Какие есть силы природы. Силы в природе

Помогаю уже с этим вопросом 2 раз!

Законы Ньютона. Силы в природе: упругость, трение, сила тяжести. Закон всемирного тяготения.

2. Силы в природе: упругость, трение, сила тяжести. Мы узнали, что сила - это количественная мера взаимодействия тел и в международной СИ единица силы называется ньютон (Н).

Прибор для измерения силы называется динамометр.

По своей природе силы бывают:

Гравитационные: сила тяжести, сила тяготения

Электромагнитные: сила упругости, сила трения

Слабые и сильные взаимодействия на полевом уровне: сила Кулона, сила Ампера, сила Лоренца.

Рассмотрим более подробно силы упругости, трения и тяжести.

Сила тяжести.

Сила, с которой Земля притягивает к себе все тела, называется силой тяжести. Обозначается - Fтяж, приложена к центру тяжести, направлена по радиусу к центру Земли, определяется по формуле

Где: m – масса тела; g – ускорение свободного падения (g=9,8м/с2).

Сила трения.

Сила, возникающая при движении одного тела по поверхности другого, направленная в сторону противоположную движению называется силой трения.

Точка приложения силы трения под центром тяжести, в сторону противоположную движению вдоль соприкасающихся поверхностей. Сила трения делится на силу трения покоя, силу трения качения, силу трения скольжения. Сила трения покоя это сила, препятствующая возникновению движения одного тела по поверхности другого. При ходьбе сила трения покоя, действующая на подошву, сообщает человеку ускорение. При скольжении связи между атомами первоначально неподвижных тел, разрываются, трение уменьшается. Сила трения скольжения зависит от относительной скорости движения соприкасающихся тел. Трение качения во много раз меньше трения скольжения.

Сила трения определяется по формуле:

Где: µ - коэффициент трения безразмерная величина, зависит от характера обработки поверхности и от сочетания материалов соприкасающихся тел (силы притяжения отдельных атомов различных веществ существенно зависят от их электрических свойств);

N – сила реакции опоры - это сила упругости, возникающая в поверхности под действием веса тела.

Для горизонтальной поверхности: Fтр = µmg

При движении твердого тела в жидкости или газе возникает сила вязкого трения. Сила вязкого трения значительно меньше силы сухого трения. Она также направлена в сторону, противоположную относительной скорости тела. При вязком трении нет трения покоя. Сила вязкого трения сильно зависит от скорости тела.

Сила упругости

При деформации тела возникает сила, которая стремится восстановить прежние размеры и форму тела. Ее называют силой упругости.

Простейшим видом деформации является деформация растяжения или сжатия.

При малых деформациях (|x| << l) сила упругости пропорциональна деформации тела и направлена в сторону, противоположную направлению перемещения частиц тела при деформации: Fупр =kx

Это соотношение выражает экспериментально установленный закон Гука: сила упругости прямо пропорциональна изменению длины тела.

Где: k - коэффициент жесткости тела, измеряется в ньютонах на метр (Н/м). Коэффициент жесткости зависит от формы и размеров тела, а также от материала.

3. Закон всемирного тяготения.

Каждый день вода уходит от берегов, а потом, как ни в чем не бывало, возвращается обратно.

Так вот вода в это время находится не неизвестно где, а примерно посредине океана. Там образуется что-то наподобие горы из воды. Невероятно, правда? Вода, которая имеет свойство растекаться, сама не просто стекается, а еще и образует горы. И в этих горах сосредоточена огромная масса воды. Но раз такое происходит, должна же быть какая-то причина. И причина есть. Причина кроется в том, что эту воду притягивает к себе Луна.

Вращаясь вокруг Земли, Луна проходит над океанами

До сих пор использовалось общее понятие силы, и не рассматривался вопрос о том, какие бывают силы и что они собой представляют. Несмотря на многообразие сил, встречающихся в природе, все их можно свести к четырем видам фундаментальных сил: 1) гравитационные; 2) электромагнитные; 3) ядерные; 4) слабые.

Гравитационные силы возникают между любыми телами. Их действие надо учитывать лишь в мире больших тел.

