План урока:

Инерция и инертность

Как изменить скорость тела?

Масса – мера инертности

Важная характеристика вещества – плотность

Инерция и инертность

Оказывается, все тела способны не изменять заданную скорость после того, как заканчивается действие на них других тел. Явление это в физике называют инерцией. Именно она является причиной падений человека, например, на скользком льду.

Человек падает, запнувшись за что-либо. Происходит падение следующим образом: ноги перестают двигаться, наткнувшись на препятствие, а тело продолжает двигаться вперед, ведь препятствие его не держит.

Человек поскользнулся. Его ноги резко обгоняют само тело. Положение человека приближается к горизонтальному. Естественно, удержаться бывает сложно, и человек падает.

Пассажиры при резком торможении автобуса наклоняются вперед. Сиденье останавливается вместе с автобусом, так как прикреплено к нему. Туловище наклоняется к находящемуся перед ним сиденью, продолжая движение. Если человек не воспользовался ремнем безопасности, то может удариться о предметы, находящиеся в автобусе.

Всадники, велосипедисты, мотоциклисты не удержатся в седле при резкой остановке средств передвижения. 

А аварии на дорогах? Аварии не случались бы, если бы автомобиль останавливался мгновенно. Но даже легковые автомобили, двигаясь со скоростью 60 км/ч (для легковой машины это небольшая скорость), останавливаются, пройдя тормозной путь около 25 м. Грузовым автомобилям потребуется уже почти 40 м до остановки при той же скорости. Эти расстояния могут увеличиться при мокрой или скользкой дороге. Всему виной явление инерции. Не учитывать инерцию в подобных ситуациях небезопасно. Человек, выходя на дорогу, не может мгновенно рассчитать, сколько метров от него до автомобиля. Здесь нужно строго соблюдать правила перехода через проезжую часть.

Существует много случаев полезности инерции. Например, на соревнованиях по прыжкам в длину необходимо разбежаться до большой скорости. И чем больше скорость, тем на большую длину можно пролететь в прыжке по инерции. При вытряхивании пыли из ковриков, встряхивании медицинского термометра используется инерция. Коврик резко останавливают, пылинки продолжают двигаться и попадают в воздух. Стеклянный градусник резко останавливают, ртуть внутри трубочки двигается и спускается вниз. Дети в игре, убегая друг от друга, резко меняют направление, в результате догоняющий промахивается, пробегая мимо.

По инерции тела должны двигаться прямолинейно и равномерно. Так шайба после удара хоккеиста движется по очень гладкому льду, пока не помешает ей вратарь или бортик. В результате шайба отскакивает и меняет направление движения.

На практике скорость тела, движущегося по инерции, уменьшается, и тело останавливается, так как свободному движению его препятствуют окружающие тела, с которыми оно соприкасается. Остановятся ли автомобили без действия тормозов? Да, остановятся. Колеса соприкасаются с дорогой. Дорога шероховатая, и на шинах нанесен специальный рельефный рисунок. Рисунок называется протектором. Протектор цепляется за дорогу, что приводит к постепенной остановке. Воздух тоже оказывает сопротивление движению.

Если мысленно убрать дорогу из-под колес и воздух вокруг автомобиля, то автомобиль будет двигаться равномерно по прямой, без остановки, без всякого сопротивления, в безвоздушном пространстве. Получается, что автомобиль остановить ничто не сможет, и он будет двигаться бесконечно. Но это всего лишь мысленный эксперимент. В природе такого не бывает.

Известно, что грузовой автомобиль останавливается труднее, чем легковой. Сдвинуть с места и разогнать (увеличить скорость) тяжелое тело также труднее, чем легкое. С легким телом это делается намного быстрее.

Свойство тел быстро или медленно изменять скорость называется инертностью. Пусть шарик из свинца подвешен на нити. Если не трогать ни шарик, ни нить, то оба тела будут покоиться. Если медленно потянуть за нижнюю нить, действие руки будет передаваться шарику, затем верхней нити, и она порвется. Если же очень быстро дернуть за нижнюю нить, то шарик не успеет отреагировать на действие руки, а ниточка снизу уже лопнет. Это значит, шарик обладает большей инертностью, чем нить.

Источник

Тяжелые тела более инертны. Их трудно сдвинуть с места, но трудно и остановить, времени на это требуется больше. С легкими телами, менее инертными, такие процессы, как разгон и остановка, происходят значительно быстрее.

