Siła wyporu: podstawy

Zagadnienia

• Wypór hydrostatyczny
• Gęstość
• Ciecze
• Prawo Archimedesa
• Siła wyporu

Opis

Kiedy obiekty unoszą się na wodzie, a kiedy toną? Dowiedz się, jak działa siła wyporu, eksperymentując z różnymi blokami, modyfikując ich objętość i masę oraz umieszczając je w basenie z cieczami o różnej gęstości. Przeanalizuj siły działające na blok znajdujący się w basenie i zidentyfikuj zmienne wpływające na siłę wyporu.

PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder, https://phet.colorado.edu Na licencji CC BY 4.0

W opracowaniu niniejszego poradnika wykorzystano materiały PhET: Strona źródłowa symulacji, Teacher Tips (López & Rouinfar, lipiec 2024)

W szablonie strony wykorzystano kod html/css: phydemo.app.

Poziom

Szkoła podstawowa, szkoła średnia

Przykładowe cele nauczania

• Określ zmienne, które wpływają na to, czy obiekt tonie czy unosi się w cieczy.
• Przewiduj, czy obiekt zatonie, czy będzie unosił się po umieszczeniu go w cieczy.
• Opisz siły działające na obiekt całkowicie lub częściowo zanurzony.
• Opisz, czym jest pozorny ciężar.

Przykładowe materiały teoretyczne

• Prawo Archimedesa (ZPE)
• Prawo Archimedesa (ZPE)
• Eureka! Jakie są warunki pływania ciał? (ZPE)
• Badanie pływania ciał w różnych ośrodkach (ZPE)
• Co to jest siła wyporu? (Khan Academy)
• Prawo Archimedesa i siła wyporu (OpenStax)

Sterowanie symulacją

Ekran Porównaj (link bezpośredni)

Porównaj wyporność dwóch bloków, które mogą mieć taką samą masę, objętość lub gęstość, gdy są umieszczane w basenie z różnymi cieczami.

Ekran Badaj (link bezpośredni)

Interakcja z blokami z różnych materiałów. Modyfikuj ich masę i objętość oraz badaj, jak toną/pływają w basenie z różnymi cieczami. Przeanalizuj zmiany sił i ich związek z pływalnością bloku.

Złożone sterowanie

• Nagłe zmiany proporcji symulacji mogą spowodować przesunięcie bloków. W ekstremalnych sytuacjach bloki mogą zostać utracone poza ekranem, ale można je przywrócić za pomocą przycisku Resetuj wszystko.
• Na ekranie porównania, gdy użytkownik zmodyfikuje masę/objętość/gęstość bloków, kolor bloków zmieni się na gradientowy niebieski/żółty kolor, który zależy od ich gęstości (jasny kolor dla wartości o niskiej gęstości, ciemny dla wartości o wysokiej gęstości). Powrót do początkowych wartości gęstości za pomocą suwaków nie przywraca bloków do drewna/cegły, ale można je przywrócić za pomocą przycisku Resetuj wszystko.
• Na ekranie Badaj istnieją dwa sposoby zmiany gęstości bloków. Materiał można wybrać z menu rozwijanego lub za pomocą suwaka Gęstość (na zdjęciu po prawej). W tym drugim przypadku materiał bloku automatycznie zmieni się na regulowane, a jego kolor zmieni się na odcienie szarości. Niektórzy uczniowie mogą potrzebować dodatkowego wsparcia, aby zauważyć tę zmianę.

Opcje dostosowywania

Poniższe parametry query umożliwiają dostosowanie symulacji i można je dodać, dołączając znak '?' do adresu URL symulacji i oddzielając każdy parametr query znakiem '&'. Ogólny wzorzec adresu URL to: …html?queryParameter1&queryParameter2&queryParameter3

Na przykład, jeśli w symulacji Siła wyporu: podstawy chcesz używać tylko drugiego ekranu (screens=2) i ustawić przyspieszenie grawitacyjne na 10 m/s² (gEarth=10), użyj: https://www.edukator.pl/simulations/buoyancy-basics_all.html?screens=2&gEarth=10

Aby uruchomić to w języku polskim (locale=pl), adres URL będzie wyglądał następująco: https://www.edukator.pl/simulations/buoyancy-basics_all.html?locale=pl&screens=2&gEarth=10

Wskazuje, że dostęp do tego dostosowania można uzyskać też z menu Preferencje, Opcje... lub w samej symulacji.

