Конспект урока по теме "Законы динамики Ньютона. Силы в природе."

Конспект урока

Тема: Законы динамики Ньютона. Силы в природе: упругость, трение. Сила тяжести, вес. Закон всемирного тяготения. Невесомость. Перегрузка.

Цель: дать понятие трёх видов трения – покоя, качения, скольжения. Показать их сходства и различия. Обратить внимание учащихся на огромную роль трения в жизни человека. Наглядно показать все виды деформации, дать их понятия и объяснить механизм деформации в каждом отдельном случае, способствовать пониманию закона Гука и путём решения задач воспитывать целеустремлённость учащихся. Развивать у учащихся логическое мышление, умение выделять главное из имеющейся информации и любознательность.

Оборудование: динамометр, тело, различные поверхности,  шар,  модель видов деформации.

Тип урока: изучение нового материала.

Вид  урока: беседа с элементами эксперимента.

                                            Ход урока:

Мотивационно – организационный момент:

А) Проверка готовности к уроку (наличие тетрадей и ручек у учащихся).

 Б) Проверка наличия учащихся на уроке (перекличка).

Повторение пройденного материала:

А) Как вы думаете, что легло в основу познания мира древних людей и почему?

Б) Приведите примеры, показывающие, что с помощью физики можно объяснить природные явления.

В) Проверочная работа по теме «Основные характеристики движения тел».

Объяснение нового материала:

Динамика – это раздел механики, который рассматривает взаимное действие тел друг на друга, следствием чего является изменение движения тел.

Согласно современным физическим представлениям, характер движения тела определяется его взаимодействием с другими телами.

Динамика объясняет причины, определяющие характер механического движения, то есть даёт ответ на вопрос: "Почему движется тело?".

С древних времён учёные пытались найти ответ тоже на этот вопрос:

1. Аристотель (древнегреческий философ, математик и физик) в VI веке до нашей эры считал так – движущееся тело останавливается, если сила, его толкающая, прекращает своё действие.

2. Галилео Галилей (итальянский математик, физик, астроном и механик) в XVI веке нашей эры считал так – если на тело действуют внешние силы, то оно сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения (принцип относительности).  

Основное утверждение классической механики: изменение скорости тела, то есть появление ускорения всегда вызывается воздействием на данное тело каких – либо сил.

Скорость никогда не изменится, если на тело ничто не действует или действие сил на него компенсируется. Например: книга на столе, полёт мяча или шайбы после удара спортсмена.

Тело называется свободным, если на него ничего не действует. Например: тело в невесомости. Законы Ньютона относятся к материальной точке и установлены опытным путём.

Вопрос № 1: Дать определение материальной точки.

Любое движение относительно. Тело всегда находится в покое только в той системе отсчёта, которая движется вместе с ним.

Вопрос № 2: Дать определение системы отсчёта (тела отсчёта).

Первый закон Ньютона: существуют такие инерциальные системы отсчёта, относительно которых свободные тела движутся равномерно и прямолинейно или находится в покое.

Первый закон является законом инерции, так как объясняет это явление.

Количественной мерой действия тел друг на друга, в результате которой тело получает ускорение или изменяет форму и размеры является сила. Если тело является материальной точкой, то силы прикладываются к центру масс.

Сила определяется модулем, направлением, точкой приложения силы.                                                             

Не может существовать силы, которая существовала бы отдельно от тела. Всегда можно найти тело, на которое действует сила и тело, со стороны которого она действует.

Сила – векторная величина. Для определения количественной величины силы её необходимо измерить. Прибор для измерения силы – динамометр (показать и попросить рассказать о нём учащегося). В домашних условиях пользуемся контариком (основная часть – пружина). Чем больше растяжение пружины, тем больше сила, действует на пружину.

Виды сил:

                                   1.Силы (по природе)                      

            Гравитационные       Ядерные     Электромагнитные

              (сила тяжести)                             (силы упругости, трения).

                                 2. Силы действующие

                       На расстоянии          При соприкосновении

                 (тяжести, магнитные)        (трения, упругости).

                                 3. Силы (по положению)

                    Внутренние                            Внешние

               (между телами в системе)        (извне на тела системы).

Изолированная система тел – система, в которой действуют только внутренние силы.

На тело всегда действует несколько сил, поэтому есть смысл говорить о равнодействующей сил.

Равнодействующая сил – это векторная (геометрическая) сумма всех сил, действующих на тело.

