Сила трения и Закон Кулона
Сила трения — это сила, которая препятствует движению тела.
Сила трения возникает при движении поверхности одного тела по поверхности другого. Она зависит от характера соприкасающихся поверхностей, таких как вещество, из которого сделаны тела, и степень их шероховатости. Параметр, описывающий эти свойства, называется коэффициентом трения.
Сила трения определяется по формуле:
[ F_{тр} = μN ]где:
- ( μ ) — коэффициент трения;
- ( F_{тр} ) — сила трения, Н;
- ( N ) — сила реакции опоры, Н.
Модуль силы реакции опоры ( N ) равен модулю веса тела ( P ).
В данной лабораторной работе мы измерим силу трения дерева по дереву и определим соответствующий коэффициент трения. Для этого необходимо с помощью динамометра равномерно передвигать деревянный брусок по горизонтальной деревянной рейке. Фактически при этом мы измерим модуль силы упругости, который будет равен модулю силы трения при равномерном движении.
Разные ученики будут использовать разные бруски и рейки, что позволит установить диапазон возможных значений коэффициента трения дерева по дереву.
В ходе лабораторной работы мы также проведем два эксперимента. Сначала будем передвигать по рейке брусок, а затем тот же брусок с тремя грузами. Это позволит определить, зависит ли коэффициент трения только от свойств поверхностей или также от веса тела.
Коэффициент трения и эксперименты
| Ученик | Брусок, м | Рейка, м | Коэффициент трения |
|---|---|---|---|
| Алексей | 0.5 | 1.2 | 0.42 |
| Екатерина | 0.6 | 1.0 | 0.55 |
| Иван | 0.7 | 1.5 | 0.36 |
Закон Кулона
Закон Кулона — это один из основных законов электростатики, определяющий величину и направление силы взаимодействия между двумя неподвижными точечными зарядами.
Сила взаимодействия между двумя точечными неподвижными заряженными телами в вакууме пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. В аналитическом виде закон Кулона выражается формулой, которая также зависит от среды между заряженными телами.
Закон Кулона был экспериментально доказан Кавендишем приблизительно в 1773 году и установлен Ш. О. Кулоном в 1785 году. Его результаты напоминают закон всемирного тяготения.
Воздух почти не влияет на силу взаимодействия зарядов, выраженную законом Кулона в вакууме.
Единица электрического заряда
Кулон — единица электрического заряда. Кулон (Кл) — единица СИ количества электричества (электрического заряда). Она является производной единицей и определяется через единицу силы тока 1 ампер (А), которая входит в число основных единиц СИ.
За единицу электрического заряда принимают заряд, проходящий через поперечное сечение проводника при силе тока $1$А за $1$с.
То есть $1$ Кл$= 1А·с$.
Заряд в $1$ Кл очень велик. Сила взаимодействия двух точечных зарядов по $1$ Кл каждый, расположенных на расстоянии $1$ км друг от друга, чуть меньше силы, с которой земной шар притягивает груз массой $1$ т. Сообщить такой заряд небольшому телу невозможно (отталкиваясь друг от друга, заряженные частицы не могут удержаться в теле). А вот в проводнике (который в целом электронейтрален) привести в движение такой заряд просто (ток в $1$ А вполне обычный ток, протекающий по проводам в наших квартирах).
Коэффициент $k$ в законе Кулона при его записи в СИ выражается в $Н · м^2$ / $Кл^2$. Его численное значение, определенное экспериментально по силе взаимодействия двух известных зарядов, находящихся на заданном расстоянии, составляет:
Сила трения
Взаимодействие, возникающее в месте соприкосновения тел и препятствующее их относительному движению, называют трением, а характеризующую это взаимодействие силу — силой трения.
Силы трения, как и силы упругости, имеют электромагнитную природу. Трение между двумя твердыми телами называют сухим трением.
Различают три вида трения: трение покоя, трение скольжения и трение качения.
Трение покоя
Трение покоя — трение, возникающее при отсутствии относительного перемещения соприкасающихся тел.
Трение покоя удерживает грузы, находящиеся на движущейся ленте транспортера, от соскальзывания, препятствует развязыванию шнурков, удерживает гвозди, вбитые в доску, и т. д.
