РОЗДІЛ II
ВЗАЄМОДІЯ ТІЛ
УРОК № 8/21
Тема уроку. Сила тертя
Тип уроку: засвоєння нових знань.
Мета уроку: розвивати вміння спостерігати фізичні явища (на прикладі взаємодії тіл); ввести поняття “сила тертя”; показати, як на практиці застосовуються знання про тертя; навчити експериментально розраховувати коефіцієнт тертя; формувати вміння аналізувати факти, отримані в ході спостереження явища. обладнання: легко-рухомий візок, дерев’яна (необстругана) і гладенька металева дошки, набори скляних пластинок,
План уроку
Етапи | Час | Прийоми і методи |
I. Актуалізація опорних знань; контроль знань | 5-7 хв. | Усне опитування |
II. Вивчення нового матеріалу | 25-30 хв. | Розповідь учителя; демонстрації та їх обговорення; бесіда; робота з підручником |
III. Закріплення нового матеріалу | 5-7 хв. | Бесіда; відповіді на питання |
IV. Домашнє завдання | 1 хв. | Коментар учителя; записи на дошці й у щоденниках |
Хід
I. Актуалізація опорних знань; контроль знань
Усне опитування
– Що характеризує сила?
– До чого приводить дія сили?
– Які сили ви знаєте?
– Як позначається і у чому вимірюється сила?
– Як називається прилад для вимірювання сили?
– Від чого залежить значення сили?
– Яка сила втримує тіла на поверхні Землі?
– Як залежить сила тяжіння від маси тіла?
– За яких умов виникає сила пружності?
– Від чого залежить значення цієї сили?
– Що називають вагою тіла?
– У чому відмінність ваги тіла від сили тяжіння? На які тіла діє кожна сила?
– Яка маса вашого тіла? Чому дорівнює ваша вага?
– За яких умов тіло перебуває у стані невагомості? Чи доводилося вам відчувати цей стан (чи близький до нього)?
II. Вивчення нового матеріалу
Бесіда
Розповідь учителя
Сьогодні ми починаємо вивчати силу тертя, з дією якої нам дуже часто доводиться зустрічатися.
Сили тертя – віковічні супутники будь-якого механічного руху (іноді шкідливі, а іноді просто незамінні). Сили тертя є завжди. Всьому, що рухається в повітрі, “заважає” сила опору повітря, всьому, що рухається у воді,- опір води. Між ковзанами і льодом, між підошвами взуття і асфальтом виникають сили тертя ковзання, між колесом і дорогою, між м’ячем і підлогою – сила тертя кочення. І навіть коли тіло не рухається, можна виявити ще один вид тертя – тертя спокою, що не дозволяє речам зрушувати зі своїх місць під дією будь-якого слабкого поштовху.
З тертям ми стикаємося на кожному кроці. Точніше було б сказати, що без тертя ми і кроку ступити не можемо. Два найголовніших винаходи людини – колесо і добування вогню – пов’язані саме із прагненням зменшити та збільшити тертя. Важливість тертя у своєму житті людина відобразила у різноманітних прислів’ях та приказках (див. їх у “Скарбничці цікавих фактів” наприкінці уроку).
Демонстрація 1. З похилої площини скочується легко-рухомий візок. Він котиться до кінця демонстраційного стола, не змінюючи помітним чином швидкості свого руху. Якщо на поверхню стола послати тканину, то візок зупиниться, не доїжджаючи до кінця стола, якщо ж розстелити поролонову доріжку, то візок зупиниться біля підніжжя похилої площини.
Питання класу
– Чому змінюється швидкість візка в ході досліду? (Через дію іншого тіла – поверхні.)
– У чому виражається ця дія? (В опорі руху.) Цю силу називають силою тертя.
– Що впливає на величину тертя? (Характер тертьових поверхонь.)
Демонстрація 2. Перевернений вгору колісьми візок переміщають по поверхні стола. Сила, необхідна для рівномірного руху, вимірюється динамометром. Потім візок ставлять на колеса і повторюють експеримент.
Питання класу
– Які сили діяли на візок у першому й у другому випадках?
– Чому в даному досліді для одних і тих самих поверхонь були отримані різні значення сили тертя?
Висновок. Існують різні види тертя. Тертя кочення (при рівних навантаженнях) менше тертя ковзання. Щоб ще раз переконатися в цьому, проведемо ще один експеримент.
Демонстрація 3. Переміщають завідомо важкий предмет на котках (котками можуть бути звичайні олівці). (У такий спосіб можна пересунути навіть будинок під час реконструкції вулиць.)