Электромагнитные силы действуют на заряды как неподвижные, так и движущиеся. Поскольку вещество построено из атомов, которые, в свою очередь состоят из электронов и протонов, то большинство сил, с которыми мы встречаемся в жизни - это электромагнитные силы. Ими являются, например, силы упругости, возникающие при деформации тел, силы трения.

Ядерные и слабые силы проявляют себя на расстояниях, не превышающих м, поэтому эти силы заметны лишь в микромире. Вся классическая физика, а вместе с ней и понятие силы, неприменимы к элементарным частицам. Характеризовать точным образом взаимодействие этих частиц с помощью сил нельзя. Единственно возможным здесь становится энергетическое описание. Тем не менее, и в атомной физике часто говорят о силах. В этом случае терминсила становится синонимом слова взаимодействие .

Таким образом, в современной науке слово сила употребляется в двух смыслах: во-первых, в смысле механической силы – точной количественной меры взаимодействия; во-вторых, сила означает наличие взаимодействия определенного типа, точной количественной мерой которого может быть только энергия .

В механике рассматриваются три типа сил: гравитационные, упругие и силы трения. Кратко остановимся на них.

1. Гравитационные силы . Все тела в природе притягиваются друг к другу. Эти силы получили название гравитационных. Ньютон установил закон, названный законом всемирного тяготения : силы, с которыми притягиваются материальные точки, пропорциональны произведению их масс, обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними и направлены вдоль прямой, соединяющих их, т.е.

, (2.16)

где М и т – массы тел; r – расстояние между телами;   гравитационная постоянная. Знак «» указывает на то, что это сила притяжения.

Из формулы (2.16) следует, что при т = М = 1 кг и r = 1 м,  = F , т.е. гравитационная постоянная равна модулю силы притяжения материальных точек единичной массы, находящихся на единичном расстоянии друг от друга. Впервые опытное доказательство закона всемирного тяготения проведено Кавендишем. Он сумел определить величину гравитационной постоянной:
. Очень малая величина указывает на то, что сила гравитационного взаимодействия значительна только в случае тел с большими массами.

2. Силы упругости . При упругих деформациях возникают силы упругости. Согласно закону Гука , модуль упругой силы
пропорционален величине деформациих , т.е.

, (2.17)

где k  коэффициент упругости. Знак «» определяет тот факт, что направление силы и деформации противоположны.

3. Силы трения . При перемещении соприкасающихся тел или их частей относительно друг друга возникают силы трения . Различают внутреннее (вязкое) и внешнее (сухое) трение.

Вязким трением называют трение между твердым телом и жидкой или газообразной средой, а также между слоями такой среды.

Внешним трением называют явление возникновения в месте контакта соприкасающихся твердых тел сил, препятствующих их взаимному перемещению. Если соприкасающиеся тела неподвижны, то между ними возникает сила при попытке сдвинуть одно тело относительно другого. Она называется силой трения покоя . Сила трения покоя не является однозначно определенной величиной. Она меняется от нуля до максимального значения силы, приложенной параллельно плоскости соприкосновения, при которой тело начинает двигаться (рис. 2.3).

Обычно силой трения покоя и называют эту максимальную силу трения. Модуль силы трения покоя
пропорционален модулю силы нормального давления, который по третьему закону Ньютона равен модулю силы реакции опорыN , т.е.
, где
 коэффициент трения покоя.

При движении тела по поверхности другого тела возникает сила трения скольжения . Установлено, что модуль силы трения скольжения
так же пропорционален модулю силы нормального давленияN

, (2.19)

где   коэффициент трения скольжения. Установлено, что
, однако при решении многих задач их считают равными.

При решении задач учитывают следующие виды сил:

1. Сила тяжести
 сила, с которой гравитационное поле Земли действует на тело (приложена эта сила к центру масс тела).

Несмотря на разнообразие сил, имеется всего четыре типа взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое.

Гравитационные силы заметно проявляются в космических масштабах. Одним из проявлений гравитационных сил является свободное падение тел. Земля сообщает всем телам одно и то же ускорение, которое называют ускорением свободного падения g. Оно незначительно меняется в зависимости от географической широты. На широте Москвы оно равно 9,8 м/с 2 .