В цирке существует такой номер: на сцену выходит артист, который делает мостик. Несколько человек выносят тяжелую наковальню и ставят ее на грудь этого атлета. Еще один человек начинает бить по наковальне молотом. Зрители, считая, что именно удары приносят боль актеру, обращают внимание на эти удары. Но это не так. Если атлет может держать наковальню, то удары молота ему не страшны, так как тяжелая инертная наковальня не успевает смещаться под непродолжительными ударами молота. А ведь только смещение наковальни может причинить вред атлету.

Тяжелые тела по инерции движутся значительно дальше и дольше, чем легкие, менее инертные тела.

Не стоит путать эти понятия. Инерция – это физическое явление, означающее, что ни одно тело не останавливается сразу, оно будет продолжать движение прямолинейно и равномерно. А инертность – свойство тела, показывающее, насколько быстро тело может изменять свою скорость.

Как изменить скорость тела?

В прямолинейном равномерном движении все достаточно просто: тело движется с постоянной по величине и направлению скоростью. При неравномерном движении скорость тела меняется или по величине, или по направлению. Может одновременно меняться и величина и направление.

Каким же образом изменить скорость?

Пусть жестяная банка стоит на столбике. Необходимо сбить ее со столбика (т. е. изменить скорость банки). Вот несколько примеров выполнения задания:

• подойти и рукой скинуть;
• попасть в банку камнем или палкой;
• направить на нее струю воды из шланга;
• сбить воздушным потоком с помощью насоса;
• поднести к банке магнит.

Все предложенные способы верны. А что общего в этих примерах?

Общее то, что банка, находящаяся в покое, приобретает скорость: под действием другого тела или нескольких тел происходит изменение скорости.

Процесс этот взаимный, скорость будет меняться у обоих тел. Называется он взаимодействием. Но если у одного тела скорость возрастает, то у другого она уменьшается.

Стоит рассмотреть еще пример взаимодействия. Известный барон Мюнхгаузен, взявшись за волосы, пытается вытащить себя вместе с конем из болота. Значит, сидя на стуле, можно самому себя поднять вместе со стулом? Попытка бесполезна. В чем же дело? Барон взаимодействовал сам с собой. Группы тел, которые взаимодействуют только сами с собой, образуют замкнутую систему. Замкнутые системы: барон с лошадью, человек на стуле. Сама по себе замкнутая система свою скорость изменить не может, значит и барон из болота подняться не мог. А, вот, если подъемный кран подогнать, подцепить барона вместе с конем, тогда бы можно было вытащить Мюнхгаузена. Это уже система незамкнутая, на нее действуют другие тела, не входящие в систему барона и лошади.

Если взаимодействуют одинаковые тела, то скорости их изменяются по величине одинаково, а по направлению – противоположно. На перемене столкнулись два шестиклассника, примерно одинакового веса. Они отлетят в разные стороны на одинаковые расстояния.

Но если небольшой шестиклассник столкнется с самым здоровым десятиклассником? После столкновения школьники разлетятся в разные стороны, но шестиклассник на большее расстояние, так как он легче десятиклассника.

Взаимодействовать могут и три, и четыре, и более тела одновременно. На бильярдном столе, например, нужно учитывать одновременно движение всех шаров, а не только тех двух, которые столкнулись первыми.

Нужно учитывать взаимодействие тела со всеми другими телами, вступающими с ним в контакт, и при решении основной задачи механики. Иначе полученный результат будет неверным.

Отправляя искусственный спутник с Земли к другим планетам, учитывают влияние на него небесных тел, рядом с которыми он будет пролетать. Такие задачи сегодня решают электронные вычислительные приборы.

Итак:

• причиной изменения скорости тел является взаимодействие их с другими телами;
• при взаимодействии скорость изменяется у обоих тел;
• в замкнутой системе тела изменять свою скорость не могут.

Масса – мера инертности

В известной басне И.А. Крылова представлены два персонажа: большой и тяжелый Слон и Моська, маленькая и легкая собачонка. Видимые различия обоих тел характеризует инертность. Слон более инертен, чем собачонка. Мерой инертных свойств тел является масса. Значит, масса Слона больше массы Моськи во много раз.

Чтобы сравнить тела по массе, надо привести их во взаимодействие. У тела, меняющего скорость медленнее, масса больше. Если скорости меняются одинаково у обоих тел, то их массы равны. До и после взаимодействия массы тел не изменяются. Еще в 1768 году М.В. Ломоносов многочисленными опытами подтвердил справедливость закона сохранения масс.

Эталон массы (1 кг), цилиндр из сплава иридия и платины, находится во Франции в г. Севре.

Тела, которые при взаимодействии с эталоном массы одинаково с ним меняют скорость, имеют массу тоже 1 кг.

Тела, меняющие скорость в 2 раза медленнее, чем эталон, обладают массой 2 кг. Если тело меняет скорость в 2 раза быстрее эталона, его масса – 0,5 кг.

