La science naturelle est si humaine, si véridique,
que je souhaite bonne chance à tous ceux qui s'abandonnent à lui...
Johann Wolfgang von Goethe

C'est à Archimède que l'on doit le fondement de la doctrine de l'équilibre des fluides.
Joseph-Louis Lagrange

BOÎTE DE PROBLÈMES DE QUALITÉ EN PHYSIQUE
POUVOIR ARCHIMÉDIEN

Matériel didactique sur la physique pour les étudiants, ainsi que leurs parents ;-) et, bien sûr, pour les enseignants créatifs.
Pour ceux qui aiment apprendre !

je présente à votre attention 55 problèmes qualitatifs en physique sur le thème : « Force d'Archimède ». Rendons hommage à l'intégration : dans les premières lignes... matériel biophysique; Selon la tradition, on n'ignorera pas les pages vertes fiction Et matériel d'illustration;-) et accompagner également les tâches de notes pédagogiques et de commentaires - pour les curieux, nous donnerons des réponses détaillées à certains problèmes.
Et aussi ;-) l'histoire légendaire du problème d'Archimède avec la couronne d'or.

Tâche n°1
La plupart des algues (par exemple, la spirogyre, le varech, etc.) ont des tiges fines et flexibles. Pourquoi les algues n’ont-elles pas besoin de tiges solides et dures ? Qu’arrive-t-il aux algues si vous libérez de l’eau du plan d’eau dans lequel elles se trouvent ?

Pour les curieux : De nombreuses plantes aquatiques maintiennent une position verticale, malgré l'extrême flexibilité de leurs tiges, car aux extrémités de leurs branches se trouvent de grosses bulles d'air qui font office de flotteurs.
Piment à la châtaigne d'eau. Curieuse plante aquatique chilim (châtaigne d'eau) pousse le long des bras morts de la Volga, dans les lacs et les estuaires. Ses fruits (châtaignes d'eau) atteignent un diamètre de 3 cm et ont une forme semblable à une ancre flottante avec ou sans plusieurs cornes acérées. Cette « ancre » sert à maintenir la jeune plante en germination dans un endroit adapté. Lorsque les fleurs du piment fanent, des fruits lourds commencent à se former sous l’eau. Ils pourraient noyer la plante, mais juste à ce moment-là sur les pétioles des feuilles des gonflements se forment - une sorte de «bouée de sauvetage». Cela augmente le volume de la partie immergée des plantes et, par conséquent, augmente la force de flottabilité. Cela permet d'obtenir un équilibre entre le poids du fruit et la force de poussée générée par le gonflement.

Otto Wilhelm Thome(Otto Wilhelm Thome ; 1840-1925) – botaniste et illustrateur allemand. Auteur d'un recueil d'illustrations botaniques "Flore d'Allemagne, d'Autriche et de Suisse (Flora von Deutschland, Österreich und der Schweiz)", 1885.

§ J'invite les amateurs de fleurs à admirer les portraits floraux sur la page verte « Reinegle George Philip (illustrations botaniques) ».

Tâche n°2
Les mammifères qui vivent sur terre ont des membres solides adaptés au mouvement, mais mammifères marins(baleines, dauphins) les nageoires et la queue suffisent pour le mouvement. Expliquez pourquoi.

Répondre: Le pouvoir d'Archimède - important facteur naturel, qui détermine la structure squelettique des mammifères marins. Puisqu'une créature vivant dans l'eau est soumise à la flottabilité (force d'Archimède), son poids dans le liquide est inférieur à celui dans l'air de la valeur de cette force. Ainsi, « légers » dans l’eau, la baleine et le dauphin n’ont pas besoin de membres solides pour se déplacer ; des nageoires et une queue suffisent à cet effet.

Tâche n°3
Quel rôle joue la vessie natatoire chez les poissons ?

Pour les curieux : Densité des organismes vivants habitant milieu aquatique, diffère très peu de la densité de l'eau, leur poids est donc presque entièrement équilibré par la force d'Archimède. Grâce à cela, les animaux aquatiques n'ont pas besoin de squelettes aussi massifs que les animaux terrestres. Le rôle de la vessie natatoire chez les poissons est intéressant. C'est la seule partie du corps du poisson qui présente une compressibilité notable ; presser la bulle avec les efforts de la poitrine et muscles abdominaux, le poisson modifie le volume de son corps et donc sa densité moyenne, grâce à laquelle il peut réguler la profondeur de sa plongée dans certaines limites.

Tâche n°4
Comment une baleine régule-t-elle la profondeur de sa plongée ?

Répondre: Les baleines régulent leur profondeur de plongée en diminuant et en augmentant le volume de leurs poumons.

Archibald Thorburn(Archibald Thorburn ; 31/05/1860 – 09/10/1935) - Illustrateur écossais.

§ Pour les amateurs d'art animalier, je recommande de jeter un oeil à la page verte « Peintures mystères de l'artiste Stephen Gardner » et de compter les queues des baleines ;-)

Problème n°5
Même si la baleine vit dans l’eau, elle respire avec ses poumons. Malgré la présence de poumons, une baleine ne vivra même pas une heure si elle se retrouve accidentellement échouée ou sur la terre ferme. Pourquoi?

Pour les curieux : Les plus grands représentants de l'ordre des cétacés sont baleines bleues. Poids baleine bleue atteint 130 tonnes; le plus grand animal terrestre éléphant a une masse de 3 à 6 tonnes(comme la langue de certaines baleines ;-) En même temps, la baleine est capable de développer une vitesse très décente dans l'eau jusqu'à 20 nœuds. La force de gravité agissant sur la baleine s'élève à des millions de newtons, mais dans l'eau, elle est soutenue par la force d'Archimède et la baleine est en apesanteur dans l'eau. Sur terre, l’énorme force de gravité plaquera la baleine au sol. Le squelette de la baleine n'est pas adapté pour supporter ce poids ; la baleine ne pourra même pas respirer, car pour inspirer, elle doit dilater les poumons, c'est-à-dire soulever les muscles qui l'entourent. poitrine. Sous l'influence d'un tel puissance énorme La respiration se détériore considérablement, les vaisseaux sanguins sont comprimés et la baleine meurt.

Noeud – unité de mesure de vitesse, égal à un mille marin par heure. Utilisé dans la pratique maritime et aéronautique. Selon la définition internationale, un nœud équivaut à 1,852 km/h.

Problème n°6
Comment réguler la profondeur d'immersion céphalopode Nautilus pompilius(lat. Nautilus pompilius) ?

Répondre: Les céphalopodes du genre Nautilus vivent dans des coquilles divisées par des cloisons en chambres séparées, l'animal lui-même occupe la dernière chambre et le reste est rempli de gaz. Lorsque le nautile veut couler au fond, il remplit la coquille d'eau, elle devient lourde et coule facilement. Pour flotter à la surface, le nautile pompe du gaz dans ses « cylindres » hydrostatiques, il déplace l'eau et la coquille flotte à la surface. Le liquide et le gaz sont sous pression dans la coquille, de sorte que la maison en nacre n'éclate pas même à une profondeur de sept cents mètres, où nagent parfois les nautiles. Le tube d'acier serait ici aplati et le verre se transformerait en poudre blanche comme neige. Le Nautilus ne parvient à éviter la mort que grâce à la pression interne maintenue dans ses tissus, et à maintenir son habitat indemne en le remplissant d'un liquide incompressible. Tout se passe comme dans un bateau de haute mer moderne - un bathyscaphe, pour lequel la nature a reçu un brevet il y a cinq cents millions d'années ;-)

Nautilus pompilius(lat. Nautilus pompilius) – espèce céphalopodes genre Nautilus. Il vit généralement jusqu'à 400 mètres de profondeur. Il vit au large des côtes de l'Indonésie, des Philippines, de la Nouvelle-Guinée et de la Mélanésie, dans la mer de Chine méridionale, sur la côte nord de l'Australie, en Micronésie occidentale et en Polynésie occidentale. Les nautiles mènent une vie benthique, collectant des animaux morts et de gros restes organiques - c'est-à-dire Les nautiles sont des charognards marins.