                                            F_p = F₁ + F₂ + F₃ + …+ Fn

 Ускорение тела сонаправлено с равнодействующей сил.

Правило равенства сил в механике: две силы независимо от их природы являются равными и противоположно направленными, если при их одновремённом действии на тело, скорость тела не меняется. Природа сил различна.

Единица измерения: 1 Ньютон (Н).

Внесистемные единицы измерения:

Дина =  10^-5 Н.

Килограмм – сила = 9,80665 Н.

Паундаль = 0,138255 Н (в США и Англии).

Второй закон Ньютона: ели на тело действует сила, то тело движется с ускорением прямо пропорционально силе и обратно пропорционально его массе.

                                                     а = F / m или  F = a · m.

Третий закон Ньютона: два тела действуют друг на друга с силами равными по величине и обратными по направлению.

                                                               F₁ = - F₂.

Силы, действующие по третьему закону, приложены к разным телам и поэтому они не могут уравновешивать друг друга. Все механические процессы протекают одинаково во всех системах.

Третий закон выражает общее свойство всех сил, рассматриваемых в физике: любое действие тел друг на друга носит характер взаимодействия.

Роль законов Ньютона:

Первый закон объясняет условия равномерного прямолинейного движения тел (или покоя).

Второй закон объясняет условия равноускоренного прямолинейного движения тел, а также равномерного движения тела по окружности.

Третий закон объясняет возникновение силы (взаимодействия тел).

 Решение задач № 118(а), 119(а), 120(а), 122.

Дано:                                                                                                            

F = 50 H                  F = a · m, m = F / a.                                                                                            

a = 0.1м/с²                m = 50Н / 0,1м/с² = 500кг.                                                                                                       

m = ?                          ответ: 500кг.

Дано:                                                                                                           

F = 15 H                    F = a · m, a = F / m.                                                                                            

m = 0,5кг                  а = 15Н / 0, 5 = 30м/с².                                                                                                       

 a = ?                           ответ: 30м/с².

Дано:                                                                                                            

a = 2м/с²                   F = a · m.                                                                                            

 m = 2кг                     F = 2кг· 2м/с² = 4Н.                                                                                                   

 F =  ?                           ответ: 4Н.

Закрепление:

1. Равнодействующая всех сил, действующих на тело, равно нулю. Движется ли это тело или находится в состоянии покоя?

2. Ученик тянет за один крючок динамометр с силой 40Н, другой крючок прикреплён к стене. Определите показания динамометра.

3. Равнодействующая всех сил, действующих на движущийся мяч относительно инерциальной системы отсчёта, равна нулю. Какова траектория движения мяча?

4. Привести примеры из повседневной жизни, когда тело покоится.

  Ответ: тело лежит на столе (сила тяжести = силе реакции опоры);

  Тело весит на нити (сила тяжести = силе упругости нити).

5. Привести примеры из повседневной жизни, когда тело движется равномерно и прямолинейно.

 Ответ: автомобиль движется с постоянной скоростью (сумма сил реакции опоры, тяжести, трения, тяги равна нулю);

Парашютист спускается на парашюте к земле (сила сопротивления воздуха равна силе тяжести парашютиста).

  6. Объясните опыт – в пустую пластиковую бутылку делают выстрел. Пуля пробивает  её насквозь, но бутылка остаётся целой.

  Следующую бутылку наполняют водой и повторяют выстрел. Бутылка разрывается на куски. Почему?

  Ответ: резкое увеличение давления жидкости разрывает бутылку. Давление резко возросло, так как вода мало сжимаема.

В природе существуют ещё силы упругости, которые имеют электромагнитную природу действия и возникают при определённых условиях. При этом сила упругости восстанавливает первоначальные размеры и форму тела.

Условием для возникновения сил упругости является деформация.

Деформация – это процесс воздействия на тело, при котором меняются форма тела и его размеры. Различают два вида деформаций: упругая и пластическая.

Деформация называется упругой, если после прекращения действия внешних сил тело принимает первоначальные размеры и форму.

 Деформация тела не всегда приводит к появлению сил упругости. наряду с упругими телами (теннисный мяч, стальной шар) имеются пластичные тела (пластилин, свинцовый шар), которые не восстанавливают свою форму после прекращения действия внешних сил. В них сила упругости не возникает.

Деформации, которые сохраняются в теле после прекращения действия внешних сил, называются пластическими или остаточными.

