Сила. Законы Ньютона. Взаимодействие тел. Масса. Полные уроки — Гипермаркет знаний Пример из практической жизни

В чем причина движения тел? Ответ на этот вопрос дает раздел механики, называемый динамикой.
Как можно изменить скорость тела, заставить его двигаться быстрее или медленнее? Только при взаимодействии с другими телами. При взаимодействии тела могут поменять не только скорость, но и направление движения и деформироваться, изменив при этом форму и объем. В динамике для количественной меры взаимодействия тел друг на друга введена величина названная силой. А изменение скорости за время действия силы характеризуется ускорением. Сила есть причина ускорения.

Понятие силы

Сила – это векторная физическая величина, характеризующая действие одного тела на другое, проявляющееся в деформации тела или изменении его движения относительно других тел.

Сила обозначается буквой F. За единицу измерения в системе СИ принят Ньютон (Н), который равен силе, под действием которой тело массой в один килограмм получает ускорение в один метр на секунду в квадрате. Сила F полностью определена, если заданы ее модуль, направление в пространстве и точка приложения.
Для измерения сил служит специальный прибор называемый динамометром.

Сколько же сил в природе?

Силы можно разделить на два типа:

1. Действуют при непосредственном взаимодействии, контактные (упругие силы, силы трения);
2. Действуют на расстоянии, дальнодействующие (сила притяжения, сила тяжести, магнитные, электрические).

При непосредственном взаимодействии, например выстрел из игрушечного пистолета, тела испытывают изменение формы и объема по сравнению с первоначальным состоянием, то есть деформацию сжатия, растяжения, изгиба. Сжата пружина пистолета перед выстрелом, деформируется пулька при ударе о пружину. В данном случае силы действуют в момент деформации и исчезают вместе с ней. Силы такие называют упругими. Силы трения возникают при непосредственном взаимодействии тел, когда они катятся, скользят друг относительно друга.

Примером сил, действующих на расстоянии, может служить камень, брошенный вверх, вследствие притяжения он упадет на Землю, приливы и отливы, возникающие на океанских побережьях. С увеличением расстояния такие силы убывают.
В зависимости от физической природы взаимодействия силы можно разделить на четыре группы:

• слабые;
• сильные;
• гравитационные;
• электромагнитные.

Со всеми типами этих сил мы встречаемся в природе.
Гравитационные или силы всемирного тяготения являются самыми универсальными, все, что имеет массу способно испытывать эти взаимодействия. Они вездесущи и всепроникающие, но очень слабы, поэтому мы их не замечаем, особенно на огромных расстояниях. Гравитационные силы дальнодействующие, связывают все тела во Вселенной.

Электромагнитные взаимодействия возникают между заряженными телами или частицами, посредством действия электромагнитного поля. Электромагнитные силы позволяют нам видеть предметы, так как свет это одна из форм электромагнитных взаимодействий.

Слабые и сильные взаимодействия стали известны благодаря изучению строения атома и атомного ядра. Сильные взаимодействия возникают между частицами в ядрах. Слабые характеризуют взаимные превращения друг в друга элементарных частиц, действуют при реакциях термоядерного синтеза и радиоактивных распадах ядер.

Если на тело действует несколько сил?

При действии нескольких сил на тело одновременно заменяют это действие одной силой, равной их геометрической сумме. Полученную в этом случае силу называют равнодействующей. Она сообщает телу то же ускорение, что и одновременно действующие на тело силы. Это так называемый принцип суперпозиции сил.

Как утверждает классическая физика, в известном нам мире постоянно происходит взаимодействие тел, частиц между собой. Даже если мы наблюдаем объекты, находящиеся в покое, это не означает, что ничего не происходит. Именно благодаря удерживающим силам между молекулами, атомами и элементарными частицами вы можете видеть предмет в виде доступной нам и понятной материи физического мира.

Взаимодействие тел в природе и жизни

Как мы знаем из собственного опыта, когда падаешь на что-то, бьёшься, с чем-то сталкиваешься, это оказывается неприятно и больно. Толкаете машину или в вас врезается зазевавшийся прохожий. Тем или иным образом вы вступаете во взаимодействие с окружающим миром. В физике данное явление получило определение "взаимодействие тел". Рассмотрим подробно, на какие виды подразделяет их современная классическая наука.

Виды взаимодействия тел

В природе существует четыре вида взаимодействия тел. Первое, всем известное, это гравитационное взаимодействие тел. Масса тел является определяющей в том, насколько сильна гравитация.

