9.3 跨学科实践：探秘潜艇的浮沉原理 课件-2024-2025学年北师大版（北京）（2024）物理八年级全一冊

第九章 浮力 第三节 跨学科实践：探秘潜艇的浮沉原理 在庆祝中国人民解放军海军成立70周年海上阅兵活动中，首先接受检阅的是潜艇群，其中有首次亮相的新型核潜艇。潜艇既能在水面航行，又能潜入水下活动，为什么它可以在大海中沉浮自如呢？ 义务教育教科书 物理 八年级全一册 情境引入 一、认识物体的浮沉条件 将装有适量水的开口小玻璃瓶瓶口向下，放入塑料瓶内。用手挤压塑料瓶，观察小玻璃瓶内的水量是否有变化。 浮沉子 义务教育教科书 物理 八年级全一册 观察浮沉子的浮沉情况 为什么浮沉子（开口小玻璃瓶）能自由地上浮或下沉呢？ 浮沉子 义务教育教科书 物理 八年级全一册 一、认识物体的浮沉条件 用力挤压塑料瓶侧壁，观察到小玻璃瓶内水量增加。改变力的大小，可调整小玻璃瓶内的水量，使得小玻璃瓶及瓶内水整体所受的总重力G改变。 观察浮沉子的浮沉情况 为什么浮沉子（开口小玻璃瓶）能自由地上浮或下沉呢？ 义务教育教科书 物理 八年级全一册 一、认识物体的浮沉条件 浮沉子 小玻璃瓶浸没在水中时，小玻璃瓶所受的浮力F浮有变化吗？小玻璃瓶的浮沉状态与受力有怎样的关系？ 分析：小玻璃瓶浸没在水中时，排开水的体积V排不变，ρ水不变。根据F浮=ρ水gV排，可得F浮不变。 观察浮沉子的浮沉情况 为什么浮沉子（开口小玻璃瓶）能自由地上浮或下沉呢？ F浮 G 以小玻璃瓶和瓶内水整体为研究对象，其在水中受浮力F浮和重力G，受力示意图如左图所示。 ①当F浮>G，小玻璃瓶上浮。 ②当F浮=G，小玻璃瓶悬浮。 ③当F浮<G，小玻璃瓶下沉。 义务教育教科书 物理 八年级全一册 一、认识物体的浮沉条件 浮沉子 观察浮沉子的浮沉情况 为什么浮沉子（开口小玻璃瓶）能自由地上浮或下沉呢？ 二、装配“浮沉由你”的玻璃瓶 空玻璃瓶（100 mL） 玻璃水槽 义务教育教科书 物理 八年级全一册 任务1：使玻璃瓶悬浮在水中 （1）讨论：玻璃瓶在水中悬浮时，玻璃瓶所受的浮力与玻璃瓶及瓶内水整体所受的总重力相等。那么应先确定浮力还是总重力？ 应该先确定浮力。玻璃瓶在水槽中浸没后，所受的浮力是确定的。浮力确定了，就可以根据玻璃瓶和瓶内水整体所受的总重力G与浮力F浮相等，确定瓶内应加多少水，以使玻璃瓶悬浮在水中。 义务教育教科书 物理 八年级全一册 二、装配“浮沉由你”的玻璃瓶 任务1：使玻璃瓶悬浮在水中 （2）设计方案：请各小组设计测量方案，并根据方案完成测量。 测量小烧杯质量 m杯=119 g 用小烧杯收集溢水杯溢出的水 （溢水法） 测量小烧杯和溢出水的总质量 m总=266 g 义务教育教科书 物理 八年级全一册 二、装配“浮沉由你”的玻璃瓶 任务1：使玻璃瓶悬浮在水中 分析： ①玻璃瓶浸没时，溢出水的质量为 m溢=m总−m杯=266 g−119 g=147 g。 ②根据阿基米德原理可得，玻璃瓶所受的浮力 F浮=m溢g=0.147 kg×9.8 N/kg=1.440 6 N。 ③玻璃瓶在水中悬浮时， G=F浮，mg=m溢g，得m=m溢=147 g。 玻璃瓶和瓶内水的总质量 m=147 g 义务教育教科书 物理 八年级全一册 二、装配“浮沉由你”的玻璃瓶 （3）分析并测量玻璃瓶和瓶内水的总质量。 