Виды деформации:

Растяжение – конечная длина тела больше начальной длины. Возникает в результате увеличения расстояния между молекулами в теле.

Сжатие – конечная длина тела меньше начальной длины. Возникает в результате уменьшения расстояния между молекулами в теле.

Кручение – происходит изменение формы тела в результате смещения отдельных слоёв тела относительно друг друга по вертикали.

Изгиб – изменение формы тела в результате изменения расстояния между слоями тела.

Сдвиг – изменение формы тела в результате смещения верхних слоёв тела относительно основания тела.

Срез – это частный случай сдвига с нарушением целостности тела.

Разрыв – это частный случай растяжения с нарушением целостности тела.

        /Все виды деформации показываются на устройстве деформаций/.

При исчезновении деформации исчезает и сила упругости.

 F_упр. = - k · Δx, где k – жесткость системы (пружины), Δx – изменение длины пружины (удлинение пружины). Жёсткость пружины измеряется в Н/м  (Ньютон на метр).

Δx = х – х₀, где х – конечная длина пружины, х₀ – начальная длина пружины. Удлинение пружины в системе СИ измеряется в м (метрах).

"-" показывает, что сила упругости направлена против силы, её вызвавшей. Между силой упругости и удлинением тела имеется прямая зависимость, чем больше сила упругости пружины, тем больше её удлинение.

Как различные тела относятся к деформации?

Твердые тела практически деформации не подвергаются, поэтому не меняют форму и размеры.

Жидкости, так как практически несжимаемы, сохраняют объём, но форму меняют легко.

Газы, имеющие большое расстояние между молекулами хорошо меняют объём и форму.

Аморфные тела хорошо меняют форму.

Сила реакции опоры является частным случаем силы упругости. также силой упругости является сила натяжения нити или пружины.

О величине силы упругости можно судить по степени растяжения или сжатия пружины. Сила упругости зависит от изменения расстояния между частицами одного и того же тела.

Закон Гука: при малых деформациях растяжения или сжатия модуль силы упругости прямо пропорционален абсолютному значению изменения длины. F_упр. = k · Δx

Английский физик Р. Гук (1635 – 1703гг) экспериментально установил, что для малых деформаций относительное удлинение ε и напряжение σ пропорциональны друг другу: σ = ε · Е, где Е -  модуль Юнга (величина табличная).

 Закон Гука работает только при растяжении или сжатии стержней: из стали, чугуна,  

 алюминия и др. твёрдых упругих тел. При больших деформациях тело разрушается.

Проблемная ситуация:

Все ходили по льду, знаете, что это сложное дело. Почему подкладывают под обувь шарф или перчатки, если проблематично добраться до берега, находясь на льду вдали от него?

Сила трения возникает вдоль поверхности 2 – х трущихся тел из – за деформации этих поверхностей (сжатие неровностей). Направлена вдоль поверхности против смещения.  Силы трения возникают  у двух соприкасающихся тел одновременно.

Сила трения по своей природе относится к электромагнитным силам. Зависит от скорости движения тел относительно друг друга. Сила трения препятствует относительному движению соприкасающихся тел. Трение не только направлено против движения, но и способствует ему при усилии самих тел. 

Например: если при движении автомобиля сила трения равна 0, то и скорость равна 0. Автомобиль буксует на месте.

При движении тел в воде или газе сила трения зависит ещё от размеров и формы тела.

Например: природа сама создала совершенную форму крыла и тела у птиц, форму тела морских животных (тюленей, дельфинов и др.)

К силе трения относятся двояко:

Полезно – ходьба, покой, бег  и т.д.

Вред – разрушение обуви (каблука и подошвы), разрушение трущихся деталей и т.д.

Различается три вида сил трения:

Сила трения покоя возникает в случае, если на тело действует сила, стремящаяся сдвинуть его с места. Направлена против этой силы. Равна по модулю этой силе. Может возрастать только до определённого значения, после чего тело начинает двигаться.

 Промежуток значения силы трения покоя:

                                                                 0≤  F_тр.п ≤ F_{тр. п.max.}

Формула для силы трения покоя:     F_{тр.п max} = mg μ, где μ – коэффициент трения покоя (величина безразмерная, находится в таблице), m – масса тела, g – ускорение свободного падения.

Если тело движется по наклонной плоскости, то оно находится в покое, если его ускорение равно 0. Тогда второй закон Ньютона будет иметь следующий вид:

                                         F_тр.п  = mg · sin α. 