Она должна быть достаточно огромных масштабов, для того чтобы мы её смогли заметить. В противном случае наблюдение и регистрация данного вида взаимодействия достаточно затруднительны. Космос является тем местом, где силы гравитации вполне возможно наблюдать на примере космических тел с огромной массой.

Взаимозависимость между гравитацией и массой тела

Непосредственно энергия взаимодействия тел прямо пропорциональна массе и обратно пропорционально квадрату расстояния между ними. Это согласно определению современной науки.

Притяжение вас и всех предметов на нашей планете обусловлено тем, что существует сила взаимодействия двух тел, обладающих массой. Поэтому подкинутый вверх предмет притягивается назад к поверхности Земли. Планета достаточно массивна, поэтому сила действия ощутима. Гравитация вызывает взаимодействие тел. Масса тел даёт возможность её проявления и регистрации.

Природа гравитации не ясна

Природа этого явления на сегодня вызывает множество споров и предположений, кроме фактического наблюдения и видимой взаимосвязи между массой и притяжением, не выявлена сила, вызывающая гравитацию. Хотя на сегодня проходит ряд экспериментов, связанных с обнаружением гравитационных волн в космическом пространстве. Более точное предположение в своё время высказал Альберт Эйнштейн.

Он сформулировал гипотезу, что гравитационная сила является порождением искривления ткани пространства-времени расположенными в нем телами.

Впоследствии, при вытеснении пространства материей, оно стремится восстановить свой объем. Эйнштейн предположил, что существует обратно пропорциональная зависимость между силой и плотностью материи.

Примером наглядной демонстрации этой зависимости могут служить чёрные дыры, имеющие немыслимую плотность материи и гравитацию, способную притянуть не только космические тела, но и свет.

Именно благодаря влиянию природы гравитации сила взаимодействия тел обеспечивает существование планет, звёзд и прочих космических объектов. Кроме этого, вращение одних объектов вокруг других присутствует по этой же причине.

Электромагнитные силы и прогресс

Электромагнитное взаимодействие тел несколько напоминает гравитационное, но намного сильнее. Взаимодействие положительно и отрицательно заряженных частиц является причиной его существования. Собственно, это и вызывает возникновение электромагнитного поля.

Оно генерируется телом (телами) либо поглощается или вызывает взаимодействие заряженных тел. Этот процесс играет очень важную роль в биологической деятельности живой клетки и перераспределении веществ в ней.

Помимо этого, наглядным примером электромагнитного проявления сил является обычный электрический ток, магнитное поле планеты. Человечество достаточно обширно применяет эту силу для передачи данных. Это мобильная связь, телевидение, GPRS и многое другое.

В механике это проявляется в виде упругости, трения. Наглядный эксперимент, демонстрирующий наличие данной силы, всем известен из школьного курса физики. Это натирание шёлковой тканью эбонитовой полочки. Возникшие на поверхности частицы с отрицательным зарядом обеспечивают притяжение лёгких предметов. Повседневный пример - это расчёска и волосы. После нескольких движений пластмассой по волосам возникает притяжение между ними.

Стоит упомянуть о компасе и магнитном поле Земли. Стрелка намагничена и имеет концы с положительно и отрицательно заряженными частицами, как следствие, реагирует на магнитное поле планеты. Поворачивается своим "положительным" концом по направлению отрицательных частиц и наоборот.

Малы размеры, но огромна сила

Что касается сильного взаимодействия, то его специфика несколько напоминает электромагнитный вид сил. Причиной тому служит наличие положительных и отрицательно заряженных элементов. Подобно электромагнитной силе, наличие разноимённых зарядов приводит к взаимодействию тел. Масса тел и расстояние между ними очень малы. Это область субатомного мира, где подобные объекты именуются частицами.

Эти силы действуют в области атомного ядра и обеспечивают связь между протонами, электронами, барионами и прочими элементарными частицами. На фоне их размеров, по сравнению с большими объектами, взаимодействие заряженных тел значительно сильнее, чем при электромагнитном типе сил.

Слабые силы и радиоактивность

Слабый вид взаимодействия связан непосредственно с распадом неустойчивых частиц и сопровождается высвобождением разного вида излучения в виде альфа-, бета- и гамма-частиц. Как правило, вещества и материалы с подобными характеристиками называют радиоактивными.

Этот вид сил называется слабым вследствие того, что слабее электромагнитного и сильного типа взаимодействия. Однако он мощнее, чем гравитационное взаимодействие. Дистанции в данном процессе между частицами весьма малы, порядка 2·10 −18 метров.

Факт обнаружения силы и определения её в ряд фундаментальных произошёл достаточно недавно.

