Силы в природе

МОУ Дмитриевская СОШ

Урок по физике в 11 классе по теме: "Силы в природе"

                                                                  Колупаев Владимир Григорьевич 

учитель физики

                                                                 2015

Целью урока является расширение программного материала по теме: “Силы в природе ” и совершенствование практических навыков и умений по решению задач ЕГЭ.

Задачи урока:

• закрепить изученный материал,
• сформировать у учащихся представления о силах вообще и о каждой силе в отдельности,
• грамотно применять формулы и правильно строить чертежи при решении задач.

Урок сопровождается мультимедиа презентацией.

I. Силой называется векторная величина, которая является причиной всякого движения как следствия взаимодействий тел. Взаимодействия бывают контактные, вызывающие деформации, и бесконтактные. Деформация это изменение формы тела или отдельных его частей в результате взаимодействия.

В Международной системе единиц (СИ) единица силы называется ньютон (Н). 1 Н равен силе, придающей эталонному телу массой 1 кг ускорение 1 м/с² в направлении действия силы. Прибор для измерения силы – динамометр.

Действие силы на тело зависит от:

1. Величины прилагаемой силы;
2. Точки приложения силы;
3. Направления действия силы.

По своей природе силы бывают гравитационные, электромагнитные, слабые и сильные взаимодействия на полевом уровне. К гравитационным силам относятся сила тяжести, вес тела, сила тяготения. К электромагнитным силам относятся сила упругости и сила трения. К взаимодействиям на полевом уровне можно отнести такие силы как: сила Кулона, сила Ампера, сила Лоренца.

Рассмотрим предлагаемые силы.

Сила тяготения.

Сила тяготения определяется из закона Всемирного тяготения и возникает на основании гравитационных взаимодействий тел, так как любое тело, обладающее массой, имеет гравитационное поле. Два тела взаимодействуют с силами равными по величине и противоположно направленными, прямо пропорциональными произведению масс и обратно пропорциональными квадрату расстояния между их центрами.

G = 6,67 ^. 10^-11 - гравитационная постоянная, определенная Кавендишем.

Рис.1

Одним из проявлений силы всемирного тяготения является сила тяжести, причем, ускорение свободного падения можно определить по формуле:

Где: М – масса Земли, R_з – радиус Земли.

Сила тяжести.

Сила, с которой Земля притягивает к себе все тела, называется силой тяжести. Обозначается - F_тяж, приложена к центру тяжести, направлена по радиусу к центру Земли, определяется по формуле F_тяж = mg.

Где: m – масса тела; g – ускорение свободного падения (g=9,8м/с²).

Вес тела.

Сила, с которой тело действует на горизонтальную опору или вертикальный подвес, вследствие земного притяжения, называется весом. Обозначается - Р, приложена к опоре или подвесу под центром тяжести, направлена вниз.

Рис.2

Если тело покоится, то можно утверждать, что вес равен силе тяжести и определяется по формуле Р = mg.

Если тело движется с ускорением вверх, то тело испытывает перегрузку. Вес определяется по формуле Р = m(g + a).

Рис.3

Вес тела приблизительно в два раза превышает по модулю силу тяжести (двукратная перегрузка).

Если тело движется с ускорением вниз, то тело может испытывать невесомость в первые секунды движения. Вес определяется по формуле Р = m(g - a).

Рис. 4

Сила трения.

Сила, возникающая при движении одного тела по поверхности другого, направленная в сторону противоположную движению называется силой трения.

Рис.5

Точка приложения силы трения под центром тяжести, в сторону противоположную движению вдоль соприкасающихся поверхностей. Сила трения делится на силу трения покоя, силу трения качения, силу трения скольжения. Сила трения покоя это сила, препятствующая возникновению движения одного тела по поверхности другого. При ходьбе сила трения покоя, действующая на подошву, сообщает человеку ускорение. При скольжении связи между атомами первоначально неподвижных тел, разрываются, трение уменьшается. Сила трения скольжения зависит от относительной скорости движения соприкасающихся тел. Трение качения во много раз меньше трения скольжения.

Рис.6

Сила трения определяется по формуле:

F = µN

Где: µ - коэффициент трения безразмерная величина, зависит от характера обработки поверхности и от сочетания материалов соприкасающихся тел (силы притяжения отдельных атомов различных веществ существенно зависят от их электрических свойств);

N – сила реакции опоры - это сила упругости, возникающая в поверхности под действием веса тела.

Для горизонтальной поверхности: F_тр = µmg

При движении твердого тела в жидкости или газе возникает сила вязкого трения. Сила вязкого трения значительно меньше силы сухого трения. Она также направлена в сторону, противоположную относительной скорости тела. При вязком трении нет трения покоя. Сила вязкого трения сильно зависит от скорости тела.

Сила упругости.

При деформации тела возникает сила, которая стремится восстановить прежние размеры и форму тела. Ее называют силой упругости.

Простейшим видом деформации является деформация растяжения или сжатия.