Сила трения скольжения возникает в случае, если на тело действует сила, которая приводит тело в движение. Направлена против этой силы вдоль поверхности опоры.

Если модуль силы трения скольжения равен модулю действующей силе, то совершается равномерное движение.

Если модуль силы трения скольжения меньше модуля действующей силы, то совершается равноускоренное движение.

Если модуль силы трения скольжения больше модуля действующей силы, то совершается равнозамедленное движение.

Формула силы трения скольжения: F_{тр. ск.} = Nμ, где N – сила реакции опоры (зависит от силы давления на опору), μ – коэффициент трения скольжения (зависит от материала, из которого сделана поверхность и качества её обработки(шероховатости).

Опыт № 1: показать зависимость силы трения скольжения от массы тела.

Сила трения качения возникает в случае, если одно тело катится по поверхности другого. Направлено вдоль поверхности качения, против вращения. При скольжении сила трения качения во много раз больше силы трения. 

Формула силы трения качения:  F_тр.к. = μN / R, где N – сила реакции опоры.

R – радиус колеса, μ – коэффициент трения качения.

Жидкостное трение (трение в газах и жидкостях) возникает при трении о жидкость или газ. Сила возникающая в этом случае называется силой сопротивления. Сила сопротивления во много раз меньше силы сухого трения (поэтому для уменьшения трения трущиеся поверхности смазывают).

Особенность жидкостного трения: нет силы трения покоя, даже при небольшом воздействии на тело оно приходит в движение.   

Творческое задание: попробуйте сделать мост из листа бумаги так, чтобы он выдержал монету 5 копеек (старых). Этот опыт не получается, даже если лист бумаги сложить. А теперь склейте из него трубу квадратного сечения. Такой мост выдержит уже не одну монету, а больше. Проверить и ответить, почему?

 А.П.Чехов "Письмо учёному соседу" – "Вы пишите, что на Луне, то есть на месяце, живут и обитают люди и племена. Этого не может быть никогда, потому что если бы люди жили на Луне, то заслоняли бы для нас магический и волшебный свет её своими домами и тучными пастбищами. Без дождика люди не могут жить, а дождь идёт вниз на землю, а не вверх на Луну. Люди, живя на Луне, падали бы вниз на землю, а этого не бывает… Могут ли люди жить на Луне, если она существует только ночью, а днём исчезает? Вы немножко ошиблись …".

Вопрос № 1: Согласны ли вы с автором письма? Если нет, то почему? 

Тела, обладающие массой, притягиваются друг к другу силами, которые называются

гравитационными.

Понятие о гравитационных силах впервые ввёл Ньютон в 1667 году, опираясь на    собственные астрономические наблюдения и опыты.

Гравитационные силы действуют через гравитационное поле – поле, которое создаётся вблизи массивных тел и обеспечивает притяжение других тел к этому телу.

Частицей гравитационного поля является гравитон. Основной силой гравитационного поля является сила тяжести, которая определяется действием Земли на любое тело вблизи Земли и на поверхности Земли.

Этот закон показывает зависимость силы притяжения тел к массивным телам от их массы и от квадрата расстояния между ними.

Сила взаимного притяжения двух тел прямо пропорциональна произведению масс этих тел и обратно пропорционально квадрату расстояния между ними.

                            F = G m₁ m₂ | R², где G =  6.67· 10^-11 H м² / кг².

m₁ и m₂ – массы взаимодействующих тел.

G – гравитационная постоянная.

R – расстояние между взаимодействующими телами.

Физический смысл гравитационной постоянной: численно равна силе притяжения между двумя точками массой 1кг каждое, если расстояние между ними равно 1м.

Впервые измерил величину гравитационной  постоянной  английский физик Кавендиш в 1798 году с помощью крутильных весов.

Закон всемирного тяготения справедлив для двух материальных точек, двух шаров, шара и материальной точки.

 Некоторые параметры:

Масса Солнца 2 · 10³⁰кг.

Масса Земли 6 · 10²⁴кг.

Расстояние до Солнца 696 000км.

Радиус Земли 6700км.

Радиус Луны равен 1810,81км.

Масса Луны равна 7,4 · 10²²кг.

Закон всемирного тяготения позволяет понять, почему все планеты Солнечной системы имеют шарообразную форму: каждая часть планеты притягивается ко всем другим частям планеты, при этом общая масса старается принять минимальный объём (шар).