任务1：使玻璃瓶悬浮在水中 义务教育教科书 物理 八年级全一册 二、装配“浮沉由你”的玻璃瓶 （4）使其浸没在水槽中，松手后，观察到玻璃瓶悬浮在水中。 任务1：使玻璃瓶悬浮在水中 义务教育教科书 物理 八年级全一册 二、装配“浮沉由你”的玻璃瓶 任务2：使玻璃瓶在水中上浮 减少玻璃瓶内的水量，使其浸没在水槽中，松手后，观察玻璃瓶的状态。 分析： ①已知玻璃瓶浸没在水中受到水的浮力F浮=1.440 6 N。 ②玻璃瓶和瓶内水整体所受的重力为 G=mg=0.123 kg×9.8 N/kg=1.205 4 N。 ③F浮>G，玻璃瓶上浮。 玻璃瓶和瓶内水的总质量 m=123 g 义务教育教科书 物理 八年级全一册 二、装配“浮沉由你”的玻璃瓶 减少玻璃瓶内的水量，使其浸没在水槽中，松手后，观察玻璃瓶的状态。 任务2：使玻璃瓶在水中上浮 义务教育教科书 物理 八年级全一册 二、装配“浮沉由你”的玻璃瓶 任务3：使玻璃瓶在水中下沉 增加玻璃瓶内的水量，使其浸没在水槽中，松手后，观察玻璃瓶的状态。 玻璃瓶和瓶内水的总质量 m=150 g 分析： ①已知玻璃瓶浸没在水中受到水的浮力F浮=1.440 6 N。 ②玻璃瓶和瓶内水整体所受的重力为 G=mg=0.150 kg×9.8 N/kg=1.47 N。 ③F浮<G，玻璃瓶下沉。 义务教育教科书 物理 八年级全一册 二、装配“浮沉由你”的玻璃瓶 任务3：使玻璃瓶在水中下沉 增加玻璃瓶内的水量，使其浸没在水槽中，松手后，观察玻璃瓶的状态。 浸没松手后，玻璃瓶的运动情况 玻璃瓶所受的浮力/N 整体所受的重力/N 浮力和重力的大小关系 悬浮 1.44 1.44 浮力等于重力 上浮 1.44 1.21 浮力大于重力 下沉 1.44 1.47 浮力小于重力 义务教育教科书 物理 八年级全一册 二、装配“浮沉由你”的玻璃瓶 玻璃瓶在水中的浮沉状态与受力的关系 分析： ①潜艇浸没时，V排不变，ρ水不变。根据F浮=ρ液gV排可得F浮不变。 ②当F浮=G时，潜艇悬浮。 ③打开进水阀，海水进入水舱，潜艇所受的总重力G增加，当F浮<G时，潜艇下沉。 ④打开排水阀，海水从水舱里排出，潜艇所受的总重力G减小，当F浮>G时，潜艇上浮。 义务教育教科书 物理 八年级全一册 三、探秘潜艇的浮沉原理 阅读教科书第244页“探秘潜艇的浮沉原理” 潜艇主要由哪些部分组成？分析潜艇在水中实现上浮和下沉的工作原理。 注射器针筒 实验器材：两个注射器针筒（量程0～20 mL）、乳胶软管（长约40 cm、外直径为4 mm、内直径2 mm）、防水橡皮泥、锥子、盛有适量水的水槽等。 义务教育教科书 物理 八年级全一册 四、制作“浮沉自如”的潜艇模型 18 软管 防水橡皮泥使潜艇模型水舱内进水时潜艇模型能稳定地沉入水底 注射器A 注射器B 注射器A 注射器B 注射器A（5 mL位置处有一个小孔）作为潜艇模型，注射器B可以用来增加或减少注射器A针筒内的空气，使潜艇模型在水中实现上浮、下潜 用软管将两个注射器连接在一起 义务教育教科书 物理 八年级全一册 制作“浮沉自如”的潜艇模型 四、制作“浮沉自如”的潜艇模型 ①有小孔的一侧作为潜艇模型的底部，在底部粘一些橡皮泥使潜艇模型更稳定。可调整橡皮泥的多少和位置，使潜艇模型水舱内进水时潜艇模型能稳定地沉入水底。 ②将潜艇模型放入水中，调节水槽外注射器B的活塞，减少或增加潜艇模型内的水量，需注意轻推慢拉，确保潜艇模型能顺利实现上浮或下潜。 ③观察潜艇模型的上浮和下潜过程，不要接触水槽内壁。 ④连接注射器的软管尽量长一点，避免水从潜艇模型沿着软管倒吸入水槽外的注射器B内。 义务教育教科书 物理 八年级全一册 制作潜艇模型注意事项 四、制作“浮沉自如”的潜艇模型 ①潜艇模型浸没在水中时，V排不变，ρ水不变，根据F浮=ρ液gV排，可得F浮不变。 ②向外拉注射器B的活塞，减少注射器A针筒内的空气，水进入潜艇模型水舱，潜艇模型整体所受的重力G增加，当G>F浮时，潜艇模型下潜。 ③推动注射器B的活塞，增加注射器A针筒内的空气，水从潜艇模型的水舱排出，潜艇模型整体所受的重力G减小，当G<F浮时，潜艇上浮。 潜艇模型在水中浸没时，所受浮力有变化吗？潜艇模型是怎么实现上浮和下潜的？ 义务教育教科书 物理 八年级全一册 分析潜艇模型的浮沉状态 四、制作“浮沉自如”的潜艇模型 当F浮>G总时， 潜艇上浮。 当F浮=G总时，潜艇漂浮或悬浮。 当F浮< G总时，潜艇下潜。 义务教育教科书 物理 八年级全一册 总结潜艇的浮沉条件 四、制作“浮沉自如”的潜艇模型 远望3号测量船主要是用沉重而坚硬的钢材制造的，满载排水量17 000吨。钢铁的密度远大于水，它是如何漂浮在水面上的呢？ 远望3号船是我国第二代航天远洋测量船，主要担负对卫星、飞船等航天器的海上测控任务 将钢铁等材料制成空心的形状，增加排开海水的体积V排，由阿基米德原理F浮=ρ液gV排可知F浮会增大。 义务教育教科书 物理 八年级全一册 远望3号测量船 五、浮沉条件的应用 热气球是怎样飘在空中的? 热气球气囊内的气体被加热时，气体受热膨胀，气囊的体积几乎不变，内部的气体因膨胀而排出一部分，热气球的总质量m总变小，所以气囊内气体密度ρ变小（ρ<ρ空），热气球所受的重力为G总=ρgV总；由阿基米德原理可知，气囊所受的浮力等于它排开空气所受的重力，即F浮=ρ空gV排。因为V总=V排，可得F浮>G总，热气球上浮。 义务教育教科书 物理 八年级全一册 热气球 五、浮沉条件的应用 密度计是一根有特定形状的密封玻璃管，管的下部装有少量密度较大的铅丸。使用时将密度计竖直地放入待测液体中使其漂浮，待密度计稳定后，从它的刻度处可以读出待测液体的密度。密度计的工作原理是什么？ 密度计 密度计在待测液体中漂浮，F浮=G，则浮力F浮不变。由阿基米德原理F浮=ρ液gV排可知，密度计在待测液体中排开液体的体积V排越大，待测液体的密度ρ液越小，因此密度计上的刻度值上小下大。 义务教育教科书 物理 八年级全一册 密度计 五、浮沉条件的应用 阅读教科书“阅读与拓展”，了解我国“蛟龙”号载人潜水器、“深海勇士”号载人潜水器、“奋斗者”号载人潜水器是如何实现上浮或下潜的。 “蛟龙”号载人潜水器 “深海勇士”号 载人潜水器 “奋斗者”号 载人潜水器 义务教育教科书 物理 八年级全一册 五、浮沉条件的应用 六、课堂小结 实践探索 物体的浮沉条件 观察浮沉子在水中的浮沉现象 装配“浮沉由你”的玻璃瓶 制作“浮沉自如”的潜艇模型 F浮=G，漂浮或悬浮 F浮>G，上浮 F浮<G，下沉 应用 远望3号 测量船 热气球 密度计 义务教育教科书 物理 八年级全一册 $$