Какие силы в природе встречаются. Открытый урок по физике

Тема: “Силы в природе. Гравитационные силы”

1. Выяснить какие типы сил встречаются в природе. Дать определение гравитационной силы. Сформулировать закон всемирного тяготения.
2. Развивать мышление учащихся, интерес к изучению физики.
3. Воспитывать положительное отношение к труду.

Здравствуйте ребята. Тема нашего урока “Силы в природе. Гравитационные силы”. Откройте тетради и запишите число и тему урока. Сегодня на уроке мы выясним какие типы сил встречаются в природе. Дадим определение гравитационной силы и сформулируем закон всемирного тяготения. Но сначала давайте повторим пройденный материал.

1)Что такое динамика?

2)Сформулируйте первый закон Ньютона.

3)Какие системы отсчета называются инерциальными?

4)Сформулируйте второй закон Ньютона.

5)Сформулируйте третий закон Ньютона.

6)Что такое сила?

1). Типы сил в природе:

Гравитационные – все тела притягиваются друг к другу.

Электромагнитные – действуют между частицами, имеющими электрические заряды (в атомах, молекулах, твердых, жидких и газообразных телах, живых организмах).

Ядерные – внутри атомных ядер (сказываются только на расстоянии 10 -12 см).

Слабые взаимодействия – проявляются на еще меньших расстояниях. Они вызывают превращение элементарных частиц друг в друга.

2). Гравитационная сила.

Попытки объяснить строение Солнечной системы, занимали умы многих людей. Особенно волновал вопрос о том, что связывает планеты и Солнце в единую систему? Он встал, после того как Коперник “поместил” Солнце в центр, а все планеты заставил обращаться вокруг него. Именно Солнце естественно считать причиной обращения вокруг него Земли и планет. Но не только планеты притягиваются к Солнцу. Солнце тоже притягивается к планетам. Это доказал И. Ньютон. Выражение для силы тяготения Ньютон получил в 1666 году, когда ему было 24 года. Изучая в течение многих лет движение тел, в частности движение Луны вокруг Земли и планет вокруг Солнца, Ньютон пришел к смелой мысли о том, что все тела во Вселенной притягивают друг друга.

Взаимное притяжение между всеми телами было названо всемирным тяготением . (Определение записать в тетрадь)

Силы всемирного тяготения иначе называют гравитационными . (Определение записать в тетрадь)

3). Закон всемирного тяготения

Ньютон установил, как зависит от расстояния ускорение свободного падения. Вблизи поверхности Земли, на расстоянии 6400 км от центра оно составляет 9,8 м/с 2 . А на расстоянии в 60 раз больше, то есть у Луны это ускорение в 3600 раз меньше, чем на Земле. Вывод: ускорение убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от центра Земли. По второму закону динамики, ускорение прямо пропорционально силе, а сила в свою очередь прямо пропорциональна массам. Обобщив все это, Ньютон сформулировал закон всемирного тяготения :

Два любых тела притягиваются друг к другу с силой прямо пропорциональной массе каждого из них и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними:

F=(G m 1 m 2) /r 2

F –модуль вектора силы гравитационного притяжения между телами с массами m 1 и m 2 , находящимися на расстоянии r друг от друга.

G –гравитационная постоянная (закон и формулу закона записать в тетрадь)

Если m 1= m 2 =1кг, то G численно равна силе F.

G=6,67*10 -11 (Н*м 2)/кг 2 (записать в тетрадь)

Это величайшее открытие английский поэт Байрон описывает так в своем произведении “Дон Жуан”:

Так человека яблоко сгубило,
Но яблоко его же и спасло,
Ведь Ньютона открытие разбило
Неведения мучительное зло
Дорогу к новым звездам проложило
И новый выход страждущим дано.
Уж скоро мы, природы властелины
И на Луну пошлем свои машины.

Взаимное притяжение между материальными телами было обнаружено впервые “на небе”. Но закон Ньютона относится ко всем материальным частицам, независимо от их местонахождения, и потому притяжение должно существовать и между земными телами. Такое притяжение было обнаружено в XVII веке, через 50 лет после открытия Ньютона, французскими учеными Бугером и Кондамином в результате эксперимента. Более точные опыты провел в 1798 году английский ученый Кавендиш.

