Физика

Урок 6: Силы в природе. Часть 2

Силы в природе. Часть 2

Поспорили два одноклассника, кто на свете самый сильный. Один говорит, что лев – царь зверей, а другой говорит – слон: он самый массивный, значит, и самый сильный. Конца спору не видно, но подходит третий одноклассник и говорит: «Сначала, ребята, разберитесь, что такое сила, тогда и спор свой разрешите».

Обложка урока взята с источника.

План урока:

Сила – причина изменения скорости

Равнодействующая сила

Сила тяжести

Сила упругости. Динамометр

 

Сила – причина изменения скорости

Действительно, стоит разобраться, что такое сила в физике, ведь есть сила характера, сила воли, сила разума, но это не физические категории.

Известно, что при взаимодействии двух тел происходит изменение скорости. В механике важно, как движется тело, чтобы определить его местоположение в нужный момент времени. Для этого нужно знать, что явилось причиной движения.

1Источник

Скорость тела можно изменить разными способами. (Примеры из предыдущего урока: неподвижную жестяную банку сдвинуть магнитом, сбить палкой или струей воды, толкнуть рукой) На практике важен сам процесс изменения скорости.

2Источник

Причину, по которой у тел изменяется скорость, называют силой. Если скорость у тела изменяется, это значит, что оно испытывает действие силы. Если нет действия силы на тело, то оно либо покоится, либо продолжает двигаться по инерции.

Сила обозначается символом F. Важно направление силы и ее численное значение, т.е. сила – величина векторная F.

3

Силу характеризует определенная точка приложения. На чертеже сила изображается стрелкой с началом в точке приложения силы. От этого тоже зависит ее действие. Легко убедиться: когда легче двигать дверь, толкая ее около свободного края или около петель. Конечно, у свободного края легче. Поэтому ручку на двери делают на краю, подальше от петель.

4
Источник

Если взять тело массой 1 кг и за 1 с изменить его скорость на 1 м/с, то делает это сила, принятая за единицу силы.

Эта величина силы запишется - 1 кг ∙ м/с2. Неудобно называть такую величину (килограмм, умноженный на метр, деленный на секунду в квадрате). Для удобства единицу силы стали называть ньютоном по имени английского ученого - физика Исаака Ньютона, много работавшего в области механики. Единицы, носящие имя ученых пишутся с большой буквы. Значит, 1 кг ∙ м/с2 = 1 Н.

Но силы в некоторых случаях меняют скорость не полностью всего тела, а только какой-то его части, изменив его форму. Если тяжелый предмет поставить на гибкую дощечку, то она прогнется.

5
Источник

Каждое изменение обычной формы тела физики называют деформацией. Здесь у части тела меняется скорость.

Таким образом, физическая величина (причем векторная), являющаяся причиной любого изменения скорости у всего тела или его части, называется силой.

А кто же действительно всех сильнее?

Среди людей – американский штангист Пол Андерсон, поднявший спиной 2844 кг в 1957 году. Рекорд не побит до сих пор.

6Источник

Среди животных на земле – слон. Он несет около 12 тонн своей массы. А «царь зверей» уступает буйволам, носорогам, бегемотам.

7 Источник                                                Источник

 

Равнодействующая сила

С детства известна басня И.А. Крылова о том, как не могут сдвинуть воз с места три персонажа.

8
Источник

Предстоит выяснить, почему к телу приложены целых три силы, а скорость его не меняется.

Но сначала еще несколько случаев.

На репку в сказке «Репка» действовали силами одного направления дружные члены семьи и собачка Жучка. Силы не хватало совсем маленькой. Когда подбежала мышка, общие усилия оказались больше, и репку вытащили.

9Источник

Итак, силы складываются, если они направлены в одну сторону по прямой. Их суммарная сила, называемая равнодействующей, имеет то же направление.

10

Теперь другой пример: состязание двух команд по перетягиванию каната. Каждая команда тянет канат в своем направлении. Некоторое время канат не движется. Вот одна из команд начинает перетягивать канат на свою сторону вместе с соперниками. Сильнейшая команда – победитель.