Kondakov Nikolaï Nikolaïevitch(1908-1999) – biologiste soviétique, candidat en sciences biologiques, artiste animalier. Principale contribution à sciences biologiques Les dessins qu'il a réalisés de divers représentants de la faune sont devenus disponibles. Ces illustrations ont été incluses dans de nombreuses publications, telles que BST (Grande Encyclopédie Soviétique), Livre rouge de l'URSS, dans les atlas d'animaux et les supports pédagogiques.

Pour les curieux : U seiche– un animal de la classe céphalopodes(les plus proches parents des calmars et des poulpes), la coquille calcaire interne rudimentaire contient de nombreuses cavités. Pour réguler la flottabilité, la seiche pompe l'eau de son squelette et permet au gaz de remplir les cavités vidées, c'est-à-dire qu'elle agit basé sur le principe des réservoirs d'eau dans un sous-marin. La principale méthode de déplacement des seiches, des poulpes et des calmars est le jet, mais c'est un sujet pour une autre boîte de problèmes de qualité en physique ;-)
Radiolaires microscopiques ont des gouttelettes d'huile dans leur protoplasme, à l'aide desquelles ils régulent leur poids et grâce auxquelles ils montent et descendent dans la mer.
Siphonophores Les zoologistes appellent un groupe spécial de coelentérés. Comme les méduses, ce sont des animaux marins qui nagent librement. Cependant, contrairement aux premiers, ils forment des colonies complexes aux caractéristiques très prononcées. polymorphisme. Tout en haut de la colonie se trouve généralement une bulle contenant du gaz, à l'aide de laquelle toute la colonie est maintenue dans la colonne d'eau et se déplace. Le gaz est produit par des glandes spéciales. Cette bulle atteint parfois une longueur de 30 cm.

Organes vestigiaux, rudiments(du latin rudimentum - rudiment, principe fondamental) - organes qui ont perdu leur signification fondamentale au cours du processus de développement évolutif de l'organisme.
Polymorphisme - multiplicité, la présence dans une même espèce d'organismes de plusieurs formes différentes.

Illustrations du livre d'Ernst Haeckel
« Formes artistiques de la nature (Kunstformen der Natur) », 1904

Céphalopodes Gamochonie		Siphonophores Siphonophores		mer profonde radiolaires Phéodaire

Ernst Heinrich Philipp August Haeckel(Ernst Heinrich Philipp August Haeckel ; 1834-1919) – naturaliste et philosophe allemand.
"Formes artistiques de la nature (Kunstformen der Natur)"– livre lithographique Ernst Haeckel initialement publié entre 1899 et 1904 en séries de 10, avec une version complète de 100 publiée en 1904.

Problème n°7
Pourquoi les canards et autres oiseaux aquatiques plongent-ils rarement dans l’eau lorsqu’ils nagent ?

Répondre: Un facteur important dans la vie de la sauvagine est la présence d'une épaisse couche de plumes et de duvet imperméable à l'eau, qui contient une quantité importante d'air ; Grâce à cette bulle d'air particulière qui entoure tout le corps de l'oiseau, sa densité moyenne s'avère très faible. Ceci explique le fait que les canards et autres oiseaux aquatiques s'immergent peu dans l'eau lorsqu'ils nagent.

Problème n°8
« Côté Meshchora », 1939

« …Sur les rives de ces rivières, les rats d'eau vivent dans des trous profonds. Il y a des rats qui sont complètement gris à cause de la vieillesse. Si vous surveillez tranquillement le trou, vous pouvez voir le rat attraper du poisson. Elle rampe hors du trou, plonge très profondément et ressort avec un bruit terrible... Pour faciliter la nage, les rats d'eau mordent une longue tige du kugi et nagent en la tenant entre leurs dents. La tige du kugi est pleine de cellules aériennes. Il retient parfaitement l’eau même s’il n’est pas aussi lourd qu’un rat… »
Expliquez la mesure prise par les rats d'eau pour faciliter la nage.

Répondre: Flottabilité du corps– sa capacité à flotter sous une charge donnée, ayant une immersion prédéterminée. La réserve de flottabilité est une charge supplémentaire qui correspond au poids du liquide dans le volume de la partie superficielle d'un corps flottant. La flottabilité d'un corps est déterminée par la loi d'Archimède.
Loi d'Archimède est formulé comme suit : un corps immergé dans un liquide ou un gaz est soumis à une force de flottabilité égale au poids de la quantité de liquide ou de gaz déplacée par la partie immergée du corps. En nous basant sur la loi d'Archimède, nous pouvons conclure que pour qu'un corps flotte, il faut que le poids du liquide déplacé par ce corps soit égal ou supérieur au poids du corps lui-même.
Un rat d'eau entreprenant, peu familier avec la loi d'Archimède, l'utilisa avec succès à ses propres fins, altruistes mais bénéfiques...

Kuga- le nom populaire de certaines plantes aquatiques de la famille des carex, principalement roseau du lac. Les tiges des roseaux lacustres, comme de nombreuses autres plantes aquatiques, sont très lâches et poreuses - elles sont densément pénétrées par un réseau de canaux d'air et ont donc une excellente flottabilité.

Problème n°9
"Steppe. L'histoire d'un voyage", 1888. Anton Pavlovitch Tchekhov
«... Egorushka s'est également déshabillé, mais n'a pas descendu la berge, mais a pris un départ en courant et a volé d'une hauteur d'un pied et demi. Après avoir décrit un arc dans les airs, il tomba à l'eau, s'enfonça profondément, mais n'atteignit pas le fond ; une force, froide et agréable au toucher, le souleva et le remonta à l'étage.
De quelle sorte de force « froide et agréable au toucher » parlons-nous ?

Pour les curieux : Sazhen – ancienne mesure russe de longueur, mentionné pour la première fois dans des sources russes au début du XIe siècle. Aux XIe-XVIIe siècles, il y avait des brasses de 152 et 176 cm. voler une brasse, déterminé par l’envergure des bras d’une personne depuis l’extrémité des doigts d’une main jusqu’à l’extrémité des doigts de l’autre.
Le soi-disant brasse oblique– mesurant 216 et 248 cm – a été déterminée par la distance entre les doigts d’une main tendue et le pied de la jambe opposée. Sous Pierre Ier, les mesures de longueur russes étaient égalisées avec les mesures anglaises. La taille en brasses a été déterminée à 7 pieds anglais, ou 84 pouces. Cela correspondait à 3 archines, ou 48 vershoks, ce qui équivalait à 213,35 cm.

1 brasse= 1/500 verste = 3 archines = 12 travées = 48 vershoks = 2,1336 mètres

Je me demande quoi le mot « brasse » vient du vieux verbe slave "faire un grand pas" (faire un grand pas)). Dans la Russie antique, non pas une, mais de nombreuses brasses différentes étaient utilisées. Nous avons déjà fait connaissance avec le volant d'inertie et les brasses obliques, c'est maintenant au tour de quelques autres brasses :

1 brasse ≈ 1,83 mètres
1 brasse grecque ≈ 2,304 mètres
1 brasse maçonnée ≈ 1,597 mètres
1 brasse de tuyau ≈ 1,87 mètres (cette brasse servait à mesurer la longueur des tuyaux dans les mines de sel)
1 brasse ≈ 1,864 mètres
1 brasse royale ≈ 1,974 mètres

Cependant, il existe également des brasses carrées et cubiques. La quantité de quelque chose mesurée par cette mesure : brasse de terre(brasserie carrée); brasse de bois de chauffage(bride cubique).

Problème n°10
"Grand-père Mazai et les lièvres", 1870. Nikolaï Alekseïevitch Nekrassov
« Une bûche noueuse flottait devant,
Assis, debout et allongé à plat,
Une douzaine de lièvres s'y sont échappés
"Si je t'emmenais, coule le bateau !"
C'est cependant dommage pour eux, et dommage pour la découverte -
J'ai attrapé mon hameçon sur une brindille
Et il a traîné la bûche derrière lui..."
Expliquez pourquoi les lièvres ont pu couler le bateau. Qu’entend-on par déplacement et capacité de charge d’un navire ? Qu'est-ce qu'une ligne de flottaison ?

