостях сильно притягуються один до одного. Ще небезпечніше, коли один корабель йде за іншим. Сили тяжіння, що виникли через різницю тисків, прагнуть кораблі розгорнути. Задній корабель розгортається сильніше переднього. Зіткнення в таких випадках неминуче.

Завдання №4. Дуже часто лоцмани скаржаться на підступні мілини, які так і притягують до себе суду. Чому мілини на річках притягують суду?

IV. Закріплення вивченого матеріалу

Контрольний тест.

1. Рідина тече через трубу зі змінним поперечним перерізом. В якому перетині труби швидкість "v" течії рідини і її тиск "P" на стінках максимальна?

• v і P максимальні в перерізі 1;
• v і P максимальні в перерізі 2;
• v максимальні в перерізі 1, P - в перерізі 2;
• v максимальні в перерізі 2, P - в перерізі 1;
• v і P однакові у всіх перетинах.

2. В якій трубці рівень води буде вище?

• А;
• В;
• С;
• D;
• У всіх однаково.

3. Що станеться, якщо продувати струмінь повітря між двома кульками від пінг-понгу, підвішеними на нитках (дивись малюнок)?

• Залишаться нерухомими;
• Рухатимуться разом вправо або вліво;
• Відхиляться один від одного;
• Наблизяться один до одного.

Підводячи підсумок нашого уроку, згадаємо ще раз основні закони і рівняння, з якими познайомилися на уроці:

1. Рівняння нерозривності струменя - яку залежність і будь величин воно висловлює?
2. Закон Бернуллі - що він стверджує?

V. Рефлексія. Підведення підсумків уроку.

Слайд № 9

А тепер настав час дати нашого уроку "фізичне" назва. Які будуть ваші пропозиції?

Закон Бернуллі як наслідок закону збереження енергії. (Прояв і застосування закону збереження енергії для рухомих потоків рідини і газів).

VI. Домашнє завдання.

Слайд № 10

Домашнє завдання:

1. Завдання № 404, 406, 409, 410 (Римкевіч А.П. Фізика. Задачник. 10-11 класси.- М .: Дрофа, 2003)
2. Домашня практична робота: Зробіть з тонкого паперу циліндр діаметром 3 см, довжиною 20 см. Покладіть його на стіл на похилу площину. Поспостерігайте за траєкторією, по якій скочується циліндр. Поясніть спостережуване явище.

1.05.2010