Примеры воздействия силы в природе без человека. Силы 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 (рис. 3.1, а); магнит притягивает желез- ные опилки (рис. 3.1, б)", проводник с током поворачивает стрелку компаса (рис. 3.1, в); взаимодействуют Луна и Земля, а вместе они взаимодействуют с Солнцем; взаимодействуют звезды и звездные системы и т. д. и т. п. 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 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 атомных ядрах.
Область действия ядерных сил очень ограничена. Они сказываются заметным образом только внутри атомных ядер (т. е. на расстояниях порядка 10~12 см). Уже на расстояниях между частицами порядка Ю-11 см (в тысячу раз меньших размеров атома - 10~8 см) они не проявляются совсем.
Слабые взаимодействия проявляются на еще меньших расстояниях. Они вызывают превращения элементарных частиц друг в друга.
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.
Надо сказать, что лишь гравитационные и электромагнитные взаимодействия можно рассматривать как силы в смысле механики Ньютона. Сильные (ядерные) и слабые взаимодейст- вия проявляются на таких малых расстояниях, когда законы механики Ньютона, а с ними вместе и понятие механической силы теряют смысл. Если и в этих случаях употребляют термин «сила», то лишь как синоним слова «взаимодействие».
Силы в механике
В механике обычно имеют дело с силами тяготения, силами упругости и силами трения.
Мы не будем здесь рассматривать электромагнитную природу силы упругости и силы трения. С помощью опытов можно выяснить условия, при которых возникают эти силы, и выразить их количественно.
В природе существуют четыре типа сил. В механике изучаются гравитационные силы и две разновидности электромагнитных сил - силы упругости и силы трения.

Еще по теме § 3.1. СИЛЫ В ПРИРОДЕ:

1. Наука и техника позволяют использовать богатства и силы природы в интересах человека.
2. §3.12. ДЕФОРМАЦИЯ ТЕЛ ПОД ДЕЙСТВИЕМ СИЛЫ ТЯЖЕСТИ И СИЛЫ УПРУГОСТИ
3. Разрешение противоречия: купля и продажа рабочей силы. Рынок рабочей силы
4. ПРОТИВ «ВТОРОГО РАЗМЫШЛЕНИЯ» О природе человеческого ума и о том, будто эту природу нам легче познать, чем природу тела Сомнение I
5. Две силы есть- две роковые силы, Всю жизнь свою у них мы под рукой, От колыбельных дней и до могилы, - Одна есть Смерть, другая - Суд людской. Ф.И.Тютчев

Которая характеризует меру, с которой на тело воздействуют другие тела либо поля, называется силой. Согласно второму ускорение, которое получает тело, прямо пропорционально действующей на него силе. Соответственно, чтобы изменить скорость тела, необходимо воздействовать на него силой. Поэтому верным является утверждение о том, что силы в природе служат источником любого движения.

Инерциальные системы отсчета

Силы в природе являются векторными величинами, то есть они имеют модуль и направление. Две силы могут считаться одинаковыми лишь тогда, когда равны их модули, а их направления совпадают.

Если на тело не действуют силы, а также в том случае, когда геометрическая сумма сил, воздействующих на данное тело (эта сумма часто называется равнодействующей всех сил), равна нулю, то тело либо остается в состоянии покоя, либо продолжает движение в одном направлении с постоянной скоростью (то есть движется по инерции). Это выражение справедливо для инерциальных систем отсчета. Существование таких систем постулируется первым законом Ньютона. В природе таких систем нет, но они являются удобной Тем не менее, часто при решении практических задач систему отсчета, связанную с Землей, можно считать инерциальной.

Земля - инерциальная и неинерциальная система отсчета

В частности при строительных работах, при расчете движения автомобилей и плавательного транспорта предположения о том, что Земля - инерциальная система отсчета, вполне достаточно, чтобы с необходимой для практического решения задач точностью описать действующие силы.

В природе также существуют задачи, не допускающие такого предположения. В частности, это относится к космическим проектам. При старте ракеты строго вверх она вследствие вращения Земли осуществляет видимое движение не только вдоль вертикали, но и в горизонтальном направлении против вращения Земли. В этом движении проявляется неинерциальность системы отсчета, связанной с нашей планетой.