4). Опыт Кавендиша (учебник страница 83, рисунок 81 и рисунок на экране)

Два шарика 1, имеющие одинаковую массу m 1, укреплены на концах легкого коромысла 2, подвешенного на упругой нити 3. Шарики находятся на расстоянии r от более массивных шаров 4 массой m 2. Под действием силы притяжения малых шаров к большим, коромысло поворачивается. По углу закручивания нити определяется сила гравитационного притяжения F 12 шариков массами m 1 и m 2 . Кавендиш нашел числовое значение гравитационной постоянной.

5). Применение формулы закона для расчетов (записать в тетрадь)

Формула закона всемирного тяготения дает точный результат при расчете:

а) если размеры тел пренебрежимо малы по сравнению с расстоянием между ними;
б) если оба тела однородны и имеют шарообразную форму;
в) если одно из взаимодействующих тел – шар, размеры и масса которого, значительно больше, чем у второго тела.

Тест. Букву, под которой находится правильный ответ записать в таблицу. В результате получится ключевое слово.

1. Кто открыл закон всемирного тяготения?

З Ньютон;
В Кавендиш;
Р Коперник.

2. Формула, определяющая силу всемирного притяжения между двумя телами.

Е F=(m 1 m 2) /r 2 ;
A F=(Gm 1 m 2)/r 2 ;
O F=(Gm 1 m 2)/r.

3. Как изменится сила притяжения между двумя шарами, если один из них заменить другим масса которого вдвое больше?

Н не изменится;
К увеличится в два раза;
З уменьшится в два раза.

4. Чему равна гравитационная постоянная?

О 6,67*10 -11 Н*м 2 /кг 2 ;
Е 6,67*10 -11 Н*м/кг;
И 6,67*10 -1 Н*м 2 /кг 2 .

5. Как изменится сила притяжения между двумя шарами, если расстояние между ними увеличить вдвое?

К уменьшится в два раза;
Т увеличится в четыре раза;
Н уменьшится в четыре раза.

Сесть спокойно и устойчиво. Закрыть глаза и расслабить веки. Мысленно погладить глаза теплыми мягкими пальцами. Почувствовать, как глазные яблоки совершенно пассивно лежат в глазницах. Лицо и тело расслаблены. Чувства тепла и тяжести сменяются легкостью, а в дальнейшем – полной потерей ощущения глаз.

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

Все известные взаимодействия и соответственно силы в природе сводятся к следующим четырем типам: гравитационное, электромагнитное, сильное, слабое.

Гравитационное взаимодействие свойственное всем телам во Вселенной, проявляется в виде взаимного притяжения всех тел в природе, независимо от среды в которой они находятся, в микромире элементарных частиц при обычных энергиях роли не играет. Ярким примером является притяжение Землей. Это взаимодействие подчиняется закону всемирного тяготения : сила взаимодействия между двумя материальными точками массами m 1 и m 2 прямо пропорциональная произведению этих масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними. Математически этот закон имеет вид:

где G = 6,67 10 -11 Н м 2 /кг 2 - гравитационная постоянная, которая определяет силу притяжения между двумя одинаковыми телами с массами m 1 = m 2 = 1 кг на расстоянии r = 1 м.

Электромагнитное взаимодействие – взаимодействие между неподвижными и подвижными электрическими зарядами. Этим взаимодействием в частности обусловлены силы межмолекулярного и межатомного взаимодействия.

Взаимодействие между двумя точечными неподвижными зарядами q 1 и q 2 подчиняется закону Кулона:

,

где k = 9 10 9 Н м 2 /Кл 2 – коэффициент пропорциональности.

Если заряд движется в магнитном поле, то на него действует сила Лоренца:

v – скорость заряда, В – вектор магнитной индукции.

C ильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре атома. Слабое отвечает за большинство распадов элементарных частиц, а также за процессы взаимодействия нейтрино с веществом.

В классической механике мы имеем дело с гравитационными и электромагнитными силами, которые приводят к появлению сил притяжения, сил упругости, сил трения и других.

Сила тяжести характеризует взаимодействие тела с Землей.

