Конспект лекций по физике (раздаточный материал) по разделу «Динамика. Силы в механике» (1 курс СПО), (10 класс)

МУНИЦИПАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО   ОБРАЗОВАНИЯ   «ВОЛЖСКИЙ ИНСТИТУТ ЭКОНОМИКИ, ПЕДАГОГИКИ И ПРАВА»  « ВОЛЖСКИЙ СОЦИАЛЬНО­ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ КОЛЛЕДЖ» ФИЗИКА Конспект лекций (раздаточный материал) По разделу МЕХАНИКА Динамика. Силы в механике.  (для студентов 1 курса всех форм обучения)     ( по учебнику Мякишева Г.Я., Буховцева Б.Б., Сотского Н.Н. )       Преподаватель физики:  Бондаренко Людмила Валентиновна Волжский 2017 г. Законы механики Ньютона   В   динамике ­ рассматриваются взаимодействия тел, являющиеся причиной изменения движения  этих тел, т. е. изменения их скоростей. Вопрос о выборе системы отсчёта в динамике не является  простым. Если тело, лежащее на полу или на столе, начинает двигаться, то всегда по соседству  можно обнаружить предмет, который толкает это тело, тянет или действует на него на расстоянии  (например, магнит на железный шар). Поднятый над землёй камень не остаётся висеть в воздухе, а  падает. Очевидно, что именно действие Земли приводит к этому. Изменение скорости тела (а  значит, ускорение) всегда вызывается воздействием на него каких­либо других тел. Эта  фраза содержит главное утверждение механики Ньютона и выражает принцип причинности в  механике.     Явление, при котором тело сохраняет скорость, если на него не действуют другие тела  или их действие скомпенсировано называется   явлением инерции. Ньютону вслед за Галилеем  удалось окончательно развеять одно из глубочайших заблуждений человечества о законах движения  тел. Если действий со стороны других тел на данное тело нет, то согласно основному утверждению  механики ускорение тела равно нулю, т. е. тело будет покоиться или двигаться с постоянной  скоростью. Галилеем  (1632 г.) был сформулирован закон инерции.     Тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, если на  него не действуют другие тела.  Первый закон Ньютона  (1681г.) указывает на существование систем отсчета, в которых  наблюдается явление инерции.     Существуют системы отсчета, называемые инерциальными, относительно которых  тело движется прямолинейно и равномерно, если на него не действуют другие тела или  действие этих тел скомпенсировано.  Те системы отсчета, в которых не выполняется­  неинерциальные. Важно: если есть одна инерциальная система отсчёта (ИСО), то любая другая движущаяся  относительно неё прямолинейно и равномерно также является инерциальной.   Основное утверждение механики состоит в том, что ускорения тел определяются действиями на  них других тел. Количественная мера действия тел друг на друга, в результате которого  тела получают ускорения  или испытывают деформацию  ­ сила.   Понятие силы относится именно к двум телам, а не к одному. Всегда можно указать тело, на  которое действует сила, и тело, со стороны которого она действует. Так, сила тяжести действует на  камень со стороны Земли, а на шарик, подвешенный на пружине, действует сила упругости со  стороны пружины.  Сила ­ векторная величина и в каждый момент времени она характеризуется числовым значением  ⃗F. Если на тело одновременно  (модулем), направлением и точкой приложения. Обозначается  несколько  сил, то их действие можно заменить одной силой, равноценной по своему действию этим  силам. Сила, которая производит на тело такое же действие, как несколько одновременно  действующих сил, т.е. векторная сумма всех сил, действующих на тело  называется   системе СИ –  1 ньютон (1Н), равный силе, которая сообщает телу массой 1 кг ускорение 1 м/с2.1 Н = 1кг  1м/с2. Для  измерения сил применяют динамометр (удлинение пружины пропорционально  приложенной к ней силе, то есть по длине пружины можно судить о значении силы)    Мы уже знаем, что именно вследствие инерции покоящееся тело приобретает заметную скорость  под действием силы не сразу, а лишь за некоторый интервал времени.  Инертность ­ свойство тел по­разному изменять свою скорость под действием одной и  n . Единица измерения силы в    равнодействующей.   2 +…+   ⃗F ⃗R  =  ⃗F 1 +  ⃗F F. Векторы ⃗аи   той же силы. Ускорение возникает сразу, одновременно с началом действия силы, но скорость нарастает  постепенно. Даже очень большая сила не в состоянии сообщить телу сразу значительную скорость.  Для этого нужно время. Чтобы остановить тело, опять­таки нужно, чтобы тормозящая сила, как бы  она ни была велика, действовала некоторое время. Именно эти факты имеют в виду, когда говорят, что тела инертны, т. е. одним из свойств тела  является инертность, а количественная мера  инертности тел, т. е. способности тела  приобретать определенное ускорение под действием силы является масса. Обозначается – m.   