11 
Источник

Сила ее оказалась по модулю больше. Равнодействующая сила находится как разность приложенных сил. Направление ее совпадает с направлением большей силы.

12

В истории про двух баранов, черного и белого, которые не уступили друг другу дорогу на мостике через речку, силы баранов противоположны, по величине равны. Результат ничейный.

Итак, равнодействующая сила – это результат общего действия всех приложенных к телу сил.                         

Теперь следует вернуться к проблеме трех персонажей басни Крылова. Действуя в разные стороны, они уравновесили свои силы. Совместные усилия дали нулевой результат. Поэтому воз стоит на месте.

Если две или более силы произвольно направлены, то они также имеют равнодействующую. И если эта равнодействующая  не равна нулю, то она изменяет скорость тела. Именно равнодействующая сила в конечном итоге определяет движение тел.

 

Сила тяжести

Оторвавшись от земли в прыжке, спортсмен должен бы двигаться дальше по инерции, но скорость его уменьшается, меняется направление. Спортсмен возвращается на землю. Когда закончилось движение вверх, какая-то сила заставила человека возвратиться. Аналогичная история происходит с камнем или мячом, брошенным вверх. 

13Источник

Чтобы предмет поднять с Земли, нужно приложить силу. Значит, что-то удерживает тела на Земле.

Земля постоянно притягивает тела вблизи ее поверхности с силой, называемой силой тяжести.

14
Источник

Причем, поднять тело вверх тем труднее, чем масса его больше. Значит, сила тяжести пропорционально зависит от массы. Fт = k ∙ m, где k - коэффициент пропорциональности, а m - масса тела.

На опыте, бросая шары с наклонной башни, еще Галилео Галилей показал, что за каждую секунду сила тяжести увеличивает скорость падающего тела на 9,8 м/с. (Опыты проводились на известной своим падением Пизанской башне в Италии). Число g = 9,8 м/с2 (9,8 метров в секунду за каждую секунду) постоянно на Земле для любой массы. Это число и стало коэффициентом пропорциональности.

Отсюда возникает формула:

Fт = g ∙ m

В задачах g ≈ 10 м/с2.

Оказывается, друг к другу притягиваются и все существующие тела. Однако силы притяжения тел с небольшими массами очень малы. Их не замечают. Разве заметно притяжение между двумя книгами или теплоходом и пристанью? У тел с огромными массами силы притяжения большие и есть возможность их обнаружить. Это Земля, Солнце и другие крупные космические объекты.

Сила притяжения в окружающей Вселенной названа силой всемирного тяготения (гравитационной силой).

15Источник

«Гравитация» означает «притяжение». Это одна из главных природных сил.

Сила всемирного тяготения прямо пропорциональна массам взаимодействующих тел. Закон этот открыл И.Ньютон в 1667 году. Он установил и факт, что притяжение обратно пропорционально зависит от расстояния между центрами тел. Отсюда тела, поднятые на большую высоту от земли, притягиваются меньше.

Точка приложения силы тяжести – центр тела. С точки зрения физики теоретически в этой точке концентрируется масса тела.

16 
Источник

Направлена она от центра тела (его физики называют центром масс) к центру Земли, а сила всемирного тяготения – к центрам притягивающихся тел.

17Источник

Итак:

18

 

Сила упругости. Динамометр

Интересно наблюдать, как совершает спортсмен прыжок с трамплина. Спортсмен подпрыгивает на трамплине, трамплин сначала прогибается, а затем, выпрямившись, толкает спортсмена вверх. Аналогично происходят прыжки на батуте. Какая – то упругая сила подбрасывает человека вверх.

19Источник                                           Источник

Это сила проявляется со стороны тел, изменяющих свою форму, то есть деформирующихся. При деформации меняются и размеры тела. Тело растягивается - увеличиваются расстояния между составляющими его молекулами. Молекулы будут стараться притянуться друг к другу. Тело сжимается - молекулы, сближаясь, начинают отталкиваться.

