Нам уже известно, что для описания взаимодействия тел используется физическая величина, называемая силой. На этом уроке мы подробнее познакомимся со свойствами этой величины, единицами силы и прибором, который используется для ее измерения - с динамометром.
Тема: Взаимодействие тел
Урок: Единицы силы. Динамометр
Прежде всего, вспомним, что такое сила. Когда на тело действует другое тело, физики говорят, что со стороны другого тела на данное тело действует сила.
Сила - это физическая величина, характеризующая действие одного тела на другое.
Сила обозначается латинской буквой F , а единица силы в честь английского физика Исаака Ньютона называется ньютоном (пишем с маленькой буквы!) и обозначается Н (пишем заглавную букву, так как единица названа в честь ученого). Итак,
Наравне с ньютоном, используются кратные и дольные единицы силы:
килоньютон 1 кН = 1000 Н;
меганьютон 1 МН = 1000000 Н;
миллиньютон 1 мН = 0,001 Н;
микроньютон 1 мкН = 0,000001 Н и т. д.
Под действием силы скорость тела изменяется. Другими словами, тело начинает двигаться не равномерно, а ускоренно. Точнее, равноускоренно : за равные промежутки времени скорость тела меняется одинаково. Именно изменение скорости тела под действием силы физики используют для определения единицы силы в 1 Н.
Единицы измерения новых физических величин выражают через так называемые основные единицы - единицы массы, длины, времени. В системе СИ - это килограмм, метр и секунда.
Пусть под действием некоторой силы скорость тела массой 1 кг изменяет свою скорость на 1 м/с за каждую секунду . Именно такая сила и принимается за 1 ньютон .
Один ньютон (1 Н) - это сила, под действием которой тело массой 1 кг изменяет свою скорость на 1 м/с каждую секунду.
Экспериментально установлено, что сила тяжести, действующая вблизи поверхности Земли на тело массой 102 г, равна 1 Н. Масса 102 г составляет приблизительно 1/10 кг, или, если быть более точным,
Но это означает, что на тело массой 1 кг, то есть на тело в 9,8 раз большей массы, у поверхности Земли будет действовать сила тяжести 9,8 Н. Таким образом, чтобы найти силу тяжести, действующую на тело любой массы, нужно значение массы (в кг) умножить на коэффициент, который принято обозначать буквой g :
Мы видим, что этот коэффициент численно равен силе тяжести, которая действует на тело массой 1 кг. Он носит название ускорение свободного падения . Происхождение названия тесно связано с определением силы в 1 ньютон. Ведь если на тело массой 1 кг действует сила не 1 Н, а 9,8 Н, то под действием этой силы тело будет изменять свою скорость (ускоряться) не на 1 м/с, а на 9,8 м/с каждую секунду. В старшей школе этот вопрос будет рассмотрен более подробно.
Теперь можно записать формулу, позволяющую рассчитать силу тяжести, действующую на тело произвольной массы m (Рис. 1).
Рис. 1. Формула для расчета силы тяжести
Следует знать, что ускорение свободного падения равно 9,8 Н/кг только у поверхности Земли и с высотой уменьшается. Например, на высоте 6400 км над Землей оно меньше в 4 раза. Однако при решении задач этой зависимостью мы будем пренебрегать. Кроме того, на Луне и других небесных телах также действует сила тяжести, и на каждом небесном теле ускорение свободного падения имеет свое значение.
На практике часто приходится измерять силу. Для этого используется устройство, которое называется динамометр. Основой динамометра является пружина, к которой прикладывают измеряемую силу. Каждый динамометр, помимо пружины, имеет шкалу, на которую нанесены значения силы. Один из концов пружины снабжен стрелкой, которая указывает на шкале, какая сила приложена к динамометру (Рис. 2).
