Урок физики на тему «Плавание судов. Воздухоплавание» (7 класс)

Тема урока: «Плавание судов. Воздухоплавание»

(физика 7 класс)

Автор: Луканичева Виктория Николаевна,

учитель физики

МАОУ «Центр образования

им.И.А. Милютина»

СП «Гимназия №8»

Технологическая карта урока

Предмет физика

Класс 7

Тема урока Плавание судов. Воздухоплавание.

Цель урока: создать условия для формирования представлений об истории возникновения и физических принципах плавания судов и воздухоплавания.

Задачи урока:

- сформировать умение распознавать плавание тел, воздухоплавание и объяснять на основе имеющихся знаний основные свойства или условия протекания этих явлений

- сформировать умение представлять информацию, полученную в ходе эксперимента в виде таблицы и использовать ее для объяснения условий плавания тел

- сформировать умение, работая с текстом, представлять информацию о плавании судов и воздухоплавании, а также об истории их возникновения, в виде рисунков, схем графиков

- создать условия для формирования умений групповой работы

Примечание: урок спроектирован в технологии Lesson Study с применением методов смыслового чтения.

СТРУКТУРА И ХОД УРОКА

Приложение 1

Задание для 1 группы историков

1.Прочитайте текст параграфа 53 в учебнике.

2. Прочитайте дополнительную информацию о плавании судов

3. Составьте по предложенной информации постер по истории развития плавания судов.

4. В своей работе вы должны ответить на следующие вопросы и отразить их в постере графически:

- где зародилось судостроение и когда?

- какими были первые суда, и какие изменения с ними происходили?

- какова была скорость первых судов и как она изменилась к началу 20 века?

5. Составьте рассказ по выполненному постеру и представьте информацию классу в течение 3 минут

История судостроения

Необходимость преодолевать водные преграды, перевозя грузы по воде, а также использование рек, озер и морей как охотничьих угодий уже в глубокой древности привели к изобретению человеком плавучих средств. Сначала это были просто древесные стволы или надутые мешки из шкур животных (бурдюки), за которые держались переплывающие реку люди, примитивные плоты из скрепленных друг с другом бревен, круглые корзины, обтянутые кожей, а также лодки, которые выдалбливались или выжигались из массивных стволов деревьев.

Но уже в третьем тысячелетии до н. э. стали применяться паруса. Первые паруса изготовлялись из шкур, тростниковых циновок и деревянных планок. Долгое время паруса играли вспомогательную роль, и лишь в X—XIII вв. появились первые чисто парусные суда. Наивысшего развития они достигли во второй половине XIX в.: длина их составляла 90 м, скорость 33 км/ч и выше. Самыми быстроходными из них были трех- и четырехмачтовые клиперы (рис. 136). Рекорд скорости, поставленный чайным клипером «Катти Сарк», — 21 узел (1 уз = 1,852 км/ч)—не побит до сих пор ни одним из парусных судов.

В 1803 г. Р. Фултон установил на 18-метровой лодке гребные колеса, приводимые в движение паровой машиной. Первые испытания нового судна на реке Сене (в Париже) прошли неудачно: лодка затонула. Для продолжения испытаний требовалась финансовая поддержка. Однако когда Фултон обратился за поддержкой к Наполеону Бонапарту, предлагая перевести французские корабли на паровую тягу, то получил отказ. Осуществить свой проект Фултон смог лишь у себя на родине, в США, где в 1807 г. построил первый действующий пароход «Клермонт». Этот пароход стал совершать регулярные рейсы по реке Гудзон, проходя расстояние 277 км со средней скоростью 9 км/ч.

После изобретения парохода в разных странах мира на судна стали устанавливать паровые машины, и паруса постепенно утратили свое значение.

В 1903 г. в России был построен первый теплоход — судно, приводимое в движение с помощью двигателя внутреннего сгорания. На протяжении тысячелетий дерево представлялось единственным материалом, пригодным для построения судов. Всем было известно, что дерево (плотность которого меньше плотности воды) не тонет и запасов его в лесах столько, что проблем с построением из него судов никогда не будет.

Когда же в середине XVII в. появились предложения заменить в судостроении дерево на железо, многим это показалось абсурдным. Между тем в 1787 г. англичанину Дж. Уилкинсону удалось построить первое железное судно длиной 21,5 м. И оно плавало!