Pour les curieux : Ligne de flottaison- c'est la ligne le long de laquelle la surface calme de l'eau entre en contact avec la coque d'un navire ou autre embarcation flottante. La ligne de flottaison se produit différents types(structural, conception, exploitation, cargo).
Chargement de la ligne de flottaison a une grande signification pratique. Avant que cette marque ne devienne obligatoire, de nombreux navires étaient perdus dans les flottes du monde entier. La principale raison de la perte des navires était la surcharge, provoquée par le désir de tirer un profit supplémentaire du transport, aggravé par la différence de densité de l'eau (en fonction de sa température et de sa salinité, le tirant d'eau du navire peut varier considérablement). Le premier précédent en nouvelle histoire- la loi britannique sur la ligne de charge (load line) de 1890, selon laquelle la hauteur de franc-bord minimale autorisée n'était pas fixée par l'armateur, mais par un organisme gouvernemental.

Illustrations d'Alexeï Nikanorovitch Komarov
au poème de Nikolai Alekseevich Nekrasov « Grand-père Mazai et les lièvres »

...Je vois une petite île - Les lièvres s'y rassemblèrent en foule...		Instantanément, mon équipe s'est enfuie, Il ne reste plus que deux couples sur le bateau...

Komarov Alexeï Nikanorovitch(1879-1977) est considéré comme le fondateur de l’école animalière russe. Alexey Nikanorovich Komarov a illustré des livres scientifiques et pour enfants, créé des dessins pour des timbres, des cartes postales et des aides visuelles. Plusieurs générations d'enfants ont grandi en apprenant des manuels scolaires avec ses merveilleux dessins.

Problème n°11
Où la capacité de charge d'une même barge est-elle plus grande - dans l'eau fluviale ou marine ?

Répondre: La densité de l’eau de rivière est inférieure à celle de l’eau de mer, puisque la densité de l’eau ordinaire est de 1 000 kg/m3 et celle de l’eau salée de 1 030 kg/m3. Cela signifie que la force d’Archimède dans l’eau de mer sera plus grande. Autrement dit, dans l’eau de mer, une barge peut soulever une charge avec une plus grande gravité et ne pas couler. Cela signifie que la capacité de charge d’une même barge en eau de mer est plus grande.

Problème n°12
Les sous-marins naviguant dans les mers du nord sont souvent recouverts d’une épaisse couche de glace à la surface de l’eau. Est-il plus facile ou plus difficile de plonger un bateau sous l'eau avec une telle charge de glace supplémentaire ?

Problème n°13
Les sous-marins se voient attribuer une profondeur en dessous de laquelle ils ne doivent pas descendre. Qu’est-ce qui explique l’existence d’une telle limite ?

Répondre: Plus le sous-marin s’enfonce, plus ses parois subiront de pression. Puisqu’il y a une limite à la résistance de la structure du bateau, il y a aussi une limite à la profondeur de son immersion.

Pour les curieux :
Lequel caractéristiques de conception avez-vous des sous-marins?
Dans toutes les marines rôle important joué par des sous-marins - des navires de guerre capables de plonger dans l'eau à une profondeur importante (plus de 100 mètres) et de s'y déplacer à l'abri de l'ennemi.
Les sous-marins doivent pouvoir faire surface et s'immerger dans l'eau, ainsi que nager sous la surface de l'eau. Le volume du bateau restant inchangé dans tous les cas, pour effectuer ces manœuvres le bateau doit disposer d'un dispositif permettant de modifier son poids. Ce dispositif est constitué d'un certain nombre de compartiments de ballast dans la coque du bateau, qui, à l'aide de dispositifs spéciaux, peuvent être remplis d'eau de mer (dans ce cas le poids du bateau augmente et il coule) ou libérés de l'eau (dans ce cas le poids du bateau diminue et il flotte).
A noter qu'un petit excès ou manque d'eau dans les compartiments de ballast suffit pour que le bateau coule jusqu'au fond de la mer ou flotte à la surface de l'eau. Il arrive souvent que dans une certaine couche sous l'eau, la densité de l'eau change rapidement avec la profondeur, augmentant de haut en bas. A proximité du niveau d'une telle couche, l'équilibre du bateau est stable. En effet, si le bateau, étant à ce niveau, pour une raison quelconque s'enfonce un peu plus profondément, alors il entre dans une zone de densité d'eau plus élevée. La force d'appui augmente et le bateau commencera à flotter, revenant à sa profondeur d'origine. Si, pour une raison quelconque, le bateau monte, il entrera dans une zone de densité d'eau plus faible, la force d'appui diminuera et le bateau reviendra à son niveau d'origine. C’est pourquoi les sous-mariniers appellent ces couches « sol liquide": le bateau peut « s'allonger » dessus, maintenant indéfiniment son équilibre pendant longtemps, alors que dans un environnement homogène cela n'est pas possible et pour maintenir une profondeur donnée, le bateau doit constamment changer la quantité de lest, en acceptant ou en déplaçant l'eau des compartiments de ballast, ou doit constamment se déplacer, en manœuvrant les gouvernails de profondeur.

Hisser le drapeau national de l'URSS au pôle Nord équipage du sous-marin "Leninsky Komsomol", 1962 Stylo Sergueï Varlenovitch, 1985 Musée naval central, Saint-Pétersbourg

Pour les curieux : « Lénine Komsomol », à l'origine K-3 – premier sous-marin nucléaire soviétique, projet 627. Le sous-marin a hérité du nom «Leninsky Komsomol» du sous-marin diesel «M-106» du même nom de la flotte du Nord, décédé lors d'une des campagnes militaires de 1943.
En juillet 1962, pour la première fois dans l'histoire de l'Union soviétique Marine elle a fait un long voyage sous les glaces de l'océan Arctique, au cours duquel elle a dépassé la pointe à deux reprises pôle Nord. Sous commandement Lev Mikhaïlovitch Jiltsov Le 17 juillet 1962, pour la première fois dans l'histoire de l'Union soviétique flotte sous-marine fait surface près du pôle Nord. L'équipage du navire près du pôle dans les glaces du centre de l'Arctique a été hissé Drapeau national URSS.
En 1991, il fut retiré de la Flotte du Nord. Après une série de jours sombres et une reconstruction encore inachevée, il fut décidé de transformer le sous-marin Leninsky Komsomol en musée. On dit qu'ils cherchent déjà une place sur la Neva pour son amarrage éternel. Peut-être que ce sera à côté de la légendaire Aurora...

Problème n°14
"L'homme amphibien", 1927. Alexandre Romanovitch Belyaev
« Les dauphins sur terre sont beaucoup plus lourds que dans l’eau. En général, tout est plus difficile ici. Même propre corps. La vie est plus facile dans l’eau… …Et on coule au fond… C’est comme si on nageait dans un air bleu et épais. Calme. Vous ne sentez pas votre corps. Il devient libre, léger, soumis à chacun de vos mouvements… »
L'auteur du roman a-t-il raison ? Expliquez votre réponse.

Alexandre Romanovitch Belyaev(16/03/1884-06/01/1942) - Écrivain de science-fiction soviétique, l'un des fondateurs de la littérature de science-fiction soviétique. Parmi ses romans les plus célèbres figurent : « La tête du professeur Dowell », « L'Homme amphibien », « Ariel »...
Si vous ne l'avez pas encore lu, je vous le recommande vivement ;-)

§ Je recommande aux lecteurs des pages vertes un matériel biophysique très ludique et pédagogique qui lève le voile du secret sur certaines caractéristiques de l'organisation des dauphins : propriétés anti-turbulentes peau et un sonar inégalé... sur la page verte des « Secrets du Dauphin ».

Problème n°15
Dans quelle eau est-il plus facile de nager et pourquoi : mer ou rivière ?

Répondre: Il est plus facile de nager dans l'eau de mer, car un corps immergé dans l'eau de mer sera soumis à une plus grande force de flottabilité en raison du fait que la densité de l'eau de mer est supérieure à la densité de l'eau de rivière.

Problème n°16
Pourquoi peut-on facilement soulever un ami ou une pierre assez lourde dans nos bras dans l'eau ?

Problème n°17
Un morceau de marbre pèse autant qu’un poids en cuivre. Lequel de ces corps est le plus facile à retenir dans l’eau ?

Répondre: La densité du marbre est inférieure à la densité du cuivre, donc avec la même masse, le marbre a un volume plus grand, ce qui signifie qu'une plus grande force de flottabilité agira sur lui et qu'il est plus facile de le retenir dans l'eau qu'un poids en cuivre.

Problème n°18
Marcher sur une plage parsemée de galets marins fait mal pieds nus. Et dans l'eau, immergée plus profondément que la taille, marcher sur de petites pierres ne fait pas mal. Pourquoi?

