Раздел 3.2. «Сила. Виды сил».

7 класс
Раздел 3.2. «Сила. Виды сил».
ОК_14. "Сила. Сложение сил. Виды взаимодействия"
При взаимодействии одно тело действует на другое. А мера этого действия
характеризуется силой. Реально, например, рука толкает тележку, Земля притягивает
камень, магнит притягивает железо, пружина отталкивает шар, а принято говорить, что на
тело действует сила.
Дополнительный материал для конспекта: Разберёмся подробней в понятии силы. Может ли
температура висеть на стене? Естественно нет. На стене может висеть термометр, он показывает
температуру - степень нагретости воздуха. Может ли на столе лежать масса? Нет! На столе может
лежать тело, имеющее определённую массу. Такой же характеристикой взаимодействия тел является
сила. Сила – величина, характеристика. Почему же говорят, что сила приложена к телу? Сила
совершает работу? Физически это неверно. Взаимодействуют тела, работу совершают тела. А сила
является мерой взаимодействия тел. Например, мальчик толкает лодку, приводит ее в движение.
Обычно говорят, что на лодку действует сила. А реально на лодку действует мальчик. Количественно
это действие определяется силой. Работу совершает не сила, а мальчик. Но для краткости говорят: к
лодке приложена сила, она совершает работу. Говорят одно, а понимают другое.
Итак, сила – это мера взаимодействия тел, сила характеристика действия одного
тела на другое.
Сила – причина изменения скорости (формы) тела.
Сила является векторной величиной. Это означает, что сила – это величина, которая
имеет не только численное значение, но и направление.
Модуль силы – это скалярная величина, числовое значение силы. Модуль силы
обозначают F .
Действие силы определяют:
1. Модулем (величиной, числовым значением).
2. Направлением – сила вектор.
3. Точкой приложения.
Силу измеряют в ньютонах 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 (1кН), или
меньшую единицу силы 1 миллиньютон (1 мН). 1 кН = 1000 Н, 1 мН = 0,001 Н.
Приборы для измерения силы называют динамометрами. 1 Н приблизительно
равен силе тяжести, действующей на тело массой 0,1 кг, или, точнее, 1/9,8 кг. Мы
выяснили, что сила является причиной изменения скорости тел. Поэтому введем еще и
другое определение 1 ньютона: 1 ньютон – это сила, которая за 1 с изменяет скорость тела
массой 1 кг на 1 м/с.
Сила - величина, определяющая взаимодействие тел. Числовое значение силы на
рисунках задают длиной направленного отрезка (стрелкой, использую выбранный
масштаб). Направление указывают в направлении действия силы. Точка приложения
определяет начало действия силы.
Когда на тело действуют несколько сил, то при решении задач часто приходится
определять результирующую силу.
Результирующая сила определяется с помощью правил сложения векторов, которые
изучаются в математике.
Правило сложения сил
1. Если слагаемые силы направлены по одной прямой, в одну сторону то модуль
результирующей силы равен сумме модулей сил.
2. Если силы направлены в разные стороны, то результирующая равна разности
модулей сил и направлена в сторону большей силы.
Рассмотрим, как эти правила на примере действия
двух сил.
  
Векторная сумма двух сил записывается так: R  F1  F2
В том случае, когда, например, два человека толкают груз в одном направлении («...
Эй ухнем»), то действия приложенных сил направлены в одну сторону. Поэтому для
определения численного значения результирующей силы (в проекции, с точки зрения
математики) имеет уравнение: R = F1 + F2
В случае, когда две приложенные силы направлены вдоль одной прямой в
противоположных направлениях («Когда в товарищах согласья нет»), то результирующая
сила направлена в сторону большей силы. Ее численной значение определяют уравнением
R = F1 – F2; (см. рисунок в конспекте).
Если две силы направлены в противоположные стороны вдоль одной прямой и
модуль их равны, то тогда результирующая этих сил будет равна нулю.
В общем случае, если на тело действуют несколько сил и действие их
скомпенсировано, тогда результирующая сила R =0. В этом случае, как вы уже знаете, тело
может находиться в состоянии покоя или двигаться равномерно и прямолинейно
В природе существует 4 типа сил, т.е 4 вида взаимодействий. Это: гравитационные
силы, электромагнитные, слабые и ядерные. По новейшим данным только 3. Объединены
электромагнитные и электрослабые силы. Они имеют одну природу. Но этот вопрос еще в
стадии доказательства, поэтому пока будем говорить о 4 видах взаимодействий.
К гравитационным силам относятся сила тяготения и сила тяжести. Эти силы носят
характер сил притяжения. Чаще всего приходится встречаться с электромагнитными
силами. Именно они обуславливают появление сил упругости, трения, тяги,
выталкивающей силы, реакции опоры и ряда других сил.
Электромагнитные силы могут быть как силами тяготения, так и отталкивания.
