ТЕМА 3. РУКОТВОРНЫЕ СИСТЕМЫ

УРОК 20

ТЕМА. ВИДЫ СИЛ

Цель урока: обучающая - сформировать у учащихся представление о видах сил, причины их возникновения и особенности, научить распознавать действие различных видов сил и приводить собственные примеры их проявлений в повседневной жизни; развивающая - развивать логическое мышление; воспитательная - воспитывать у школьников наблюдательность.

Основные понятия: сила упругости, сила трения, выталкивающая сила.

Методы урока: словесный (беседа), наглядный (демонстрация опытов).

Оборудование: динамометр лабораторный, вес, поролоновая мочалка.

Тип урока: усвоение новых знаний и умений.

Межпредметные связи: физика (7 класс).

Структура урока

И. Проверка домашнего задания

II. Сообщение темы, цели и задач урока

III. Актуализация опорных знаний учащихся, их предшествующего опыта

IV. Изложение основного материала Характеристика причин возникновения, направления, точки приложения и значений сил упругости трения и притяжения.

V. Подведение итогов урока

VI. Домашнее задание

Ход урока

I. ПРОВЕРКА ДОМАШНЕГО ЗАДАНИЯ

- Вопрос к ученикам

1. Что такое сила, ее три главные характеристики?

2. Как называют прибор для измерения силы? Как называют единицу измерения силы?

3. По каким признакам судят о наступления состояния невесомости? Почему у космонавтов, которые находились в длительном космическом полете, мышцы становятся слабыми, нетренированными?

II. СООБЩЕНИЕ ТЕМЫ» ЦЕЛИ И ЗАДАЧ УРОКА

III. АКТУАЛИЗАЦИЯ ОПОРНЫХ ЗНАНИЙ УЧАЩИХСЯ, ИХ ПРЕДШЕСТВУЮЩЕГО ОПЫТА

- Слово учителя

Вокруг нас происходят разнообразные движения тел или их частей: склоняются деревья, звенит струна, идет дождь, течет вода в реке, останавливается автомобиль, замирает на траве мяч, что катился по ней, меняет направление стрелки компаса. Изменения формы тел, скорости или направлении их движения обусловлены различными силами.

Характеристика причин возникновения, направления, точки приложения и значения сил упругости, трения и притяжения

Мы продолжаем знакомиться с таким физическим понятием, как сила. В зависимости от вида взаимодействия двух тел различают шесть главных видов сил:

1) магнитная сила;

2) электрическая сила;

3) выталкивающая, или Archimedean, сила;

4) сила тяжести;

5) сила упругости;

6) сила трения.

- Задания в рабочей тетради

Любой вид силы обозначают латинской буквой F и измеряется в ньютонах (Н). Вместо того чтобы писать «На человека действует сила тяжести, равная 600 ньютонам», можно кратко написать F = 600 Н. На чертеже или рисунке силы изображают стрелкой. Чем больше значение силы, тем длиннее рисуют стрелку. Направление действия силы совпадает с направлением стрелки.

Давайте сравним три наиболее распространенные виды сил за теми характеристиками, которые описывают силу (направление, точка прикладывание), а также ознакомимся с проявлением этих сил в повседневной жизни.

Выталкивающая, или Archimedean, сила проявляется в отношении тел, погруженных в жидкость или газ. Магнитная и электрическая силы проявляются там, где действует электрический ток. Исследовать и описывать эти силы сложнее, поэтому вы ознакомитесь с ними в средних классах на уроках физики.

- Задания в рабочей тетради

V. ПОДВЕДЕНИЕ ИТОГОВ УРОКА

- Беседа

- Шесть главных видов сил различают в природе? (Силу упругости, силу трения, силу тяжести, Архімедову силу, магнитную и электрическую силы.)

- Чем все силы похожи между собой? (Они возникают при взаимодействии тел и приводят к изменению их скорости, направления движения или формы.)

- Чем силы отличаются друг от друга? (Причинами возникновения, направлением и точкой приложения.)