Problème n°19
Lorsque vous nagez dans une rivière au fond boueux, vous remarquerez peut-être que vos pieds restent coincés dans la boue plus dans les endroits peu profonds que dans les endroits profonds. Expliquez pourquoi.

Répondre: En plongeant plus profondément, nous déplaçons un plus grand volume d’eau. Selon la loi d'Archimède, dans ce cas, une grande poussée d'Archimède agira sur nous.

Problème n°20
Pourquoi les chaussures de plongée sont-elles équipées de lourdes semelles en plomb ?

Répondre: Pour augmenter le poids du plongeur et lui donner une plus grande stabilité lors du travail dans l'eau. Les lourdes semelles en plomb aident le plongeur à surmonter la force de poussée de l'eau.

Problème n°21
Pourquoi une bouteille en verre vide flotte-t-elle à la surface de l’eau, alors qu’une bouteille en verre remplie coule ?

Répondre: Une bouteille en verre vide est immergée dans l'eau jusqu'à une profondeur à laquelle le volume d'eau déplacé par la force de gravité est égal à la force de gravité de la bouteille, ce qui correspond à l'état des corps flottant à la surface de l'eau. Si la bouteille se remplit d’eau, le volume déplacé diminuera et elle coulera.

Problème n°22
Une brique coule dans l’eau, mais une bûche de pin sèche flotte. Cela signifie-t-il qu'il y a une grande force de poussée agissant sur la bûche ?

Problème n°23
"Tête de mort", 1928. Alexandre Romanovitch Belyaev
« Morel se leva, mais l'eau atteignit bientôt les chevilles des pieds et montait continuellement. Son radeau ne flottait décidément pas. Peut-être qu'il s'est fait prendre à quelque chose ? Au moins un bord doit remonter ! ...le radeau reposait toujours au fond...
- Mais qu'est-ce qu'il y a ? – cria Morel avec irritation. Il prit un morceau de bois de fer à partir duquel était fait le radeau qui se trouvait sur le rivage, le jeta à l'eau et s'écria aussitôt :
- Y a-t-il un autre âne comme moi dans le monde ? La souche s'enfonça comme une pierre. L'arbre de fer était trop lourd et ne pouvait pas flotter.
Dure leçon ! Baissant la tête, Morel regarda la rivière bouillante, dans les eaux de laquelle tant d'efforts et de travail étaient ensevelis.
Peut-il y avoir des pierres qui flottent dans l'eau comme du bois et des arbres dont le bois s'enfonce dans l'eau comme de la pierre ? Où peut-on trouver des flottants rochers, où est le bois qui coule ? A quoi servent les deux ?

Pour les curieux : Lorsque le lait bout, la mousse monte. Lors des éruptions volcaniques, la lave bouillante produit également de la mousse, mais uniquement de la mousse de pierre. Gelant, ça la mousse de pierre forme de la pierre ponce. Il est si léger qu'il ne coule pas dans l'eau. En tant que matériau abrasif la pierre ponce est appliquée pour meuler le métal et le bois, polir les produits en pierre et est également utilisé pour l'élimination hygiénique de la peau rugueuse des pieds. Des gisements de pierre ponce sont connus depuis l'Antiquité sur les îles Éoliennes de la mer Tyrrhénienne, au nord de la Sicile. D'importants gisements de pierre ponce se trouvent au Kamtchatka et en Transcaucasie (en Arménie, près d'Erevan). Bois de bouleau Schmidt, temir-agach, saxaul si dense et si lourd que se noyer dans l'eau. Saxaul pousse dans les semi-déserts et les déserts d'Asie; il ne convient pas à la construction, mais c'est un excellent combustible : En termes de contenu calorique, le saxaul est proche du charbon.
Le héros de l'histoire d'Alexandre Belyaev, le professeur Joseph Morel, a reçu un voyage scientifique au Brésil, et... il se pourrait très bien qu'il ait utilisé des malles pour construire un radeau Caesalpinia ferruginosa (bois de fer brésilien), ou peut-être... des malles bois de gaïac– dont le bois se noie dans l'eau.

« Côté Meshchora », 1939
Konstantin Georgievich Paustovsky
« Il y a beaucoup de lacs dans les prairies. Leurs noms sont étranges et variés : Tish, Byk, Hotets, Promoina, Kanava, Staritsa, Muzga, Bobrovka, Selyanskoe Lake et enfin Lombardskoe.
Au pied de Hotz se trouvent des chênes noirs des tourbières.
Qu'est-ce que le chêne des tourbières et quelle est sa densité ?

Pour les curieux : DANS il y a longtemps de majestueuses chênaies poussaient sur les rives du lac Hottsa. L'eau, d'année en année, érodait et emportait les rives du lac, et le puissant plein de force les chênes ont été immergés dans l'eau (la densité du bois de chêne vivant (ou fraîchement coupé) est de 1 020 à 1 070 kg/m3 et la densité de l'eau est de 1 000 kg/m3). Les chênes ont coulé sous l'eau, au fil du temps, le sable et le limon ont emporté les troncs des puissants chênes avec une couche de plusieurs mètres. Si la plupart des arbres dans de telles conditions sont voués à une destruction éphémère et complète, alors le chêne ne fait que commencer sa seconde vie. Après quelques centaines d'années, il atteint une maturité étonnante et est récompensé titre honorifique- taché !
Cette durabilité, ainsi que la couleur inimitable du chêne des tourbières, sont causées par les réactions du tanin (acide tannique) avec l'eau contenant des sels métalliques (par exemple du fer). En fonction de la quantité de sels métalliques contenus dans l'eau d'un lac ou d'une rivière et de la quantité de tanins contenus dans le bois, pendant une longue période (de 200 à 2000 ans ou plus...) une coloration spécifique du bois de chêne des tourbières s'est produite - en couleurs du choquant - argent cendré avec une teinte gris rosé... au bleu-noir mystique avec des stries violettes. Le véritable chêne des tourbières ou des tourbières se trouve généralement lors des fouilles de lacs et de marécages asséchés. C’est un bois très rare et coûteux, parfois aussi résistant que le fer.
Dans les descriptions historiques, vous pouvez trouver le nom du chêne des tourbières comme "ébène" Et "arbre de fer". Il est caractéristique qu'en Russie, il n'y ait pas de concept d'« ébéniste » - les artisans travaillant le bois d'élite étaient appelés "forgerons".
Le bois de chêne des tourbières séché et préparé pour la transformation a une densité assez élevée (750-850 kg/m 3) par rapport au chêne ordinaire (650-760 kg/m 3).

Chênes dans le vieux Peterhof Chichkine Ivan Ivanovitch, 1891

Chichkine Ivan Ivanovitch(25/01/1832-20/03/1898) - Peintre paysagiste russe, académicien, professeur, chef de l'atelier de paysage de l'Académie impériale des arts, l'un des membres fondateurs de l'Association des expositions d'art itinérantes.

Problème n°24
Pourquoi les bulles d’air flottent-elles rapidement dans l’eau ?

Répondre: La force de poussée agissant sur une bulle d'air dans l'eau est plusieurs fois supérieure au poids de la bulle elle-même (le gaz comprimé dans la bulle). En montant vers le haut, la bulle pénètre dans des couches d'eau avec une pression plus faible, la bulle se dilate, la force de soutien augmente et la vitesse de son ascension augmente.

Problème n°25
Dans quels gaz une bulle de savon remplie d'hélium peut-elle s'élever ?

Problème n°26
Si vous placez une bulle de savon contenant de l'air dans un récipient ouvert rempli de dioxyde de carbone, la bulle ne coule pas au fond du récipient. Expliquez le phénomène.

Répondre: Une bulle de savon remplie d'air flottera pendant un certain temps sur la surface invisible du dioxyde de carbone dans le récipient.

Problème n°27
Un flacon rempli d’hydrogène a été renversé. L'hydrogène sortira-t-il du flacon ?

Problème n°28
Explique pourquoi le volume d'hydrogène dans le ballon augmente à mesure qu'il monte.