Получается, что тело всегда стремится вернуться к начальному состоянию. Возникает результирующая сила совместного действия молекул, сила упругости, противодействующая деформации. С помощью этой силы подпрыгивают спортсмены на батуте.

Роберт Гук (английский физик, ученый XVII века) выяснил, что в деформируемых телах сила упругости пропорционально связана с величиной полученной деформации:

Fупр = - kx – закон Гука.

20Источник

х – величина деформации, k – коэффициент пропорциональности (жесткость вещества). «Минус» в формуле означает, что направлена сила упругости противоположно деформирующей силе.

Коэффициент жесткости (измеряется в Н/м) определяется родом материала и геометрическими размерами деформируемого тела.

Закон этот применяется при деформациях только упругих и достаточно небольших тел. Например, пластилин деформируется безвозвратно, и данный закон на него не работает. Пластилин – тело не упругое, а пластическое, и свойства у него отличны от свойств упругих тел.

Человек стоит на середине доски, опирающейся на две подставки. Доска гнется (деформируется), возникает сила упругости и действует на человека, компенсируя силу тяжести. Шарик, привязанный к резинке, растягивает ее пока не будут компенсированы силы упругости и тяжести. В этих случаях деформация видна, и можно судить о проявлении силы упругости.

А видна ли деформация стола, на котором лежит книга; деформация цепочки, на которой висят часы? Не видна, но она здесь происходит. Существует и сила упругости. В этих случаях силу упругости носит название силы реакции опоры или подвеса.

     Деформации классифицируются на разные виды:

  • сгиб (иногда называют «изгиб»);
  • растягивание (растяжение);
  • сдавливание (сжатие);
  • кручение (скручивание);
  • сдвиг (предел сдвига – срез).

21 Источник

Встречаются упругие и пластичные тела. Упругие тела первоначальную форму после деформации восстанавливают, а пластичные – нет.

22Источник

Упругие свойства вещества могут переходить в пластичные при изменении температуры. Упругая сталь при нагревании становится пластичной, что используется при штамповке деталей и ковке.

Сила упругости постоянно проявляется в жизни. Сидит человек на стуле – сила упругости действует на человека со стороны стула. Стоит предмет на полу – со стороны пола. Бежит спортсмен – со стороны дорожки.

Наблюдать силу упругости лучше, рассматривая пружины. Мягкие пружины, например, в часах; жесткие, например, пружины для смягчения морских волн.

23 Источник                                                                      Источник

Изучив силы тяжести и упругости, можно найти метод измерения любой силы.

Зная массу тела, легко рассчитать силу тяжести. 1 Н – это сила тяжести, которая действует на тело массой 102 г. В лабораторных работах используется набор грузов массой 102 г. Условно считая такой груз за силу в 1 Н, можно создать простейшее устройство для определения силы, действующей на тело.

Это делается так. Берется пружина с небольшим коэффициентом жесткости, укрепляется на деревянной дощечке. Около конца недеформированной пружинки ставится «0». Следующий шаг: к пружине подвешивается первый груз (102 г, в задачах берется 100 г), условно принятый за единицу силы. Пружинка растянется. Сила упругости уравновесит силу тяжести груза в 1 Н. На дощечке ставится число «1». Добавляется еще один груз, ставится число «2». Будет висеть три груза, ставится число «3», четыре груза – число «4». Получилась небольшая шкала с ценой деления в 1 Н.

Расстояния между делениями нужно разделить на десять равных частей, что позволит измерять силу с точностью до 0,1 Н. Получился прибор для измерения силы от 0,1 Н до 4 Н.

24Источник

Устройство, предназначенное для определения силы, получило название динамометр (есть единица силы – дина, равная 10-5 Н).