Parametr query i opis	Przykładowe linki
volumeUnits - określa jednostki objętości: decimetersCubed decymetry sześcienne lub liters litry (domyślne).	volumeUnits=decimetersCubed
percentSubmergedVisible - jeśli true, w symulacji widoczne są odczyty % zanurzenia.	percentSubmergedVisible=false
gEarth - ustawia wartość przyspieszenia grawitacyjnego Ziemi pomiędzy 9 a 10 m/s2. Domyślna wartość to 9.8.	gEarth=10
screens - określa, które ekrany są włączone do symulacji i jaka jest ich kolejność. Każdy ekran powinien być oddzielony przecinkiem. Więcej informacji można znaleźć w Centrum pomocy.	screens=2,1 screens=1
initialScreen - otwiera kartę SIM bezpośrednio na określonym ekranie, z pominięciem ekranu głównego.	initialScreen=1 initialScreen=2
locale - określa język symulacji przy użyciu kodów ISO 639-1. Dostępne wersje językowe można znaleźć na stronie symulacji w zakładce Tłumaczenia. Uwaga: działa to tylko wtedy, gdy adres URL symulacji kończy się na “_all.html”.	locale=pl (polski) locale=fr (francuski)
audio - jeśli muted, dźwięk jest domyślnie wyciszony. Jeśli disabled, cały dźwięk jest trwale wyłączony.	audio=muted audio=disabled
allowLinks - jeśli false, wyłącza linki, które prowadzą uczniów do zewnętrznego adresu URL. Domyślnie jest true.	allowLinks=false
supportsPanAndZoom - gdy false, uniemożliwia przesuwanie i powiększanie symulacji za pomocą pinch-to-zoom lub elementów sterujących zoomem przeglądarki. Domyślnie jest true.	supportsPanAndZoom=false

Menu Preferencje

Po kliknięciu ikony menu Preferencje otworzy się okno, w którym w odpowiednich sekcjach możemy zaznaczyć żądane opcje:

W sekcji Symulacja możemy dokonać wyboru jednostek objętości i dodać opcję pokazywania procentu zanurzenia.

Gdy adres URL symulacji kończy się na "_all.html", dodatkowo pojawia się sekcja Lokalizacja, w której możemy dokonać wyboru języka:

Ułatwienia dostępu

Sterowanie za pomocą klawiatury - skróty klawiszowe

Generalnie sterujemy symulacją za pomocą myszy lub dotyku. Alternatywnie uczniowie mogą też nawigować i sterować elementami interaktywnymi za pomocą klawiatury. Po kliknięciu otworzy się okno z listą obsługiwanych skrótów.

Przy aktywnych ekranach Porównaj i Badaj:

Tryb pełnoekranowy

Po kliknięciu logo PhET (na dole po prawej) pojawia się okno zawierające informacje dotyczące symulacji. Możemy tu zmienić sposób jej wyświetlania.

Klikając Pełny ekran przechodzimy do trybu pełnoekranowego (powrót - klawisz escape).

Wersje offline, niewymagające połączenia z internetem

Dostępne są również wersje symulacji niewymagające połączenia z internetem.

Aplikacja PhET Desktop zawiera wszystkie symulacje HTML5 i Java, w tym ich tłumaczenia, do użytku offline w systemach Windows i macOS (dostępne po zalogowaniu tu). Symulacje HTML5 nie wymagają dodatkowego oprogramowania, natomiast do uruchamiania dowolnych symulacji Java w aplikacji komputerowej jest wymagany Java SE Development Kit 8.