VI. ДОМАШНЕЕ ЗАДАЧА

Дать ответы на вопросы после параграфа. Принести нетяжелый предмет (массой не более 500 граммов) (игрушку, пенал, мыло, блокнот и т.д.) для выполнения практической работы.

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ К УРОКУ

Закон всемирного тяготения

К идее о существовании всемирного притяжения, или гравитации (от. лат, gravitas - тяжесть, вес), Ньютон пришел еще в 1666 году, когда ему исполнилось всего 24 года. Согласно легенде, это произошло во время отдыха в саду. Глядя на яблоко, которое падало, Ньютон задумался: не одна и та же сила заставляет яблоко падать, а Месяц - двигаться вокруг Земли?

Многие историки науки и ученые пытались выяснить, соответствует ли эта легенда истине. Вот что рассказывает в «Воспоминаниях о жизни Исаака Ньютона» его друг Уильям Стеклі, который посетил Ньютона 15 апреля 1725 года в Лондоне: «Поскольку было жарко, мы пили послеобеденный чай в саду, в тени развесистых яблонь. Нас было только двое. Между другим, он (Ньютон) сказал мне, что в такой же обстановке ему впервые пришла идея притяжения. Ее причиной было падение яблока, когда он сидел, погрузившись в думы...» Мемуары Стеклі вышли в свет только в 1936 году, однако уже в 1728 году, через год после смерти Ньютона, Вольтер в книге, посвященной викладові его идей, приводит в пример аналогичную историю. Другой англичанин Кізинг, преподаватель Йоркского университета, который интересовался историей и философией науки, утверждает, что легендарная яблоня была единственной в саду Ньютона, и приводит рассказы и рисунки с ее изображением. Легендарное дерево пережило Ньютона почти на 100 лет, погибли в 1820 году во время сильной грозы. Кресло, сделанное из древесины этой яблони, хранится в Англии в частной коллекции.

Ньютон понял, что сила, которая идет от Солнца, удерживает на орбитах планеты, не позволяя им отдаляться от светила. Без этой сдерживающей центральной силы планеты двигались бы прямолинейно, но притяжение Солнца заставляет планеты непрерывно отклоняться от прямолинейного движения и таким образом «падать» на свои орбиты.

Рассуждая об этом, Ньютон открыл закон всемирного тяготения. Однако публиковать его он не стал и никому о него не рассказал. Одной из причин было то, что при сравнении результатов своей теории с опытными данными он обнаружил расхождения (на самом деле они были обусловленные использованием ошибочного значения радиуса Земли). Когда же, через много лет, Ньютонові стали известны более точные данные о размерах Земли, он, как пишет английский физик Оливер Лодж, «достал свои старые рукописи и снова взялся за вычисления... Новые данные изменяют результаты: в чрезвычайном возбуждении он просматривает глазами свою работу, перо не успевает следить за мыслью, и, наконец, вычисление приводит его к желаемым результатам. Невероятно большое значение и глубина его открытия настолько ослепляют его своим сиянием, затуманенные глаза не видят рукописи. В изнеможении он отбрасывает перо; тайна мироздания, наконец, открылась ему, единственному в мире...».

Современное формулировка открытого Ньютоном закона всемирного тяготения такое: сила гравитационного притяжения любых двух частиц прямо пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:

Лобовое сопротивление

Еще Исаак Ньютон обратил внимание на небесные тела, которые движутся в вакууме почти без сопротивления. Земля, например, за время своего существования сделала миллиарды оборотов вокруг Солнца, однако ее орбита почти не изменилась.

Тем временем на самой планете Земля любое перемещение происходит или в воздухе, или в воде, и на тело, что движется, всегда действует сила, противоположная направлению его движения относительно окружающей среды. Эту силу называют лобовым сопротивлением. Именно через нее для поддержания равномерного движения любого транспортного средства необходима работа двигателя: если его отключить, тело потеряет скорость и остановится.

Лобовое сопротивление зависит от формы и размеров тела, свойств среды и, что важно, от скорости движения. При небольших размерах тела и медленном движении величина силы сопротивления прямо пропорциональна скорости движения тела. На неподвижные тела сила сопротивления не действует.