Физически на ракету не действуют силы, отклоняющие ее. Тем не менее, для описания движения ракеты удобно использовать Эти силы не существуют физически, но предположение об их существовании позволяет представить неинерциальную систему инерциальной. Другими словами, при расчетах траектории ракеты считают, что система отсчета «Земля» является инерциальной, но при этом на ракету действует некоторая сила в горизонтальном направлении. Эта сила называется сила Кориолиса. В природе ее действие становится заметным, когда речь идет о телах, движущихся на некоторой высоте относительно нашей планеты в течение довольно большого времени либо с большой скоростью. Так, ее учитывают, не только описывая движение ракет и спутников, но и при расчетах движения артиллерийских снарядов, самолетов и т.д.

Природа взаимодействий

Все силы в природе по характеру своего происхождения относятся к четырем фундаментальным гравитационное, слабое и сильное). В макромире заметным является лишь воздействие гравитации и электромагнитных сил. Слабые и сильные взаимодействия влияют на процессы, происходящие внутри атомных ядер и субатомных частиц.

Самым распространенным примером гравитационного взаимодействия является Это сила, с которой Земля действует на окружающие ее тела.

Электромагнитные силы, помимо очевидных примеров, включают в себя все упругие, связанные с давлением взаимодействия, которые тела оказывают друг на друга. Соответственно, такая сила природы, как вес (сила, с которой тело действует на подвес либо опору), имеет электромагнитную природу.

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:

1. Величины прилагаемой силы;
2. Точки приложения силы;
3. 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.

1. От чего зависит сила тяготения?
2. Как запишется формула силы тяготения, действующей на высоте h от поверхности Земли?
3. 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)?

1. В каких единицах измеряется коэффициент g?
2. Известно, что земля не шар. Она приплюснута у полюсов. Одинакова ли будет сила тяжести одного и того же тела на полюсе и экваторе?
3. 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.

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

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: F тр = 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.

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?

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

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: F упр =kх

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.

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.

1. От чего зависит жесткость тел?
2. Объяснить причину возникновения силы упругости?
3. 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?

1. Каковы условия плавания тел?
2. Зависит ли сила Архимеда от плотности тела, погруженного в жидкость?
3. 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?

1. Почему при электризации трением заряжаются оба трущихся тела?
2. Остается ли неизменной масса тела при его электризации?
3. 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

1. При каких условиях возникает сила Ампера?
2. Как определить направление действия силы Ампера?
3. 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.

1. Что называется силой Лоренца?
2. Каковы условия существования силы Лоренца?
3. Как определить направление действия силы Лоренца?

В заключение урока предоставляется возможность учащимся заполнить таблицу.

Литература:

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

1. Силы в природе:

а) упругость;

б) трение;

в) сила тяжести;

2. Закон всемирного тяготения;

3. Невесомость

1. В окружающем нас мире бесчисленное количество тел, которые взаимодействуют друг с другом. Но, несмотря на многообразие сил, принято выделять несколько их видов.

Силой упругости называют силу, которая возникает в теле при изменении его формы или размеров. Это происходит, если тело сжимают, растягивают, изгибают или скручивают. Например, сила упругости, возникшая в пружине, действует на кирпич. Она возникла в результате сжатия пружины.

Сила упругости всегда направлена противоположно той силе, которая вызвала изменение формы или размеров тела. В нашем примере упавший кирпич сжал пружину, то есть подействовал на нее с силой, направленной вниз. В результате в пружине возникла сила упругости, направленная в противоположную сторону, то есть вверх.

Силой тяготения называют силу, с которой все тела в мире притягиваются друг к другу. Разновидностью силы тяготения является сила тяжести – сила, с которой тело, находящееся вблизи какой-либо планеты, притягивается к ней. Например, ракета, стоящая на Марсе, притягивается к нему – на ракету действует сила тяжести.

Сила тяжести всегда направлена к центру планеты. Например, Земля притягивает мальчика и мяч с силами, направленными вниз, то есть к центру планеты.