Чем больше масса тела, тем больше его инертность, тем сложнее вывести тело из  первоначального состояния, т. е. заставить его двигаться или, наоборот, остановить его движение. В  системе СИ  за единицу массы — один килограмм (1 кг) — принята масса эталонной гири из  сплава платины и иридия, которая хранится в Международном бюро мер и весов в Севре, близ  Парижа. Точные копии этой гири имеются во всех странах     Второй закон Ньютона. Пусть на тележку действует постоянная сила со стороны нити, к концу  которой прикреплён груз. Модуль силы измеряется пружинным динамометром. Эта сила  постоянна, но не равна при движении силе тяжести, действующей на подвешенный груз. Измерить  ускорение тележки можно, определяя время, затрачиваемое тележкой на прохождение пути s.  Тщательные измерения модулей сил и ускорений показывают прямую пропорциональность между  ⃗F   и  направлены по одной прямой в одну и ту же  ними: а сторону. На основании экспериментов было выявлено, что отношение модуля силы к модулю  ускорения является постоянной величиной, не зависящей от силы:  F/a = const. Величину F/a,  равную отношению модуля силы к модулю ускорения, называют массой тела. Итак, мы выяснили,  что ускорение тела прямо пропорционально действующей на него силе и тем меньше, чем больше   . Ускорение тела прямо пропорционально  масса тела. Сформулируем второй закон Ньютона силе, действующей на него, и обратно пропорционально его массе:  ⃗а = ⃗F /m или сила,  действующая на тело, равна произведению массы тела на сообщаемое этой силой  ускорение  ⃗R = m ⃗а .     Эта формула выражает один из самых фундаментальных законов природы, которому с  удивительной точностью подчиняется движение как громадных небесных тел, так и мельчайших  песчинок. Второй закон справедлив для всех видов сил. Третий закон Ньютона.  В третьем законе Ньютона формулируется одно общее свойство всех сил, рассматриваемых в механике: любое действие тел друг на друга носит характер взаимодействия.  Это означает, что если тело А действует на тело В, то и тело В действует на тело А. Выясним с помощью опыта, как связаны между собой силы взаимодействия двух тел. Возьмём  достаточно сильный магнит и железный брусок, установим их на катки для уменьшения трения о  стол. К концам магнита и бруска прикрепим одинаковые пружины, закреплённые другими концами  на столе. Магнит и брусок притянутся друг к другу и растянут пружины. Опыт показывает, что к  моменту прекращения движения пружины растянуты совершенно одинаково. Это означает, что на  оба тела со стороны пружин действуют одинаковые по модулю и противоположные по направлению  силы: ⃗F = m ⃗а . Если на тело действует несколько сил, то второй закон записывается 2 равна по модулю и противоположна  2. Так как магнит покоится, то сила  1 = ­  ⃗F ⃗F ⃗F   ⃗F по направлению силе  равны по модулям и противоположны по направлению силы, действующие на брусок со стороны  магнита и пружины:  1. Отсюда следует, что силы, с которыми взаимодействуют  4, с которой на него действует брусок:  4. Точно так же  ⃗F ⃗F 3 = ­  2 = ­  ⃗F ⃗F магнит и брусок, равны по модулю и противоположны по направлению: ⃗F 3 = ­  ⃗F 4.  На основе подобных опытов можно сформулировать третий закон Ньютона. Силы, с которыми тела действуют друг на друга, равны по модулю и направлены по одной  прямой в противоположные стороны. Т.е. Если на тело А со стороны тела В действует  ⃗F А то одновременно на тело В со стороны тела А будет действовать сила сила  ⃗F В , причем   ⃗F А = ­  ⃗F В. Примечание: силы, возникающие при  взаимодействии двух тел, приложены к разным телам и поэтому не могут уравновешивать друг  друга.     Галилей первым обратил внимание на то, что равномерное и прямолинейное движение системы  отсчета не влияет на механические опыты, проводимые в ней. Это и есть принцип  относительности, открытый Галилеем (1636г.). Во всех инерциальных системах отсчета все  механические процессы протекают одинаково при одинаковых начальных условиях. Это  утверждение известно как принцип относительности в механике. Силы в природе ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­ По современным представлениям все явления, протекающие во Вселенной, обусловлены четырьмя  типами сил или взаимодействий: • гравитационные (проявляются в виде сил всемирного  тяготения); • электромагнитные (существование атомов, молекул и макротел);  • сильные (ответственны за связь частиц в ядрах; проявляются на  расстояниях, порядка 10­15 м.);  • слабые (ответственны за распад частиц; проявляются на   расстояниях, порядка 10­17 м.).   