Carnicero Antonio(Antonio Carnicero ; 1748-1814) - Artiste espagnol et adepte du néoclassicisme.
montgolfière(Français Montgolfiere) - un ballon avec une coque remplie d'air chaud. Nommé d'après le nom de famille inventeurs des frères Mongolf e – Joseph-Michel et Jacques-Etienne. Le premier vol a eu lieu en France dans la ville d'Annonay le 5 juin 1783.
Le 21 novembre 1783 est une date marquante dans l'histoire de l'aéronautique(en 2013, elle est aussi ronde - 230 ans ;-) Ce jour-là, deux courageux Français : Pilatre de Rosier et le Marquis d'Arlandes, pour la première fois dans l'histoire, ont effectué un vol dans la montgolfière des frères Montgolfier.

Problème n°29
Dans quel cas la force de levage d'un ballon en papier fait maison rempli d'air chaud est-elle plus grande : lorsque les enfants l'ont lancé à l'intérieur ou dans la cour de l'école, où il faisait assez frais ?

Répondre: La force de levage d'un ballon est égale à la différence entre le poids de l'air dans le volume du ballon et le poids du gaz qui remplit le ballon. Comment plus de différence plus la densité de l'air et du gaz remplissant la balle est grande, plus la force de levage est élevée. Par conséquent, la force de levage du ballon est plus grande à l’extérieur, où l’air est moins chauffé.

Problème n°30
Qu’est-ce qui explique l’existence d’une hauteur maximale (« plafond ») pour un ballon qu’il ne peut franchir ?

Répondre: Une diminution de la densité de l'air avec la hauteur de montée du ballon.

Jacob Alt(Jacob Alt ; 27/09/1798-30/09/1872) - Paysagiste, graphiste et lithographe autrichien.

Problème n°31
Une casserole renversée flotte dans un récipient rempli d'eau. Le niveau d'eau dans le récipient changera-t-il avec la température de l'air entourant la casserole ? (Négligez la dilatation thermique de l'eau, de la casserole et du récipient.)

Répondre: Le niveau d'eau dans le navire ne changera pas. Étant donné que le poids du contenu dans le récipient ne changera pas avec un changement de température de l'air entourant le bac, la force de pression de l'eau sur le fond du récipient ne changera pas.

Problème n°32
Pourquoi ne peut-on pas éteindre un kérosène brûlant en versant de l'eau dessus ? Comment faut-il mijoter ?

Répondre: L'eau coulera et ne bloquera pas l'accès de l'air (l'oxygène nécessaire à la combustion) au kérosène.

Problème n°33
L'huile végétale et le vinaigre sont versés dans une bouteille. Comment peut-on verser l’un de ces liquides à partir d’une bouteille ?

Répondre: L'huile flotte sur le vinaigre. Pour verser de l'huile, il vous suffit d'incliner la bouteille. Pour verser du vinaigre, vous devez boucher la bouteille, la retourner, puis ouvrir le bouchon juste assez pour que la bonne quantité de vinaigre s'écoule.

Problème n°34
Un lactomètre – appareil permettant de déterminer la teneur en matière grasse du lait – est un tube de verre scellé flottant dans un liquide en position verticale grâce à un poids placé à son fond. Les divisions marquées sur le tube indiquent la teneur en matière grasse du lait. Dans quel lait – entier ou écrémé (moins gras) le lactomètre doit-il plonger plus profondément ? Pourquoi?

Répondre: Le lactomètre plonge plus profondément dans le lait entier. Le lait plus gras a moins de densité.

Problème n°35
Un demi-litre flotte à la surface de l’eau dans un seau huile végétale. Comment récupérer l’essentiel de l’huile dans une bouteille sans avoir aucun matériel et sans toucher au seau ?

Répondre: La bouteille est remplie d'eau, fermée avec un doigt, retournée et abaissée avec le goulot dans une couche d'huile. Si vous retirez votre doigt, l'eau s'écoulera de la bouteille et l'huile entrera dans la bouteille à sa place. Vous pouvez également abaisser la bouteille vide dans l'eau en position verticale afin que le bord du goulot soit au niveau de l'huile.

Problème n°36
Pour nettoyer les graines de seigle des cornes d'ergot venimeuses, les graines sont immergées dans une solution aqueuse à vingt pour cent. sel de table. Les cornes de l'ergot flottent à la surface, mais le seigle reste au fond. Qu'est-ce que cela indique ?

Répondre: La densité des cornes d'ergot venimeuses est moindre et la densité du grain est supérieure à la densité de la solution.

Problème n°37
Une forte solution de sel de table a été versée dans le récipient et soigneusement versée dessus. eau propre. Si vous placez des aliments crus dans un récipient oeuf de poule, il restera à la frontière entre la solution et eau propre. Expliquez le phénomène.

Répondre: La densité de l’eau pure est inférieure à la densité moyenne d’un œuf, elle y coule donc. La densité de la solution de sel de table est supérieure à la densité de l'œuf, il y flotte donc.

Problème n°38
Prenez une soucoupe et plongez-la dans l'eau par la tranche, elle coulera. Si la soucoupe est soigneusement abaissée sur l'eau avec son fond, elle flotte à la surface. Pourquoi?

Répondre: La porcelaine ou la faïence a haute densité que l'eau, donc lorsque la soucoupe est abaissée sur le bord, elle coule. Lorsque le fond de la soucoupe est abaissé dans l'eau, il est immergé dans l'eau à une profondeur telle que le volume d'eau déplacée par gravité est égal à la gravité de la soucoupe, ce qui correspond à l'état des corps flottants sur le surface de l'eau.

Problème n°39
Sur les casseroles des balances à bras égaux se trouvent deux verres identiques remplis à ras bord d'eau. Un bloc de bois flotte dans un verre. Dans quelle position se trouve la balance ?

Répondre: En équilibre.

Problème n°40
Deux poids identiques sont suspendus aux extrémités d'un levier à bras égaux. Que se passe-t-il si un poids est placé dans l’eau et l’autre dans du kérosène ?

Répondre: L’équilibre sera rompu.

Problème n°41
Les boules de laiton et de verre sont en équilibre sur le joug d'une balance à bras égaux. L'équilibre sera-t-il perturbé si l'appareil est placé sous vide (dans le dioxyde de carbone, dans l'eau) ?

Répondre: Une boule de verre tombera dans le vide et une boule de laiton dans le dioxyde de carbone et l'eau.

Problème n°42
De quel matériau les poids doivent-ils être constitués pour que lors d'un pesage précis, il ne soit pas nécessaire d'introduire une correction pour la perte de poids dans l'air ?

Répondre: Les poids doivent être fabriqués dans le même matériau que le corps à peser.

Problème n°43
L'eau des vases communicants sera-t-elle au même niveau si une cuillère en bois flotte à sa surface dans l'un des vases ?

Répondre: Puisque la cuillère en bois est en équilibre à la surface de l’eau, son poids est égal au poids de l’eau qu’elle déplace. Par conséquent, si la cuillère était remplacée par de l’eau, elle occuperait un volume égal au volume de la partie immergée de la cuillère et le niveau d’eau ne changerait pas. Par conséquent, l’eau des vases communicants sera au même niveau.

Problème n°44
Une énorme boule de glace est gelée au fond d'un récipient contenant de l'eau. Comment le niveau d’eau dans le bateau changera-t-il lorsque la glace fondra ? Cela modifiera-t-il la force de la pression de l’eau sur le fond du récipient ?

Répondre: Va descendre; va diminuer. La densité de la glace est inférieure à la densité de l’eau, donc le volume d’une boule de glace est supérieur au volume d’eau formée à partir de cette boule. Il s'ensuit que le niveau d'eau dans le navire va diminuer.

Problème n°45
Un morceau de glace flotte dans un verre rempli d’eau à ras bord. L'eau débordera-t-elle lorsque la glace fondra ? Que se passe-t-il si le verre ne contient pas d'eau, mais : 1) un liquide plus dense (par exemple de l'eau très salée), 2) un liquide moins dense (par exemple du kérosène) ?

Répondre: Selon la loi d'Archimède, le poids de la glace flottante est égal au poids de l'eau qu'elle déplace. Par conséquent, le volume d'eau formé lors de la fonte de la glace sera exactement égal au volume d'eau déplacé par celle-ci, et le niveau d'eau dans le verre ne changera pas. S'il y a un liquide dans le verre qui est plus dense que l'eau, alors le volume d'eau formé après la fonte de la glace sera supérieur au volume de liquide déplacé par la glace et l'eau débordera. Au contraire, dans le cas d’un liquide moins dense, après la fonte de la glace, le niveau baissera.

