Презентация по физике 7 класс. тема: «плотность. расчет массы и объема тела по его плотности»

Трение покоя

Разместим на горизонтальном столе тело и, пользуясь динамометром, начнем действовать на тело все увеличивающейся горизонтальной силой. До некоторых пор груз будет оставаться неподвижным. Следовательно, на груз действует сила, компенсирующая силу упругости пружины динамометра. Это и есть сила трения покоя.

Сила трения покоя возникает при действии на неподвижное тело силы, направленной параллельно поверхности контакта этого тела с другим телом.

Рис 5. Брусок остается неподвижным благодаря силе трения покоя

У силы трения покоя есть максимальное значение. Если увеличить силу натяжения пружины динамометра до этого максимального значения, тело придет в движение, а трение покоя сменится трением скольжения.

Трение покоя – своеобразный «страж» состояния покоя. Именно благодаря трению покоя предметы не скользят по поверхности стола, мебель – по поверхности пола. Нитки, из которых соткана наша одежда, каждая находится на своем месте, и ткань сохраняет свою целостность. Узлы не распускаются сами по себе, а наши ноги не скользят по поверхности земли.

Причины возникновения силы трения

Сила трения возникает между поверхностями двух взаимодействующих тел. Если одно тело движется по поверхности другого, сила трения всегда направлена против движения. Рассмотрим эту ситуацию подробнее.

Часто приходится слышать фразы: «Не сотри ноги!», «Сотри, пожалуйста, с доски!» Что при этом имеется в виду? Какое явление скрывается за подобными фразами?

Когда поверхность одного тела движется по поверхности другого тела, то, даже если нам не видны бугорки, трещины, царапины, неровности – шероховатости на поверхностях тел, они начинают задевать друг за друга. Это и есть одна из причин возникновения силы трения.

Рис 1. Шероховатости на поверхностях тел – первая причина появления силы трения

Существует еще одна причина, по которой появляется сила трения. Опыт показал, что если начать устранять неровности на поверхностях трущихся тел, тщательно шлифуя их, то вначале сила трения, как и ожидается, будет уменьшаться. Но когда поверхности тел будут приближаться к идеально гладким, сила трения резко возрастет, тела начнут буквально прилипать друг к другу. Это происходит потому, что молекулы идеально гладких поверхностей начинают располагаться настолько близко друг к другу, что между ними начинают действовать силы взаимного притяжения.

Рис 2а. Когда поверхности неровные, то только некоторые атомы, которые очень близко находятся друг к другу, взаимодействуют

Рис 2б. Когда поверхности выравниваются, то взаимодействующих атомов становится намного больше

На практике чаще всего приходится сталкиваться с силой трения, вызванной шероховатостями на поверхностях тел.

Сила Архимеда в газах

В газах на тела тоже действует сила Архимеда.

Например, воздух действует с силой Архимеда на все погруженные в него тела. Так как плотность воздуха мала по сравнению с плотностью большинства тел, то и выталкивающая сила чаще всего оказывается значительно меньше силы тяжести. Однако не всегда силой Архимеда в воздухе можно пренебречь.

Возьмем два воздушных шарика: один наполнен воздухом, другой – гелием. Все знают, что если отпустить шарик с гелием, то он будет подниматься вверх, и «прилипнет» к потолку. А шарик с воздухом упадет на пол. Плотность гелия меньше плотности воздуха. Поэтому, даже несмотря на резиновую оболочку, средняя плотность шарика с гелием меньше плотности воздуха. Значит и выталкивающая сила со стороны воздуха на шарик с гелием больше, чем сила тяжести.

Воздушный шарик представляет из себя объем воздуха и резиновую оболочку. Плотность резины больше плотности воздуха, поэтому средняя плотность шарика с воздухом становится, хоть и не на много, но больше плотности воздуха. Сила тяжести больше силы Архимеда – шарик падает.

Воздушные шары летают по той же причине, что и гелиевые шарики: воздушный шар взлетает, так как его средняя плотность меньше плотности воздуха. Но для этого оболочка шара должна быть наполнена чем-то менее плотным, чем воздух (можно провести аналогию с кораблями – в них полости заполнены воздухом, плотность которого меньше плотности воды).

