Siła wyporu

Zagadnienia

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

Opis

Kiedy obiekty unoszą się na wodzie, a kiedy toną? Dowiedz się, jak działa siła wyporu i jakie siły są z nią związane, eksperymentując z obiektami, takimi jak bloki, materiały o różnych kształtach, butelka z substancjami w środku i bloki w łodzi, w basenie z cieczą, którą można zmieniać.

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 i Rouinfar, sierpień 2024)

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

Poziom

Szkoła podstawowa, szkoła średnia

Przykładowe cele nauczania

• Przewiduj, czy obiekt zatonie, czy będzie unosił się po umieszczeniu go w cieczy.
• Opisz siły działające na obiekt całkowicie lub częściowo zanurzony.
• Przewiduj ciężar pozorny całkowicie lub częściowo zanurzonego obiektu o znanej masie i objętości.
• Powiąż siłę wyporu działającą na obiekt z ciężarem cieczy, którą wypiera (prawo Archimedesa).
• Opisz, w jaki sposób siła wyporu jest związana ze względną gęstością obiektu w stosunku do cieczy.
• Porównaj wyporność obiektów o różnych kształtach i tej samej objętości.
• Wyjaśnij, jak kontrolować, aby obiekt pływał, tonął lub pozostawał na danej głębokości bez opadania na dno.
• Zrozumienie podstawowej zasady działania łodzi podwodnej.
• Obliczanie ciężaru, jaki łódź może unieść bez zatonięcia.

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.

Ekran Lab (link bezpośredni)

Poeksperymentuj z ciężarem cieczy wypartej przez ciało, aby wyprowadzić model matematyczny prawa Archimedesa.

Ekran Kształty (link bezpośredni)

Który obiekt najbardziej unosi się na wodzie? Zbadaj wpływ kształtu ciała na procent jego zanurzenia i siłę wyporu.

Ekran Zastosowania - butelka (link bezpośredni)

Poznaj podstawowe zasady działania łodzi podwodnej dzięki eksperymentowi, który można odtworzyć w realnym życiu. Eksperymentuj z ilością materiału, który możesz umieścić w butelce, aby pływała, tonęła lub unosiła się wewnątrz cieczy (neutralna pływalność).

Ekran Zastosowania - łódka (link bezpośredni)

Wykorzystaj swoją wiedzę o pływalności i jej modelach matematycznych, aby opisać pływalność łodzi z blokiem w środku. Przeanalizuj układ sił i oblicz maksymalne obciążenie łodzi dla różnych materiałów.

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 Kształty elementy sterujące wysokością i szerokością ułatwiają tworzenie obiektów o tej samej szerokości i wysokości, ale różnych objętościach. Porównanie dwóch obiektów o tej samej objętości może wymagać nieco zabawy z elementami sterującymi wysokością/szerokością.
• Łódź może zatonąć w basenie. Aby usunąć ciecz z łodzi, kliknij przycisk pod prawym dolnym rogiem basenu lub przeciągnij łódź poza basen.

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 chcesz używać tylko drugiego ekranu (screens=2) i ustawić przyspieszenie grawitacyjne na 10 m/s² (gEarth=10), użyj: https://www.edukator.pl/simulations/buoyancy_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_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, Badaj, Lab, Kształty i Zastosowania:

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.
• Uczniowie mogą potrzebować wsparcia, aby powiązać ciężar wypartej cieczy i siłę wyporu na ekranie Lab.
• Uczniowie mogą potrzebować wsparcia, aby zinterpretować, że kształt nie wpływa na ciecz wypartą na ekranie Kształty. Przydatnym scenariuszem do wprowadzenia jest utworzenie dwóch obiektów o różnych kształtach, ale tej samej objętości i porównanie wypartej cieczy, siły wyporu i procentu zanurzenia dla każdego z obiektów.
• Kadłub łodzi wykonany jest z aluminium o gęstości 2,7 kg/l. Jeśli gęstość cieczy w basenie przekroczy tę wartość, łódź będzie unosić się nawet z cieczą w środku, umożliwiając tworzenie scenariuszy z blokami wewnątrz, które mogą być trudne do zinterpretowania dla niektórych uczniów.

Uproszczenia / założenia modelu

• W symulacji jako separator dziesiętny stosowana jest kropka.
• W basenie na wagę nie ma wpływu ciśnienie hydrostatyczne cieczy.
• 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.
• Model jest ograniczony do sił pionowych, bez uwzględniania momentu obrotowego. Bloki nie mogą się obracać. Ograniczenie to jest najbardziej widoczne na ekranie Kształty, dlatego w oknie dialogowym informacji zamieszczamy stosowne zastrzeżenie.
• W tym modelu nie uwzględniono powietrza na zewnątrz basenu.
• Do uruchomienia symulacji wymagany jest WebGL, więcej informacji znajdziesz tutaj.
• 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).
• 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.
• 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 model matematyczny prawa Archimedesa.
• Opisz, jak kształt obiektu wpływa na jego wyporność.
• Oblicz ilość materiału wewnątrz butelki, która generuje neutralną wyporność.
• Wyjaśnij podstawowe zasady działania łodzi podwodnej na przykładzie butelki.
• Opisz w kategoriach sił układ w równowadze statycznej składający się z jednego bloku wewnątrz łodzi.
• Znajdź maksymalny ciężar, jaki może unieść łódź. Jakiemu rozmiarowi srebrnego bloku to odpowiada?
• Stwórz scenariusz, w którym łódź może przewozić blok platyny o objętości 2 litrów.

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

Symulacje zbliżone tematycznie