Земля не имеет идеальную форму шара, она приплюснута с полюсов.

Радиус от центра Земли до полюса равно 6,36Мм.

Радиус от центра Земли до экватора равно 6,38Мм.

Чтобы тело преодолело притяжения Земли, ему нужно сообщить три космических скорости:

Первая космическая скорость равна 8 км/с. Орбитой является окружность. Тело становится искусственным спутником Земли (ИСЗ). Первую космическую скорость можно рассчитать по формуле: V₁ = √ GM_з / R_з.

Вторая космическая скорость равна 11,2км/с. Орбитой является парабола. Тело становится спутником Солнца.

Третья космическая скорость равна 16,67км/с. Орбитой является парабола. Тело покидает Солнечную систему.

Если тело находится не на поверхности Земли, а на некотором расстоянии от её поверхности, то закон всемирного тяготения примет следующую форму записи:

           F = G m₁ m₂ | (R_з +h)², где h – высота положения тела над поверхностью Земли.

Сила тяжести – это гравитационная сила, с которой Земля притягивает к себе тела.

 F_тяж = mg. Так же как и любая сила измеряется в Н – Ньютонах. Силу тяжести на Земле через закон всемирного тяготения можно записать в виде: F_тяж = G M_з m \ (R_з + h)². 

Ускорение свободного падения – это ускорение, приобретаемое телом под действием гравитационной силы вблизи поверхности небесных тел (планет, звёзд).

Ускорение свободного падения зависит от: радиуса Земли (географической широты), чем больше радиус Земли, тем меньше ускорение свободного падения.

Высоты тела над поверхностью Земли, чем больше высота над поверхностью Земли, тем меньше ускорение свободного радения.

Гравитационное поле Земли ослабевает с расстоянием от центра Земли. Для любой планеты (космического тела) верны эти формулы:

             F_{тяж. планеты} = G M_план. m / (R_план + h)² ; g_план. = G M_план. / (R_план. + h)².

Если тело положить на опору или укрепить на подвес, то можно говорить о таком понятии как вес.

Вес – это сила, с которой тело действует на опору или подвес вследствие притяжения к Земле или к другому небесному телу.

        P = mg.   Единица измерения – Н (Ньютон).

Сходства силы тяжести и веса:

Одна формула и единица измерения.

Совпадают по направлению.

Одна природа (гравитационные силы).

 Различия силы тяжести  и веса:

Разные обозначения сил.

Разные точки приложения.

Вес тела зависит от ускорения, с которым движется опора или подвес. Если опора падает свободно (а = g), то Р = m (a – g) = 0. Наступает невесомость.

Состояние невесомости испытывают космонавты в космосе; вблизи Земли невесомость можно испытать при свободном падении с некоторой высоты, свободное парение парашютистов до выброса парашюта, при спуске на лифте.

Если тело движется с огромной скоростью, то есть с большим ускорением, то вес тела резко возрастает и наступает состояние перегрузки. Р = m (a + g).

Состояние перегрузки испытывают автомобильные гонщики на соревнованиях "Формула – 1", при подъёме на лифте, при резком увеличении скорости на простом автомобиле, при полёте на самолётах со сверхзвуковой скоростью.

Закрепление (в игровой форме):

Задание № 1. Дано кодовое слово "гравитон". На каждую букву из этого слова найти другое слово, соответствующее теме урока.

Гравитация, радиус, атом, вес, тяготение, орбита, Ньютон.

Задание № 2. В перечисленных 4 словах найти лишнее и сказать почему.

Ньютон, (угол), сила, масса.

(Путь), килограмм, ускорение, гравитация.

Скорость, сила, тяготение, (частота).

Задание № 3 (на внимательность). Выслушайте слова, зафиксируйте первую букву

каждого слова и составить слово новое. Как оно связано с темой?

Молекула, атом, скорость, строение, анализ. (Масса)

Сопротивление, инерция, Ленц, амплитуда. (Сила)

Звонок, азот, Кулон, Ом, нейтрон. (Закон)

Домашнее задание: изучить содержание лекции. Приготовить творческую и практическую работу.

Краткое описание документа:

Данный урок рассчитан на 90 минут. Объём по содержанию большой, поэтому в зависимости от программы его легко можно разделить на два или три самостоятельных уроков.

В конспекте урока можно найти несколько проблемных ситуаций, качественные тематические задачи, решение задач, кластер, игровые моменты урока, а также много дополнительного материала, интересные факты.