Гравитационные и электромагнитные силы нельзя свести к другим, более простым, силам,  поэтому их называют фундаментальными. В механике  рассматривают только гравитационные и  электромагнитные взаимодействия, и обычно имеют дело с тремя видами сил ­ силами  тяготения, силами упругости  _______________________________________________________________________________  и   силами трения.     Сила тяжести и сила всемирного тяготения                                                            ___________________________________________________      Силы, с которыми все тела притягиваются друг к другу, называются силами всемирного  тяготения. Предположение о существовании этих сил было высказано Ньютоном. Он был  первым, кто доказал, что причина, вызывающая падение камня на Землю, движение Луны вокруг  Земли и планет вокруг Солнца, приливы и отливы, водопады, существование атмосферы и т.д. одна  и та же. Это сила всемирного тяготения, действующая между любыми телами Вселенной.  Ньютону удалось доказать, что сила притяжения между телами зависит от масс обоих тел и от  расстояния между ними. Окончательная формулировка закона всемирного тяготения была  сделана Ньютоном в 1687г.   Сила взаимного притяжения двух тел прямо пропорциональна  произведению масс этих тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.,  где G ­коэффициент пропорциональности ­ гравитационная постоянная. Физический смысл гравитационной постоянной:   Гравитационная постоянная численно равна силе притяжения между двумя  материальными точками массой 1 кг каждая, если расстояние между  ними равно 1 м.    Наименование единицы гравитационной постоянной в СИ: Н •  м   2  /кг   2       Впервые гравитационная постоянная была измерена английским физиком Г.  Кавендишем в 1798 г. с помощью прибора, называемого крутильными весами (рис.)  На тонкой упругой нити подвешено лёгкое коромысло с двумя одинаковыми грузиками на концах. Силы упругости. Под деформацией понимают изменение объема или формы тела. Причиной деформации тела  является движение одной его части относительно другой, а следствием деформации тела является  возникновение силы упругости  Сила, возникающая в результате деформации тела и  направленная в сторону, противоположную перемещению частиц тела при деформации,  называется силой упругости. Причины возникновения сил упругости ­ является взаимодействие  молекул тела. На малых расстояниях молекулы отталкиваются, а на больших – притягиваются. В не  деформированном теле молекулы находятся как раз на таком расстоянии, при котором силы  притяжения, либо силы отталкивания уравновешиваются. Когда мы растягиваем или сжимаем тело,  расстояния между молекулами изменяются, поэтому начинают преобладать либо силы  притяжения либо силы отталкивания. В результате и возникает сила упругости, которая всегда  направлена так, чтобы уменьшить величину деформации  Особенности сил упругости: 1. Возникают при деформации; 2. Возникают одновременно у двух тел, участвующих в деформации;     3. Перпендикулярны деформированной поверхности;  4. Противоположны по направлению смещению частиц тела;  5. При упругих деформациях выполняется закон Гука. Абсолютно любое тело, даже очень легкое на микроуровне деформирует опору. Поэтому  возникает реакция опоры.  Сила реакции опоры ­ это сила упругости, действующая  на тело со стороны опоры перпендикулярно ее поверхности. ⃗N , но эта сила просто отдельный вид     Обозначают ее буквой   силы упругости, поэтому она  может быть обозначена и как Fупр.   На тело, которое висит на нити (пружине и т.п.) действует сила натяжения нити Направлена  вдоль нити (и т.п.). T –сила натяжения нити. Сила натяжения ­ это сила упругости,  действующая на тело со стороны нити или пружины.       При малых деформациях связь силы упругости тела с его деформацией проста. Она была  открыта экспериментально английским физиком Робертом Гуком, современником Ньютона. Упругой называется деформация, при которой тело восстанавливает свои первоначальные  размеры и форму, как только прекращается действие силы, вызвавшей эту деформацию.       Закон Гука для упругой деформации растяжения нетрудно установить, наблюдая растяжение  резинового шнура под действием приложенной к его концу силы. Можно заметить, что сила  упругости   формулируется так:  При упругой деформации растяжения (или сжатия) удлинение тела  прямо пропорционально приложенной силе. Закон Гука записывают следующим образом:  F = k |х| или (Fупр)х = ­ k х, где x – абсолютное удлинение   (х = ∆ l = l –l0 ) тела, k – коэффициент    прямо пропорциональна изменению длины шнура. В этом и состоит закон Гука. Он    пропорциональности, который называется коэффициентом упругости или  жесткостью тела.   Жесткость зависит от размеров тела, формы и материала.  Единица измерения жесткости в СИ: k =Н/м.  Знак «­ « в законе Гука объясняется тем, координата х и проекция силы  упругости деформированного тела Fх на ось х имеют противоположные знаки.   