Демонстрація 4. На дерев’яну дошку поміщають брусок. Піднімаючи край дошки, демонструють, що брусок утримується на дошці.
Питання класу
– Якою силою утримується брусок на дошці?
– Як напрямлена ця сила?
Цей вид тертя називають тертям спокою.
– Наведіть свої приклади, у яких проявляється сила тертя.
– Наведіть приклади, у яких проявляється сила тертя ковзання; сила тертя кочення; сила тертя спокою.
Всі види тертя можна систематизувати.
Запис у зошит:
Сухе | Спокою |
Тертя | Ковзання |
Кочення | |
Рідке | Під час руху тіла в рідинах |
Тертя | Під час руху тіла в газах |
Питання класу
– Наведіть приклади корисного прояву тертя.
– Якими способами можна збільшити тертя?
– Наведіть приклади шкідливого прояву тертя.
– Як зменшити тертя, коли це необхідно?
Демонстрація 5. Приєднують до бруска динамометр і рівномірно тягнуть його по дерев’яній горизонтальній поверхні. Фіксують показання динамометра.
Питання класу
– Які сили діють на брусок під час руху?
– До якого виду тертя належить діюча на брусок сила тертя?
– Що можна сказати про рівнодійні сил у даному досліді? Чому?
Дослід повторюють, поступово навантажуючи брусок, тобто тим самим збільшуючи силу нормального тиску і, отже, силу нормальної реакції опори (N). Результати досліду заносять у таблицю.
№ досліду | N, H | Fтер, Н | Fтер/N |
1 | 2 | 0,50 | 0,25 |
2 | 3 | 0,75 | 0,25 |
3 | 4 | 1,00 | 0,25 |
Висновок. Відношення модуля сили тертя до модуля сили нормальної реакції опори є величина стала для даних поверхонь, що взаємодіють.
У фізиці це відношення називають коефіцієнтом тертя. Він залежить від речовини, від стичних поверхонь і від якості їхньої обробки.
Питання класу
– Що є причиною виникнення тертя?
– Чи можна так ідеально обробити поверхні, щоб позбутися тертя?
Демонстрація 6. Дві скляні гладенькі пластини так злипаються між собою, що їх надзвичайно складно змістити відносно одна одної.
Висновок. Виникнення тертя пов’язане не тільки з нерівностями поверхонь, але у випадку дуже гладеньких поверхонь – з подоланням молекулярних зв’язків між стичними тілами. Таким чином, сила тертя має електромагнітну природу.
Робота з підручником (у класі або як домашнє завдання): прочитати про рідке тертя і зробити висновок про його особливості.
III. Закріплення нового матеріалу
Питання класу
– Які причини виникнення сили тертя?
– Які ви знаєте види тертя?
– Який фізичний зміст коефіцієнта тертя?
– Наведіть приклади тертя в оточуючому нас світі.
– Які ви знаєте способи зменшення (збільшення) тертя?
IV. Домашнє завдання
[1]: § 14; впр. № 14 (задачі 1, 2, 5, 6).
[2]: § 10.
[3]: СР – задачі 12.1; 12.2; 12.5; 12.7; 12.8;
ДР – задачі 12.10; 12.11; 12.13; 12.16; 12.18;
ВР – задачі 12.20; 12.23; 12.25; 12.27; 12.38.
Додаткове завдання. Дайте відповідь, що легше: надати руху купці книг, що лежить на столі, потягнувши за нижню книгу, чи витягнути її, притримуючи (але не піднімаючи при цьому) інші? Відповідь перевірте на досліді.
Підготуватися до лабораторної роботи № 7 за посібником [4]: домашня робота № 7.
Скарбничка цікавих фактів
O Тертя і фольклор
Не підмажеш – не поїдеш.
Пішло діло як по маслу.
Вугра в руках не втримаєш.
Що кругле – легко котиться.
З навощеної нитки мереживо не сплетеш.
Кринична мотузка зруб перетре.
Іржавий плуг тільки на оранці чиститься.
Спритна людина й на динячій кірці не посковзнеться.
Лижі сковзають по погоді.
Скрипить як незмащений віз.
У дорогу йти – п’ять личаків сплести.
Кататися як сир у маслі.
Від того віз заспівав, що давно дьогтю не їв.
Як корова на льоду.