Вблизи Земли все тела падают приблизительно с одинаковым ускорением g  9,8 м/с 2 , которое называется ускорением свободного падения . Отсюда следует, что вблизи Земли на каждое тело действует сила тяжести, которая направлена к центру Земли и равна произведению массы тела на ускорение свободного падения.

вблизи поверхности Земле поле однородно (g = const ). Сравнивая
с
, получим, что
.

Сила реакции опоры – сила , с которой опора действует на тело. Она приложена к телу и перпендикулярна поверхности соприкосновения. Если тело лежит на горизонтальной поверхности, то сила реакции опоры численно равна силе тяжести. Рассмотрим 2 случая.

1. Рассмотрим рис.

Пусть тело покоится, тогда на него действует две силы. Согласно 2 закону Ньютона

Найдем проекции этих сил на ось у и получим, что

2. Пусть теперь тело находится на наклонной плоскости, составляющей угол с горизонтом (см. рис.).

Рассмотрим случай, когда тело будет покоиться, тогда на тело будут действовать две силы, уравнение движения выглядит аналогично первому случаю. Записав 2 закон Ньютона в проекции на ось у, получим, что сила реакции опоры численно равна проекции силы тяжести на перпендикуляр к этой поверхности

Вес тела – сила, с которой действует тело на опору или подвес. Вес тела равен по модулю силе реакции опоры и направлен противоположно

Часто путают силу тяжести и вес. Это обусловлено тем, что в случае неподвижной опоры эти силы совпадают по величине и по направлению Однако надо помнить, что эти силы приложены к разным телам: сила тяжести приложена к самому телу, вес приложен к подвесу или опоре. Кроме того, сила тяжести всегда равна mg, независимо от того покоится тело или движется, сила веса зависит от ускорения, с которым движутся опора и тело, причем она может быть как больше, так и меньше mg, в частности, в состоянии невесомости она обращается в нуль.

Сила упругости . Под действием внешних сил может происходить изменение формы тела – деформация. Если после прекращения действия силы форма тела возобновляется, деформация называется упругой . Для упругой деформации справедлив закон Гука:

x - удлинение тела вдоль оси х , k - коэффициент пропорциональности, который называют коэффициентом упругости .

При непосредственном соприкосновении тел помимо сил упругости могут возникать силы и другого типа, так называемые силы трения.

Силы трения .

Силы трения бывают двух видов:

Сила трения покоя.

Сила трения, обусловленная движением тел.

Сила трения покоя – сила, с которой действует поверхность на покоящееся на ней тело в направлении, противоположном приложенной к телу силе (см. рис) и равная ей по модулю

Силы трения 2 типа появляются при перемещении соприкасающихся тел или частей друг относительно друга. Трение, возникающее при относительном перемещении двух соприкасающихся тел, называют внешним. Трение между частями одного и того же сплошного тела (жидкость или газ), носит название внутреннего.

Сила трения скольжения действует на тело в процессе его перемещения по поверхности другого тела и равна произведению коэффициента трения  между этими телами на силу реакции опоры N и направлена в сторону, противоположную относительной скорости движения этого тела

F = N

Силы трения играют очень большую роль в природе. В нашей повседневной жизни трение нередко оказывается полезным. Например, затруднения которые испытывают пешеходы и транспорт во время гололедицы, когда трение между покрытием дороги и подошвами пешеходов или колесами транспорта значительно уменьшается. Не будь сил трения, мебель пришлось бы прикреплять к полу, как на судне во время качки, ибо она при малейшей негоризонтальности пола сползла бы в направлении покатости.

Закон сохранения импульса

Замкнутой (изолированной) системой тел называют такую систему, тела которой не взаимодействуют с внешними телами или если равнодействующая внешних сил равна нулю.

Если на систему материальных точек не действуют внешние силы, то есть система изолирована (замкнутая ), из (3.12) выплывает, что

,

(3.13)

Мы получили фундаментальный закон классической физики - закон сохранения импульса: в изолированной (замкнутой) системе суммарный импульс остается величиной постоянной. Для того, чтобы выполнялся закон сохранения импульса достаточно, чтобы система была замкнута.

Закон сохранения импульса является фундаментальным законом природы не знающим исключений.