На рис.показана зависимость модуля силы упругости деформированного тела от значения его  абсолютного значения его растяжения |х|.       Закон   Гука     дальнейшем увеличении деформации изменение длины тела перестает быть прямо  пропорциональным приложенной силе, а при очень больших деформациях тело разрушается.   хорошо выполняется только при упругих деформациях, при которых х мало. При Силы трения Эти силы действуют вдоль поверхности тел при их непосредственном соприкосновении. Силы  трения во всех случаях препятствуют относительному движению соприкасающихся тел. При  некоторых условиях силы трения делают это движение невозможным. Однако силы трения не  только тормозят движение тел. В ряде практически важных случаев движение тела не могло бы  возникнуть без действия сил трения. Сила трения всегда направлена  вдоль поверхности соприкосновения.  Сила трения – это сила, возникающая при движении или попытке  движения одного тела по поверхности другого и направленная вдоль соприкасающихся  поверхностей против движения.  Различают силы трения покоя, силы трения скольжения и силы трения качения.  Сила трения покоя – это сила, которая появляется между соприкасающимися  поверхностями тел, неподвижных относительно друг друга.          Сила трения покоя равна по модулю внешней силе F, направленной по  касательной к поверхности соприкосновения тел и противоположна ей по  направлению: F тр. = ­ F     Наибольшее значение силы трения, при котором скольжение еще не наступает,  называется максимальной силой трения покоя. Если действующая на покоящееся тело сила  хотя бы немного превысит максимальную силу трения покоя, то тело начнет скользить.     Максимальное значение модуля силы трения покоя пропорционально модулю силы нормальной  реакции опоры. Этот закон впервые установил экспериментально французский физик Кулон. Если обозначить модуль максимальной силы трения покоя через F тр.макс, то можно записать: F тр.макс .=  μ N,  где μ — коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом трения  покоя. Коэффициент трения характеризует обе трущиеся поверхности и зависит не только от  материала этих поверхностей, но и от качества их обработки. Коэффициент трения определяется  экспериментально.  От площади соприкосновения тел максимальная сила трения покоя не  зависит. Если положить брусок на меньшую грань, то Frр макс не изменится.       Сила трения покоя изменяется от нуля до некоторого максимального значения.  Например, при попытке сдвинуть шкаф с места нам это удается далеко не сразу. Если наши силы  недостаточно велики, шкаф так и не сдвинется с места, так как появилась сила трения, которая  уравновесила силу, приложенную нами. Эта новая сила и есть сила трения покоя. Чем большую  силу мы будем прикладывать к шкафу, тем больше будет и сила трения покоя. Наконец, мы  сможем приложить такую силу, когда шкаф в итоге сдвинется с места. В этот  момент будет достигнута максимальная сила трения покоя. Если же шкаф  заскользил по полу, то возникает сила трения – сила трения скольжения. Сила  трения скольжения – это сила, возникающая при относительном  движении соприкасающихся тел.     Сила трения скольжения не является величиной постоянной, а зависит от силы давления,  природы соприкасающихся поверхностей, вида их обработки, площади контакта, относительной  скорости движения тел. Сила трения скольжения всегда направлена против относительной  скорости перемещения тела. Модуль силы трения скольжения прямо пропорционален силе реакции  ≈  F тр.макс =  μс N, где μ – коэффициент трения скольжения, который показывает,  опоры: Frр.с. во сколько раз Fтр. отличается от N. Этот коэффициент зависит в основном от обработки  соприкасающихся поверхностей.  Силы трения возникают и при качении тела, при этом возникает сила трения качения. Сила трения качения – это сила, которая возникает, когда одно тело  катится по поверхности другого. Сила трения качения существенно меньше силы  трения скольжения, поэтому гораздо легче перекатывать тяжёлый предмет, чем    двигать его.    Сила трения зависит от относительной скорости движения тел. В этом её главное отличие от сил  тяготения и упругости, зависящих только от расстояний. Трение, как и любое другое физическое явление, может быть и вредным, и полезным. Когда трение  вредно, его стараются уменьшить. Для этого используют смазку, шлифование поверхностей,  находящиеся в соприкосновении, заменяют скольжением качением, используют колеса, уменьшают  нагрузку. Силу трения можно увеличить, увеличив, шероховатость поверхности, по которой  движется тело (посыпание льда песком,  выступами, рифленая подошва обуви и т.д.).     поверхность шин у автомобиля делаются с ребристыми