O Як розвивалися ідеї про природу тертя Повернемося на шість століть назад…
…1500 рік, Італія. Леонардо да Вінчі, відомий світову не тільки як великий живописець, але і як не менш великий учений, механік, ставить свої досліди, намагаючись з’ясувати, від чого залежить значення сили тертя. По дерев’яній дошці один за другим сковзають дерев’яні бруски. Він перевертає їх на різні грані, повторюючи дослід ще і ще раз. А потім записує відповіді на поставлені ним самим же питання. Отже:
1. Чи залежить сила тертя від площі тіла? Відповідь: не залежить.
2. Чи залежить сила тертя від матеріалу? Відповідь: залежить.
3. Чи залежить сила тертя від навантаження? Відповідь: залежить, пропорційна йому.
4. Чи залежить сила тертя від швидкості ковзання? Відповідь: не залежить.
5. Чи залежить сила тертя від якості обробки поверхонь? Відповідь: залежить.
…Інтерес до даної проблеми знову виникає лише у 1699 році. Франція. Учений Амонтон повторює досліди Леонардо і відповідає все на ті ж п’ять питань: на перші три – так само, як Леонардо, на четверте – ствердно, на п’яте – негативно.
Тобто Амонтон вважав, що тертя ковзання залежить від швидкості руху тіла, але не залежить від шорсткості поверхні.
…Початок XVIII століття. У лавах учених немає одностайності щодо питання тертя. Зійшлися тільки в одному: сила тертя пропорційна силі нормального тиску. Інші питання – без чіткої відповіді.
…1748 рік, Росія. Дійсний член Російської академії наук Леонард Ейлер опублікував свої відповіді на п’ять поставлених питань про тертя. Відповіді на питання 1, 2, 3, 5 збіглися з відповідями Леонардо, на четверте – з відповіддю Амонтона.
…1779 рік, Франція. Шарль Огюстен Кулон два роки присвятив вивченню тертя. Свої досліди він проводив на суднобудівній верфі в одному з портів Франції. Кулон на всі п’ять питань відповів ствердно. (Учням можна запропонувати дати свої відповіді на знамениті “п’ять питань про тертя”. Якщо є можливість – перевірити експериментально.)
Загальна сила тертя в якомусь малому ступені все-таки залежить від розмірів поверхні тертьових тел. Вона пропорційна силі нормального тиску, залежить від матеріалу стичних тіл і від ступеня гладкості тіл. Саме в роботах Амонтона і Кулона з’явилася знаменита формула Ftер = ?N.
…Початок XX століття. В 30-ті роки дослідження в галузі тертя виділили в окрему науку – трибологію. Ця наука – синтез механіки, фізики поверхневих явищ і хімії.
O Чи можливо?
Учені з Аугсбурзького університету (Німеччина) за допомогою спеціального мікроскопа виміряли силу тертя, що створюється окремим атомом вольфраму при переміщенні по кремнієвій підкладці.
O Учіння світло, а не учіння…
18 серпня 1851 року імператор Микола I здійснив першу поїздку з Петербурга в Москву залізницею. Начальник залізниці генерал Клейнміхель, щоб підкреслити особливу урочистість події, наказав першу версту залізничного полотна пофарбувати білою олійною фарбою. Це було дійсно красиво, але… Він забув про змащувальну дію олійної фарби, що зменшує тертя,- паровоз буксував. Жандарми, підібравши поли шинелей, бігли цю версту перед поїздом і посипали піском пофарбовані рейки, щоб збільшити силу тертя.
O Тертя у живій природі
Живі організми по-різному пристосовуються до існування тертя в природі. Завдяки наявним у них вовні, щетині, лусочкам тощо тертя виявляється малим під час руху в одному напрямку і великим – під час руху в протилежному. Це допомагає оленеві пересуватися по снігу: ворсинки хутра на ногах спрямовані вниз, тому тертя ноги оленя об сніг при опусканні велике, а при витяганні – мале. Цей же механізм допомагає дощовому черв’яку. Щетинки, спрямовані назад, вільно пропускають тіло черв’яка вперед, але гальмують зворотний рух. Водні тварини – морські зірки, губки – мають на тілі виступи, шорсткості, завдяки яким повільно опускаються у воді.
O Один із найменших…
…коефіцієнтів тертя має тефлон, який широко використовується у цей час як антипригарне покриття. Коефіцієнт тертя тефлону і, приміром, відбивної такий самий, як у двох шматків мокрого льоду. Тефлон – секретна розробка військових США 1943 року.