С открытием в 1896 году Анри Беккерель явления радиоактивности веществ, в частности солей урана, было положено начало изучения этого вида взаимодействия сил.

Четыре силы создали Вселенную

Вся Вселенная существует благодаря четырём фундаментальным силам, открытым современной наукой. Они породили космос, галактики, планеты, звезды и различные процессы в том виде, в каком мы это наблюдаем. На данном этапе считается полным определение фундаментальных сил в природе, но, возможно, со временем мы узнаем о наличии новых сил, и знание природы мироздания станет на шаг ближе к нам.

4.1. Взаимодействие тел – действие тел друг на друга, т.е. действие тел друг на дру­га всегда дву­сто­роннее действие.

Примеры:

Взаимодействие показано стрелками:

∙ куб действует на поверхность – поверх­ность на куб,

∙ шар на нить – нить на шар,

∙ сила тяги двигателя через колёса дейст­вует вперёд – сила трения дороги через колёса назад,

4.2. Следствием взаимодействия является – нарушение покоя тела, изменение его скорости или деформация, т.е. изменение формы тела.

Наглядный пример:

Вывод из опыта:

Чем масса тем инертнее тело

Тем изменяется скорость тела при взаимодействии, тем сильнее тело сопротивляется нарушению покоя и изменению скорости.

Пример из практической жизни:

+

При одинаковой силе воздействия труднее изменить скорость у массивного тела, т.е. у поезда.

4.3. Инертность физического тела – это свойст­во физ.тела сохранять покой или скорость.

Примеры: (см в 4.2.)

4.4. Масса тела – физическая величина, являю­щаяся мерой инертности тела: чем боль­­ше ма­сса тела, тем более инертно тело.

Единицы массы : 1кг (СИ) – равен массе меж­ду­народного прототипа килограмма, ко­торый получили сравнением с массой 1л во­ды при определённых условиях.

Замечание: прототип 1кг хранится в г.Севр вбли­зи г. Парижа, в международной пала­те мер и весов.

Внесистемные единицы массы:

1т = 1000кг = 10³кг,

1г = 0,001кг = 10¯³кг,

1мг = 0,000 001кг = 10¯⁶кг.

Примеры масс :

М с = 1,99 ∙ 10³° ­­ КГ,

m Э ­­­ = 9,11 ∙ 10¯³¹КГ.

Два способа изме­рить мас­су тела

4.5. Формула соотношения масс и скорос­тей при взаимодействии (рис в 4.2.):

M₁ − … m₂− … ₁ − … ₂ − …

4.6. Измерение массы тела с помощью вза­­и­­модействия двух тел, од­но из ко­то­рых имеет эталонную массу , т. е. из­­­­вест­ную массу:

Вам уже известно, что тела, если бы на них не действовали другие тела, трение и сопротивление воздуха, постоянно бы двигались или находились в состоянии покоя.
Давайте проведем опыт.
Прикрепленную к тележке пластину согнем и перевяжем нитью. Если поджечь нить — пластина разогнется, но при этом тележка окажется на том же месте.
Повторим этот опыт с двумя одинаковыми тележками. К согнутой пластине приставим еще одну такую же тележку. После того, как перегорит нить и пластина выпрямится, тележки переместятся на некоторое расстояние друг от друга. При действии одного тела на другое их скорость изменилась.
Таким образом, тела меняют свою скорость только при взаимодействии, то есть при действии одного тела на другое.
Понаблюдайте за игрой в бильярд или керлинг. При действии одного тела на другое, то есть при их взаимодействии, скорость изменяется у обоих тел.
Вспомните известный мультфильм «Приключения капитана Врунгеля». С помощью бутылок с шампанским он смог продолжил свой путь на яхте «Беда». Во время взаимодействия пробки от шампанского и самой бутылки оба этих тела двигались в противоположные стороны, тем самым придавали яхте движение вперед.
Проведем еще один опыт с тележками. Теперь на одну из тележек поставим дополнительный груз. Понаблюдаем, как изменятся скорости тележек при таких условиях.
Многие из вас, используя свой жизненный опыт, уже догадались, что произойдет.
После того как перегорит нить, тележки переместятся на некоторое расстояние. Конечно, тележка с дополнительным грузом изменит свою скорость меньше, чем без груза. Сравнивая изменение скоростей после взаимодействия, можем судить об их массах: если скорость одной тележки в три раза больше, то ее масса, соответственно, будет меньше в три раза.
Рассмотрим примеры.
По дороге движутся два автомобиля с одинаковой скоростью. Один автомобиль грузовой, другой - легковой. Какому из них понадобиться больше времени для того, чтобы остановиться?
Очевидно, что больше времени для остановки понадобиться грузовому автомобилю.
Какую тележку тяжелее сдвинуть с места: пустую или полностью нагруженную? Тяжелее сдвинуть с места нагруженную тележку.
Сделаем вывод: тело большей массы более инертно, то есть дольше «пытается» сохранять свою скорость неизменной. Тело меньшей массы менее инертно, так как его скорость изменяется больше.
Таким образом, мерой инертности тел является масса тела.
Масса тела — это физическая величина, которая является мерой инертности тела.
Массу тела можно найти не только сравнивая изменение скоростей тел при их взаимодействии, но и путем взвешивания.
Массу обозначают буквой m «эм».
В международной системе единиц СИ за единицу массы принят один килограмм.
Килограмм — это масса эталона. Международный эталон килограмма хранится во Франции. В соответствии с эталоном изготовлено 40 точнейших копий, одна из которых хранится в России, а именно в Санкт-Петербурге в Институте метрологии.
Для измерения массы используют и другие единицы: тонна, грамм, миллиграмм.
1т=1000кг
1 кг=1 000г
1кг=1 000 000мг
1г=0,001кг
1 мг=0,000001кг
Массу тела можно определить при помощи весов. В жизни вам встречались различные виды весов:
-рычажные,
-пружинные,
-электронные.
Мы будем использовать лабораторные весы. Их еще называют рычажными весами. Принцип взвешивания на рычажных весах заключается в уравновешивании. На одну чашу весов помещают тело, массу которого необходимо узнать. На другую чашу весов помещают гири, масса которых нам известна.
В состоянии равновесия суммарная масса гирь будет равна массе взвешиваемого тела.
При взвешивании должны соблюдаться определенные правила:
1. Проверьте чаши весов перед началом взвешивания: они должны находиться в равновесии.
2. Взвешиваемое тело положите на левую чашу весов, а гири на правую.
3. Уравновесив обе чаши, подсчитайте общую массу гирь, которая вам понадобилась.
Запомните, что при взаимодействии двух тел их скорости изменяются. Скорость изменяется больше у того тела, масса которого меньше и наоборот. Измерив скорости, мы сможем вычислить массу тела. А также массу тела мы можем определить с помощью весов.

Цели урока:

• Рассмотреть понятие взаимодействия тела и массы.

Задачи урока:

• Показать на опытах, как изменяются скорости тел при их взаимодействии. Ввести понятие массы тела как физической величины , единицы измерения массы в системе СИ.
• Развивать умение находить законы физики в окружающем мире, объяснять явления и процессы из повседневной жизни с точки зрения физики. Развивать внимание, логику.
• Воспитывать аккуратность в записях, точность в изложении физического материала, в формулировках терминов .

Основные термины:

• Взаимодействие - действие тел друг на друга.
• Масса – это физическая величина, характеризующая инертность тела.

ХОД УРОКА

Повторение темы "Инерция"

Ситуативная игра: Ученики – пассажиры автобуса. Изобразите ситуацию:

Работа в парах. Вопросы задаются ребятам по вариантам, они отвечают на них друг другу в паре, затем озвучивают свои ответы перед классом, исправляют ошибки, устраняют недочеты, дополняют ответы товарищей:

Взаимодействие тел

Вы уже знаете, что если на тело (зеленый шарик) действует другое тело (красный шарик), то оно изменяет свою скорость рисунок 4. Говорят, что первое тело подействовало на второе.
А теперь понаблюдаем за красным шариком, который катится с желоба. Оказывается, он тоже изменил свою скорость. Говорят, что второе тело действует на первое.

Подкатим тележки друг к другу, согнув пластинки, и перевяжем их тонкой нитью. Если ее пережечь, пластинки начнут распрямляться, отталкивая друг друга. При этом тележки разъедутся в стороны, приобретя некоторые скорости. Говорят, что произошло взаимодействие тележек. Просмотреть эту ситуацию Вы можете на видео №1. Если масса гирь на правой тележке мала, то за время взаимодействия она приобретает большую скорость , чем тележка с телом. И наоборот: при избыточной массе гирь скорость тележки с ними будет меньше, чем скорость тележки с телом.
Видео 1. Взаимодействие тележек.

Определение: Действие тел друг на друга называют взаимодействием.

При взаимодействии оба тела меняют свою скорость.
Примеры:
Человек прыгнул с лодки, значит, он приобрел скорость. Но лодка тоже изменила свою скорость – она отплыла назад. Рисунок 6.
При стрельбе из пушки и пушка, и снаряд приобретают скорости: снаряд летит вперед, пушка откатывается назад. Рисунок 7.

