ТЕМА 3. РУКОТВОРНІ СИСТЕМИ
УРОК 20
ТЕМА. ВИДИ СИЛ
Мета уроку: навчальна – сформувати в учнів уявлення про види сил, причини їхнього виникнення та особливості, навчити розпізнавати дію різних видів сил і наводити власні приклади їхніх проявів у повсякденному житті; розвиваюча – розвивати логічне мислення; виховна – виховувати в школярів спостережливість.
Основні поняття: сила пружності, сила тертя, виштовхувальна сила.
Методи уроку: словесний (бесіда), наочний (демонстрація дослідів).
Обладнання: лабораторний
Тип уроку: засвоєння нових знань та вмінь.
Міжпредметні зв’язки: фізика (7 клас).
Структура уроку
І. Перевірка домашнього завдання
II. Повідомлення теми, мети й завдань уроку
III. Актуалізація опорних знань учнів, їхнього попереднього досвіду
IV. Викладення основного матеріалу Характеристика причин виникнення, напрямку, точки прикладання та значення сил пружності тертя та тяжіння.
V. Підбиття підсумків уроку
VI. Домашнє завдання
Хід уроку
I. ПЕРЕВІРКА ДОМАШНЬОГО ЗАВДАННЯ
– Запитання до учнів
1. Що таке сила, які
2. Як називають прилад для вимірювання сили? Як називають одиницю виміру сили?
3. За якими ознаками судять про настання стану невагомості? Чому в космонавтів, які перебували в тривалому космічному польоті, м’язи стають слабкими, нетренованими?
II. ПОВІДОМЛЕННЯ ТЕМИ” МЕТИ Й ЗАВДАНЬ УРОКУ
ІІІ. АКТУАЛІЗАЦІЯ ОПОРНИХ ЗНАНЬ УЧНІВ, ЇХНЬОГО ПОПЕРЕДНЬОГО ДОСВІДУ
– Слово вчителя
Довкола нас відбуваються різноманітні рухи тіл або їхніх частин: схиляються дерева, бринить струна, іде дощ, тече вода в річці, зупиняється автомобіль, завмирає на траві м’яч, що котився по ній, змінює напрямок стрілка компаса. Зміни форми тіл, швидкості або напрямку їхнього руху зумовлюються різними силами.
Характеристика причин виникнення, напрямку, точки прикладання та значення сил пружності, тертя та тяжіння
Ми продовжуємо знайомитися з таким фізичним поняттям, як сила. Залежно від виду взаємодії двох тіл розрізняють шість головних видів сил:
1) магнітна сила;
2) електрична сила;
3) виштовхувальна, або Архімедова, сила;
4) сила тяжіння;
5) сила пружності;
6) сила тертя.
– Завдання у робочому зошиті
Будь-який вид сили позначають латинською літерою F і вимірюють у ньютонах (Н). Замість того щоб писати “На людину діє сила тяжіння, що дорівнює 600 ньютонам”, можна коротко написати F = 600 Н. На кресленні або на рисунку сили зображують стрілкою. Чим більше значення сили, тим довшою малюють стрілку. Напрямок дії сили збігається з напрямком стрілки.
Давайте порівняємо три найпоширеніші види сил за тими характеристиками, що описують силу (напрямок, точка прикладання), а також ознайомимося з проявом цих сил у повсякденному житті.
Назва | Причина виникнення | Напрямок | Точка прикладання | Характеристика |
1. Сила пружності Fпр | Деформація тіла (згинання, розтягування, стискування) | У бік, протилежний напрямку деформації
| Центр предмета | Намагається відновити форму предмета |
2. Сила тертя Fтер | Рух одного тіла по поверхні іншого ковзання, кочення) | Проти руху тіла по лінії, паралельній руху тіла
| Центр поверхні ковзання | Намагається зупинити тіло або зберегти його стан спокою |
3. Сила тяжіння Fтяж | Притягання Землі або інших тіл | До центра Землі
| Центр предмета | Приводить до падіння предметів на поверхню Землі |
Виштовхувальна, або Архімедова, сила проявляється стосовно тіл, занурених у рідину або газ. Магнітна та електрична сили проявляються там, де діє електричний струм. Досліджувати й описувати ці сили складніше, тому ви ознайомитеся з ними в середніх класах на уроках фізики.
– Завдання у робочому зошиті
V. ПІДБИТТЯ ПІДСУМКІВ УРОКУ
– Бесіда
– Які шість головних видів сил розрізняють у природі? (Силу пружності, силу тертя, силу тяжіння, Архімедову силу, магнітну та електричну сили.)