Сила трения покоя — это сила, препятствующая возникновению движения одного тела относительно другого. Направлена сила трения покоя всегда против силы, приложенной извне параллельно поверхности соприкосновения и стремящейся сдвинуть с места предмет, т. е. против предполагающегося движения.
Измерить силу трения покоя можно с помощью груза, перекинутого через блок и связанного с телом через динамометр.
Максимальная сила трения покоя не зависит от площади соприкосновения поверхностей. Она зависит от качества обработки соприкасающихся поверхностей и от материалов тел.
Трение скольжения
Приложив к телу силу, превышающую максимальную силу трения покоя, мы сдвинем тело с места, и оно начнет двигаться. Трение покоя при этом сменится трением скольжения.
Сила трения скольжения всегда направлена в сторону, противоположную относительной скорости соприкасающихся тел.
Как и максимальная сила трения покоя, сила трения скольжения пропорциональна силе нормального давления и, следовательно, силе реакции опоры:
При небольших скоростях приближенно их можно считать равными:
Причины возникновения силы трения
Как и в предыдущих случаях, сила трения качения пропорциональна силе реакции опоры:
Разница в силах трения скольжения и качения
Разница в силах трения скольжения и качения объясняется тем, что при скольжении участки тела смещаются вдоль поверхности соприкосновения, и вместо разорванных межмолекулярных связей постоянно образуются новые. Когда колесо катится без проскальзывания по поверхности, молекулярные связи разрываются при подъеме участков колеса быстрее, чем при скольжении, и поэтому сила трения качения значительно меньше силы трения скольжения.
Сила сопротивления твердого тела, движущегося в жидкости и газе
На твердое тело, движущееся в жидкости или газе, действует сила сопротивления среды. Эта сила направлена против скорости тела относительно среды и тормозит движение.
Виды силы трения
В отличие от силы трения сила сопротивления среды появляется только во время движения тела в этой среде. Наоборот, всем известно, насколько легче сдвинуть с места предмет в воде, чем на твердой поверхности.
Зависимость силы сопротивления среды
Модуль силы сопротивления среды $F_с$ зависит от размеров, формы и состояния поверхности тела, свойств жидкости или газа, в котором тело движется, и от относительной скорости движения тела и среды. Примерный характер зависимости $F_с$ от скорости $υ$ приведен на рисунке.
При малых скоростях движения тела относительно среды можно считать:
$$ F_с = k_1 \cdot υ $$
где $k_1$ — коэффициент, зависящий от размеров, формы, состояния поверхности тела и вязкости среды.
При больших скоростях относительного движения сила сопротивления пропорциональна квадрату скорости:
$$ F_с = k_2 \cdot υ^2 $$
где $k_2$ — коэффициент сопротивления, отличный от $k_1$.
Урок физики в 7 классе по теме Сила трения
Цель урока:
- Изучение представлений о силе трения;
- Проанализировать причины и виды трения;
- Выявить природу силы трения;
- Экспериментально установить, от чего зависит сила трения.
Задачи урока:
- Развитие навыков анализа и сравнения результатов;
- Развитие наблюдательности, внимания и умения делать выводы;
- Формирование практических навыков;
- Стимулирование творческой активности и любопытства;
- Формирование мировоззренческой идеи познаваемости явлений и свойств окружающего мира;
- Создание ситуации успеха для каждого ученика.
Используемое оборудование
- Динамометры
- Плоскости
- Бруски
- Бумага
- Стеклянные пластины
- Набор грузов
- Компьютер с мультимедийным проектором
Заключение
Урок физики в 7 классе по теме Сила трения позволяет углубить знания учеников по предмету, помогая им понять процессы, происходящие вокруг нас. Конечно, сильно интересно узнать, о чем же таинственное письмо от Деда Мороза, но давайте продолжим наш урок и погрузимся в мир физики!
Муниципальное казенное общеобразовательное учреждение Средняя общеобразовательная школа № 20 муниципального района Ставропольского края
Дед Мороз и его проблема
Дорогие ребята!
Пишу вам письмо в надежде на то, что вы мне поможете. Скоро Новый год, и мне предстоит доставить новогодние подарки всем, кто примерно себя вел в течении года. Но, к сожалению, сейчас я не могу выехать из своего дома.