Способность препятствовать среды движению тела называют вязкостью (или внутренним трением). Вязкость характеризует трения между соседними слоями жидкости (газа), которые скользят друг относительно друга. Она зависит от температуры среды, и эта зависимость имеет различный вид для жидкостей и для газов. Каждая молекула жидкости плотно окружена со всех сторон своими ближайшими молекулами-соседями, которые находятся от нее на расстояниях, примерно равны его диаметру. Она колеблется вокруг положения равновесия, а затем резко перепрыгивает до нового центра колебаний. При увеличении температуры подвижность молекул возрастает. Это приводит к уменьшению силы сопротивления в жидкостях, потому что в нагретой жидкости чаще создаются благоприятные условия для перемещения частиц в направлении приложенной силы. Это напоминает ситуацию, когда человеку легче пробираться сквозь толпу, в которой люди движутся беспорядочно, чем сквозь неподвижную толпу.

Среднее расстояние между молекулами газа обычно большая, и большую часть времени они движутся свободно, изредка сталкиваясь друг с другом. Расстояние между последовательными столкновениями молекул (так называемая длина свободного пробега) в тысячи раз превышает размеры самих молекул. С повышением температуры подвижность молекул газа увеличивается, между тем как его вязкость, в отличие от жидкостей, растет.

«Съедая» скорость тел, двигаются, сопротивление среды не всегда играет отрицательную роль. Он, к примеру, защищает Землю от потока метеоритов, которые сгорают благодаря сопротивлению в плотных слоях атмосферы.

Сила трения

Трение возникает при скольжении одного твердого тела по поверхности другого. Если сталкиваются твердые поверхности, то такое трение называют сухим. Сила трения действует вдоль поверхности соприкосновения твердых тел, направлена против скольжения тела. Что определяет величину силы сухого трения? Повседневный опыт свидетельствует: чем сильнее прижаты поверхности тел друг к другу, тем труднее вызвать их взаимное скольжение и поддерживать его (например, лист бумаги, вложенный между страницами толстой книги, лежащей на столе, проще вытащить из-под обложки, чем из середины или нижней части толстого назад).

В 1781 году Шарль Кулон, изучая трения деталей и веревок, которые в то время были существенными частями механизмов, экспериментально установил, что сила трения F_тep прямо пропорциональна силе, прижимающей, N:

Коэффициент пропорциональности m - коэффициент трения - определяется шероховатостью соприкасающихся поверхностей. Для более гладких поверхностей он меньше. Например, шайба после удара по ней хоккейной клюшкой, скорее остановится на деревянном полу, чем на льду.

Еще одно интересное отличие сухого трения от вяжущего (в жидкостях и газах): эта сила не зависит от площади соприкосновения трущихся поверхностей. Если кирпич скользит вниз по наклонной крыше, ее скорость не зависит от того, движется она плашмя (своим большим по площади боком), или стоя на боку. В чем причина такого неожиданного поведения силы?

Трение возникает через взаимодействие между соприкасающимися частями тел. Даже на изысканном твердой поверхности беспорядочно расположены микроскопические выступы и западини. их высота или глубина незначительная - примерно сотни диаметра атома. Если бы эти выступы или впадины были бы меньшими, то смежные поверхности тел слиплись бы из-за притяжения между их молекулами. Соприкосновение двух тел при движении происходит не по всей поверхности, как нам кажется, а лишь в отдельных «точках соприкосновения», то есть на вершинах выступов поверхностей. Суммарная площадь реального прикосновения в 100-1000 раз меньше общей площади соприкосновения.

Если во время движения на соприкасающиеся тела нажимать, то сила, которая их прижимает, сплющиваем выступления, и их суммарная площадь увеличивается. Таким образом, реальная площадь соприкосновения тел зависит только от силы, что их прижимает, а не от общей площади поверхности соприкосновения.

Сухое трение приводит к нагреванию трущихся поверхностей, поскольку при деформации выступлений выделяется тепло, которое не успевает распространяться вглубь вещества. Это вызывает размягчение тонкого поверхностного слоя, который выполняет роль смазки, уменьшая силу трения. Вот почему коньки и лыжи легко скользят по снегу.