– Чим усі сили схожі між собою? (Вони виникають при взаємодії тіл і приводять до зміни їхньої швидкості, напрямку руху або форми.)
– Чим сили відрізняються одна від одної? (Причинами виникнення, напрямками й точкою прикладання.)
VI. ДОМАШНЄ ЗАВДАННЯ
Дати відповіді на запитання після параграфа. Принести неважкий предмет (масою не більше 500 грамів) (іграшку, пенал, мило, блокнот тощо) для виконання практичної роботи.
ДОДАТКОВИЙ МАТЕРІАЛ ДО УРОКУ
Закон всесвітнього тяжіння
До ідеї про існування всесвітнього тяжіння, або гравітації (від. латин, gravitas – тягар, вага), Ньютон дійшов ще в 1666 році, коли йому виповнилося всього 24 роки. Згідно з легендою, це сталося під час відпочинку в саду. Дивлячись на яблуко, яке падало, Ньютон замислився: чи не одна й та сама сила змушує яблуко падати, а Місяць – рухатися навколо Землі?
Багато істориків науки й учені намагалися з’ясувати, чи відповідає ця легенда істині. Ось що розповідає у “Спогадах про життя Ісаака Ньютона” його друг Вільям Стеклі, який відвідав Ньютона 15 квітня 1725 року в Лондоні: “Оскільки було спекотно, ми пили пообідній чай у саду, в затінку крислатих яблунь. Нас було тільки двоє. Між іншим, він (Ньютон) сказав мені, що в такій самій обстановці йому вперше спала на думку ідея про тяжіння. Її причиною було падіння яблука, коли він сидів, поринувши в думи…” Мемуари Стеклі вийшли у світ лише в 1936 році, однак уже в 1728 році, через рік після смерті Ньютона, Вольтер у книзі, присвяченій викладові його ідей, наводить як приклад аналогічну історію. Інший англієць Кізинг, викладач Йоркського університету, який цікавився історією та філософією науки, стверджує, що легендарна яблуня була єдиною в садку Ньютона, і наводить розповіді та рисунки з її зображенням. Легендарне дерево пережило Ньютона майже на 100 років, загинуло в 1820 році під час сильної грози. Крісло, зроблене з деревини цієї яблуні, зберігається в Англії в приватній колекції.
Ньютон зрозумів, що сила, яка йде від Сонця, утримує на орбітах планети, не дозволяючи їм віддалятися від світила. Без цієї стримувальної центральної сили планети рухалися б прямолінійно, але притягання Сонця змушує планети безупинно відхилятися від прямолінійного руху й у такий спосіб “падати” на свої орбіти.
Міркуючи про це, Ньютон відкрив закон всесвітнього тяжіння. Однак публікувати його він не став і нікому про нього не розповів. Однією з причин було те, що при порівнянні результатів своєї теорії з дослідними даними він виявив розбіжності (насправді вони були зумовлені використанням помилкового значення радіуса Землі). Коли ж, через багато років, Ньютонові стали відомі більш точні дані про розміри Землі, він, як пише англійський фізик Олівер Лодж, “дістав свої старі рукописи й знову взявся за обчислення… Нові дані змінюють результати: у надзвичайному збудженні переглядає він очима свою роботу, перо не встигає стежити за думкою, і, нарешті, обчислення приводить його до бажаних результатів. Неймовірно велике значення й глибина його відкриття настільки засліплюють його своїм сяйвом, що затуманені очі не бачать рукопису. У знемозі він відкидає перо; таємниця світобудови, нарешті, відкрилася йому, єдиному у світі…”.
Сучасне формулювання відкритого Ньютоном закону всесвітнього тяжіння таке: сила гравітаційного притягання будь-яких двох частинок прямо пропорційна добутку їхніх мас і обернено пропорційна квадрату відстані між ними:
Лобовий опір
Ще Ісаак Ньютон звернув увагу на небесні тіла, які рухаються у вакуумі майже без опору. Земля, наприклад, за час свого існування зробила мільярди обертів навколо Сонця, проте її орбіта майже не змінилася.
Тим часом на самій планеті Земля будь-яке переміщення відбувається або в повітрі, або у воді, і на тіло, що рухається, завжди діє сила, протилежна напрямку його руху щодо навколишнього середовища. Цю силу називають лобовим опором. Саме через неї для підтримання рівномірного руху будь-якого транспортного засобу необхідна робота двигуна: якщо його вимкнути, тіло втратить швидкість і зупиниться.
