الطفو – المختبر والأشكال
العلومالقوى والحركة13–14 سنةمختبر افتراضي
جارٍ التحميل…
سجّل الدخول للتشغيلثلاث شاشات تجارب عن قوة الدفع (مبدأ أرخميدس). تتيح شاشة «المختبر» ضبط كثافة السائل والجاذبية بصورة متصلة، وقراءة قوة الدفع من كأس يجمع حجم السائل المزاح بالضبط؛ وتقارن شاشة «الأشكال» بين مكعب وكرة ومخروط وزجاجة وقارب متساوية الحجم، وتُظهر الحجم المغمور على أنه تكامل مساحة المقطع العرضي على الارتفاع؛ وتضيف شاشة «استكشاف» ميزانًا تحت الحوض كله ومجسًّا يقيس الضغط على عمق ما. مقتبسة من محاكاة «Buoyancy» من PhET Interactive Simulations، جامعة كولورادو بولدر (CC BY 4.0)، وأعيدت كتابتها.
الدرس: قوة الدفع ومبدأ أرخميدس
ماذا تعرض
ينتمي مبدأ أرخميدس إلى موضوع الكثافة والضغط. يتحقق الطلاب من أن قوة الدفع تساوي وزن السائل الذي يزيحه الجسم، ويلاحظون أن موضع اتزان الجسم الطافي لا يعتمد على الجاذبية، ويعمّمون فكرة الحجم المغمور على أجسام من أي شكل.
طريقة الاستخدام
تتيح شاشة «المختبر» ضبط كثافة السائل (300–3000 kg/m³) والجاذبية (1–25 m/s²، مع أزرار سريعة للقمر والأرض والمشتري) بصورة متصلة، إلى جانب كتلة المكعب وحجمه؛ ويُظهر كأس بجانب الحوض حجم السائل الذي يزيحه المكعب بالضبط، وهو تحقق مباشر من العلاقة F_A = d·g·V_sub. وتتيح شاشة «الأشكال» اختيار مكعب أو كرة أو مخروط أو زجاجة أو قارب بالحجم نفسه، وتحسب الحجم المغمور بالتكامل العددي لمساحة المقطع العرضي على الارتفاع، ويظلّل منحنى المقطع العرضي المرافق الجزء الذي «جرى تكامله» حتى العمق الحالي بالضبط. وفي شاشة «استكشاف» ميزان تحت الحوض كله (يقرأ كتلة الماء مع الجسم ما دام الجسم في الماء) ومجس ضغط يمكنك سحبه إلى أعماق مختلفة لقياس p = d·g·h. فلجسم خشبي حجمه 5 لترات وكثافته 800 kg/m³ في الماء، سواء أكان مكعبًا أم كرة، يكون الحجم المغمور عند الطفو 4 لترات تمامًا، لأنه لا يعتمد إلا على كتلة الجسم وكثافة السائل؛ وتبديل الجاذبية إلى جاذبية القمر (1.6 m/s²) لا يغيّر هذا الحجم المغمور، بل يصغّر قوة الدفع والوزن بالنسبة نفسها.
المعاملات القابلة للتغيير
- الشاشة المختبر, الأشكال, استكشاف
- كثافة السائل (شاشة المختبر) 300–3000 kg/m³
- الجاذبية g (شاشة المختبر) 1–25 m/s²
- كتلة المكعب (شاشة المختبر) 0.5–20 kg
- حجم المكعب (شاشة المختبر) 1–10 L
- الشكل (شاشة الأشكال) مكعب, كرة, مخروط, زجاجة, قارب
- المادة (شاشتا الأشكال والاستكشاف) رغوة (150 kg/m³), خشب (800 kg/m³), جليد (920 kg/m³), PVC (1380 kg/m³), طوب (2000 kg/m³), ألومنيوم (2700 kg/m³), حديد (7800 kg/m³), مخصص
- كثافة مخصصة 100–12000 kg/m³
- الحجم (شاشة الأشكال) 1–10 L
- إظهار منحنى المقطع العرضي (شاشة الأشكال)
- السائل (شاشتا الأشكال والاستكشاف) بنزين (700 kg/m³), زيت طهي (920 kg/m³), ماء (1000 kg/m³), ماء البحر (1030 kg/m³), عسل (1420 kg/m³), زئبق (13600 kg/m³)
- الحجم (شاشة الاستكشاف) 1–10 L
أسئلة للاستكشاف
- لماذا لا يغوص المكعب الخشبي الطافي أعمق عندما تنتقل من الأرض إلى القمر؟
- لمكعب وكرة الكتلة نفسها، وكلاهما يطفو في السائل نفسه. هل حجماهما المغموران متساويان؟ ولماذا؟
- عندما ترفع قطعة حديد غارقة خارج الماء تمامًا، كيف تتغير قراءة الميزان الموجود تحت الحوض؟
