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.
«Физика - 10 класс»
В главе 2 мы ввели понятие силы как количественной меры действия одного тела на другое.
В этой главе мы рассмотрим, какие силы рассматриваются в механике, чем определяются их значения.
Много ли видов сил существует в природе?
Перечислите известные вам силы.
Какую природу они имеют - гравитационную или электромагнитную?
На первый взгляд кажется, что мы взялись за непосильную и неразрешимую задачу: тел на Земле и вне её бесконечное множество.
Они взаимодействуют по-разному.
Ядерные силы действуют между частицами в атомных ядрах и определяют свойства ядер.
Область действия ядерных сил очень ограничена.
Они заметны только внутри атомных ядер (т. е. на расстояниях порядка 10 -15 м).
Уже на расстояниях между частицами порядка 10 -13 м (в тысячу раз меньших размеров атома - 10 -10 м) они не проявляются совсем.
Слабые взаимодействия вызывают взаимные превращения элементарных частиц, определяют радиоактивный распад ядер, реакции термоядерного синтеза.
Они проявляются на ещё меньших расстояниях, порядка 10 -17 м.
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.
Интенсивность сильного и слабого взаимодействий измеряется в единицах энергии (в электрон-вольтах), а не единицах силы, и потому применение к ним термина «сила» объясняется многовековой традицией все явления в окружающем мире объяснять действием характерных для каждого явления «сил».
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.
Источник: «Физика - 10 класс», 2014, учебник Мякишев, Буховцев, Сотский
Динамика - Физика, учебник для 10 класса - Класс!ная физика
Разделы: Физика
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, 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?
- При каком условии возникает трение?
- От чего зависит сила трения скольжения?
- 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.
- 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”
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.
В природе существует много разных видов сил: тяготения, тяжести, Лоренца, Ампера, взаимодействия неподвижных зарядов и т.д., но все они в конечном счете сводятся к небольшому числу фундаментальных (основных) взаимодействий. Современная физика считает, что существует в природе лишь четыре вида сил или четыре вида взаимодействий:
1) гравитационное взаимодействие (осуществляется через гравитационные поля);
2) электромагнитное взаимодействие (осуществляется через электромагнитные поля);
3) ядерное (или сильное) (обеспечивает связь частиц в ядре);
4) слабое (отвечает за процессы распада элементарных частиц).
В рамках классической механики имеют дело с гравитационными и электромагнитными силами, а также с упругими силами и силами трения.
Гравитационные силы (силы тяготения) – это силы притяжения, которые подчиняются закону всемирного тяготения. Любые два тела притягиваются друг к другу с силой, модуль которой прямо пропорционален произведению их масс и обратно пропорционален квадрату расстояния между ними:
где =6,67×10 –11 Н×м 2 /кг 2 – гравитационная постоянная.
Сила тяжести
– сила, с которой тело притягивается Землей. Под действием силы притяжения к Земле все тела падают с одинаковым относительно поверхности Земли ускорением , называемым ускорением свободного падения. По второму закону Ньютона, на всякое тело действует сила 
, называемая силой тяжести. Она приложена к центру тяжести.
Вес
–с
ила, с которой тело, притягиваясь к Земле, действует на подвес или опору.
В отличие от силы тяжести, являющейся гравитационной силой, приложенной к телу, вес – это упругая сила, приложенная к опоре или подвесу. Сила тяжести равна весу только в том случае, когда опора или подвес неподвижны относительно Земли. По модулю вес может быть как больше, так и меньше силы тяжести . В случае ускоренного движения опоры (например, лифта, везущего груз) уравнение движения (с учетом того, что сила реакции опоры равна по величине весу, но имеет противоположный знак 
): 
Þ 
. Если движение происходит вверх 
, вниз: 
.
При свободном падении тела его вес равен нулю, т.е. оно находится в состоянии невесомости.
Силы упругости
возникают в результате взаимодействия тел, сопровождающегося их деформацией. Упругая (квазиупругая) сила пропорциональна смещению частицы из положения равновесия и направлена к положению равновесия: 
Силы трения возникают благодаря существованию сил взаимодействия между молекулами и атомами соприкасающихся тел. Силы терния: а) возникают при соприкосновении двух движущихся тел; б) действуют параллельно поверхности соприкосновения; г) направлены против движения тела.
Трение между поверхностями твердых тел при отсутствии какой-либо прослойки или смазки называется сухим . Трение между твердым телом и жидкой или газообразной средой, а также между слоями такой среды называется вязким или жидким. Различают три вида сухого трения: трение покоя, трение скольжения и трение качения.
Сила трения покоя
– это сила, действующая между соприкасающимися телами, находящимися в состоянии покоя. Она равна по величине и противоположно направлена силе, понуждающей тело к движению: 
; 
, где m – коэффициент трения.
Сила трения скольжения возникает при скольжении одного тела по поверхности другого: 
и направлена по касательной к трущимся поверхностям в сторону, противоположную движению данного тела относительно другого. Коэффициент трения скольжения зависит от материала тел, состояния поверхностей и от относительной скорости движения тел.
При качении тела по поверхности другого возникает сила трения качения , которая препятствует качению тела. Сила трения качения при тех же материалах соприкасаемых тел всегда меньше силы трения скольжения. Этим пользуются на практике, заменяя подшипники скольжения шариковыми или роликовыми подшипниками.
Упругие силы и силы трения определяются характером взаимодействия между молекулами вещества, которое имеет электромагнитное происхождение, следовательно, они по своей природе имеют электромагнитные происхождения. Гравитационные и электромагнитные силы являются фундаментальными – их нельзя свести к другим, более простым силам. Упругие силы и силы трения не являются фундаментальными. Фундаментальные взаимодействия отличаются простотой и точностью законов.