Во-первых, мой новый шелковый мешок постоянно развязывается, и я боюсь по дороге растерять все подарки. Во-вторых, мои сани не могут двигаться по земле без снега, декабрь нынче не очень снежный.
Прошу вас, помогите мне, дайте совет, как выйти из этой ситуации.
С нетерпением жду ваших ответов.
Дед Мороз
Помощь Деду Морозу
А знаете, мы можем помочь Деду Морозу! Мы дадим ему ответ, но при одном условии: если на сегодняшнем уроке раскроем одну очень важную тайну, имя которой вы найдете сами, если правильно ответите на вопросы кроссворда.
Кроссворд:
- Единица силы
- Явление сохранение скорости тела при отсутствии действия на него других тел
- Сила, с которой тело в притяжения к Земле действует на опору или подвес
- Прибор для измерения силы
- Физическая величина, хя действие тел друг на друга
- Мельчайшая частица вещества
Объявление темы урока и постановка цели урока
Итак, мы с вами узнали имя тайны – трение. Это явление сопровождает на каждом шагу и му стало привычным и незаметным.
А как вы думаете, о чем мы будем с вами сегодня говорить?
И характеризуется оно силой трения. Как мы сформулируем тему урока?
О силе трения пойдет речь на сегодняшнем уроке. Итак, запишем
Цели урока:
- Изучить причины и виды трения
- Выявить природу силы трения
- Установить, от чего зависит сила трения
- Выяснить, чего больше приносит сила трения: пользы или вреда
Изучение нового материала
Скажите, а какие силы вам уже известны? (сила тяжести, сила всемирного тяготения, сила упругости, вес тела)
От чего зависит результат действия силы? (от направления, числового значения, точки приложения)
На столе лежит деревянный брусок. Давайте его толкнем и пронаблюдаем за его движением.
На столе стоит детская машинка. Давайте её толкнем и пронаблюдаем за её движением.
Что вы можете сказать о скорости тела?
В чем причина изменения скорости? На тела действует сила
Какая сила возникает?
Как направлена эта сила?
Почему вы так считаете? Если бы она была направлена в сторону движения, то скорость автомобиля возрастала бы. А так как скорость уменьшается, значит, сила направлена против движения
Сила, о которой идет речь называется силой трения. Она всегда направлена против движения рассматриваемого тела по поверхности другого. Давайте сформулируем определение силы трения и запишем его в тетрадь
Сила трения – возникающая при соприкосновении поверхностей тели препятствующая их перемещению относительно друг друга называется. И обозначается
Каковы причины возникновения силы трения? На эти вопросы мы сможем ответить, по результатам опытов. Класс разделен на 2 группы по 6 человек. В каждой группе ученики по 2 человека выполняют по 2 опыта.
Возьмите 2 кусочки бумаги. Сложите их и попробуйте сдвинуть относительно друг друга. Назовите причины возникновения трения
Возьмите 2 стеклянные пластины, прижмите их друг к другу, а затем сдвиньте одну пластину относительно другой. Что вы наблюдаете? Почему пластины трудно сдвинуть? Назовите причины возникновения тренияПри идеально гладких поверхностях возникает взаимное притяжение между молекулами соприкасающихся тел
да, ребята при шероховатых поверхностях трение обусловлено главным образом первой причиной, а при очень гладких поверхностях сказывается молекулярная природа трения. Давайте запишем это в тетрадь (учебник стр. 71).
Различают три вида трения: трение скольжения, трение качения и трение покоя.
возникает при скольжении одного тела вдоль поверхности другого. Сила трения направлена в сторону, противоположную этому движению.движение на лыжах, санях, коньках и т.д.)
возникает при качении одного тела по поверхности другого. Обусловлено в частности, деформациями при соприкосновении тел. Катящееся колесо немного вдавливается в дорогу, и перед ним образуется небольшой бугорок, который приходится преодолевать. Именно этим и обусловлено трение качения. Чем тверже дорога, тем меньше трение качения. Именно поэтому ехать по шоссе намного легче, чем по песку. Приведите примеры.