В каждом воздушном шаре есть горелка или любой другой мощный нагреватель. При нагревании плотность воздуха уменьшается. Внутри оболочки воздушного шара находится менее плотный горячий воздух, вокруг – более плотный холодный. В результате сила Архимеда становится больше силы тяжести и шар поднимается.

Аналогичный принцип используется в работе дирижаблей: для уменьшения средней плотности его оболочка заполняется либо газом, плотность которого меньше плотности воздуха (гелий), либо горячим воздухом, как в воздушном шаре. Ещё один вариант: воздух просто откачивается, тогда оболочка дирижабля должна быть жесткой.

Рычаг

Рассмотрим второй из выделенных нами типов простых механизмов.

Представьте: папа сел на качели (см. рис. 22)

Рис. 22. Качели с человеком

Чтобы его уравновесить, вы сядете на качели подальше от центра (см. рис. 23)

Рис. 23. Уравновешивание качелей

 Так вы, давя на качели меньшим весом, уравновесите более тяжелого папу.

Подсознательно вы использовали принцип действия простого механизма – рычага. Рычаг – это твердое тело, которое имеет точку опору и может вращаться вокруг неё. Свойствами рычага мы пользуемся, когда толкаем дверь дальше от петель, чтобы её открыть; когда берём лопату поближе к концу черенка и т.д (см. рис. 24)

Рис. 24. Принцип рычага

Чтобы строго сформулировать используемые нами свойства рычага, введём несколько понятий.

У качелей есть точка, которая остается неподвижной и вокруг которой они вращаются (см. рис. 25)

Рис. 25. Точка опоры

Эта точка называется точкой опоры (в ней качели крепятся к опоре). Для лопаты точкой опоры будет точка (см. рис. 26), для ножниц – винтик  и т.д.

Рис. 26. Точка опоры для лопаты и ножниц

Итак, у любого рычага есть одна неподвижная точка, которая называется точкой опоры.

Какие силы действуют на качели (см. рис. 27)?

Рис. 27. Качели

1) В точке опоры действует сила реакции опоры. Из-за этого данная точка остаётся неподвижной (см. рис. 28)

Рис. 28. Сила реакции опоры

2) Папа действует на качели своим весом. Эта сила стремится вращать качели против часовой стрелки (см. рис. 29)

Рис. 29. Вес человека

3) Вы тоже действуете на качели своим весом. Эта сила вращает качели по часовой стрелке (см. рис. 30)

Рис. 30. Вес второго человека

Если использовать для рычага модель материальной точки, то получится, что все силы, которые мы описали, действуют вдоль вертикали (вверх или вниз) (см. рис. 31)

Рис. 31. Модель материальной точки

Тогда движение рычага было бы возможно только вверх или вниз. Но рычаг вращается, значит, модель материальной точки для его описания неприменима.

Поэтому рассмотрим не только силы, действующие на рычаг, но и точки их приложения. Все знают, насколько труднее удерживать груз на вытянутой руке, чем на согнутой (см. рис. 32)

Рис. 32. Удерживание груза на вытянутой и согнутой руке

Можно сделать предположение, что чем ближе точка приложения силы к точке опоры, тем меньше её «вклад» в поворот рычага.

Чтобы определять точку приложения силы, введем понятие плеча силы (по аналогии с плечом руки, которая удерживает груз).

Плечо силы – это минимальное расстояние от заданной точки до прямой, вдоль которой действует сила (см. рис. 33)

Рис. 33. Плечо силы

В геометрии мы определили такое расстояние, как перпендикуляр, опущенный из точки опоры на прямую, вдоль которой действует сила.

Чаще всего мы будем рассматривать силы, действующие перпендикулярно рычагу, и плечо силы будет равно расстоянию от точки опоры до точки приложения силы (см. рис. 34)

Рис. 34. Силы, действующие перпендикулярно рычагу

Вращение рычага зависит и от значения силы, и от ее плеча – чем больше сила и длиннее её плечо, тем сильнее будет вращающее действие этой силы (см. рис. 35)

Рис. 35. Вращение рычага

Назовем произведение силы на ее плечо моментом силы.