O Дельфіняча шкіра…
За рахунок чого дельфіни здатні розвивати настільки великі швидкості? Адже тертя у воді значно зростає зі збільшенням швидкості руху. Всі розрахунки показували: з урахуванням форми і розмірів тіла дельфіна опір води повинен бути таким, що подібна швидкість просто неможлива! Дельфінам якимось незбагненним чином вдається у 10 разів зменшити опір води! Секрет – у будові шкіри дельфінів. Вона складається із трьох еластичних шарів, причому середній шар має пористу будову – його численні перетинки прогинаються під тиском води, утворюючи “завихрення” при русі. Учені створили аналогічне синтетичне покриття – ламінфло. Завдяки “штучній шкірі” швидкість морських суден збільшилася на 25 %.
O Для чого?
Досвідчені гонщики часто намагаються прилаштуватися впритул до машини, що йде попереду. Справа тут у механізмі виникнення тертя в повітрі. При повільному русі тіла частинки повітря “розступаються” перед тілом, практично не заважаючи руху. Але при великих швидкостях частинки просто не встигають “розлетітися” у боки і тіло “жене” поперед себе повітря, ущільнюючи його при цьому. Тому гоночним автомобілям надають обтічної форми. Перша машина, таким чином, розсікає повітряний потік, а друга має менший опір середовища.
O Як напрямлена?
Коли людина йде по рівній дорозі, сила тертя напрямлена по ходу руху, тому що при ходьбі вона ступнями штовхається назад. Коли людина розбіжиться і покотиться по льоду, то сила тертя буде напрямлена назад.
O Тертя і музика
При рівномірному русі смичка скрипкова струна захоплюється ним і натягується. З натягом струни збільшується сила тертя спокою між смичком і струною. Коли сила тертя спокою досягає максимального значення, струна починає просковзувати відносно смичка і набуває коливального руху… Так народжується звук.
O Образно про тертя
Учений Боуден так образно сказав про одну із причин виникнення сили тертя – мікронерівністю поверхонь: “Накладення двох твердих тіл одного на друге подібне до накладення швейцарських Альп на перевернені австрійські Альпи – площа контакту виявляється дуже малою”.
Перша теорія змащення з’явилася тільки у 1886 р. завдяки роботам О. Рейнольда.
O Цікаво, що…
…під час ожеледі коефіцієнт тертя зменшується у 25 разів, досягаючи значення 0,02, у той час як коефіцієнт тертя між гумовою підошвою і асфальтом дорівнює 0,5.
…тертя зменшується у присутності летких речовин (валеріанка, ефір, оцет). Ці речовини, осідаючи на поверхню, створюють найтоншу плівку, що зменшує тертя.
…існує сухе змащення – графітовий пил, що застосовується у кораблебудуванні.
O Тертя і література
Опрятней модного паркета
Блистает речка, льдом одета.
Мальчишек радостный народ
Коньками звучно режет лед.
(О. С. Пушкін. Євгеній Онєгін)
Чому ковзани, з легкістю сковзаючи по поверхні льоду, не сковзають по поверхні більш гладенького скла? При ковзанні ковзана по льоду виділяється тепло, і лід під ковзаном злегка підтаює, утворюючи змащення, що полегшує ковзання. Тому в сильний мороз ковзатися стає складніше – виділюваної енергії недостатньо для того, щоб розтопити лід, а отже створити необхідне змащення.
O Цікаве питання
Які властивості повинне мати лижне мастило: воно має збільшувати чи зменшувати тертя між лижами і снігом? Адже лижник, відштовхнувшись, сковзає по інерції, і сила тертя в цьому випадку має бути якнайменшою, але водночас, оскільки лижник відштовхується, сила тертя повинна бути достатньою. Ці властивості і має лижне мастило: воно збільшує силу тертя спокою і зменшує силу тертя ковзання. На Півночі цю роль виконує хутро, яким підбивають лижі.
O А що, якби…
…тертя зникло? Світ без тертя був би досить незатишним! Розв’язалися б геть усі вузли, повикручувалися б шурупи і цвяхи, розповзлася б тканина (волокна ниток “тримаються” тертям). Легкий поштовх – і всі предмети (важка шафа, стіл, автобус тощо) вирушили б у невпинний рух. Без тертя жодне тіло не змогло б почати рух! Приміром, наші ноги просто роз’їжджалися б у різні боки. Без тертя в повітрі неможливо було б спускатися з парашутом, а метеорити всіх розмірів з величезними швидкостями урізалися б у поверхню нашої планети. Хай живе тертя!
(1 votes, average: 5,00 out of 5)