Problème n°46
Un morceau de glace contenant une bille d'acier gelée flotte dans un récipient contenant de l'eau. Le niveau d’eau dans le bateau changera-t-il lorsque la glace fondra ? Donnez une explication détaillée.

Répondre: Va descendre. Un morceau de glace avec une bille d'acier pèse plus qu'un morceau de glace du même volume, il est donc immergé dans l'eau plus profondément qu'un morceau de glace pure et déplace un volume d'eau plus grand que celui qui serait occupé par l'eau formée lorsque la glace fond. Lorsque la glace fondra, le niveau de l’eau baissera. La balle tombera au fond, mais son volume restera le même et ne modifiera pas directement le niveau de l’eau.

Problème n°47
Un morceau de glace flotte dans un récipient contenant de l'eau et une bulle d'air. Le niveau d’eau dans le bateau changera-t-il lorsque la glace fondra ?

Répondre: En présence d’une bulle d’air, la glace pèse moins qu’un morceau de glace solide du même volume et est donc immergée dans l’eau à une profondeur moindre. Cependant, comme le poids de l’air peut être négligé, le niveau d’eau dans le récipient ne changera pas.

Problème n°48
Un bloc de glace flotte dans un récipient rempli d'eau. Comment la profondeur d'immersion du bloc dans l'eau changera-t-elle si du kérosène est versé sur l'eau ?

Répondre: Va diminuer. Avec l'ajout de kérosène sur l'eau, la pression sur le bord inférieur du bloc augmente.

Problème n°49
Un bloc de glace flotte dans un récipient rempli d'eau sur lequel repose une boule de bois. La densité de la substance de la balle est inférieure à la densité de l'eau. Le niveau d'eau dans le bateau changera-t-il si la glace fond ?

Répondre: Cela ne changera pas. Un bloc de glace et une balle flottent dans l'eau. Cela signifie qu’ils déplacent autant d’eau qu’ils pèsent. Car après la fonte des glaces, le poids du contenu dans le récipient ne changera pas, puisque la force de la pression de l'eau sur le fond du récipient ne changera pas. Cela signifie que le niveau d'eau dans le récipient restera le même.

Problème n°50
La densité d'un corps est déterminée en le pesant dans l'air et dans l'eau. Lorsqu'un petit corps est immergé dans l'eau, des bulles d'air sont retenues à sa surface, ce qui provoque une erreur dans la détermination de la densité. Cela entraîne-t-il une valeur de densité supérieure ou inférieure ?

Répondre: Les bulles d'air adhérentes augmentent légèrement le poids corporel, mais augmentent considérablement son volume. La valeur de la densité est donc plus petite.

Problème n°51
Expliquer l'essence du fonctionnement des décanteurs d'eau. Pourquoi la décantation de l'eau conduit-elle à la purification de l'eau des substances qui y sont insolubles ? Qu’en est-il des impuretés solubles ?

Répondre: Chaque particule dans l’eau est soumise à l’action de la gravité et de la force d’Archimède. Si le premier d'entre eux plus que le deuxième, puis sous l'influence de leur résultante la particule coule au fond, puis l'eau après décantation devient potable.

Problème n°52
Aristote, scientifique grec ancien pour prouver l'apesanteur de l'air, il pesa un sac en cuir vide et le même sac rempli d'air. Dans les deux cas, les lectures de l’échelle étaient les mêmes. Pourquoi la conclusion d'Aristote selon laquelle l'air n'a pas de poids est-elle fausse ?

Répondre: Parce que le poids du sac d’air a augmenté d’autant que la force de poussée de l’air agissant sur le sac gonflé a augmenté. Pour prouver le poids de l’air, il suffirait de pomper l’air hors d’un récipient ou de le pomper dans un récipient solide.

Aristote(384 avant JC – 322 avant JC) – philosophe grec ancien. Étudiant Platon. À partir de 343 avant JC e. - mentor Alexandre le Grand. Le plus influent des dialecticiens de l’Antiquité ; fondateur de la logique formelle. Aristote a développé de nombreux théories physiques et des hypothèses basées sur la connaissance de l'époque. En fait moi-même le terme « physique » a été introduit par Aristote.
Rembrandt Harmens van Rijn(Rembrandt Harmenszoon van Rijn ; 1606-1669) - Artiste, dessinateur et graveur néerlandais, grand maître du clair-obscur, le plus grand représentant de l'âge d'or de la peinture hollandaise.

Problème n°53
Dans des conditions terrestres, pour entraîner et tester les astronautes en apesanteur, ils utilisent diverses manières. L'un d'eux est le suivant : une personne vêtue d'une combinaison spatiale spéciale est immergée dans une mare d'eau dans laquelle elle ne coule ni ne flotte. Dans quelles conditions est-ce possible ?

Répondre: Ceci est possible à condition que la force de gravité agissant sur une personne en combinaison spatiale soit contrebalancée par la force d'Archimède.

Problème n°54
Quelle conclusion peut-on tirer sur l'ampleur de la force d'Archimède en menant des expériences correspondantes sur la Lune, où la force de gravité est six fois inférieure à celle de la Terre ?

Répondre: Comme sur Terre : un corps immergé dans un liquide (ou un gaz) est soumis à une poussée d'Archimède (force d'Archimède) égale au poids du liquide (ou du gaz) déplacé par ce corps.

Problème n°55
Une clé en acier coulera-t-elle dans l'eau dans des conditions d'apesanteur, par exemple à bord station orbitale, à l'intérieur duquel la normale est maintenue pression atmosphérique air?

Répondre: La clé peut être située n'importe où dans le liquide, car en apesanteur, la clé n'est affectée ni par la gravité ni par la force d'Archimède.

L'histoire légendaire du problème d'Archimède avec la couronne d'or

Archimède(287 avant JC – 212 avant JC) - Mathématicien, physicien et ingénieur grec ancien de Syracuse. Fait de nombreuses découvertes en géométrie. Il posa les bases de la mécanique et de l'hydrostatique et fut l'auteur de nombreuses inventions importantes.

Archimède pensif Dominique Fetti 1620

Dominique Fetti(vers 1589-1623) - Artiste italien de l'époque baroque.

L'histoire légendaire du problème d'Archimède avec la couronne d'or transmis de diverses manières. L'architecte romain Vitruve, rendant compte des découvertes de divers scientifiques qui l'ont étonné, raconte l'histoire suivante :

« Quant à Archimède, de toutes ses découvertes nombreuses et variées, celle dont je vais parler me semble avoir été faite avec un esprit sans bornes.
Pendant son règne à Syracuse, après avoir mené à bien toutes ses activités, Hiéron jura de faire don d'une couronne d'or aux dieux immortels dans un temple. Il s'est mis d'accord avec le maître sur un prix élevé pour le travail et lui a donné la quantité d'or requise au poids. Au jour fixé, le maître apporta son ouvrage au roi, qui le trouva parfaitement exécuté ; après pesée, la couronne s'est avérée correspondre au poids d'or émis.
Après cela, une dénonciation fut faite selon laquelle une partie de l'or avait été retirée de la couronne et la même quantité d'argent avait été mélangée à la place. Hiéron était en colère d'avoir été trompé et, ne trouvant pas de moyen de dénoncer ce vol, a demandé à Archimède d'y réfléchir attentivement. Lui, plongé dans ses réflexions sur cette question, est arrivé accidentellement aux bains publics et là, plongeant dans la baignoire, il a remarqué que la même quantité d'eau en sortait que le volume de son corps immergé dans la baignoire. Ayant réalisé la valeur de ce fait, il a, sans hésitation, sauté du bain avec joie, a couru chez lui nu et a informé à haute voix tout le monde qu'il avait trouvé ce qu'il cherchait. Il courut et cria la même chose en grec : "Eureka, eureka" (Trouvé, trouvé !) ».
Puis, sur la base de sa découverte, il aurait fabriqué deux lingots, chacun du même poids que la couronne, l'un en or, l'autre en argent. Ce faisant, il remplit le récipient jusqu'au bord et y descendit un lingot d'argent, et... la quantité d'eau correspondante s'écoula. Sortant le lingot, il ajouta la même quantité d'eau dans le récipient..., mesurant l'eau versée sextarium de sorte que, comme auparavant, le récipient est rempli d'eau jusqu'au bord. Il a donc découvert quel poids d’argent correspond à quel volume spécifique d’eau.
Après avoir fait une telle étude, il abaissa le lingot d'or de la même manière..., et, en ajoutant la quantité d'eau qui s'était répandue avec la même mesure, il trouva sur la base d'une quantité plus petite sextants d’eau, quel volume en moins occupe le lingot.