В нерелятивистском случае можно ввести понятие центра масс (центра инерции) системы материальных точек , под которым понимают воображаемую точку, радиус-вектор которой , выражается через радиусы векторы материальных точек по формуле:

(3.14)

Найдем скорость центра масс в данной системе отсчета, взяв производную по времени от соотношения (3.14)

. (3.14)

Импульс системы равняется произведению массы системы на скорость ее центра инерции.

. (3.15)

Понятие центра масс позволяет придать уравнению
другую форму, которая часто оказывается более удобной. Для этого достаточно учесть, что масса системы есть величина постоянная. Тогда

(3.16)

где – сумма всех внешних сил, которые действуют на систему. Уравнение (3.16) – уравнение движенияцентра инерции системы. Теорема о движении центра масс гласит: центр масс движется как материальная точка, масса которой равна суммарной массе всей системы, а действующая сила – геометрической сумме всех внешних сил, действующих на систему .

Если система замкнута, то
. В этом случае уравнение (3.16) переходит в
, из которого следуетV=const. Центр масс замкнутой системы движется прямолинейно и равномерно.

>>Физика: Силы в природе. Гравитационные силы

Выясним сначала, много ли видов сил существует в природе.
На первый взгляд кажется, что мы взялись за непосильную и неразрешимую задачу: тел на Земле и вне ее бесконечное множество. Они взаимодействуют по-разному. Так, например, камень падает на Землю; электровоз тянет поезд; нога футболиста ударяет по мячу; потертая о мех эбонитовая палочка притягивает легкие бумажки, магнит притягивает железные опилки; проводник с током поворачивает стрелку компаса; взаимодействуют Луна и Земля, а вместе они взаимодействуют с Солнцем; взаимодействуют звезды и звездные системы и т. д. Подобным примерам нет конца. Похоже, что в природе существует бесконечное множество взаимодействий (сил)? Оказывается, нет!
Четыре типа сил. В безграничных просторах Вселенной , на нашей планете, в любом веществе, в живых организмах, в атомах, в атомных ядрах и в мире элементарных частиц мы встречаемся с проявлением всего лишь четырех типов сил: гравитационных, электромагнитных, сильных (ядерных) и слабых.
Гравитационные силы , или силы всемирного тяготения, действуют между всеми телами - все тела притягиваются друг к другу. Но это притяжение существенно обычно лишь тогда, когда хотя бы одно из взаимодействующих тел так же велико, как Земля или Луна. Иначе эти силы столь малы, что ими можно пренебречь.
Электромагнитные силы действуют между частицами, имеющими электрические заряды. Сфера их действия особенно обширна и разнообразна. В атомах, молекулах, твердых, жидких и газообразных телах, живых организмах именно электромагнитные силы являются главными. Велика их роль в атомах.
Область действия ядерных сил очень ограничена. Они заметны только внутри атомных ядер (т. е. на расстояниях порядка 10 -13 см). Уже на расстояниях между частицами порядка 10 -11 см (в тысячу раз меньших размеров атома - 10 -8 см) они не проявляются совсем.
Слабые взаимодействия проявляются на еще меньших расстояниях, порядка 10 -15 см. Они вызывают взаимные превращения элементарных частиц, определяют радиоактивный распад ядер, реакции термоядерного синтеза.
Ядерные силы - самые мощные в природе. Если интенсивность ядерных сил принять за единицу, то интенсивность электромагнитных сил составит 10 -2 , гравитационных - 10 -40 , слабых взаимодействий - 10 -16 .
Сильные (ядерные) и слабые взаимодействия проявляются на таких малых расстояниях, когда законы механики Ньютона, а с ними вместе и понятие механической силы теряют смысл.
В механике мы будем рассматривать только гравитационные и электромагнитные взаимодействия.
Силы в механике. В механике обычно имеют дело с тремя видами сил - силами тяготения, силами упругости и силами трения.
Силы упругости и трения имеют электромагнитную природу. Мы не будем здесь объяснять происхождение этих сил, с помощью опытов можно будет выяснить условия, при которых возникают эти силы, и выразить их количественно.
В природе существуют четыре типа взаимодействия. В механике изучаются гравитационные силы и две разновидности электромагнитных сил - силы упругости и силы трения .

Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев, Н.Н.Сотский, Физика 10 класс

Если у вас есть исправления или предложения к данному уроку,