Электромагнитные силы действуют между частицами, имеющими электрические заряды. Сильные и слабые взаимодействия проявляются внутри атомных ядер и в ядерных превращениях.

Гравитационное взаимодействие существует между всеми телами, обладающими массами. Закон всемирного тяготения, открытый Ньютоном, гласит:

Сила взаимного притяжения двух тел, которые могут быть принятыми за материальные точки, прямо пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:

Коэффициент пропорциональности у называют гравитационной постоянной. Она равна 6,67 10 -11 Н м 2 /кг 2 .

Если на тело действует лишь гравитационная сила со стороны Земли, то она равна mg. Это и есть сила тяжести G (без учета вращения Земли). Сила тяжести действует на все тела, находящиеся на Земле, вне зависимости от их движения.

При движении тела с ускорением свободного падения (или даже с меньшим ускорением, направленным вниз) наблюдается явление полной или частичной невесомости.

Полная невесомость - отсутствие давления на подставку или на подвес. Вес - сила давления тела на горизонтальную опору или сила растяжения нити со стороны подвешенного к ней тела, которая возникает в связи с гравитационным притяжением данного тела к Земле.

Силы притяжения между телами неуничтожимы, тогда как вес тела может исчезнуть. Так, в спутнике, который двигается с первой космической скоростью вокруг Земли, вес отсутствует так же, как в лифте, падающем с ускорением g.

Примером электромагнитных сил являются силы трения и упругости. Различают силы трения скольжения и силы трения качения. Сила трения скольжения намного больше силы трения качения.

Сила трения зависит в некотором интервале от приложенной силы, которая стремится сдвинуть одно тело относительно другого. Прикладывая различную по величине силу, увидим, что небольшие силы не могут сдвинуть тело. При этом возникает компенсирующая сила трения покоя.

Целью урока является расширение программного материала по теме: “Силы в природе ” и совершенствование практических навыков и умений по решению задач.

Задачи урока:

закрепить изученный материал,
сформировать у учащихся представления о силах вообще и о каждой силе в отдельности,
грамотно применять формулы и правильно строить чертежи при решении задач.

Урок сопровождается мультимедиа презентацией .

Силой называется векторная величина, которая является причиной всякого движения как следствия взаимодействий тел. Взаимодействия бывают контактные, вызывающие деформации, и бесконтактные. Деформация это изменение формы тела или отдельных его частей в результате взаимодействия.

В Международной системе единиц (СИ) единица силы называется ньютон (Н). 1 Н равен силе, придающей эталонному телу массой 1 кг ускорение 1 м/с 2 в направлении действия силы. Прибор для измерения силы – динамометр.

Действие силы на тело зависит от:

Величины прилагаемой силы;
Точки приложения силы;
Направления действия силы.

По своей природе силы бывают гравитационные, электромагнитные, слабые и сильные взаимодействия на полевом уровне. К гравитационным силам относятся сила тяжести, вес тела, сила тяготения. К электромагнитным силам относятся сила упругости и сила трения. К взаимодействиям на полевом уровне можно отнести такие силы как: сила Кулона, сила Ампера, сила Лоренца.

Рассмотрим предлагаемые силы.

Сила тяготения.

Сила тяготения определяется из закона Всемирного тяготения и возникает на основании гравитационных взаимодействий тел, так как любое тело, обладающее массой, имеет гравитационное поле. Два тела взаимодействуют с силами равными по величине и противоположно направленными, прямо пропорциональными произведению масс и обратно пропорциональными квадрату расстояния между их центрами.

G = 6,67 . 10 -11 - гравитационная постоянная, определенная Кавендишем.

Одним из проявлений силы всемирного тяготения является сила тяжести, причем, ускорение свободного падения можно определить по формуле:

Где: М – масса Земли, R з – радиус Земли.

Задача: Определите силу, с которой притягиваются друг к другу два корабля массой по 10 7 кг каждый, находящиеся на расстоянии 500 м друг от друга.

От чего зависит сила тяготения?
Как запишется формула силы тяготения, действующей на высоте h от поверхности Земли?
Как была измерена гравитационная постоянная?

Сила тяжести.