Силой трения называют силу, препятствующую проскальзыванию одного тела по поверхности другого. Резкое торможение автомобиля сопровождается «визгом тормозов». Он возникает из-за проскальзывания шин по поверхности асфальта. При этом между колесом и дорогой действует сила трения, препятствующая такому проскальзыванию.

Сила трения всегда направлена противоположно направлению проскальзывания рассматриваемого тела по поверхности другого. Например, при торможении автомобиля его колеса проскальзывают вперед, значит, действующая на них сила трения о дорогу направлена в противоположную сторону, то есть назад.

Выталкивающей силой (или силой Архимеда) называют силу, с которой жидкость или газ действуют на погруженное в них тело. Вода в пруду действует на пузырьки воздуха – выталкивает их на поверхность. Вода также действует на рыбу и камни – подталкивает их вверх, уменьшая их вес (силу, с которой камни давят на дно пруда). Архимедова сила обычно направлена вверх, противоположно силе тяжести.

2. Ньютоновский закон всемирного тяготения для силы, действующей между двумя телами с массами m 1 и m 2 , записывается следующим образом:

F=G ,

Где r – расстояние между телами, G= 6,67 Н - гравитационная постоянная (1 Н = 1 ньютон – это величина силы, с которой Земля притягивает тело массой 0,1 кг, находящееся на её поверхности).

Сила гравитационного притяжения между телами, размеры которых значительно меньше расстояния между ними, прямо пропорционально их массам, обратно пропорционально квадрату расстояния между ними и направлено вдоль соединяющей их прямой.

Гравитационная постоянная является мировой константой, её определение возможно при проведении прямых лабораторных опытов по измерению силы гравитационного притяжения двух известных масс. Впервые опыт по определению G был поставлен Г. Кавендишем в 1797 г. зная величину G, можно определить массу Земли, массы других планет Солнечной системы, массу Солнца. Для определения массы Солнца необходимо знать расстояние от Земли до Солнца и время, за которое Земля совершает один оборот вокруг Солнца.

Закон всемирного тяготения позволил Ньютону дать количественное объяснение движению планет вокруг Солнца и Луны вокруг Земли, понять природу морских приливов.

Еще до того как Ньютон постулировал закон всемирного тяготения, И. Кеплер, анализируя движения планет Солнечной системы, предложил три простых закона, очень точно описывающих эти движения не только для всех планет, но и для их спутников.

Лекция № 4

Тема: 1.1.3. Импульс. Закон сохранения импульса и

Реактивное движение

План:

1. Общее понятие. Импульс тела;

2. Закон сохранения импульса;

3. Реактивное движение.

1. Определение: импульсом (количеством движением) тела р называется произведение массы на его скорость.

Мы знаем, что причиной изменения скорости тела является действия других тел. Выясним, какая сила требуется для того, чтобы за время t увеличить скорость тела от 0 до некоторого значения υ . По второму закону Ньютона F=ma , и согласно формуле a=υ/t

Таким образом,

F = mv/t

В правую часть полученного выражения входит произведение массы тела на его скорость. Обозначим это произведение p :

Физическая величина, равная произведению массы тела на его скорость, называется импульсом тела:

р - импульс тела.

Если тело покоится, то его импульс равен нулю. При увеличении скорости импульс возрастает.

Импульс-величина векторная.

Единицей импульса в СИ является килограмм-метр в секунду (1 кг м/с)

Понятие импульса была ведено введено в физику Рене Декартом (1596-1650). Сам Декарт назвал эту величину не импульсом, а количеством движения.

2. Для импульса справедлив фундаментальный закон природы, называемый законом сохранения импульса (или количества движения). Открывший этот закон Декарт в одном из своих писем написал: «Я принимаю, что во Вселенной, во всей созданной материи есть известное количество движения, которое никогда не увеличивается, не уменьшается, и, таким образом, если одно тело приводит в движение другое, то теряет столько своего движения, сколько его сообщает»

В наиболее простом случае закон сохранения импульса может быть сформулирован следующим образом.