Вспомним, что тело сохраняет свою скорость, если действующие на него силы уравновешены. При вращении тела, то же самое можно сказать про момент силы: если моменты сил уравновешены, то тело вращается равномерно или остается в покое (см. рис. 36)

Рис. 36. Моменты сил уравновешены

Вернёмся к примеру с качелями (см. рис. 23): чтобы они уравновесились, моменты двух сил – вашего и папиного веса – также должны быть уравновешены. Момент силы реакции опоры не учитываем: он равен нулю, поскольку плечо этой силы равно нулю (см. рис. 37)

Рис. 37. Момент силы реакции опоры равен 0

Момент веса папы (см. рис. 38):

Момент вашего веса (см. рис. 38):

Рис. 38. Моменты силы

Тогда . Теперь видно: чем больше будет , тем меньшего достаточно веса . Поэтому, если длина качелей будет достаточной, чтобы взяться подальше от точки опоры, взрослого человека легко уравновесить рукой (см. рис. 39)

Рис. 39. Достаточная длина качелей

Простые механизмы, работающие по тому же принципу, что и качели, называют рычагами. Примерами рычагов, как мы уже сказали, являются лопата, тачка, плоскогубцы (см. рис. 40)

Рис. 40. Примеры рычагов

На примере качелей мы увидели, что с помощью рычага можно получить выигрыш в силе, если увеличить плечо. Вокруг себя вы можете увидеть множество аналогичных примеров:

— дверь вы открываете ближе к краю, а не к петлям: плечо больше, значит, можно прикладывать меньшую силу (см. рис. 41)

Рис. 41. Открывание двери

— у дверной ручки тоже есть своё плечо, чтобы проще было её поворачивать. А вот круглые ручки поворачивать сложнее (см. рис. 42)

Рис. 42. Дверная ручка

Классификация сил

Любые два тела притягиваются. Явление притяжения по-другому называют гравитацией. Мы её ощущаем по тому, что Земля притягивает тела: преодолеваем гравитацию, когда поднимаем что-то тяжелое, и наблюдаем её действие, когда тело падает. Сила притяжения зависит от масс тел и от расстояния между ними. Масса Земли огромна, поэтому к ней тела притягиваются заметно. Две книги на полке тоже притягиваются друг к другу, но так слабо из-за малых масс, что мы этого не замечаем.

Притягивает ли нас Луна? А Солнце? Да, но намного меньше, чем Земля, из-за большого расстояния. Мы на себе притяжение Луны не ощущаем, а вот приливы и отливы происходят из-за притяжения Луны и Солнца. А черные дыры обладают настолько большой массой, что притягивают даже свет: проходящие мимо лучи искривляются.

Все тела притягиваются. Возьмем тело, которое лежит на столе. Оно притягивается к Земле, но остается на месте. Чтобы сохранялось состояние покоя, силы, действующие на тело, должны быть уравновешены. Значит должна быть сила, которая уравновешивает силу тяжести. В данном случае это сила, с которой на тело действует стол. Такую силу назвали силой реакции опоры (см. рис. 1).

При этом тело давит на стол

Если мы рассматриваем, как движется тело, нам не важно, что происходит со столом. Но если мы рассматриваем, что произойдет со столом, то нужно будет учесть это воздействие

Силу, с которой тело действует на опору или подвес, назвали весом:

Рис. 1. Взаимодействие гири и стола

Чтобы сдвинуть любое тело, надо приложить силу. В этом и заключается инертность. Если мы попробуем сдвинуть гирю на столе, она до некоторого предела вообще не сдвинется. Значит и здесь возникает некоторая сила, которая уравновешивает наше воздействие. Эта сила – сила трения:

Рис. 2. Сила трения

 Что-то похожее происходит, когда мы поднимаем гирю. Она тоже сначала не поднимается, пока наша сила не превзойдет порог: здесь этот порог – сила притяжения Земли.

Если вместо стола будет пружина, она сожмется, и будет также действовать на это тело. Тело действует на стол или пружину, они прогибаются, их молекулы смещаются (см. рис. 3), а при смещении молекул между ними возникают силы отталкивания, препятствующие дальнейшей деформации:

Рис. 3. Сила отталкивания

Отличие в том, что деформация стола чаще всего настолько мала, что ее трудно заметить, а некоторые тела деформируются значительно больше, как пружина или резинка. Мало того, по деформации такого тела можно судить о силе, которая в нем возникла. Это удобно для расчетов, поэтому эту силу изучают отдельно – ее назвали силой упругости.

