112799 (710931), страница 4

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 4)

Таким образом, существенно новым при формировании понятия о силе является то, что силу неразрывно связывают с ускорением. В том числе поясняют, что сила упругости — это в конечном итоге взаимодействие частей тела, которое приводит их в ускоренное движение.

На примере растянутой пружины выясняют, что при ее сокращении витки движутся с ускорением. «Значит, на все части растянутой пружины... действует сила ...».

Используют также полученные ранее представления о зависимости упругой силы пружины только от деформации или «взаимного расположения ее частей».

С помощью растянутой пружины может быть создана некоторая определенная сила. Вопроса об измерении этой силы или градуировке пружины пока не решают.

По существу в неявном виде растянутая пружина выступает

как некий эталон силы.

Таким образом, взаимосвязанные величины: ускорение , масса m

и сила — могут в известной мере рассматриваться как определенные независимо одна от другой.

Зависимость между силой, массой и ускорением. Второй закон Ньютона

Данную зависимость с точностью, которая возможна в демонстрационном эксперименте, устанавливают на опыте,

Поскольку согласно принятой в стабильном учебнике методике сначала устанавливается только способ задания некоторой силы «безразлично какой именно!», в опытах можно варьировать только значение массы и ускорения и, следовательно, устанавливать зависимость =const.

Установить такую зависимость для прямолинейного движения сложнее, чем для вращательного, поэтому целесообразно для опыта использовать установку (рис.12), основу которой составляет уже знакомый учащимся прибор (см. рис. 9). В установке посредине стержня 1 с помощью винта 2 закрепляют хомутик 3, имеющий вверху петельку для нити 4, которую одним концом привязывают к телу 5 массой т, а другим — к крючку трубчатого динамометра 6.

Рис. 12

Приведя прибор во вращение, показывают, что при одном и том же растяжении пружины произведение массы на ускорение для различных тел остается неизменным.

Опыты позволяют заключить, что о значении силы упругости всегда можно судить по значению произведения , т.е. или в векторной форме .

Далее на примере силы тяжести следует показать, что произведение является также мерой и других сил. Для этого можно рассмотреть пример с подвешенной на пружине гирей.

Желательно показать, что и для силы трения . Для опыта можно использовать прибор (см. рис. 12), в котором на среднюю часть стержня 1 надевают резиновую пробку. В пробку на определенную глубину втыкают иголку с ниткой, второй конец которой привязывают к телу 5 массой т. Приводят прибор во вращение и добиваются того,чтобыиголка, удерживаемаянекоторойсилой трения , была выдернута из пробки. Расчетами находят произведение .Повторяют опыт с другим телом массой при той же силе трения и убеждаются,что Следовательно, .

Делают вывод: для любых сил в механике .

Учащимся говорят, что это и есть важнейший закон динамики — второй закон Ньютона. (Авторы многих руководств по физике дают ему поэтому дополнительно «специальное» название — «основной закон динамики».)

Формула позволяет установить единицу силы. В СИ это известная учащимся единица силы — ньютон, которая теперь может быть строго определена как сила, сообщающая телу массой 1 кг ускорение 1 м/с²,

Используя второй закон Ньютона, с помощью опыта, подобного показанному на рисунке 12, можно проградуировать пружину в ньютонах. Практически тех же целей проще достичь, подвешивая к пружине гири и используя то обстоятельство, что при их равновесии Это известный учащимся статический метод измерения сил.

Измерение сил. Динамометр. Сложение сил

По данному вопросу следует, прежде всего, восстановить в памяти учащихся сведения об измерении сил динамометрами, которые им известны из курса физики пройденного ранее. В политехнических целях крайне желательно также продемонстрировать технические или медицинские динамометры, к которым школьники всегда проявляют большой интерес.

Принцип действия таких динамометров и их конструктивные особенности желательно пояснить с помощью модели, показанной на рисунке 13. На модели отчетливо видна важнейшая часть динамометра — пластинчатые пружины 1, шкала 2 и передающий механизм, состоящий из зубчатых колес 3 и рейки 4.

Рис. 13

Используя демонстрационный эксперимент, повторяют сведения о сложении сил, направленных по одной прямой, и переходят к изучению главного и нового для учащихся вопроса о сложении сил, действующих на тело под углом друг к другу.

Соответствующие правила сложения сил могут быть установлены на основе уже имеющихся у учащихся общих сведений о сложении векторов. Однако и в этом случае должен быть использован демонстрационный эксперимент. Наопытах следует также показать, как изменяется значение равнодействующей в зависимости от угла между составляющими. Введенные таким образом понятия закрепляют, решая, например, такие задачи:

1.Могут ли силы 10 и 14 Н, приложенные к одной точке, дать равнодействующую3 Н; 4 Н; 24 Н; 30 Н?