Сила, с которой Земля притягивает к себе все тела, называется силой тяжести. Обозначается - F тяж, приложена к центру тяжести, направлена по радиусу к центру Земли, определяется по формуле F тяж = mg.

Где: m – масса тела; g – ускорение свободного падения (g=9,8м/с 2).

Задача: сила тяжести на поверхности Земли составляет 10Н. Чему она будет равна на высоте, равной радиусу Земли (6 . 10 6 м)?

В каких единицах измеряется коэффициент g?
Известно, что земля не шар. Она приплюснута у полюсов. Одинакова ли будет сила тяжести одного и того же тела на полюсе и экваторе?
Как определить центр тяжести тела правильной и неправильной геометрической формы?

Вес тела.

Сила, с которой тело действует на горизонтальную опору или вертикальный подвес, вследствие земного притяжения, называется весом. Обозначается - Р, приложена к опоре или подвесу под центром тяжести, направлена вниз.

Если тело покоится, то можно утверждать, что вес равен силе тяжести и определяется по формуле Р = mg.

Если тело движется с ускорением вверх, то тело испытывает перегрузку. Вес определяется по формуле Р = m(g + a).

Вес тела приблизительно в два раза превышает по модулю силу тяжести (двукратная перегрузка) .

Если тело движется с ускорением вниз, то тело может испытывать невесомость в первые секунды движения. Вес определяется по формуле Р = m(g - a).

Задача : лифт массой 80 кг движется:

Равномерно;

поднимается с ускорением 4,9 м/с 2 вверх;
спускается вниз с таким же ускорением.
определить вес лифта во всех трех случаях.

Чем вес отличается от силы тяжести?
Как найти точку приложения веса?
Что такое перегрузка и невесомость?

Сила трения.

Сила трения определяется по формуле:

N – сила реакции опоры - это сила упругости, возникающая в поверхности под действием веса тела.

Для горизонтальной поверхности: F тр = µmg

Задача: Собачья упряжка начинает тащить стоящие на снегу сани массой 100кг с постоянной силой 149Н. За какой промежуток времени сани проедут первые 200м пути, если коэффициент трения скольжения полозьев о снег 0,05?

При каком условии возникает трение?
От чего зависит сила трения скольжения?
Когда трение бывает “полезное”, а когда “вредное”?

Сила упругости.

Простейшим видом деформации является деформация растяжения или сжатия.

В физике закон Гука для деформации растяжения или сжатия принято записывать в другой форме:

Где: – относительная деформация; Е – модуль Юнга, который зависит только от свойств материала и не зависит от размеров и формы тела. Для различных материалов модуль Юнга меняется в широких пределах. Для стали, например, E2·10 11 Н/м 2 , а для резины E2·10 6 Н/м 2 ; – механическое напряжение.

При деформации изгиба F упр = - mg и F упр = - Kx.

Следовательно, можно найти коэффициент жесткости:

В технике часто применяются спиралеобразные пружины. При растяжении или сжатии пружин возникают упругие силы, которые также подчиняются закону Гука, возникают деформации кручения и изгиба.

Задача: Пружину детского пистолета сжали на 3 см. Определите возникшую в ней силу упругости, если жесткость пружины равна 700 Н/м.

От чего зависит жесткость тел?
Объяснить причину возникновения силы упругости?
От чего зависит величина силы упругости?

4. Равнодействующая сила.

Равнодействующей называется сила, заменяющая действия нескольких сил. Эта сила применяется при решении задач с использованием нескольких сил.

На тело действуют сила тяжести и сила реакции опоры. Равнодействующая сила, в данном случае, находится по правилу параллелограмма и определяется по формуле

На основании определения равнодействующей, можно интерпретировать второй закон Ньютона как: равнодействующая сила равна произведению ускорения тела на его массу.

Равнодействующая двух сил, действующих вдоль одной прямой в одну сторону, равна сумме модулей этих сил и направлена в сторону действия этих сил. Если силы действуют вдоль одной прямой, но в разные стороны, то равнодействующая сила равна разности модулей действующих сил и направлена в сторону действия большей силы.

Задача: наклонная плоскость, образующая угол 30 о, имеет длину 25м. тело, двигаясь равноускоренно, соскользнуло с этой плоскости за 2с. Определить коэффициент трения.