А если тело положить на поверхность воды? В воде многие предметы становятся легче, значит, есть сила, которая их «приподнимает». Для некоторых тел ее достаточно, чтобы они плавали на поверхности – это и кусок пенопласта или древесины, и корабль. Благодаря этой силе мы вообще можем плавать. Эту силу назвали силой Архимеда.

Конечно, эта классификация достаточно условна. Природа силы реакции опоры и силы упругости одна и та же, но удобно их изучать отдельно. Или рассмотрим такой случай: гиря лежит на опоре и ее тянут вверх за нитку

Гиря действует и на опору, и на нитку – какую из этих сил считать весом и как назвать вторую силу? Важно рассмотреть две силы, на что они действуют, и решать задачу независимо от названий. По большому счету есть только взаимодействие атомов, но для удобства мы придумали несколько моделей

Поурочные разработки

ВВЕДЕНИЕ

  • Урок 1. Физические явления. Метод научного познания. Физика и техника
  • Урок 2. Физические величины и их измерение. Физические приборы
  • Урок 3. Лабораторная работа 1. Измерение объёма жидкости и твёрдого тела. Измерение размеров малых тел методом рядов
  • Урок 4. Урок — защита творческих работ

МЕХАНИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ

  • Урок 5. Механическое движение
  • Урок 6. Скорость
  • Урок 7. Методы исследования механического движения. Неравномерное движение. Средняя скорость
  • Урок 8. Три способа задания зависимости между физическими величинами
  • Урок 9. Подготовка к контрольной работе по темам: «Физические явления», «Механическое движение», «Скорость», «Таблицы и графики»
  • Урок 10. Контрольная работа 1. Физические явления. Механическое движение. Скорость. Таблицы и графики
  • Урок 11. Инертность. Масса
  • Урок 12. Лабораторная работа 2. Измерение массы тела
  • Урок 13. Плотность вещества
  • Урок 14. Лабораторная работа 3. Измерение плотности жидкости и твёрдого тела
  • Урок 15. Сила
  • Урок 16. Сила тяжести
  • Урок 17. Вес тела
  • Урок 18. Сила упругости
  • Урок 19. Лабораторная работа 4. Исследование зависимости удлинения стальной пружины от приложенной силы. Определение жёсткости пружины
  • Урок 20. Сила трения
  • Урок 21. Лабораторная работа 5. Исследование силы трения
  • Урок 22. Лабораторная работа 6. Сложение сил
  • Урок 23. Подготовка к контрольной работе по темам: «Масса», «Сила», «Сила тяжести», «Сила упругости», «Сила трения», «Сложение сил»
  • Урок 24. Контрольная работа 2. Масса. Сила. Сила тяжести. Сила упругости. Сила трения. Сложение сил
  • Урок 25. Равновесие тел. Лабораторная работа 7. Изучение условия равновесия тела, имеющего ось вращения
  • Урок 26. Правило равновесия рычага
  • Урок 27. Центр тяжести тела
  • Урок 28. Давление твёрдых тел и газов
  • Урок 29. Давление жидкости
  • Урок 30. Закон Архимеда
  • Урок 31. Решение задач по темам: «Давление твёрдых тел, жидкостей и газов», «Сообщающиеся сосуды», «Гидравлический пресс», «Сила Архимеда», «Условия плавания тел»
  • Урок 32. Атмосферное давление
  • Урок 33. Урок — защита творческих работ
  • Урок 34. Энергия
  • Урок 35. Механическая работа
  • Урок 36. Мощность
  • Урок 37. Простые механизмы
  • Урок 38. Лабораторная работа 8. Изучение работы простых механизмов
  • Урок 39. Механические колебания
  • Урок 40. Лабораторная работа 9. Изучение колебаний маятника
  • Урок 41. Механические волны
  • Урок 42. Урок — защита творческих работ
  • Урок 43. Подготовка к контрольной работе по темам: «Равновесие тел», «Закон Архимеда», «Атмосферное давление», «Сила трения», «Энергия», «Работа», «Мощность», «Простые механизмы», «Механические колебания и волны»
  • Урок 44. Контрольная работа 3. Равновесие тел. Закон Архимеда. Атмосферное давление. Сила трения. Энергия. Работа. Мощность. Простые механизмы. Механические колебания и волны

СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА

  • Урок 45. Атомное строение вещества
  • Урок 46. Диффузия в газах, жидкостях и твёрдых телах. Броуновское движение
  • Урок 47. Взаимодействие частиц вещества
  • Урок 48. Свойства газов
  • Урок 49. Свойства твёрдых тел и жидкостей
  • Урок 50. Урок — защита творческих работ

ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ

  • Урок 51. Температура
  • Урок 52. Внутренняя энергия
  • Урок 53. Теплопроводность. Конвекция. Излучение
  • Урок 54. Количество теплоты. Удельная теплоёмкость
  • Урок 55. Количество теплоты. Удельная теплоёмкость (решение задач)
  • Урок 56. Количество теплоты. Удельная теплоёмкость (лабораторная работа). Лабораторная работа 10. Изучение явления теплообмена. Лабораторная работа 11. Измерение удельной теплоёмкости вещества
  • Урок 57. Плавление и кристаллизация
  • Урок 58. Испарение и конденсация
  • Урок 59. Влажность воздуха. Лабораторная работа 12. Измерение влажности воздуха
  • Урок 60. Кипение
  • Урок 61. Плавление и кристаллизация. Испарение и конденсация. Кипение (решение задач)
  • Урок 62. Теплота сгорания топлива
  • Урок 63. Подготовка к контрольной работе по темам: «Строение вещества», «Тепловые явления»
  • Урок 64. Контрольная работа 4. Строение вещества. Тепловые явления

ПОВТОРЕНИЕ

  • Урок 65. Подготовка к итоговой контрольной работе по курсу физики за 7 класс
  • Урок 66. Итоговая контрольная работа

Глава 2. Взаимодействие тел

  • § 14. Механическое движение
  • § 15. Равномерное и неравномерное движение
  • § 16. Скорость. Единицы скорости
  • § 17. Расчёт пути и времени движения
  • § 18. Инерция
  • § 19. Взаимодействие тел
  • § 20. Масса тела. Единицы массы
  • § 21. Измерение массы тела на весах
  • § 22. Плотность вещества
  • § 23. Расчёт массы и объёма тела по его плотности
  • § 24. Сила
  • § 25. Явление тяготения. Сила тяжести
  • § 26. Сила упругости. Закон Гука
  • § 27. Вес тела
  • Это любопытно. Невесомость
  • § 28. Единицы силы. Связь между силой тяжести и массой тела
  • § 29. Сила тяжести на других планетах. Физические характеристики планет
  • Это любопытно. Планеты
  • § 30. Динамометр
  • § 31. Сложение двух сил, направленных по одной прямой. Равнодействующая сил
  • § 32. Сила трения
  • § 33. Трение покоя
  • § 34. Трение в природе и технике
  • Итоги главы. Взаимодействие тел

Задача №2. Вычисление массы тела

Определить массу свинцового тела объемом 0,35 м3.

Перед записью краткого условия из справочных таблиц определим плотность свинца. Она составляет 11 300 кг/м3. Так как все величины в условии заданы в системе СИ, можно сразу перейти к решению задачи.

Поскольку в условии задачи фигурирует плотность, то вначале записываем знакомую формулу для плотности, а затем по правилам алгебраических преобразований выражаем из этой формулы массу тела.

Затем проводим проверку размерности.

Обратите внимание, что кубические метры в числителе и в знаменателе сокращаются, и остаются только единицы измерения массы, килограммы. Подставим числовые данные

Подставим числовые данные

Остается записать ответ. Полное решение задачи № 2 выглядит так.

 

Рис. 3. Полное решение задачи № 2

Вариант 3

1. Тело, воздействуя на другое тело, … .

1) может изменить свою скорость, но не может изме­нить свою форму
2) может изменить как свою скорость, так и свою форму
3) может изменить свою форму, но не может изме­нить свою скорость
4) не может изменить ни свою скорость, ни свою форму

2. Вначале силу приложили к центру стержня, лежащего на столе. Затем такую же по модулю и направлению силу приложили к концу стержня, при этом характер движения стержня … .