Рис. 7

При малых деформациях (|x| << l) сила упругости пропорциональна деформации тела и направлена в сторону, противоположную направлению перемещения частиц тела при деформации: F_упр =kх

Это соотношение выражает экспериментально установленный закон Гука: сила упругости прямо пропорциональна изменению длины тела.

Где: k - коэффициент жесткости тела, измеряется в ньютонах на метр (Н/м). Коэффициент жесткости зависит от формы и размеров тела, а также от материала.

В физике закон Гука для деформации растяжения или сжатия принято записывать в другой форме:

Где: – относительная деформация; Е – модуль Юнга, который зависит только от свойств материала и не зависит от размеров и формы тела. Для различных материалов модуль Юнга меняется в широких пределах. Для стали, например, E2·10¹¹ Н/м², а для резины E2·10⁶ Н/м²;  – механическое напряжение.

При деформации изгиба F_упр = - mg и F_упр = - Kx.

Рис.8

Следовательно, можно найти коэффициент жесткости:

k = 

В технике часто применяются спиралеобразные пружины. При растяжении или сжатии пружин возникают упругие силы, которые также подчиняются закону Гука, возникают деформации кручения и изгиба.

Рис. 9

4. Равнодействующая сила.

Равнодействующей называется сила, заменяющая действия нескольких сил. Эта сила применяется при решении задач с использованием нескольких сил.

Рис.10

На тело действуют сила тяжести и сила реакции опоры. Равнодействующая сила, в данном случае, находится по правилу параллелограмма и определяется по формуле

На основании определения равнодействующей, можно интерпретировать второй закон Ньютона как: равнодействующая сила равна произведению ускорения тела на его массу.

R = ma

Равнодействующая двух сил, действующих вдоль одной прямой в одну сторону, равна сумме модулей этих сил и направлена в сторону действия этих сил. Если силы действуют вдоль одной прямой, но в разные стороны, то равнодействующая сила равна разности модулей действующих сил и направлена в сторону действия большей силы.

Сила Архимеда.

Сила Архимеда - это выталкивающая сила, возникающая в жидкости или газе и действующая противоположно силе тяжести.

Закон Архимеда: на тело, погруженное в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, равная весу вытесненной жидкости

F_A = mg =Vg

Где:  – плотность жидкости или газа; V – объем погруженной части тела; g – ускорение свободного падения.

Рис.11

Центробежная сила.

Центробежная сила возникает при движении по окружности и направлена по радиусу из центра.

Где: v –линейная скорость; r – радиус окружности.

Рис.12

Сила Кулона.

В механике Ньютона используется понятие гравитационной массы, подобно этому в электродинамике первичным является понятие электрического заряда. Электрический заряд – это физическая величина, характеризующая свойство частиц или тел вступать в электромагнитные силовые взаимодействия. Заряды взаимодействуют с силой Кулона.

Где: q₁ и q₂ – взаимодействующие заряды, измеряющиеся в Кл (Кулонах);

r – расстояние между зарядами; k – коэффициент пропорциональности.

k=9^.10⁹ (Н^.м²)/Кл²

Часто его записывают в виде: ,где  – электрическая постоянная, равная 8,85^.10¹²Кл²/(Н^.м²).

Рис.13

Силы взаимодействия подчиняются третьему закону Ньютона: F₁ = - F₂. Они являются силами отталкивания при одинаковых знаках зарядов и силами притяжения при разных знаках.

Если заряженное тело взаимодействует одновременно с несколькими заряженными телами, то результирующая сила, действующая на данное тело, равна векторной сумме сил, действующих на это тело со стороны всех других заряженных тел.

Рис.14

 Сила Ампера.

На проводник с током в магнитном поле действует сила Ампера.

F_А = IBlsin

Где: I – сила тока в проводнике; В – магнитная индукция; l - длина проводника;  – угол между направлением проводника и направлением вектора магнитной индукции.

Направление этой силы можно определить по правилу левой руки.

Если левую руку следует расположить таким образом, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, вытянутые четыре пальца направлены вдоль действия силы тока, то отогнутый большой палец указывает направление силы Ампера.

Рис. 15

Сила Лоренца.

Сила, с которой электромагнитное поле действует на любое, находящееся в нем заряженное тело, называется силой Лоренца.

F = qvBsin

Рис. 16

Где: q – величина заряда; v – скорость движения заряженной частицы; В – магнитная индукция;  – угол между векторами скорости и магнитной индукции.

Направление силы Лоренца можно определить по правилу левой руки.

В заключение урока предоставляется возможность учащимся заполнить таблицу.

Просмотр фрагмента (интерактивные модели по физике)

 http://school-collection.edu.ru/catalog/rubr/ef4b174a-8fec-c03a-df26-ae730713bc30/79275/?interface=themcol

II. Решение заданий ЕГЭ

1.Две планеты с одинаковыми массами обращаются по круговым орбитам вокруг звезды. Для первой из них сила притяжения к звезде в 4 раза больше, чем для второй. Каково отношение радиусов орбит первой и второй планет? 