Ensuite, le volume de la couronne a été déterminé selon la même méthode. Il déplaçait plus d'eau qu'un lingot d'or, et le vol était prouvé.

Sextaire (sextaire)– Mesure romaine de volume, égale à 0,547 litre
Sextant– Mesure romaine de masse, égale à 54,6 g(1 sextant = 2 onces ; poids de 1 sextant = 0,53508 N)

Et maintenant, attention, question: Est-il possible d’utiliser la méthode d’Archimède pour calculer la quantité d’or remplacé par l’argent dans la couronne ?

Répondre: D'après les données dont disposait Archimède, il avait seulement le droit d'affirmer que la couronne n'était pas de l'or pur. Mais Archimède n'a pas pu établir exactement quelle quantité d'or avait été cachée par le maître et remplacée par de l'argent. Cela serait possible si le volume de l'alliage d'or et d'argent était strictement égal à la somme des volumes de ses éléments constitutifs. En réalité, seuls quelques alliages possèdent cette propriété. Quant au volume de l'alliage or-argent, il est inférieur à la somme des volumes des métaux qu'il contient. En d'autres termes, la densité d'un tel alliage est supérieure à la densité obtenue à la suite d'un calcul selon les règles du simple mélange. Il en serait autrement si l'or était remplacé non par l'argent, mais par le cuivre : le volume de l'alliage or-cuivre est exactement égal à la somme des volumes de ses éléments constitutifs. Dans ce cas, la méthode d’Archimède, décrite dans l’histoire ci-dessus, donne un résultat sans équivoque.

Assez souvent, cette histoire est associée à la découverte de la loi d'Archimède, bien qu'elle concerne la méthode déterminer le volume des corps forme irrégulière et méthodes définitions densité spécifique tél. en mesurant leur volume par immersion dans un liquide.

Je vous souhaite de réussir à prendre votre propre décision.
problèmes de qualité en physique !

Littérature:
§ Katz Ts.B. Biophysique en cours de physique
Moscou : Maison d'édition Prosveshchenie, 1988
§ Jitomirski S.V. Archimède
Moscou : Maison d'édition Prosveshchenie, 1981
§ Gorev L.A. Expériences divertissantes en physique
Moscou : Maison d'édition Prosveshchenie, 1977
§ Loukashik V.I. Olympiade de physique
Moscou : Maison d'édition Prosveshchenie, 1987
§ Perelman Ya.I. Connaissez-vous la physique ?
Domodedovo : maison d'édition "VAP", 1994
§ Tulchinsky M.E. Problèmes qualitatifs en physique
Moscou : Maison d'édition Prosveshchenie, 1972
§ Erdavletov S.R., Rutkovsky O.O. Géographie intéressante du Kazakhstan
Alma-Ata : Maison d'édition Mektep, 1989.

Dans la quatrième épreuve de l'examen d'État unifié de physique, nos connaissances sur les vases communicants, les forces d'Archimède, la loi de Pascal et les moments de forces sont testées.

Théorie de la tâche n°4 de l'examen d'État unifié de physique

moment de force

Un moment de pouvoir est une grandeur qui caractérise l’action rotationnelle d’une force sur un corps rigide. Le moment de force est égal au produit de la force Fà distance h de l'axe (ou centre) jusqu'au point d'application de cette force et est l'un des principaux concepts de la dynamique : M 0 = Fh.

Distanceh On l’appelle communément l’épaule de force.

Dans de nombreux problèmes de cette section de la mécanique, on applique la règle des moments de forces qui s'appliquent à un corps classiquement considéré comme un levier. La condition d'équilibre du levier F 1 /F 2 = l 2 /l 1 peut également être utilisé si plus de deux forces sont appliquées au levier. Dans ce cas, la somme de tous les moments de forces est déterminée.

Loi des vases communicants

Selon la loi des vases communicants dans les vases communicants ouverts de tout type, la pression du fluide à chaque niveau est la même.

Les pressions des colonnes au-dessus du niveau de liquide dans chaque cuve sont comparées. La pression est déterminée par la formule : p = ρgh. Si l'on égalise les pressions des colonnes de liquides, on obtient l'égalité : ρ 1 gh 1 = ρ 2 gh 2. Cela conduit à la relation suivante : ρ 1 h 1 = ρ 2 h 2, ou ρ 1 /ρ 2 = h 2 / h 1. Cela signifie que la hauteur des colonnes de liquide est inversement proportionnelle à la densité des substances.

La force d'Archimède

La force archimédienne ou force de poussée se produit lorsqu'un corps solide est immergé dans un liquide ou un gaz. Un liquide ou un gaz s'efforce de prendre la place qui leur a été « prise », alors ils la repoussent. La force d'Archimède n'agit que dans les cas où la force de gravité agit sur le corps mg

La force d'Archimède est traditionnellement désignée par F UN.

Analyse des options typiques pour les tâches n°4 de l'examen d'État unifié en physique

Version démo 2018

Algorithme de solution :

1. Rappelons-nous la règle des moments.
2. Trouvez le moment de force créé par la charge 1.
3. On retrouve le bras de force qui va créer la charge 2 lorsqu'il sera suspendu. On retrouve son moment de force.
4. Nous assimilons les moments de forces et déterminons la valeur de masse requise.
5. Nous écrivons la réponse.

Solution:

Première version de la tâche (Demidova, n°1)

Le moment de force agissant sur le levier de gauche est de 75 N∙m. Quelle force faut-il appliquer sur le levier de droite pour qu'il soit en équilibre si son bras mesure 0,5 m ?

Algorithme de solution :

1. Nous introduisons des notations pour les quantités données dans la condition.
2. Nous écrivons la règle des moments de force.
3. Nous exprimons la force par le moment et l’effet de levier. Calculons.
4. Nous écrivons la réponse.

Solution:

1. Pour équilibrer le levier, des moments de force M 1 et M 2 lui sont appliqués, appliqués à gauche et à droite. Le moment de force à gauche est égal à M 1 = 75 N∙m. L'effet de levier à droite est égal à je= 0,5 m.
2. Puisque le levier doit être en équilibre, alors selon la règle des moments M1 = M2. Depuis M 1 =F· je, alors nous avons : M2 =F∙ je.
3. A partir de l'égalité résultante, nous exprimons la force : F= M 2 /je= 75/0,5=150N.

Deuxième version de la tâche (Demidova, n°4)

La force archimédienne ou force de poussée se produit lorsqu'un corps solide est immergé dans un liquide ou un gaz. Un liquide ou un gaz s'efforce de prendre la place qui leur a été « prise », alors ils la repoussent. La force d'Archimède n'agit que lorsque la force de gravité agit sur le corps mg. En apesanteur, cette force ne se produit pas.

Tension du fil T se produit lorsqu'une tentative est faite pour étirer le fil. Cela ne dépend pas de la présence ou non de la gravité.

Si plusieurs forces agissent sur un corps, alors lors de l'étude de son mouvement ou de son état d'équilibre, la résultante de ces forces est prise en compte.

Algorithme de solution :

1. Nous traduisons les données de la condition en SI. Nous entrons dans le tableau la valeur de la densité de l'eau requise pour la solution.
2. Nous analysons les conditions problématiques et déterminons la pression des liquides dans chaque récipient.
3. Nous écrivons l'équation de la loi des vases communicants.
4. Nous écrivons la réponse.

Solution:

Troisième version de la tâche (Demidova, n°20)

Algorithme de solution :

1. Nous analysons les conditions problématiques et déterminons la pression des liquides dans chaque récipient.
2. Nous écrivons l'égalité de la loi des vases communicants.
3. Nous substituons les valeurs numériques des quantités et calculons la densité requise.
4. Nous écrivons la réponse.

Au cours de cette leçon, on établit expérimentalement ce qui détermine et ce qui ne détermine pas l'ampleur de la poussée d'Archimède qui se produit lorsqu'un corps est immergé dans un liquide.

L'ancien scientifique grec Archimède (Fig. 1) est devenu célèbre pour ses nombreuses découvertes.