1) не изменится, так как в обоих случаях силы равны по модулю
2) не изменится, так как в обоих случаях силы одина­ково направлены
3) изменится, так как точка приложения силы в этих двух случаях различна
4) может остаться прежним, а может и измениться, так как сила может быть направлена как вдоль стержня, так и под углом к нему

3. Если l — длина нерастянутой пружины, а l — растя­нутой, k — жесткость пружины, то модуль силы упругости растянутой пружины равен … .

1) kl
2) kl
3) k(l − l)
4) k(l + l)

4. На какие тела (дом, Луна, падающий с дерева лист) сила тяжести действует постоянно?

только на дом
только на Луну
только на падающий с дерева лист
на все перечисленные выше тела

5. Причина возникновения силы трения между двумя телами … .

1) связана только с взаимным отталкиванием моле­кул, находящихся на поверхности тел
2) связана только с взаимным притяжением молекул, расположенных в местах контакта тел
3) связана и с притяжением, и с отталкиванием моле­кул, находящихся в местах контакта тел
4) не связана с взаимодействием молекул контактирующих тел

6. Расстояние между ближайшими делениями пружинных весов, изображенных на рисун­ке, равно 1 см. Жесткость пружины дина­мометра примерно равна … .

1) 1000 Н/м
2) 500 Н/м
3) 140 Н/м
4) 10 Н/м

Ответы на тест по физике Силы 7 классВариант 1
1-1
2-4
3-3
4-1
5-4
6-2Вариант 2
1-4
2-3
3-3
4-4
5-4
6-3Вариант 3
1-2
2-4
3-3
4-4
5-3
6-1

Сила тяжести

Частным, но крайне важным для нас видом силы всемирного тяготения является сила притяжения тел к Земле. Эту силу называют силой тяжести. Согласно закону всемирного тяготения, она выражается формулой

\(~F_T = G \frac{mM}{(R+h)^2}\) , (1)

где m – масса тела, М – масса Земли, R – радиус Земли, h – высота тела над поверхностью Земли. Сила тяжести направлена вертикально вниз, к центру Земли.

Более точно, помимо этой силы, в системе отсчета, связанной с Землей, на тело действует центробежная сила инерции \(~\vec F_c\) , которая возникает из-за суточного вращения Земли, и равна \(~F_c = m \cdot \omega^2 \cdot r\) , где m – масса тела; r – расстояние между телом и земной осью. Если высота тела над поверхностью Земли мала по сравнению с ее радиусом, то \(~r = R \cos \varphi\) , где R – радиус Земли, φ – географическая широта, на которой находится тело (рис. 1). С учетом этого \(~F_c = m \cdot \omega^2 \cdot R \cos \varphi\) .

Рис. 1

Силой тяжести называется сила, действующая на любое находящееся вблизи земной поверхности тело.

Она определяется как геометрическая сумма действующей на тело силы гравитационного притяжения к Земле \(~\vec F_g\) и центробежной силы инерции \(~\vec F_c\) , учитывающей эффект суточного вращения Земли вокруг собственной оси, т.е. \(~\vec F_T = \vec F_g + \vec F_c\) . Направление силы тяжести является направлением вертикали в данном пункте земной поверхности.

НО величина центробежной силы инерции очень мала по сравнению с силой притяжения Земли (их отношение составляет примерно 3∙10-3), то обычно силой \(~\vec F_c\) пренебрегают. Тогда \(~\vec F_T \approx \vec F_g\) .

Ускорение свободного падения

Сила тяжести сообщает телу ускорение, называемое ускорением свободного падения. В соответствии со вторым законом Ньютона

\(~\vec g = \frac{\vec F_T}{m}\) .

С учетом выражения (1) для модуля ускорения свободного падения будем иметь

\(~g_h = G \frac{M}{(R+h)^2}\) . (2)

На поверхности Земли (h = 0) модуль ускорения свободного падения равен

\(~g = G \frac{M}{R^2}\) ,

а сила тяжести равна

\(~\vec F_T = m \vec g\) .