Дополнительный материал к конспекту (на усмотрение учителя):
Рассмотрим природу электромагнитных сил. Все тела состоят из атомов. В атоме есть
положительное ядро, а по орбитам вращаются электроны. При сближении атомов на достаточно
близкие расстояния (сравнимые с размерами атомов) положительные ядра между собой
отталкиваются, отрицательные электроны так же между собой отталкиваются, электроны и ядра
соседних атомов притягиваются. Все эти силы электростатического взаимодействия. Магнитные силы
возникают при взаимодействии движущихся по орбите электронов (подобно взаимодействию
проводников с током). Таким образом, при сближении атомов возникают силы притяжения и силы
отталкивания, которые носят электромагнитный характер. Действие этих сил обуславливает
появление в различных конкретных случаях сил упругости, трения, тяги, выталкивающей силы, реакции
опоры и ряда других сил.
Слабые силы действуют между заряженными частицами вне атомов, они в школе не
изучаются, действие ядерных сил будет рассмотрено в старших классах.
ЗАДАНИЕ
7-а Параграф 17-18 и задания к параграфу 17-18
7-б Параграф 27,30-33 и упр 17
ОК_15. «ВСЕМИРНОЕ ТЯГОТЕНИЕ. СИЛА ТЯЖЕСТИ»
Мяч, брошенный в горизонтальном направлении, не летит прямолинейно и
равномерно. Его траектория - кривая линия. Запущенный с Земли спутник, тоже движется
не по прямой линии, а по круговой орбите. Почему?
Почему Луна вращается вокруг Земли? Почему планеты обращаются вокруг Солнца?
С чем связана причина появления приливов и отливов на Земле. Ответы на эти вопросы
дал Ньютон.
Ньютон предположил, что ряд явлений, казалось бы не имеющих ничего общего
(падение тел на Землю, обращение планет вокруг Солнца, движение Луны вокруг Земли,
приливы и отливы и др.), вызваны одной причиной. Все эти явления возникают за счет сил
тяготения между телами.
Проведя многочисленные расчеты, Ньютон открыл закон всемирного тяготения:
«Все тела в природе притягиваются друг к другу с силой прямо пропорциональной
произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между
ними».
Согласно закону всемирного тяготения силы взаимного притяжения между телами
зависят от масс этих тел и от расстояний между ними. Чем масса тел больше, тем с
большей силой притягиваются тела друг к друг. Эти силы очень быстро убывают с
расстоянием.
Земля притягивает к себе все тела, находящиеся на ней и вблизи нее: людей, воду
морей, океанов и рек, дома, Луну, спутники и т.д. но и сами эти тела притягивают к себе
Землю. Притяжение имеет взаимный характер. Притягивают друг друга и все тела на
Земле. Поэтому взаимное притяжение всех тел вселенной названо всемирным тяготением.
Силу, с которой Земля притягивает к себе тело, называют силой тяжести. Сила
тяготения - это сила притяжения между любыми телами. Она определяется по закону
всемирного тяготения.
Сила тяжести - это сила, с которой тела притягиваются к Земле (или к другим
планетам).
Под действием силы тяжести падает камень, поднятый над землей, текут реки.
Интересным и важным случаем движения тела под действием силы тяжести является
движение искусственных спутников. Рассмотрим несколько мысленных опытов по
бросанию тела в горизонтальном направлении. Будем считать, что сопротивлением
воздуха можно пренебречь. Если с каждым броском будем увеличивать скорость
бросаемого тела, то под действием силы тяжести оно все равно упадет на Землю, но все
дальше и дальше от места бросания. Наконец, мы можем сообщить телу такую скорость,
что оно уже не упадет на Землю, а будет двигаться по окружности вокруг Земли, став ее
искусственным спутником.
Многочисленные опыты доказывают, что сила тяжести тел пропopциoнальна их
массам. Но шарики разных масс, при отсутствии сопротивления воздуха, падают на землю
одновременно. Почему их скорости и пройденные расстояния меняются каждую секунду
на одинаковые значения? Проделаем такой опыт.
Будем подвешивать к динамометру последовательно гири массами m1 , m2, m3 и т.д. и
отмечать соответственно этим массам показания динамометров F1, F2, F3 и т.д. Мы
убедимся, что во всех случаях останется справедливой пропорция F1/m1=… . Т.е.
отношение силы тяжести F к массе тела m для всех тел в данной точке Земного шара
одинаково. Эту постоянную величину обозначают латинской буквой g. Тогда g =F/m.
Еcли подвеситъ гирю массой 1 кг, то динамомeтp покажет силу притяжения 9,8 Н.
Величина g показывает, с какой силой Земля притягивает тело массой 1 кг.
Чтобы определить действующую на тело силу тяжести F , необходимо 9,8 Н/кг
умножить на массу этого тела m, выраженную в килограммах. В общем виде F тяж = mg .
В практике для вычиcлeний принимают g = 9,81Н/кг (чаще 9,8Н/кг).
На Земле g зависит: от высоты тела над Землей и от широты местности.