Таким образом, массу любого тела можно найти по взаимодействию с телом известной массы.

В жизни трудно представить, например, продавца, находящего массу конфет с помощью сравнения скоростей взаимодействия двух тел. Есть более простой способ определения массы. Это взвешивание на весах. При этом массу известных тел (гирь) сравнивают с массой неизвестного тела. Если весы находятся в равновесии, то масса гирь равняется массе тела.

На весах массу определять легче, но на весы не положишь молекулу или планету. Их массу находят по взаимодействию с другими телами. Так масса Солнца (≈ 2 ∙ 10³⁰ кг) в 333 000 раза больше массы Земли (≈ 6 ∙ 10²⁴ кг).

Массы молекул находят с помощью прибора масс-спектрометра. Изучаются массы молекул и атомов на уроках химии в старших классах.

В физике обозначают массу буквой m. Единицы измерения: 1 кг (СИ), 1г = 0,001 кг, 1мг = 0,000001 кг = 0,001 г. 1 т = 1000 кг, 1ц = 100 кг.

В лабораторных исследованиях применяются чашечные весы. Набор гирь к чашечным весам называют лабораторным разновесом.

Сейчас используются весы со шкалой и цифровым табло.

Масса – универсальная мера количества материи. Любое тело обладает массой, благодаря факту своего существования как части материи.

Важная характеристика вещества – плотность

На детскую загадку «Что труднее нести, килограмм соли или килограмм ваты?» часто вначале бывает ответ «Конечно, килограмм соли». У детей есть пока лишь такой пример из жизни, что из того количества соли или ваты, которое помещается на ладошке тяжелее соль. Но здесь одинаковый объем, а не масса. Только после подсказки дети находят правильный ответ. Ведь масса одинакова, значит, нести одинаково. А различной в загадке будет плотность вещества – еще одна величина, относящаяся к характеристикам вещества.

Чтобы весы находились в равновесии в примере с солью и ватой, нужно взять по одному килограмму соли и ваты. Соль займет маленький пакетик, а вата – большой мешок. Оказывается, различные вещества могут иметь в разных объемах одну массу. Плотность представляет массу единицы объема вещества.

Само слово «плотность» говорит о строении вещества. Чем плотнее молекулы друг к другу прилегают, тем их больше, а значит, больше плотность. Соль – твердое вещество, молекулы в соли располагаются плотнее, чем в вате. Вата не является ни жидкостью, ни газом, но она пышная, воздушная. Воздухом наполнено пространство между тонкими ватными ниточками. Поэтому 1 кг соли занимает немного места, 1 кг ваты – гораздо больше.

Значит, при одинаковой массе плотность меньше у вещества с большим объемом.

Если взять два одинаковых по объему кубика, например, деревянный и стальной. Нетрудно догадаться, что масса деревянного кубика меньше. Оба тела твердые, но строение вещества у них разное. Дерево пористое, с пустотами. Получается, при одинаковом объеме плотность меньше у вещества с меньшей массой.

Плотность одного вещества – величина постоянная при неизменных внешних условиях.

Если плотность обозначить буквой ρ, то ее можно рассчитать по формуле:

ρ = m/V

где m – масса тела, V – объем тела.

Воспользовавшись формулой, найдем в СИ единицу измерения плотности. 1 кг : 1 м³ = 1кг/м³.

(1 кг/м³ = 0,001 г/см³)

Плотность определяется опытным путем: измеряется масса тела, объем и по формуле вычисляется плотность. Из полученных результатов составляются таблицы.

Если внешние условия изменить, могут измениться агрегатные состояния вещества. Плотность одного вещества различна в разных агрегатных состояниях.

Всех плотнее молекулы располагаются в твердых телах, затем в жидкостях, меньшая плотность у газов. Но из любых общих правил бывают исключения. Существует жидкость – ртуть (жидкий металл), плотность ее превышает плотность большинства металлов.

Интересна плотность воды в разных агрегатных состояниях. Благодаря пористому строению, лед имеет плотность ниже воды:

Из жидкостей самой плотной является ртуть (ρ = 3600 кг/м³), из твердых тел – металл осмий (ρ = 22600кг/м³). В бескрайних просторах космоса есть звезды, называемые нейтронными. Плотность нейтронных звезд – 10¹⁶ кг/м³. Эта плотность, из известных на сегодня, самая высокая.  

Итак:

• вещество характеризуется массой единицы объема – плотностью;
• зависит плотность вещества от его молекулярно-атомного строения;
• в различных агрегатных состояниях плотность одного вещества различна.