Модуль ускорения свободного падения, входящего в формулы, равен приближенно 9,8 м/с2.

Из формулы (2) видно, что ускорение свободного падения не зависит от массы тела. Оно уменьшается при подъеме тела над поверхностью Земли: ускорение свободного падения обратно пропорционально квадрату расстояния тела от центра Земли.

Однако если высота h тела над поверхностью Земли не превышает 100 км, то при расчетах, допускающих погрешность ≈ 1,5%, этой высотой можно пренебречь по сравнению с радиусом Земли (R = 6370 км). Ускорение свободного падения на высотах до 100 км можно считать постоянным и равным 9,8 м/с2.

И все же у поверхности Земли ускорение свободного падения не везде одинаково. Оно зависит от географической широты: больше на полюсах Земли, чем на экваторе. Дело в том, что земной шар несколько сплюснут у полюсов. Экваториальный радиус Земли больше полярного на 21 км.

Другой, более существенной причиной зависимости ускорения свободного падения от географической широты является вращение Земли. Второй закон Ньютона справедлив в инерциальной системе отсчета. Такой системой является, например, гелиоцентрическая система. Систему же отсчета, связанную с Землей, строго говоря, нельзя считать инерциальной. Земля вращается вокруг своей оси и движется по замкнутой орбите вокруг Солнца.

Вращение Земли и сплюснутость ее у полюсов приводит к тому, что ускорение свободного падения относительно геоцентрической системы отсчета на разных широтах различно: на полюсах gпол ≈ 9,83 м/с2, на экваторе gэкв ≈ 9,78 м/с2, на широте 45° g ≈ 9,81 м/с2. Впрочем, в наших расчетах мы будем считать ускорение свободного падения приближенно равным 9,8 м/с2.

Из-за вращения Земли вокруг своей оси ускорение свободного падения во всех местах, кроме экватора и полюсов, не направлено точно к центру Земли.

Кроме того, ускорение свободного падения зависит от плотности пород, залегающих в недрах Земли. В районах, где залегают породы, плотность которых больше средней плотности Земли (например, железная руда), g больше. А там, где имеются залежи нефти, g меньше. Этим пользуются геологи при поиске полезных ископаемых.

Вариант 1

1. В ходе взаимодействия двух тел у них … .

1) может измениться как форма, так и скорость
2) не меняется ни скорость, ни форма
3) меняется только форма
4) меняются только скорости

2. Результат действия силы зависит … .

1) только от модуля этой силы
2) только от направления этой силы
3) только от точки приложения этой силы
4) и от модуля, и от направления, и от точки прило­жения силы

3. Модуль силы упругости растянутого жгута (k — жест­кость жгута), изображенного на правом рисунке, равен … .

1) kl
2) kl
3) k(l − l)
4) k(l + l)

4. Сила тяжести — это сила, с которой … .

1) Земля притягивает к себе тело
2) тело притягивает к себе Землю
3) тело притягивается к эталону массы
4) тело давит на весы

5. Значение силы трения скольжения зависит … .

1) только от материала соприкасающихся тел
2) только от степени их обработки (шероховатости)
3) только от силы, прижимающей одно тело к поверх­ности другого
4) от всех перечисленных выше факторов

6. Сила, действующая со стороны пальца на апельсин, и равнодействующая сила, приложенная к этому апельсину, соответственно равны … .

1) 4 Н и 1 Н
2) 1 Н и 0 Н
3) 4 Н и 0 Н
4) 1 Н и 4 Н

Сила как мера взаимодействия

Когда на тело действует сила, то оно или начинает двигаться (изменять скорость), или изменяет форму (деформируется). Толкнули мяч – он покатился. Сели на стул – он хоть немного, но изогнулся, сработал как пружина, и возникшая деформация вызвала силу, которая теперь удерживает наш вес (Рис. 1).

Рис. 1. Воздействие на тела

Сколько сил действует на тело?

Представьте, мяч лежит на земле (Рис. 2). Что на него действует? На самом деле он притягивается любым другим телом на Земле, планетами, звездами и т.д., и учесть влияние всех тел на него просто невозможно, да и не нужно.