Сила Архимеда.

Сила Архимеда - это выталкивающая сила, возникающая в жидкости или газе и действующая противоположно силе тяжести.

Закон Архимеда: на тело, погруженное в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, равная весу вытесненной жидкости

Где: – плотность жидкости или газа; V – объем погруженной части тела; g – ускорение свободного падения.

Задача: Чугунный шар объемом 1дм 3 опустили в жидкость. Его вес уменьшился на 8,9Н. В какой жидкости находится шар?

Каковы условия плавания тел?
Зависит ли сила Архимеда от плотности тела, погруженного в жидкость?
Как направлена сила Архимеда?

Центробежная сила.

Центробежная сила возникает при движении по окружности и направлена по радиусу из центра.

Где: v –линейная скорость; r – радиус окружности.

Сила Кулона.

В механике Ньютона используется понятие гравитационной массы, подобно этому в электродинамике первичным является понятие электрического заряда.Электрический заряд – это физическая величина, характеризующая свойство частиц или тел вступать в электромагнитные силовые взаимодействия. Заряды взаимодействуют с силой Кулона.

Где: q 1 и q 2 – взаимодействующие заряды, измеряющиеся в Кл (Кулонах);

r – расстояние между зарядами; k – коэффициент пропорциональности.

k=9 . 10 9 (Н . м 2)/Кл 2

Часто его записывают в виде: ,где – электрическая постоянная, равная 8,85 . 10 12 Кл 2 /(Н . м 2).

Силы взаимодействия подчиняются третьему закону Ньютона: F 1 = - F 2 . Они являются силами отталкивания при одинаковых знаках зарядов и силами притяжения при разных знаках.

Если заряженное тело взаимодействует одновременно с несколькими заряженными телами, то результирующая сила, действующая на данное тело, равна векторной сумме сил, действующих на это тело со стороны всех других заряженных тел.

Задача: Сила взаимодействия двух одинаковых точечных зарядов, находящихся на расстоянии 0,5м, равна 3,6Н. Найти значения этих зарядов?

Почему при электризации трением заряжаются оба трущихся тела?
Остается ли неизменной масса тела при его электризации?
В чем заключается физический смысл коэффициента пропорциональности в законе Кулона?

Сила Ампера.

На проводник с током в магнитном поле действует сила Ампера.

Где: I – сила тока в проводнике; В – магнитная индукция; l - длина проводника; – угол между направлением проводника и направлением вектора магнитной индукции.

Направление этой силы можно определить по правилу левой руки.

Если левую руку следует расположить таким образом, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, вытянутые четыре пальца направлены вдоль действия силы тока, то отогнутый большой палец указывает направление силы Ампера.

Задача: определить направление тока в проводнике, находящемся в магнитном поле, если действующая на проводник сила имеет направление

При каких условиях возникает сила Ампера?
Как определить направление действия силы Ампера?
Как определить направление линий магнитной индукции?

Сила Лоренца.

Сила, с которой электромагнитное поле действует на любое, находящееся в нем заряженное тело, называется силой Лоренца.

Где: q – величина заряда; v – скорость движения заряженной частицы; В – магнитная индукция; – угол между векторами скорости и магнитной индукции.

Направление силы Лоренца можно определить по правилу левой руки.

Задача: в однородном магнитном поле, индукция которого равна 2Тл, движется электрон со скоростью 10 5 м/с перпендикулярно линиям магнитной индукции. Вычислить силу, действующую на электрон.

Что называется силой Лоренца?
Каковы условия существования силы Лоренца?
Как определить направление действия силы Лоренца?

В заключение урока предоставляется возможность учащимся заполнить таблицу.

Название силы	Формула	Рисунок	Точка приложения	Направление действия
Сила тяготения
Сила тяжести
Вес
Сила трения
Сила упругости
Сила Архимеда
Равнодействующая сила
Центробежная сила
Сила Кулона
Сила Ампера
Сила Лоренца

Литература:

М.Ю.Демидова, И.И.Нурминский “ЕГЭ 2009”
И.В.Кривченко “Физика – 7”
В.А.Касьянов “Физика. Профильный уровень”