возникает при попытке сдвинуть одно тело вдоль поверхности другого и препятствует возможному движению. Если мы положим руку на тетрадь и будем двигать ее по столу, то тетрадь будет двигаться вместе с нашей рукой, удерживаемая силой трения покоя. Трение покоя удерживает вбитые в стену гвозди, мешает самопроизвольно развязываться шнуркам, а также держит на месте нашу мебель и т.д. Запишем, какие виды трения мы узнали (слайд
Силу трения можно измерить Найдите в учебнике, как можно измерить силу трениятобы измерить силу трения скольжения деревянного бруска по доске или по столу, надо прикрепить к нему динамометр. Затем равномерно двигать брусок по доске, держа динамометр горизонтально. На брусок действуют две силы, сила упругости пружины и сила трения. Так как брусок движется равномерно. То это значит. Что равнодействующая этих сил равна нулю.
по модулю они равны и противоположны по направлению. Динамометр показывает силу упругости (силу тяги), равную по модулю силе трения. Таким образом, измеряя силу, с которой динамометр действует на тело при его равномерном движении, мы измеряем силу трения.
У вас на столе лежит динамометр и деревянный брусок. Измерьте силу трения, возникающую при движении бруска по столу.
из сил трения наибольшая, а какая наименьшая?
(При одном и том же углу наклона плоскости рассматриваем движение карандаша трением качения и трением скольжения)
Какая сила трения больше? . или F трения качения < трения скольжения при прочих равных условиях)
Ребята, посмотрите, как много мы уже узнали о силе трения. Устали?
как бороться с вирусом гриппа? – стимулировать иммунитет! – потрем мочки ушей, в которых находятся биологически активные точки, влияющие на иммунитет;
Давайте покажем, как сила трения покоя помогает нам
отталкиваться от пола. Встанем на носочки, потянемся вверх.
Упражнение выполняем 2-3 раза.
А теперь как сила трения скольжения помогает нам в массаже бёдер.
Массажируем мышцы бёдер, рук, мышцы плеч.
Руки сцепим меж собою,
А теперь ребята проведем в каждой группе предложенные эксперименты по окончанию работы вам необходимо сделать вывод от чего же зависит сила трения и от чего не зависит.
1 группа – на столе деревянная линейка, деревянный брусок с разной площадью граней
(Учащиеся устанавливают зависимость силы трения от площади поверхности.) (Вывод: Сила трения не зависит от площади поверхности)
группа – на столе линейка, деревянный брусок, (устанавливается зависимость силы трения от силы, прижимающей тело к поверхности.)Сила трения прямо пропорционально зависит от силы, придавливающей тело к поверхности
исследование, зависит ли сила трения от рода поверхностей?Измерим силу трения скольжения при скольжении деревянного бруска по поверхностям из разных веществ (дерева, резины, стекла).Сила трения зависит от рода вещества, из которого изготовлены тела
Ребята, жизненный опыт подсказывает нам, что трение очень важно в нашей жизни и играет как положительную, так и отрицательную роль.
Я предлагаю это обсудить в группах в течении 1 минуты. 1 группа приводит положительную роль трения, а 2 группа – отрицательную.
Трение является неотъемлемой частью нашей жизни, и существование без него невозможно.
Люди научились приспосабливаться и уменьшать либо увеличивать силы трения, в зависимости от необходимости.
Это и колеса, и смазка, и заточка, и многое другое. Примеров масса, и очевидно, что нельзя однозначно сказать: трение – это хорошо или плохо Но оно есть, и наша задача – научиться использовать его на пользу человека.
Закрепление изученного материала
Учащиеся выполняют тестовое задание.
1. Санки скатываются с горы. Какой вид силы трения действует на санки?
сила трения качения сила трения скольжения сила трения покоя
3. Как направлена сила трения при движении тела?
не имеет направления
5. Электровоз, двигаясь равномерно, тянет железнодорожный состав силой 150 Чему равна сила трения?
Проверим ответы. Кто получил кодовое слово “успех”
Рефлексия (подведение итогов урока)
Сегодня на уроке мы познакомились с вами с еще одним видом сил – силой трения. Вы активно работали на уроке. тмечает детей, которые активно работали на уроке, отвечали на вопросы. Комментирует и выставляет оценки
Возьмите карточки на столе и ответьте на вопросы:
– красный цвет
усвоил новые знания, но затрудняюсь применять их – жёлтый цвет
усвоил новые знания и научился применять их на практике- зелёный цвет
карточкам вижу, что поставленных целей на урок мы достигли.