1)  
2)  
3)  
4) 

Решение.
По закону Всемирного тяготения сила притяжения планеты к звезде обратно пропорциональна квадрату радиуса орбиты. Таким образом, в силу равенства масс планет () отношение сил притяжения к звезде первой и второй планет обратно пропорционально отношению квадратов радиусов орбит:

.

По условию, сила притяжения для первой планеты к звезде в 4 раза больше, чем для второй:  а значит,

.

2. Во время выступления гимнастка отталкивается от трамплина (этап 1), делает сальто в воздухе (этап 2) и приземляется на ноги (этап 3). На каком(их) этапе(ах) движения гимнастка может испытывать состояние, близкое к невесомости?

1) только на 2 этапе
2) только на 1 и 2 этапах
3) на 1, 2 и 3 этапах
4) ни на одном из перечисленных этапов

Решение.
Вес — это сила, с которой тело давит на опору или растягивает подвес. Состояние невесомости заключается в том, что у тела отсутствует вес, при этом сила тяжести никуда не пропадает. Когда гимнастка отталкивается от трамплина, она давит на него. Когда гимнастка приземляется на ноги, то она давит на землю. Трамплин и земля играют роль опоры, поэтому на этапах 1 и 3 она не находится в состоянии, близком к невесомости. Напротив, во время полета (этап 2) у гимнастки попросту отсутствует опора, если пренебречь сопротивлением воздуха. Раз нет опоры, то нет и веса, а значит, гимнастка действительно испытывает состояние, близкое к невесомости.

3. Тело подвешено на двух нитях и находится в равновесии. Угол между нитями равен , а силы натяжения нитей равны 3 H и 4 H. Чему равна сила тяжести, действующая на тело?

1) 1 H
2) 5 H
3) 7 H
4) 25 H

Решение.
Всего на тело действует три силы: сила тяжести и силы натяжения двух нитей. Поскольку тело находится в равновесии, равнодействующая всех трех сил должна равняться нулю, а значит, модуль силы тяжести равен

.

Правильный ответ: 2.

4.На рисунке представлены три вектора сил, лежащих в одной плоскости и приложенных к одной точке.

Масштаб рисунка таков, что сторона одного квадрата сетки соответствует модулю силы 1 H. Определите модуль вектора равнодействующей трех векторов сил.

1) 0 H
2) 5 H
3) 10 H
4) 12 H

Решение.
Из рисунка видно, что равнодействующая сил  и  совпадает с вектором силы  Следовательно, модуль равнодействующей всех трех сил равен

.

Используя масштаб рисунка, находим окончательный ответ

.

Правильный ответ: 3.

5. Как движется материальная точка при равенстве нулю суммы всех действующих на нее сил? Какое утверждение верно?

1) скорость материальной точки обязательно равна нулю
2) скорость материальной точки убывает со временем
3) скорость материальной точки постоянна и обязательно не равна нулю
4) скорость материальной точки может быть любой, но обязательно постоянной во времени

Решение.
Согласно второму закону Ньютона, в инерциальной системе отсчета ускорение тела пропорционально равнодействующей всех сил. Поскольку, по условию, сумма все действующих на тело сил равна нулю, ускорение тела также равно нулю, а значит, скорость тела может быть любой, но обязательно постоянной во времени. 
Правильный ответ: 4.

6. На брусок массой 5 кг, движущийся по горизонтальной поверхности, действует сила трения скольжения 20 Н. Чему будет равна сила трения скольжения после уменьшения массы тела в 2 раза, если коэффициент трения не изменится?

1) 5 Н
2) 10 Н
3) 20 Н
4) 40 Н

Решение.
Сила трения скольжения связана с коэффициентом трения и силой реакции опоры соотношением . Для бруска, движущегося по горизонтальной поверхности, по второму закону Ньютона, .

Таким образом, сила трения скольжения пропорциональна произведению коэффициента трения и массы бруска. Если коэффициент трения не изменится, то после уменьшения массы тела в 2 раза, сила трения скольжения также уменьшится в 2 раза и окажется равной

.

Правильный ответ: 2.

III. Подведение итога, оценивание.

IV. Д/з:

1.      На рисунке представлены три вектора сил, лежащих в одной плоскости и приложенных к одной точке.

Масштаб рисунка таков, что сторона одного квадрата сетки соответствует модулю силы 1 H. Определите модуль вектора равнодействующей трех векторов сил.

2.      На графике показана зависимость силы тяжести от массы тела для некоторой планеты.

Чему равно ускорение свободного падения на этой планете?

Интернет ресурс: 1. http://phys.reshuege.ru/test?theme=169

2. http://school-collection.edu.ru/catalog/rubr/ef4b174a-8fec-c03a-df26-ae730713bc30/79275/?interface=themcol

Литература:

1. М.Ю.Демидова, И.И.Нурминский “ЕГЭ 2009”
2. В.А.Касьянов “Физика. Профильный уровень”