Рис. 2. Устройство динамометра
В зависимости от упругих свойств пружины, использованной в динамометре (от ее жесткости), под действием одной и той же силы пружина может удлиняться больше или меньше. Это позволяет изготавливать динамометры с различными пределами измерения (Рис. 3).
Рис. 3. Динамометры с пределами измерения 2 Н и 1 Н
Существуют динамометры с пределом измерения в несколько килоньютонов и больше. В них используется пружина с очень большой жесткостью (Рис. 4).
Рис. 4. Динамометр с пределом измерения 2 кН
Если подвесить к динамометру груз, то по показаниям динамометра можно определить массу груза. Например, если динамометр с подвешенным к нему грузом показывает силу 1 Н, значит, масса груза равна 102 г.
Обратим внимание на то, что сила имеет не только численное значение, но и направление. Такие величины называют векторными. Например, скорость - это векторная величина. Сила - также векторная величина (говорят еще, что сила - вектор).
Рассмотрим следующий пример:
Тело массой 2 кг подвешено на пружине. Необходимо изобразить силу тяжести, с которой Земля притягивает это тело, и вес тела.
Вспомним, что сила тяжести действует на тело, а вес - это сила, с которой тело действует на подвес. Если подвес неподвижен, то численное значение и направление веса такие же, как у силы тяжести. Вес, как и сила тяжести, рассчитываются по формуле, изображенной на рис. 1. Массу 2 кг необходимо умножить на ускорение свободного падения 9,8 Н/кг. При не слишком точных расчетах часто ускорение свободного падения принимают равным 10 Н/кг. Тогда сила тяжести и вес приблизительно будут равны 20 Н.
Для изображения векторов силы тяжести и веса на рисунке необходимо выбрать и показать на рисунке масштаб в виде отрезка, соответствующего определенному значению силы (например, 10 Н).
Тело на рисунке изобразим в виде шара. Точка приложения силы тяжести - центр этого шара. Силу изобразим в виде стрелки, начало которой расположено в точке приложения силы. Стрелку направим вертикально вниз, так как сила тяжести направлена к центру Земли. Длина стрелки, в соответствии с выбранным масштабом, равна двум отрезкам. Рядом со стрелкой изображаем букву , которой обозначается сила тяжести. Так как на чертеже мы указали направление силы, то над буквой ставится маленькая стрелка, чтобы подчеркнуть, что мы изображаем векторную величину.
Поскольку вес тела приложен к подвесу, начало стрелки, изображающей вес, помещаем в нижней части подвеса. При изображении также соблюдаем масштаб. Рядом помещаем букву , обозначающую вес, не забывая над буквой поместить небольшую стрелку.
Полное решение задачи будет выглядеть так (Рис. 5).
Рис. 5. Оформленное решение задачи
Еще раз обратите внимание на то, что в рассмотренной выше задаче численные значения и направления силы тяжести и веса оказались одинаковыми, а точки приложения - различными.
При расчете и изображении любой силы необходимо учитывать три фактора:
· численное значение (модуль) силы;
· направление силы;
· точку приложения силы.
Сила - физическая величина, описывающая действие одного тела на другое. Обычно она обозначается буквой F . Единица измерения силы - ньютон. Для того чтобы рассчитать значение силы тяжести, необходимо знать ускорение свободного падения, которое у поверхности Земли составляет 9,8 Н/кг. С такой силой Земля притягивает к себе тело массой 1 кг. При изображении силы необходимо учитывать ее числовое значение, направление и точку приложения.
Список литературы
- Перышкин А. В. Физика. 7 кл. - 14-е изд., стереотип. - М.: Дрофа, 2010.
- Перышкин А. В. Сборник задач по физике, 7-9 кл.: 5-е изд., стереотип. - М: Издательство «Экзамен», 2010.
- Лукашик В. И., Иванова Е. В. Сборник задач по физике для 7-9 классов общеобразовательных учреждений. - 17-е изд. - М.: Просвещение, 2004.
- Единая коллекция цифровых образовательных ресурсов ().