Рис. 2. Притяжение мяча другими телами на Земле

В зависимости от постановки и цели задачи мы выбираем ту модель, которая учитывает только самые значимые силы. Например, Солнце, Луна настолько сильно влияют на воду на Земле, что вызывают приливы и отливы (Рис. 3). Поэтому не рассматривать их влияние в задачах, в которых рассчитывается течение воды в мировом океане, нельзя.

Рис. 3. Приливы и отливы на Земле

А вот влияние Солнца и Луны на мяч, лежащий на земле, ничтожно мало по сравнению с силой тяжести и силой реакции опоры (Рис. 4). Поэтому при решении задачи о движении мяча мы не будем учитывать силу притяжения к Луне и Солнцу.

Рис. 4. Силы, которые учитываются при решении задачи о движении мяча

Что мы делаем при построении модели для решения физической задачи? Мы убираем из рассмотрения всё ненужное. То же самое мы делаем при округлении чисел до нужной точности. Рассмотрим для примера число π (Рис. 5). Его невозможно записать с помощью конечного числа знаков. Но для решения большинства задач нам можно отбросить все, кроме двух знаков после запятой, получится 3,14. Но если мы создаем алмазный шлифовальный круг, где важна точность в сотые доли миллиметра, то такое округление будет уже слишком грубым и погрешность будет очень высокой. Поэтому мы возьмём более точное значение π, например, 3,14159.

Рис. 5. Число π

Чем удобно понятие силы?

Может показаться, что сила – не очень удобное понятие. Действительно, мы не можем измерить её напрямую, а только косвенно. Мы наблюдаем только следствия действия сил: ускорение тел (Рис. 6), деформацию (Рис. 7).

Рис. 6. Ускорение тела

Рис. 7. Деформация тела

Существует популярное развлечение – полёт в аэротрубе (Рис. 8). Но для того чтобы сделать эти полёты безопасными, нужно рассчитать, с какой силой поток воздуха должен действовать на человека, чтобы тот не упал.

Рис. 8. Полет человека в аэротрубе

Падает человек из-за гравитации, поддерживает его – сила давления потока воздуха (Рис. 9). Природа этих сил разная, но в результате человек зависает в трубе, то есть силы уравновешиваются. Получается, что рассчитать, при каком потоке воздуха будет равновесие, мы можем при помощи понятия силы. Поскольку явление независимо от природы сил, действующих на человека, одно и то же – его движение в вертикальной плоскости под действием этих сил.

Рис. 9. Силы, действующие на человека в аэротрубе

На любое тело всегда действует бесконечное количество сил, даже силы гравитационного притяжения к Плутону и Альфа Центавра, но даже если мы будем учитывать только самые важные, для конкретной задачи силы, их всё равно может быть несколько (Рис. 10). Поэтому, чтобы понятие силы было эффективным для решения различных задач механики и вообще физики, необходимо научиться определять результат одновременного действия нескольких сил.

Рис. 10. Пример действия нескольких сил на тело

Когда мы сидим на стуле (Рис. 11), на нас действует сила тяжести (притяжения к земле) и сила реакции опоры (со стороны стула). Поскольку мы никуда не движемся, то эти силы уравновешивают друг друга, и суммарный результат действия этих двух сил – 0. Конечно же, простейший пример: две силы, направленные в противоположных направлениях. А что если нам нужно будет рассчитать результат действия нескольких сил, которые направлены в произвольные стороны?

Рис. 11. Силы, которые действуют на человека, сидящего на стуле

Жизненный опыт подсказывает нам: если силы направлены в одну и ту же сторону, то они «помогают» друг другу. Действительно, если вы тащите с другом стол, действуя на него в одну и ту же сторону (Рис. 12), вам легче. А если силы направлены в противоположные стороны, то они друг другу «мешают». Действительно, если тащить с другом стол, причем действуя на него в противоположных направлениях (Рис. 13), приблизительно с одинаковыми силами, он может и вообще не сдвинуться с места.

Рис. 12. Воздействие на стол в одну и ту же сторону

Рис. 13. Воздействие на стол в противоположных направлениях

Если толкать стол так, что силы будут перпендикулярны друг другу, то стол поедет наискосок (Рис. 14).

Рис. 14. Воздействие на стол сила, которые направлены перпендикулярно друг другу

Ссылка на основную публикацию