Riz. 1. Archimède (287-212 avant JC)

C'est lui qui, le premier, a découvert, expliqué et pu calculer la force de flottabilité. Dans la dernière leçon, nous avons découvert que cette force agit sur tout corps immergé dans un liquide ou un gaz (Fig. 2).

Riz. 2. La force d'Archimède

En l’honneur d’Archimède, cette force est aussi appelée force d’Archimède. Par calcul nous avons obtenu une formule pour calculer cette force. Dans cette leçon, nous utiliserons la méthode expérimentale pour découvrir De quels facteurs la poussée d’Archimède dépend-elle et de quels facteurs ne dépend-elle pas ?

Pour réaliser l'expérience, nous utiliserons des corps de différents volumes, un récipient contenant du liquide et un dynamomètre.

Attachons une charge d'un plus petit volume à un dynamomètre et mesurons le poids de cette charge, d'abord dans l'air : , puis en abaissant la charge dans le liquide : . Dans ce cas, vous remarquerez que l'ampleur de la déformation du ressort après avoir abaissé la charge dans le liquide n'a pratiquement pas changé. Cela suggère que la force de poussée agissant sur la charge est faible.

Figure 3. Expérimentez avec une charge de petit volume

Attachons maintenant un poids plus gros au ressort du dynamomètre et plongeons-le dans le liquide. Nous verrons que la déformation du ressort a diminué de manière significative.

Cela est dû au fait que l’ampleur de la poussée d’Archimède est devenue plus grande.

Figure 4. Expérimentez avec une charge plus importante

Sur la base des résultats de cette expérience, une conclusion intermédiaire peut être tirée.

Plus le volume de la partie du corps immergée dans le liquide est grand, plus la force de poussée agissant sur le corps est importante.

Prenons deux corps de même volume, mais constitués de différents matériaux. Cela signifie qu'ils ont des densités différentes. Tout d’abord, suspendez un poids au dynamomètre et abaissez-le dans le liquide. En modifiant les lectures du dynamomètre, nous trouverons la force de flottabilité.

Riz. 5 Expérimentez avec le premier poids

Ensuite nous réaliserons la même opération avec le deuxième chargement.

Riz. 6 Expérimentez avec le deuxième poids

Bien que les poids des première et deuxième charges soient différents, lorsqu'elles sont immergées dans un liquide, les lectures du dynamomètre diminueront du même montant.

Cela signifie que dans les deux cas, la valeur de la force de poussée est la même, bien que les poids soient constitués de matériaux différents.

Ainsi, une autre conclusion intermédiaire peut être tirée.

L'ampleur de la poussée d'Archimède ne dépend pas de la densité des corps immergés dans le liquide.

Nous attachons un poids au ressort du dynamomètre et le descendons dans l'eau pour qu'il soit complètement immergé dans le liquide. Notons les lectures du dynamomètre. Nous allons maintenant verser lentement le liquide dans le récipient. On remarquera que les lectures du dynamomètre ne changent pratiquement pas . Cela signifie que la force de poussée ne change pas.

Riz. 7 Expérience n°3

Troisième conclusion intermédiaire.

L'ampleur de la force de flottabilité ne dépend pas de la hauteur de la colonne de liquide au-dessus du corps immergé dans le liquide.

Fixez le poids au ressort du dynamomètre. Après avoir remarqué les lectures du dynamomètre lorsque le corps est en l'air : , plongeons le corps d'abord dans l'eau : , puis dans l'huile : . En modifiant les lectures du dynamomètre, on peut juger que la force de flottabilité agissant sur un corps dans l'eau est supérieure à la force de flottabilité agissant sur le même corps dans l'huile.

Riz. 8 Expérience n°4

Notez que la densité de l'eau est égale à , et la densité du pétrole est inférieure et n'est que de . Cela conduit à la conclusion suivante.

Comment densité plus élevée Plus le liquide dans lequel le corps est immergé, plus la force de flottabilité agissant sur le corps à partir de ce liquide est grande.

Ainsi, en résumant les résultats des expériences réalisées, nous pouvons conclure que l'ampleur de la force de flottabilité

ça dépend :

1) sur la densité du liquide ;

2) sur le volume de la partie immergée du corps ;

ne dépend pas :

1) sur la densité corporelle ;

2) sur la forme du corps ;

3) depuis la hauteur de la colonne de liquide au-dessus du corps ;

Les résultats obtenus sont en parfaite conformité avec la formule de l'ampleur de la force de flottabilité obtenue dans la leçon précédente :

Cette formule, en plus de l'accélération de la chute libre, ne comprend que deux grandeurs qui décrivent les conditions des expériences : la densité du liquide et le volume de la partie immergée du corps.

Références

1. Perychkine A.V. Physique. 7e année - 14e éd., stéréotype. - M. : Outarde, 2010.
2. A.V. Peryshkin Physique 7e année : manuel. pour l'enseignement général établissements. - 2e éd., stéréotype. - M. : Outarde, 2013. - 221 p.
3. Loukashik V.I., Ivanova E.V. Collection de problèmes de physique pour les classes 7-9 établissements d'enseignement. - 17e éd. - M. : Éducation, 2004.

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Devoirs

1. Qu'est-ce que la force de poussée ? Écrivez la formule.
2. Un cube d'un certain volume a été placé dans l'eau. Comment la force de flottabilité qui agit sur le cube changera-t-elle si son volume est réduit de 2 fois ?
3. Des corps identiques ont été placés dans des liquides différents : l’un a été placé dans l’huile et le second dans l’eau. Dans quel cas la force de poussée agissant sur les corps sera-t-elle plus grande ?

Que faut-il pour réussir l'examen d'État unifié en physique avec un score élevé ? Résolvez plus de problèmes et écoutez les conseils professeur expérimenté. Nous vous aiderons avec le premier et le second. Andrey Alekseevich considère le problème de la mécanique.

Tâche n°28

Condition problématique :

Un bloc de bois flotte à la surface de l’eau dans un récipient. Le conteneur repose à la surface de la Terre. Qu'arrivera-t-il à la profondeur d'immersion du bloc dans l'eau si le bol est placé sur le sol d'un ascenseur qui se déplace avec une accélération dirigée verticalement vers le haut ? Expliquez votre réponse en utilisant les lois physiques.

Solution:

Considérons plusieurs aspects de ce problème.

1) Si un bloc flotte à la surface de l'eau, cela signifie qu'une force agit sur lui, appelée par le pouvoir d'Archimède. Dans notre cas, le bloc flotte et ne coule pas, ce qui signifie que dans notre cas la force d'Archimède est si grande qu'elle soutient le bloc à la surface de l'eau. Numériquement, cette force en module sera égale au poids de l'eau déplacée par le bloc. Cela découle de la définition de la force d'Archimède.

2) Selon les conditions du problème, initialement le bloc, l'eau et le récipient sont au repos par rapport à la Terre. Cela signifie que la force d'Archimède équilibre la force de gravité agissant sur le bloc flottant. Dans ce cas, la masse du bloc et la masse d'eau déplacée par celui-ci sont égales.

3) De plus, selon les conditions, le bloc, l'eau et le conteneur sont au repos les uns par rapport aux autres et se déplacent ensemble vers le haut dans l'ascenseur avec une accélération par rapport à la Terre. Il s'avère que la même force d'Archimède, ainsi que la force de gravité, confère la même accélération à la fois au bloc flottant et à l'eau dans le volume déplacé par le bloc, ce qui conduit à la relation :

Il s'avère que l'accélération de sommation est la même pour le bloc et pour l'eau déplacée par celui-ci. De là, nous concluons que même en se déplaçant par rapport à la Terre avec accélération, la masse du bloc et la masse de l'eau déplacée par celui-ci sont les mêmes. Puisque la masse du bloc dans la première condition (au repos par rapport à la Terre) et dans la seconde condition (mouvement ascendant accéléré) est la même, la masse d'eau déplacée par celui-ci sera la même dans les deux cas.

4) Encore un ajout. L'eau dans des conditions normales est pratiquement incompressible, donc la densité de l'eau dans les deux cas est supposée être la même.

Sur la base de notre raisonnement, nous concluons que lors du déplacement vers le haut, le volume d'eau déplacé ne change pas et la profondeur d'immersion du bloc dans l'eau de l'ascenseur restera inchangée.

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