- Единая коллекция цифровых образовательных ресурсов ().
- Единая коллекция цифровых образовательных ресурсов ().
Домашнее задание
- Лукашик В. И., Иванова Е. В. Сборник задач по физике для 7-9 классов №327, 335-338, 351.
Цели урока:
- Обобщить опыт учащихся по наблюдениям за притяжением тел Землей и дать количественную меру этого притяжения – силу тяжести.
- Подтвердить теорию фронтальными опытами.
- Ввести новое для учащихся понятие – “g”.
Ход урока:
- Вспомнить понятие силы как меры взаимодействия и что сила является величиной векторной.
- На нити, закрепленной на штативе, висит шарик (рис. 1).
нить пережечь
Вопрос к классу: Почему шарик падает?
Ответ: потому, что его притягивает Земля.
ОПЫТЫ ПО ТЕМЕ: “СИЛА ТЯЖЕСТИ. ПОЛЕ ТЯГОНЕНИЯ”
Идею этой сказки, а может и не сказки,
Поймет не только взрослый, но даже карапуз!
Не стойте и не прыгайте, не пойте, не пляшите,
Там где идет строительство или подвешен груз! (Э. Успенский)
Действительно, ведь груз всегда падает вертикально вниз! А почему именно вертикально вниз, а не куда-нибудь в сторону? Причина в том, что все тела притягиваются Землей.
Все принадлежности для проведения опытов должны лежать в коробочке.
Опыт 1. Камешки в руке.
Оборудование: два камешка, один маленький, а другой побольше.
Возьми в руку камешек, который побольше. Ты чувствуешь тяжесть, не так ли? Пусть на одной ладони у тебя будет прежний камешек, а на другой – который поменьше. Ты чувствуешь, что маленький камешек значительно легче.
Тяжелое и легкое – это означает сильное слабое притяжение к Земле.
Опыт 2. Бросание предметов в воздухе.
Оборудование: кусочек пластилина.
- Возьми кусочек пластилина.
- Подними его над полом и отпусти. Проследи за его падением.
- Подбрось кусочек пластилина вверх т снова проследи за его падением.
- Опиши свои наблюдения и объясни, почему пластилин всякий раз оказывается на полу?
! По окончании опыта подбери с пола пластилин и положи в коробку.
Опыт 1. Почему не падали камешки на землю? Что им мешало? Рука, на которой они лежали.
Опыт 2. Почему брошенный вверх кусочек пластилина падает на Землю? Земля его притягивает.
А почему в нашем опыте с шариком, который висел на нити, не падал на Землю? Что ему мешало? Нить.
Опыт 3. проводимый учителем.
Взять два одинаковых шарика – один из пластмассы, а другой из стали (одинакового цвета) и подвесить их на шляпную резинку одинаковой длины. Обратить внимание на то, что оба шарика растянули резинку. Но резинка, стараясь сократиться до прежнего размера, действует на шарик с силой направленной вертикально вверх.
Стальной шарик растянул резинку сильнее, следовательно, ее действие на шарик большее (рис. 2).
СИЛОЙ ТЯЖЕСТИ НАЗЫВАЕТСЯ СИЛА, ЧС КОТОРОЙ ЗЕМЛЯ ПРИТЯГИВАЕТ К СЕБЕ ТЕЛО.
Чем отличаются друг от друга стальной и пластмассовый шарики одинакового объема? Массой.
Сила притяжения масса
Знак “ = ” ставить нельзя, следовательно должен быть коэффициент пропорциональности, который был определен опытным путем и равен 9,8. Обозначается он “g” (от латинского слова “гравитация”).
Учитывая это, мы можем записать:
F тяж = 9,8 н/кг m кг
Отсюда следует:
F тяж = gm
Мы получили формулу для расчета численного значения силы тяжести.
Но сила – вектор.
Вопрос к классу: Что кроме численного значения определяет векторную величину? Направление.