Если взять пружины с различной жесткостью, можно изготовлять динамометры, определяющие силы в тысячи и сотни тысяч ньютонов. Например, сила тяги колесного трактора – 64 кН, электровоза достигает 640 кН. Мальчик может сдавить пружину динамометра с силой 250 Н, а девочка 200 Н. Такой динамометр называют силомером.

25 Источник                                    Источник

Любой динамометр имеет пружину, прикрепленную на корпусе со шкалой. Форма динамометров бывает различной:

  • плоской;
  • трубчатой;
  • дисковой.

Сейчас сконструированы высокоточные электронные динамометры.

 

ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

Вопрос: 1
Что больше: 5 кг*м/с2 или 5 Н?
15 Н
25 кг*м/с2
3Значения одинаковы
Ответить
3
Вопрос: 2
Семь гномов тянут канат с силой 5 Н каждый, Нильс тянет канат в противоположном направлении с силой 40 Н. Что представляет равнодействующая сила?
1Равна 0
2Равна 5 Н и направлена в сторону Нильса
3Равна 75 Н и направлена в сторону гномов
4Равна 5 Н и направлена в сторону гномов
Ответить
2
Вопрос: 3
Сила тяжести, которую испытывает на себе Том Сойер, равна 410 Н. Какова его масса?
1410 Н
24100 г
341 кг
441 Н
Ответить
3
Вопрос: 4
Масса Незнайки 24 кг. (Так как Луна по массе и размерам много меньше Земли, на ней число g ≈ 1,6 Н/кг). Какова сила тяжести, которая возникает на Луне и действует на Незнайку?
138,4 Н
238,4 кг
324 Н
424 кг
Ответить
1
Вопрос: 5
Какой вид деформации возникает в подвесе, на котором висит люстра и в шурупе, на котором висит картина?
1Растяжение и растяжение
2Изгиб и сдвиг
3Растяжение и сдвиг
4Растяжение и сдавливание
Ответить
3
Вопрос: 6
К динамометру подвешены два груза. Масса первого 2 кг, второго - 200 г. Какое значение силы показывает динамометр?
12200 Н
222 Н
32.2 Н
Ответить
2
Допущено ошибок:
Оценка:
Подробнее
Ваши ответы:
1 вопрос:

Что больше: 5 кг*м/с2 или 5 Н?
1) 5 Н 2) 5 кг*м/с2 3) Значения одинаковы
2 вопрос:

Семь гномов тянут канат с силой 5 Н каждый, Нильс тянет канат в противоположном направлении с силой 40 Н. Что представляет равнодействующая сила?
1) Равна 0 2) Равна 5 Н и направлена в сторону Нильса 3) Равна 75 Н и направлена в сторону гномов 4) Равна 5 Н и направлена в сторону гномов
3 вопрос:

Сила тяжести, которую испытывает на себе Том Сойер, равна 410 Н. Какова его масса?
1) 410 Н 2) 4100 г 3) 41 кг 4) 41 Н
4 вопрос:

Масса Незнайки 24 кг. (Так как Луна по массе и размерам много меньше Земли, на ней число g ≈ 1,6 Н/кг). Какова сила тяжести, которая возникает на Луне и действует на Незнайку?
1) 38,4 Н 2) 38,4 кг 3) 24 Н 4) 24 кг
5 вопрос:

Какой вид деформации возникает в подвесе, на котором висит люстра и в шурупе, на котором висит картина?
1) Растяжение и растяжение 2) Изгиб и сдвиг 3) Растяжение и сдвиг 4) Растяжение и сдавливание
6 вопрос:

К динамометру подвешены два груза. Масса первого 2 кг, второго - 200 г. Какое значение силы показывает динамометр?
1) 2200 Н 2) 22 Н 3) 2.2 Н
Посмотреть ответы
Правильные ответы:
1 вопрос: Значения одинаковы
2 вопрос: Равна 5 Н и направлена в сторону Нильса
3 вопрос: 41 кг
4 вопрос: 38,4 Н
5 вопрос: Растяжение и сдвиг
6 вопрос: 22 Н