Выясним, от чего зависит изменение скорости тел при их взаимодействии?
Демонстрация: прибор для изучения закона сохранения импульса.
Опыт 1: Шарики на цилиндрах одинаковые и скорости их при взаимодействии тоже одинаковые (сравниваем по расстояниям, которые пролетели шарики).
Как вы думаете, изменятся ли скорости шариков, если один пластмассовый шарик поменять на стальной? Как?
Давайте проверим нашу гипотезу на опыте.

Опыт 2: Шарики разные и скорости их при взаимодействии тоже разные, причем скорость металлического шарика меньше скорости пластмассового шарика.
Говорят, что одно тело тяжелее другого, более инертно (т. е. дольше стремится сохранить свою скорость), одно тело массивнее другого, т. е. имеет большую массу.

Рис. 10.
Взаимодействие тел приводит к изменению их скорости.
Скорости, приобретенные телами после взаимодействия, зависят от их массы.
По взаимодействию тел можно судить об их массе.

Масса

Масса – это физическая величина, характеризующая инертность тела. Чем больше масса тела, тем оно более инертно.
Каждое тело имеет массу – капля воды, человек, Солнце, пылинка и т. д.
Обозначение массы – m.
Единицы измерения массы в системе СИ: = 1 кг.
Другие единицы измерения массы: 1 т = 1000 кг; 1 г = 0, 001 кг; 1 мг = 0,000001 кг
Эталон массы изготовлен из платиново-иридиевого сплава, имеет форму цилиндра высотой примерно 39 мм, и хранится в городе Севре во Франции. (Рисунок 11). С эталона изготовлены копии: в России хранится копия №12, в США – № 20.

Зная массу одного из тел, можно всегда оценить массу другого:
- если при взаимодействии скорости тела меняются одинаково, то массы тел равны.
- если нет, то массу второго тела можно вычислить из соотношения скоростей.

Рассмотрим на рисунке 13 измерение массы методом взаимодействия или взвешивания на весах.

На видео №2 Вы можете просмотреть измерение массы тела на рычажных весах.

На видео №3 просмотрите веселую задачку как измерить массу тела

Способы определения массы тела:
Взаимодействие с эталоном массы (по примерам из опытов). Пусть нам известна масса эталона (1 кг), скорость эталона v1 и скорость тела v2. Чтобы узнать массу тела m, надо составить уравнение m1v1 = m2v2, из которого выразить массу тела: m2 = m1v1 / v .Учитывая, что m1 = 1 кг, получаем m = v1 / v2. Этот способ, конечно, не удобен с практической точки зрения.
Взвешивание (будем изучать на следующем уроке в ходе лабораторной работы). Этот способ более удобный для нас и более привычный.
Вычисление по законам физики, используя формулы (такой способ применяют при вычислении масс планет, звезд и т. д.). Этот способ будем изучать в старших классах.

Контролирующий блок

• 1. Что характеризует масса тела?
• 2. Как можно определить сравнительную массу тела?
• 3. Как можно определить точную массу тела, если известна масса тела, взаимодействующего с ним?

Домашнее задание

2. Тест
Как соотносятся массы тележек, если после пережигания нити, удерживающей легкую пружину, они начали двигаться со скоростями, указанными на рисунке?

а) масса первой тележки в 2 раза больше массы второй тележки
б) масса первой тележки в 2 раза меньше массы второй тележки
в) массы тележек одинаковы

... гравитационное притяжение Луны и Солнца приводит к образованию приливов на морях и океанах. Высота прилива в открытом океане около 1 м, а у берегов – до 18 метров (залив Фанди в Атлантическом океане).
... приливы и отливы бывают не только в океане, но и на суше. При этом происходят перемещения земной поверхности до 50 см.
... инертность железнодорожных составов столь велика, что время торможения поезда достигает 1–2 минут. За это время поезд, скрежеща тормозами, проедет около 1–2 км!

Список литературы

1. Урок на тему: «Инерция» Сарахман И.Д., учитель физики, МОУ СОШ №8, г Моздока, РСО-Алания.
2. Урок на тему: «Взаимодействие» Шустова Л.Ф., учитель физики, Пермский край, Ножовская средняя общеобразовательная школа.
3. Урок на тему: «Масса» Онькова О.В., учитель физики, Новосибирская обл., Мошковский р-н, РМОУ Сокурская СОШ.
4. Перышкин А.В. Физика. Учебник для общеобразовательных учебных заведений 7 класс. – М., ОАО «Московские учебники», 2008