Силы в природе. Закон всемирного тяготения. Невесомость

Урок 4.
Силы в природе. Закон всемирного тяготения. Невесомость.

Павлодарский высший колледж управления

Преподаватель физики: Белозерова М.Ю.

Сабақтың мақсаты / Цели урока

ознакомиться с основными видами сил;
познакомить с законом всемирного тяготения;
ознакомление студентов с опытными фактами невесомости;
рассмотреть на конкретном примере направление и взаимосвязи сил действующих на тело;
формировать умения объяснять результаты физических опытов.

Сила - это векторная величина, являющаяся мерой механического воздействия на тело со стороны других тел или полей, в результате которого тело приобретает ускорение или изменяет свою форму и размеры.

В каждый момент времени сила характеризуется:
числовым значением (модулем);
направлением в пространстве;
точкой приложения.

В Международной системе единиц за единицу силы принимается сила, которая телу массой 1 кг сообщает ускорение 1 м/с2. Эта единица называется ньютоном (Н).

Сила, возникающая в результате деформации тела и направленная в сторону, противоположную перемещению частиц тела при деформации, называется силой упругости.
Деформация — это изменение формы и размеров тела. К деформациям относятся растяжение, сжатие, кручение, сдвиг и изгиб.

Закон Гука.
Сила упругости, возникающая при деформации тела, пропорциональна удлинению тела и направлена в сторону, противоположную направлению перемещений частиц тела при деформации.


где:
k — коэффициент жёсткости тела;
х — удлинение тела.

Силу упругости, действующую на тело со стороны
подвеса, называют силой натяжения нити.

Сила натяжения нити направлена вдоль нити. 
Сила натяжения нити равна сумме сил, действующих на нить, и противоположна им по направлению.

где:
– сила натяжения нити,  

– векторная сумма сил, действующих на нить.

Сила реакция опоры (N) - сила направлена противоположно силе, с которой предмет давит на стол. Эта сила возникает всегда, когда есть воздействие на опору.

Сила трения — это сила взаимодействия между соприкасающимися телами, препятствующая перемещению одного тела относительно другого. Сила трения всегда направлена вдоль поверхностей соприкасающихся тел.

µ - коэффициент трения
N - сила реакции опоры

Сухое трение − трение, возникающее при соприкосновении двух твердых тел при отсутствии между ними жидкой или газообразной прослойки.
Сухое трение, возникающее при относительном покое тел, называют трением покоя. 

Сухое трение, возникающее при относительном движении тел, называют  трением скольжения. 

Закон Архимеда: на тело, погружённое в жидкость (или газ), действует выталкивающая сила, равная весу жидкости (или газа) в объёме тела. Сила называется силой Архимеда.
ρ- плотность жидкости
g- ускорение свободного падения
V- объем вытесненной телом жидкости

F – сила всемирного тяготения
R – расстояние между центрами масс тел
G – гравитационная постоянная

Все тела притягиваются друг к другу, при этом сила их притяжения прямо пропорциональна массе каждого из тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними

Закон всемирного тяготения будет справедлив, когда тела точечные. Это означает, что расстояние между телами такое большое, что размерами самих тел мы можем пренебречь.
Закон всемирного тяготения применим, когда тела обладают сферической формой. В этом случае, даже если расстояния между телами все-таки не так велики, закон всемирного тяготения все равно применим.
Если одно тело будет шар или сфера, а другое тело – материальная точка. Это как раз случай, когда вокруг Земли по своим орбитам движутся спутники.

Силы тяжести – силы, с которой все тела притягиваются к Земле. Сила тяжести всегда направлена вертикально вниз. 
Вблизи поверхности Земли все тела падают с одинаковым
ускорением – ускорением свободного падения  g

Вблизи поверхности Земли скорость любого свободно падающего тела за каждую секунду падения возрастает на 9,8 м/с2.
Эту величину обозначают буквой g и называют ускорением свободного падения.

На Луне – 1,6 м/с2

Весом тела называют силу, с которой тело вследствие его притяжения к Земле действует на опору или подвес. При этом предполагается, что тело неподвижно относительно опоры или подвеса. 

В состоянии невесомости вес тела равен нулю. Тело не будет давить на опору или растягивать подвес и весить ничего не будет. Однако, будет по-прежнему обладать массой, так как, чтобы придать телу какую-либо скорость, надо будет приложить определенное усилие, тем большее, чем больше масса тела.

Состояние невесомости это состояние, в котором находится материальное тело, свободно движущееся в поле тяготения Земли (или другого небесного тела) под действием только сил тяготения.

Рассмотрим условие достижимости невесомости.
Если опора движется вместе с телом с ускорением 
a, направление которого совпадает с ускорением
свободного падения (случай 1), то вес тела
(определяемый из векторного уравнения 
) в проекции на вертикальную
ось oz, направленную вверх, равен
P=N=m(g−a).
Если a=g, то P=0, т. е. наступает невесомость.
При движении тела и опоры в направлении,
противоположном направлению ускорения
свободного падения (случай 2), получим
P=N=m(g+a).
В этом случае наступает перегрузка − вес тела увеличивается.

Составить опорный конспект согласно уроку 4 , (теоретический материал на сайте «Урок 4. Силы в природе. Закон всемирного тяготения. Невесомость»
Прочесть «Физика 10 класс. 1 часть» стр 59-84.
Решить задачи к Уроку 4 в учебнике «Физика 10 класс. 1 часть» в разделе "Решайте" на стр. 66 Задача 1, на стр. 67 Задача 1, на стр. 77 Задача 4, на стр. 83 Задачи 1 и 3.
Знать определения, формулы и направление следующих сил: сила упругости, сила натяжения нити, сила трения, сила реакции опоры, сила Архимеда, закон всемирного тяготения, сила тяжести, вес тела, невесомость.

1. Учебник "Физика 10 класс. 1 часть" Б.Кронгарт, Д.Казахбаева, О.Иманбеков, Т.Қыстаубаев - Мектеп. 2019 - https://cloud.mail.ru/public/4rxP/52U9MwvYz.

2. "Физика в таблицах и схемах" О.В. Янчевская - СПб. 2008 - https://cloud.mail.ru/public/3M2W/4qGuf1ji4

Дополнительная литература:

Грабовский Р. И. Курс физики: Учебное пособие. 11-е изд., стер. — СПб.: Издательство «Лань», 2009.
Кабардин О.Ф. Физика: справочные материалы. Учебное пособие для учащихся 3-е изд., М., Просвещение, 2009.
Савельев И.В. Курс общей физики. В 5т. Том 1. Механика, колебания и волны, молекулярная физика. М.: Наука, 1970.
Сивухин Д.В. Общий курс физики. В 5 т. Том I. Механика.   4-е изд., стереот. — М.: ФИЗМАТЛИТ; Изд-во МФТИ, 2005.