Со второй половины XIX в. железо стало уступать место стали. Корабли стали более прочными, надежными и долговечными.
Масса современных судов достигает нескольких десятков тысяч тонн. Почему же они не тонут? 

(Материал с сайта http://phscs.ru/physics7/swimming-ships)

Задание для 2 группы историков

1.Прочитайте текст параграфа 54 в учебнике.

2. Прочитайте дополнительную информацию об истории воздухоплавания

3. Составьте по предложенной информации постер по истории воздухоплавания.

4. В своей работе вы должны ответить на следующие вопросы:

- где зародилось воздухоплавание и когда?

- какими были первые аэростаты, и какие изменения с ними происходили?

- какова была скорость первых судов и как она изменилась к началу 20 века?

5. Составьте рассказ по выполненному постеру и представьте информацию классу в течение 3 минут

История воздухоплавания

Воздушные шары, используемые с давних времен для воздухоплавания, иначе называются аэростатами. В переводе с греческого слово "аэростат"означает "неподвижно стоящий в воздухе". 
Неуправляемые аэростаты называются "монгольфьерами" или "шальерами"по именам их изобретателей. Для исследования высотных слоев атмосферы используются стратостаты. 
Кроме того существуют управляемые аэростаты - дирижабли.

В Перу во время археологической экспедиции ученые нашли рисунок на стене одной из гробниц. На нем был изображен аппарат в виде гигантской четырехгранной пирамиды, которая парила в воздухе, а  внизу к ней была привязана корзина, в которой находились люди. Рисунок тщательно измерили и рассчитали примерные размеры изображенного на нем летательного аппарата. После этого построили каркас пирамиды и гондолу, применяя материалы, которые обычно использовали перуанские индейцы для строительства. После того как аппарат обтянули материалом, получилось огромное сооружение, имеющее почти 10 м в высоту и до 30 м у основания. Под пирамидой развели костер,  и через некоторое время  пирамида поднялась в небо и потянула за собой корзину!

Предположительно первый успешный полет  на  воздушном  шаре   совершил   священник иезуит, Бартоломео Лоренцо де Гусмао. Произошло это  торжественное событие  в 1709 г. в присутствии королевских особ и знати.
Воздушный шар  представлял собой бумажную оболочку, заполненную нагретым воздухом. Нагретый воздух  поступал из  глиняного горшка, установленного на подвешенном снизу шара поддоне.  В горшке что-то сгорало.  Шар быстро набрал высоту.

Во Франции первый воздушный шар, наполненный теплым воздухом, был изобретен и поднят в воздух в 1783 году братьями Этьеном и Жозефом Монгольфье. По имени создателей такие воздушные шары называются "монгольфьерами".

В 1988 году в Голландии был поднят "монгольфьер" объемом 24000 кубометров, его 50 пассажиров размещались в комфортабельной двухпалубной корзине.

В 1766 году англичанин Генри Кавендиш  получил «горючий воздух» - водород. Профессор Кавалло начал наполнять водородом бумажные шары и мыльные пузыри и наблюдать их парение в воздухе.. И совсем немного времени понадобилось для того, чтобы в небо поднялся аэростат,наполненный водородом.

В 1785 году француз Жан-Пьер Бланшар и американец Джон Джеффрис стали первыми людьми, перелетевшими Ла-Манш на воздушном шаре. Они стартовали из британского города Дувр и приземлились во французском Кале. В полете у них возникли проблемы - шар стал терять подъемную силу. Сначала они сбросили балласт, потом абсолютно все, что было в корзине, потом даже свою одежду …

В  сентябре 1804 года известный  химик и физик  Ж.Л.Гей-Люссак  по поручению Парижской академии наук один совершил научное воздушное путешествие, пролетев  160 верст. Полет длился 6 часов. Гей -Люссак  достиг высоты около 7 верст.

17 августа 1859 г. из американского штата Индиана стартовал воздушный шар с необычным для того времени грузом – почтой.  С тех пор этот день считается днем рождения авиапочты. Таким образом, письма впервые были отправлены по воздуху.