Известно, что Земля - несколько приплюснутый шар. У полюсов, где расстояние до центра
Земли меньше на 300 км, величина g несколько больше;
Зависимость от широтой местности связана с тем, что Земля вращается. Расстояние до
оси вращения от разных точек Земли разные и это по-разному сказывается на разных
широтах. Также величина g зависит от плотности пород земной коры.
Там, где она больше (например, при залежах железных руд) - g больше, а там, где есть
подземные озера (вода, нефть)- g меньше. Эта разница не очень существенна, так на
полюсе g = 9,83 м\с2, а на экваторе g = 9,78 м\с2, но это помогает с помощью
чувствительных приборов – гравитометров открывать полезные ископаемые..
Сила тяжести на разных небесных телах неодинакова. Сила тяжести на поверхности
Луны в 6 раз меньше силы тяжести, действующей на поверхности Земли: gЛуны = 1,6 Н\кг.
Например, космонавт, масса которого в снаряжении 100 кг на Земле весит примерно 1000
Н, а на Луне 160 Н. На Марсе gМарса = 3,7 Н/кг, на Юпитере gЮпитера= 27 Н\кг, на Солнце
gСолнца= 274 Н\кг. Чем меньше масса небесного тела, тем с меньшей силой оно будет
притягивать к себе тела. И наоборот, чем масса больше, тем больше притяжение. Так
космонавт массой 100 кг на Марсе весит 370 Н, а на Юпитере 2700 Н.
Кроме планет и их спутников вокруг Солнца движется группа очень маленьких
планет, которые называют астероидами. Четвертая по величине планета-астероид - Веста имеет массу, в 60 000 раз меньшую массы Земли. Вот как описывает К. Э. Циолковский в
рассказе «Путь к звездам» условия пребывания человека на этом астероиде: «На Земле я
могу свободно нести еще одного человека такого же веса, как я. На Весте с такой же
легкостью могу нести в 30 раз больше, то есть 60 человек. На Земле я могу подпрыгнуть на
50 см. На весте такое же усилие дает прыжок на 30 м. Это высота десятиэтажного дома или
огромнейшей сосны ... ».
ЗАДАНИЕ
7-а Параграф 22 и задания к параграфу 22
7-б Параграф 28 и упр15,17
ОК_16. «CИЛА УПРУГОСТИ. ЗАКОН ГУКА»
При сближении атомов между ними начинают действовать электромагнитные силы
притяжения и отталкивания. Рассмотрим природу этих сил. В твердых телах атомы
расположены на расстояниях порядка размера атома. При этом силы притяжения и силы
отталкивания равны. Их результирующая сила равна нулю. Атомы только колеблются
около положения равновесия.
При деформации тела, например при его растяжении, расстояние между атомами
увеличивается. При этом уменьшаются и силы притяжения, и силы отталкивания. Но силы
отталкивания уменьшаются быстрее и становятся меньше сил притяжения. Поэтому
результирующая сила взаимодействия становится силой притяжения и атомы стараются
сблизиться друг с другом.
Если при деформации атомы сближаются (например, при сжатии пружины), растет и
сила притяжения, и сила отталкивания. Но быстрее растет сила отталкивания. Поэтому
результирующая сила взаимодействия является силой отталкивания, и атомы
отталкиваются друг от друга.
Совокупность всех молекулярных сил взаимодействия, действующих на тело,
образует силу упругости. Она возникает только при деформации, когда одна часть тела
смещается относительно другой (атомы сближаются или отталкиваются).
При деформации тело взаимодействует с другим телом, которое в свою очередь тоже
деформируется.
Возникающие силы упругости всегда направлены перпендикулярно поверхности и
противоположны смещению частиц тела.
При упругих деформациях, тело после деформации полностью восстанавливает
свою форму. При этом выполняется закон Гука: "Сила упругости, возникающая при
упругих
деформациях,
прямо
пропорциональна
смещению
взятым
с
противоположным знаком» Fупр = -kх . Знак «-» показывает. что направление силы
упругости противоположно направлению изменения края деформированного тела. k коэффициент жесткости, который численно равен силе, вызывающей единичное
смещение. Он измеряется в Н\м. Графически закон Гука изображается прямой линией,
проходящей через начало отсчета величин F и l .
Рассмотрим действие сил упругости в ряде случаев, изображенных на рисунке в
опорном конспекте.
- При растяжении пружины (или стержня), закрепленной в стене, под действием
силы F, вследствие деформации возникает сила упругости Fупр.
- Положим тело на горизонтальную опору. Под действием груза опора
деформируется. В ней возникает сила упругости - реакция опоры, которая действует на
тело вертикально вверх.
- Повторим опыт, но тело положим на наклонную плоскость. Вследствие
деформации возникает реакция опоры. Она направлена перпендикулярно опоре.
ЗАДАНИЕ
7-а Параграф 23 и задания к параграфу 23
7-б Параграф 29 и задания к параграфу 17-18