Лобовий опір залежить від форми та розмірів тіла, властивостей середовища й, що важливо, від швидкості руху. При невеликих розмірах тіла й повільному русі величина сили опору прямо пропорційна швидкості руху тіла. На нерухомі тіла сила опору не діє.
Здатність середовища перешкоджати рухові тіла називають в’язкістю (або внутрішнім тертям). В’язкість характеризує тертя між сусідніми шарами рідини (газу), що ковзають один стосовно одного. Вона залежить від температури середовища, і ця залежність має різний вигляд для рідин і для газів. Кожна молекула рідини щільно оточена з усіх боків своїми найближчими молекулами-сусідами, які перебувають від неї на відстанях, що приблизно дорівнюють її діаметру. Вона коливається навколо положення рівноваги, а потім різко перестрибує до нового центру коливань. При збільшенні температури рухливість молекул зростає. Це приводить до зменшення сили опору в рідинах, тому що в нагрітій рідині частіше створюються сприятливі умови для переміщення частинок у напрямку прикладеної сили. Це нагадує ситуацію, коли людині легше пробиратися крізь юрбу, в якій люди рухаються безладно, аніж крізь нерухому юрбу.
Середня відстань між молекулами газу зазвичай велика, і більшу частину часу вони рухаються вільно, зрідка зіштовхуючись одна з одною. Відстань між послідовними зіткненнями молекул (так звана довжина вільного пробігу) у тисячі разів перевищує розміри самих молекул. Із підвищенням температури рухливість молекул газу збільшується, тим часом як його в’язкість, на відміну від рідин, зростає.
“З’їдаючи” швидкість тіл, що рухаються, опір середовища не завжди відіграє негативну роль. Він, приміром, захищає Землю від потоку метеоритів, які згорають завдяки опору в щільних шарах атмосфери.
Сила тертя
Тертя виникає при ковзанні одного твердого тіла по поверхні іншого. Якщо стикаються тверді поверхні, то таке тертя називають сухим. Сила тертя, що діє вздовж поверхні зіткнення твердих тіл, спрямована проти ковзання тіла. Що визначає величину сили сухого тертя? Повсякденний досвід свідчить: чим сильніше притиснені поверхні тіл одна до одної, тим важче викликати їхнє взаємне ковзання й підтримувати його (наприклад, аркуш паперу, вкладений між сторінками товстої книги, що лежить на столі, простіше витягнути з-під обкладинки, аніж із середини або нижньої частини товстого тому).
У 1781 році Шарль Кулон, вивчаючи тертя деталей і мотузок, які в той час були істотними частинами механізмів, експериментально встановив, що сила тертя Fтep прямо пропорційна силі, що притискає, N:
Коефіцієнт пропорційності m – коефіцієнт тертя – визначається шорсткістю дотичних поверхонь. Для більш гладких поверхонь він менший. Наприклад, шайба після удару по ній хокейною ключкою, швидше зупиниться на дерев’яній підлозі, аніж на льоду.
Ще одна цікава відмінність сухого тертя від в’язкого (у рідинах і газах): ця сила не залежить від площі зіткнення тертьових поверхонь. Якщо цегла ковзає вниз по похилому даху, її швидкість не залежить від того, чи рухається вона плиском (своїм більшим за площею боком), чи стоячи на боці. У чому причина такої несподіваної поведінки сили?
Тертя виникає через взаємодію між дотичними частинами тіл. Навіть на відполірованій твердій поверхні є безладно розташовані мікроскопічні виступи й западини. їхня висота або глибина незначна – приблизно сотні діаметра атома. Якби ці виступи або западини були б меншими, то суміжні поверхні тіл злиплися б через притягання між їхніми молекулами. Дотикання двох тіл при русі відбувається насправді не по всій поверхні, як нам здається, а лише в окремих “точках дотику”, тобто на вершинах виступів поверхонь. Сумарна площа реального дотику в 100-1000 разів менша від загальної площі зіткнення.
Якщо під час руху на дотичні тіла натискати, то сила, яка їх притискає, сплющує виступи, і їхня сумарна площа збільшується. Таким чином, реальна площа зіткнення тіл залежить тільки від сили, що їх притискає, а не від загальної площі поверхні зіткнення.
Сухе тертя призводить до нагрівання тертьових поверхонь, оскільки при деформації виступів виділяється тепло, яке не встигає поширюватися вглиб речовини. Це спричинює розм’якшення тонкого поверхневого шару, який виконує роль змазки, зменшуючи силу тертя. Ось чому ковзани й лижі легко ковзають по снігу.
(1 votes, average: 5,00 out of 5)