Постепенно воздушные шары начали применять и в качестве военной техники.
В 1849 во время борьбы Италии за независимость австрийские войска организовали с помощью небольших (объёмом 82 м3) свободных аэростатов бомбардировку Венеции зажигательными и разрывными бомбами.
 

Подобные аэростаты с успехом применялись как в первую мировую войну - для разведки и корректировки огня артиллерии, так и во вторую мировую - в качестве аэростатов заграждения. Военное использование аэростатов продолжалось и в годы "холодной войны". Аэростаты-разведчики беспрепятственно пересекали границу в толще облаков, засечь их локаторами было практически невозможно.

В июле 1897 года пилотом Соломоном Огюстом Андре был совершен первый полет на воздушном шаре в Арктику. В 1997 году, в честь 100-летия этого события спортсменами-воздухоплавателями на Северном полюсе был проведен Первый праздник воздушных шаров.
С тех пор ежегодно самые смелые команды воздухоплавателей прилетают на полюс, чтобы наполнить горячим воздухом свой шар и подняться в небо над самой макушкой планеты.

Конец 19века - начало 20 века ознаменовался пиком воздухоплавания. Разнообразные полеты на воздушных шарах совершались в научных и развлекательных целях. Совершенствовались конструкции воздушных шаров, их оснащение, устанавливались рекорды высоты и дальности полета. Постепенно развивалась другая летательная техника, и полеты на воздушных шарах остались привилегией спортсменов. В разных странах начали появляться аэроклубы, объединявшие спортсменов-воздухоплавателей.

В 1973 г был создан аэростат новой конструкции. - солнечный аэростат. Из всех летательных аппаратов он обладает наибольшей подъемной силой. Его баллон заполнен воздухом, и на нем нет горелки, тем не менее, он способен подниматься в воздух. При отказе выпускного клапана он не падает, а неограниченно поднимается, пока не лопнет. Его оболочка - черного цвета, хорошо поглощает солнечные лучи. Подъемную силу создает воздух, нагретый солнечными лучами.  Итак, в "солнечном " аэростате - воздух нагревается не с помощью горелки, а от солнца.

В июле 2002 года второй в истории беспосадочный перелет вокруг земли на воздушном шаре совершил американский пилот Стив Фоссет. На аэростате "Bud Light Spirit of Freedom" он преодолел 34 242 км за 320 часов 33 минуты.

(Материал с сайта http://class-fizika.narod.ru/vosd1.htm)

Задание для 1 группы экспертов

1..Прочитайте текст параграфа 53 в учебнике.

2. Прочитайте дополнительную информацию о плавании судов

3. Составьте по предложенной информации постер о принципах плавания судов.

4. В своей работе вы должны ответить на следующие вопросы и отразить их в постере графически:

- На каком физическом явлении основано плавание судов? 

- Что называют осадкой судна?
- Что такое ватерлиния? 
- Что называют водоизмещением судна?

5. Составьте рассказ по выполненному постеру и представьте информацию классу в течение 3 минут

Плавание судов

Масса современных судов достигает нескольких десятков тысяч тонн. Почему же они не тонут? Дело в том, что, несмотря на огромную массу, их средняя плотность по-прежнему меньше плотности воды. При этом сила тяжести, действующая на судно, уравновешивается архимедовой (выталкивающей) силой, и судно плавает.

Если бы корабли не имели внутри себя заполненных воздухом отсеков и целиком состояли бы из металла, они, конечно, не смогли бы удерживаться на воде. Но корабли содержат много пустых помещений. Это и приводит к тому, что их средняя плотность оказывается меньше плотности воды.

Глубина, на которую плавающее судно погружается в воду, называется осадкой судна. При полной загрузке судна оно не должно погружаться в воду ниже так называемой грузовой ватерлинии (от голландского слова «ватер» — вода). Так называют линию соприкосновения поверхности воды с корпусом судна, соответствующую наибольшей допустимой осадке. На бортах морских судов эта линия отмечается специальным знаком — грузовой маркой. Грузовую марку изображают в виде круга, пересеченного по центру горизонтальной линией (которая соответствует ватерлинии для морской воды в летнее время в зоне умеренного климата), и ряда дополнительных горизонтальных линий, показывающих предельное погружение судна в море или в реке в зависимости от времени года и района плавания.