2.Найти геометрически равнодействующую двух сил по 100 Н каждая, приложенных в одной точке под углом 30; 45; 90 и 120°,

Закрепление и углубление материала на второй закон Ньютона

Для закрепления и углубления материала на второй закон Ньютона рассматривают главным образом тренировочные задачи, позволяющие усвоить формулу и единицы измерения входящих в нее величин. При решении задач нужно научить учащихся определять направление векторных величин, особенно ускорения. В соответствии с уравнением , ускорение имеет то же направление, что и сила. Следует также повторить, как определяется направление ускорения по формуле , что необходимо в том случае, когда неизвестно направление сил, действующих на тело. Можно начать с такой задачи:

С каким ускорением придет в движение вагонетка массой 400 кг, если на нее начнет действовать сила тяги 100 Н? Указать на чертеже направления скорости, силы и ускорения. Трение не учитывать.

Решение. Выполнив схематический чертеж (рис. 14), изображают действующую силу тяги .

Рис. 14

Направление ускорения совпадает с направлением . Так как в начальный момент вагонетка находилась в состоянии покоя, то направление скорости совпадает с направлением и .

Это видно также из формулы

Так как =0, то

Следует также решить задачи, по условию которых требуется учитывать действие на тело нескольких сил, направленных как по одной прямой, так и под углом друг к другу. Решение таких задач следует свести к рассмотренному выше типу, когда на тело действует только одна сила . Для этого предварительно, как правило, геометрически находят равнодействующую сил. В данной теме будет достаточно, если равнодействующая будет суммой всего двух, максимум трех сил, притом расположенных друг к другу под такими углами, которые легко изобразить на чертеже (0, 30, 45, 60, 90, 120, 135, 180°).

С каким ускорением будет двигаться вагонетка массой 400 кг, если на нее начнет действовать сила тяги 100 Н, а сила трения равна 20 Н?

Задачу решают аналогично рассмотренной выше, к, предварительно указав на чертеже силы и , находят их равнодействующую + , равную по модулю их разности и направленную в сторону силы .

Какие значения может иметь ускорение тела массой 2 кг, если на него одновременно действуют силы 10 и 15 Н?

Сила натяжения тетивы лука (рис. 15) 30 Н и угол α=120°. Какое ускорение сообщит тетива стреле массой 40 г?

Рис. 15

Для самостоятельной работы учащихся можно использовать дидактические материалы.

Третий закон Ньютона

Изучение третьего закона Ньютона начинают с повторения опытов по взаимодействию тел (см. рис. 5), обращая внимание при этом на то, что каждое из тел действует на другое с некоторой силой.

После этого следует еще раз рассмотреть взаимодействие двух тел при их вращательном движении (см, рис. 9) и записать известное учащимся соотношение виде .

Так как и и , где и - это силы, приложенные соответственно к первому и второму телам, то =- . Это равенство выражает третий закон Ньютона. Словесная его формулировка в учебной литературе различна.

В некоторых учебниках этот закон приводится в той формулировке, которая была дана в «Началах» самим Ньютоном: «Действию всегда есть равное и противоположное противодействие, другими словами, действия двух тел друг на друга всегда равны и направлены в противоположные стороны».

Еще чаще этот закон формулируется как утверждение, что «сила действия равна силе противодействия» или еще более кратко: «действие равно противодействию».

Как показывает педагогическая практика, в этих кратких формулировках третий закон Ньютона хорошо запоминается учащимися, но далеко не всегда глубоко понимается. Поэтому лучше дать более обстоятельную и исчерпывающую формулировку: силы, с которыми действуют друг на друга тела, по абсолютному значению равны и направлены по одной и той же прямой в противоположные стороны.

Силы, о которых идет речь в третьем законе Ньютона, всегда одной природы. Приложены они к различным телам и потому не имеют равнодействующей. На опытах следует показать, что силы всегда возникают парами. Если есть одна сила, то есть и другая, равная ей по модулю, но противоположная по направлению.

Рис. 16

К динамометру (рис. 16) подвешивают тело 2, например цилиндр от ведерка Архимеда, а на столик динамометра 3 ставят сосуд 4 с водой (стрелки обоих динамометров лучше установить на нуле). Опуская цилиндр 2 в сосуд 4, наблюдают одновременное, равное и противоположное изменение показаний обоих динамометров.

На внеклассных занятиях, особенно на вечерах занимательной физики, возможно решение большого числа интересных и поучительных занимательных задач, софизмов и парадоксов. В качестве примера приведем одну из таких задач:

На рычажных весах уравновешен стакан с водой. Нарушится ли равновесие весов, если в воду погрузить карандаш и держать его в руках, не касаясь стенок стакана? Проверить ответ на опыте. (Вода не должна выливаться из стакана.)

Неожиданный для учащихся результат опыта объясняется тем, что не только вода действует с архимедовой силой на карандаш, но и карандаш с равной по модулю, но противоположной по направлению силой действует на воду.

Характеристики

Список файлов реферата