Вопрос к классу: куда направлена сила тяжести? Вниз. А как вниз?
(вернуться к рис. 1)
А если нить отвести в сторону (рис. 3)?
Разобрать рисунки:
Направление силы тяжести не зависит от положения тела.
Вертикальность предмета на Земле можно проверить отвесом.
Опыт 4. Отвес
Цель: научиться делать отвес и с его помощью определять вертикальное направление.
Оборудование: пуговица с ушком, нить длиной 60 см.
- Сделай отвес: к ушку пуговицы привяжи нить длиной 60 см. Этим простым прибором можно определять вертикальность направления.
- Проверь с помощью отвеса вертикальность ножек стола, стула, стены.
Почему отвесом можно проверять вертикальность?
Обсуждение опыта.
Закрепление материала.
- Движение падающего яблока (притча об открытии И. Ньютона).
- Провести “живой опыт”. К пуговице ученика привязать отвес. Попросить его наклониться вперед, вбок на одной ноге, на другой.
Домашнее задание.
Во время объяснения нового материала учителем были использованы беседы с учащимися, эксперимент, фронтальное проведение опытов.
Цель урока была достигнута с наибольшим эффектом, так как введение понятия силы тяжести опиралось на жизненный опыт учащихся, использовалось их умение привлечь уже изученный материал.
По разному ли Земля притягивает тела? По-разному ли она тянет нас, сумку с продуктами у нас в руке и машину, на которой мы приехали из супермаркета?
То есть, говоря физическими терминами, есть ли связь между массой тела и силой тяжести? Связь между массой тела и силой тяжести самая, что ни на есть, прямая.
Связь между силой тяжести и массой тела
Чем больше масса, тем сильнее тело притягивается к земле. Это выражается напрямую, например, при взвешивании тела. Чем больше вес тела, тем сильнее он давит на весы, увеличивая их показания. И связь эта выражается в виде следующей формулы:
F_тяж = g * m,
где g - это ускорение свободного падения, величина постоянная = 9,8 м/с^2,
а m - масса тела.
То есть, зная массу тела, мы всегда можем рассчитать силу, с которой Земля будет притягивать данное тело. А это бывает очень нужно при некоторых расчетах, например, при падении метеоритов, приземлении космических челноков, конструировании различных механизмов и так далее.
Динамометр: показания динамометра, какие бывают динамометры?
Когда мы становимся на весы, то они, вследствие силы притяжения Земли , показывают нам массу нашего тела, выраженную в килограммах. Но вес - это сила, которая измеряется в ньютонах. Как же нам измерить вес, да заодно и всякую другую силу, если весы показывают нам только массу? Для этого и существует специальный прибор, называемый динамометр, который показывает нам величину приложенной силы в ньютонах. Что же это за зверь, и как пользоваться динамометром? Простейший пример динамометра - это пружинный динамометр, в основе которого лежит пружина, прикрепленная к деревянному или пластмассовому основанию с нанесенной шкалой в ньютонах. На конце пружины находится крючок, на который можно подвешивать груз и по показаниям динамометра судить о приложенной силе.
Динамометр своими руками
Как можно сделать простейший динамометр своими руками? Для этого понадобится пружина с двумя крючками на концах, а также деревянное или пластмассовое основание, к которому мы прикрепляем эту пружину. Теперь ее надо проградуировать. Для этого на свободный конец пружины мы подвешиваем груз массой 102 грамма. Положение на деревянном основании, до которого растянется пружина, отмечаем значением 1 Н. Потом подвешиваем 204 грамма, отмечаем величину 2 Н и так далее. А для того, чтобы отметить десятые доли ньютона расстояния между каждыми целыми значениями делим на 10 и размечаем соответственно 0,1; 0,2; 0,3 и так далее.
Какие бывают динамометры?