Осадка современных супертанкеров при полной загрузке (несколько сот тысяч тонн) может достигать 23 м (в то время как надводная часть судна составляет всего лишь 5—6 м). Для полной остановки такого танкера, идущего со скоростью 30 км/ч, требуется дистанция 5 км и время 25 мин.

Массу воды, вытесняемой плавающим судном, называют водоизмещением судна. Водоизмещение судна совпадает с его собственной массой (вместе с грузом) и обычно выражается в тоннах. Вследствие расходования топлива, провизии, боеприпасов (на военных судах), а также приема или снятия груза водоизмещение судна меняется. Максимальное допустимое водоизмещение судна соответствует его погружению в воду по грузовую марку.

(Материал с сайта http://phscs.ru/physics7/swimming-ships)

Задание для 2 группы экспертов

1..Прочитайте текст параграфа 54 в учебнике.

2. Прочитайте дополнительную информацию о воздухоплавании.

3. Составьте по предложенной информации постер о принципах плавания судов.

4. В своей работе вы должны ответить на следующие вопросы и отразить их в постере графически:

- на каком физическом явлении основано воздухоплавание?

- как рассчитать подъемную силу шара, наполненного гелием? 

- почему воздушные шары наполняют водородом и гелием?
- почему уменьшается выталкивающая сила, действующая на шар по мере его подъема? 
- как регулируют высоту подъема шара, наполненного горячим воздухом?

5. Составьте рассказ по выполненному постеру и представьте информацию классу в течение 3 минут

ВОЗДУХОПЛАВАНИЕ

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

Fа = g pVт

Если эта сила окажется больше силы тяжести, действующей на тело, то тело взлетит. На этом основано воздухоплавание. Чтобы воздушный шар поднимался выше, его надо наполнить газом, плотность которого меньше, чем у воздуха. Это может быть водород, гелий или нагретый воздух. Для того чтобы определить, какой груз может поднять воздушный шар, надо знать его подъемную силу. Подъемная сила воздушного шара равна разности между архимедовой силой и действующей на шар силой тяжести.

Fпод = Fа - (Fт оболочки + Fт газа внутри + Fт груза)

Как же добиться, чтобы сила тяжести Fт была меньше силы Архимеда Fa? Надо подумать каким газом заполнять воздушный шар!

Разность между весом 1м3 воздуха и весом 1м3 газа называют подъемной силой 1м3 газа. Чем меньше плотность газа, заполняющего воздушный шар данного объема, тем меньше действующая на него сила тяжести и потому тем больше возникающая подъемная сила. При нагревании воздуха от 0 до 100 градусов Цельсия его плотность уменьшается только в 1,37 раз. Поэтому подъемная сила шаров, заполненных теплым воздухом, оказывается небольшой. Плотность же водорода в 14 раз меньше плотности воздуха, и подъемная сила шара, наполненного водородом более чем в три раза превышает подъемную силу нагретого воздуха того же объема. Водород, однако, горит и образует с воздухом легко воспламеняющуюся смесь.

Негорючим и одновременно легким газом является гелий. Плотность воздуха уменьшается с увеличением высоты над уровнем моря. Поэтому по мере поднятия воздушного шара действующая на него архимедова сила становится меньше. После того, как архимедова сила достигнет значения, равного силе тяжести, подъем воздушного шара прекратится. Чтобы подняться еще выше надо уменьшить силу тяжести Fт, для этого с шара сбрасывают балласт. Сила тяжести уменьшается, и выталкивающая сила опять оказывается больше. Или можно увеличить силу Архимеда Fа, увеличив объем шара. Для этого надо закачать в оболочку дополнительную порцию газа. Для того, чтобы опуститься на землю, выталкивающую силу надо уменьшить. Для этого можно уменьшить объем шара. В верхней части оболочки шара имеется специальный выпускной клапан, через который можно выпустить часть газа.

После этого шар начнет опускаться вниз. Температуру теплого воздуха внутри воздушного шара можно регулировать с помощью обычно газовой горелки, установленной под оболочкой. Увеличивая пламя горелки, можно заставить воздушный шар подниматься выше и наоборот. Если подобрать такую температуру, при которой сила тяжести, действующая на шар с корзиной окажется равной силе архимеда, то шар " повиснет" в воздухе.

(Материал с сайта http://class-fizika.narod.ru/7_vosdplav.htm)