Za symboliczną opłatą możemy pobrać w postaci jednej aplikacji wszystkie materiały PhET, które zostały opublikowane w html5. Telefony, tablety i Chromebooki (z systemem Android): Google Play. iPhone'y i iPady (aplikacja na iOS): App Store

Darmową wersję desktopową tej aplikacji pobierzemy bezpośrednio klikając tu - wersja _pl zawiera polską (domyślną) i angielską wersję językową i tu - wersja _all zawiera angielską (domyślną) i wszystkie inne dostępne wersje językowe lub ze strony PhET (klikając przycisk ze strzałką przy wybranej wersji językowej):

Spostrzeżenia na temat korzystania z aplikacji przez uczniów

• Uczniom nie trzeba mówić, żeby włożyli klocek do wody; często jest to ich pierwszy ruch.
• Porównywanie dwóch klocków na raz pomaga uczniom zauważyć ważne idee dotyczące wyporności. Z tego powodu symulacja rozpoczyna się od ekranu porównania.
• Uczniowie w naturalny sposób chcą zmierzyć wagę bloków na wadze na zewnątrz i wewnątrz basenu i dochodzą do wniosku, że blok zanurzony w cieczy waży mniej. W scenariuszach, w których klocek unosi się nad wagą (jak na zdjęciu po prawej), niektórzy uczniowie popychają klocek w dół na wagę, próbując zmierzyć jego ciężar. Jednak uzyskany odczyt będzie niedokładny.
• Uczniowie dowiadują się, że gęstość decyduje o tym, czy obiekt tonie, czy unosi się na wodzie. Scenariusz Taka sama gęstość na ekranie Porównaj jest szczególnie przydatny, aby uczniowie mogli dojść do tego wniosku. Aby w pełni wykorzystać tę symulację, uczniowie powinni wiedzieć, czym jest gęstość i jak obliczyć jej wartość. Rozważ najpierw użycie symulacji PhET Gęstość.

Uproszczenia / założenia modelu

• W symulacji jako separator dziesiętny stosowana jest kropka.
• W basenie na wagę nie ma wpływu ciśnienie hydrostatyczne cieczy.
• Cieczą o największej gęstości jest rtęć (13,59 kg/l), która ma większą gęstość niż maksymalna możliwa gęstość bloku (10 kg/l). Zdecydowaliśmy się nie uwzględniać bloków o większej gęstości, ponieważ nagłe zmiany gęstości cieczy mogą prowadzić do wyrzucania bloków i ich utraty.
• Siła kontaktowa nie jest przeznaczona do analizy, gdy blok jest sterowany przez użytkownika, bezpośrednio lub pośrednio. Siła ta ma sens tylko wtedy, gdy blok jest w spoczynku.
• Symulacja koncentruje się na zachowaniu bloków w basenie, aby przeanalizować siłę wyporu i równowagę sił. Z tego powodu siła kontaktowa generowana przez jeden blok na drugim jest rozpatrywana tylko wewnątrz basenu. Na przykład w sytuacji po prawej stronie obserwujemy siłę kontaktową skierowaną w dół o wartości 26,5 N (na Bloku A generowaną przez Blok B), gdy znajduje się on w basenie. Gdy bloki znajdują się na ziemi, ta siła kontaktowa nie jest prezentowana (sytuacja po lewej).
• Model jest ograniczony do sił pionowych, bez uwzględniania momentu obrotowego. Bloki nie mogą się obracać.
• Więcej informacji dotyczących założeń modelu można uzyskać tu (en)

Sugestie dotyczące wykorzystania

Wskazówki dotyczące wszystkich symulacji zawarte są w informacjach ogólnych.

Więcej porad dotyczących korzystania z symulacji z uczniami można znaleźć na stronach PhET w sekcji Wskazówki dotyczące korzystania z PhET.

Przykładowe polecenia

• Określ wszystkie zmienne, które wpływają na to, czy blok tonie czy pływa w cieczy.
• Znajdź kluczowy warunek pozwalający przewidzieć, czy obiekt będzie pływał czy tonął w cieczy.
• Opisz związek między procentem zanurzenia bloku, gęstością bloku i gęstością cieczy w basenie.
• Zaprojektuj eksperyment, aby opisać zachowanie pozornego ciężaru bloku w odniesieniu do procentu jego zanurzenia.
• Określ zmienne, które wpływają na siłę wyporu.
• Opisz pod względem sił układ w równowadze statycznej składający się z jednego bloku zanurzonego, jednego bloku pływającego i jednego bloku pływającego z innym blokiem na nim.

Zobacz wszystkie opublikowane na stronach PhET aktywności dla Siła wyporu: podstawy tutaj (dostęp do materiałów wymaga zalogowania).

Symulacje zbliżone tematycznie