Какие бывают динамометры? Мы говорили о простейшем примере динамометра - пружинном динамометре. Это динамометр растяжения. То есть, он показывает величину силы в зависимости от величины растяжения пружины. Но существуют еще и динамометры сжатия , например - ручной динамометр, или так называемый силомер, с помощью которого измеряют мышечную силу. В данном случае нам надо, наоборот, сжимать динамометр, чтобы узнать силу воздействия. Кроме того, существуют также ртутные, гидравлические, электрические и разные другие виды динамометров.
Сила - физическая величина. Ее можно измерить, т. е. сравнить с силой, принятой за единицу.
Мы знаем, что единицы измерения различных величин выбирают условно. И за единицу силы можно принять любую силу, например силу упругости определенной пружины, растянутой до определенной длины. Можно выбрать в качестве единицы силы и силу тяжести, действующую на какое-нибудь тело.
По международному соглашению за единицу силы принят 1 ньютон - это сила, которая в течение 1 с изменяет скорость тела массой 1 кг на 1 м/с.
Единица силы ньютон названа так в честь великого английского физика Исаака Ньютона, открывшего закон всемирного тяготения.
Сокращенное обозначение единицы силы ньютон - 1 Н. Применяют также и большую единицу силы - 1 килоньютон (1 кН).
1кН = 1000 Н.
1 Н приблизительно равен силе тяжести, действующей на тело массой 0,1 кг, или, точнее, 1/9,8 кг. Следует учесть, что сила тяжести, действующая на тело, зависит от географической широты места, в котором находится данное тело. Поэтому сила тяжести, действующая на тело массой 1/9,8 кг , равна 1 Н только на определенной широте, а именно на широте французского г. Севра, где хранится эталон массы.
Известно, что сила тяжести тем больше, чем больше масса тела. Так как 1 Н - сила тяжести, действующая на тело массой 1/9,8 кг, то отсюда следует, что на тело массой 1 кг действует сила тяжести, равная 9,8 Н. Сокращенно будем обозначать это так: 9,8 Н/кг. Но если на тело массой 1 кг действует сила тяжести 9,8 Н, то на тело массой 2 кг действует сила, в два раза большая и равная 19,6 Н, на тело в 3 кг - в три раза большая сила и равная 29,4 Н и т. д. Следовательно, чтобы определить силу тяжести, действующую на тело, надо 9,8 Н/кг умножить на массу тела, т. е.
F= 9,8 Н/кг m, или F = gm,
здесь F-сила тяжести, выражена в ньютонах, g=9,8 Н/кг, m - масса, дана в килограммах.
Мы знаем, что силу, с которой тело, притягиваясь Землей, действует на опору или подвес, называют весом тела. Если опора расположена горизонтально и неподвижна относительно Земли , то вес тела равен силе тяжести.
В дальнейшем в этой книге, говоря о весе тела, мы будем всегда, относить его к неподвижной и горизонтально расположенной опоре. Поэтому и вес, тела Р в ньютонах будем рассчитывать по формуле:
где масса m выражена в килограммах, а g = 9,8 Н/кг.
В ряде случаев при расчетах можно округлить числа и считать g=10 Н/кг.
Вопросы. 1. Что значит измерить какую-нибудь силу? 2. Что принято за единицу силы? 3. Какую силу называют ньютоном? 4. Какая сила тяжести действует на тело массой 1 кг? 5. Как подсчитать силу тяжести, действующую на тело любой массы? 6. В каком случае можно применять для вычисления веса формулу, по которой вычисляют силу тяжести?
Упражнения. 1. Чему равна сила тяжести, действующая на тело массой 2,5 кг? 800 г? 1,2 т? 50 г? 2. Скольким ньютонам равен вес тела, масса которого 10 кг? 200 г? 3. Человек весит 800 Н, Какова его масса? 4. Прочтите в конце учебника параграфы «Невесомость». «Сила тяжести на других планетах». Подготовьте по ним доклады.
