Урок № 59 Момент сили. Умови рівноваги важеля

Тема уроку: Момент сили. Умови рівноваги важеля

Мета уроку: сформувати поняття про важіль, блок  як прості механізми, про плече дії сили, момент сили; з'ясувати умову рівноваги важеля; розвивати логічне мислення та пізнавальний інтерес учнів, розкрити поняття «момент сили», формувати знання про обчислення моменту сили та умови рівноваги важеля та з’ясувати умову його рівноваги.

Базові фізичні поняття: прості механізми, блок, важіль, похила площина, клин, гвинт,

Демонстрації: умови рівноваги важеля

Обладнання: важіль, тягарці, штатив, лінійка, важіль із сантиметровими поділками й отвором посередині, динамометр, пластилін для зрівнова­жування важеля, нитка.

Тип уроку: вивчення нового матеріалу

Хід уроку :

      I.      Організаційний момент

Привітання, перевірка присутніх, перевірка домашнього завдання

   II.      Актуалізація опорних знань

Фізичний диктант.

Варіант І

1. Якою літерою позначають силу?

2.  Як називається сила, яка утримує цвях, за­битий у дошку?

3. Маса довгохвостої синиці 9 г. Яка вага цього птаха?

4. На індійського слона діє сила тяжіння 30 кН. Яка маса цього ссавця?

5. Чому після змочування папір легко рветься?

6. Парашутист, на якого діє сила тяжіння 600 Н, рівномірно рухається, опускаю-чись  на  землю. Яким є модуль сили опору повітря, яка діє на парашутиста? Побудуйте на кресленні у зручному масштабі силу тяжіння і силу опору повітря.

Варіант II

1. Яка фізична величина є характеристикою взаємодії тіл?

2. Яка сила діє на тенісний м'яч, що змінює на­прям свого руху, вдаряючись об тенісну ракетку?

3. Одна особина сарани має масу 3 г. Якою є її вага?

4. На антилопу Канни діє сила тяжіння 217 Н. Яка маса цього ссавця?

5. Морські зірки, губки, голонтурії  (морські водяні тварини) мають на своєму тілі виступи, ше­рехатості. Завдяки їм вони повільно опускаються у воду, а не швидко тонуть під дією сили тяжіння. Яке з відомих вам явищ сприяє цьому?

6. На нерухомій опорі стоїть людина масою 60 кг, тримаючи на плечах гирю масою 20 кг. Яким є модуль рівнодійної ваги людини? Зробіть креслення цих сил у зручному масштабі.

III.      Мотивація навчальної діяльності

Інтерактивна вправа «Розсипані слова»:

«Одного разу Архімед, – читаємо ми в Плутарха, – написав сіракузькому царю Перону, якому він був родич і товариш, що довільною силою можна підняти будь-який вантаж. Захоплений силою до­ведення, він додав, що якщо б була інша Земля, він, перейшовши на неї, зрушив би з місця нашу».

Із слів складіть речення (вислів Архімеда), що є епіграфом нашого уроку: «точку і Землю дайте я опори мені зрушу».

Як ви розумієте цей вислів? Чи зміг би Архімед, маючи точку опори, підняти Землю? (Вислуховуємо думку учнів, але запитання залишаємо відкритим.)

IV.      Вивчення нового матеріалу

Поняття простих механізмів.

З давніх-давен людина використовує певні зна­ряддя для виконання роботи: молоток — щоб ... (продовжують учні) забити цвях; лопата — ... ; коса —...; сокира —...; гострозубці — ... тощо.

Пристрій, який використовують для вико­нання роботи, і який перетворює значення сили або її напрямок, називають простим механізмом.

1. Класифікація простих механізмів.

2. Важіль

Важіль – це тверде тіло, що може обертатися навколо нерухомої опори. Кожному відомо, що важкий предмет (камінь, шафу, верстат), який не можна перемістити безпосередньо руками, лег­ко зсунути з місця за допомогою довгої і міцної жердини – важеля. За допомогою важелів три тисячі років тому під час спорудження пірамід у Стародавньому Єгипті пересували й піднімали на велику висоту важкі кам'яні брили. (Демонструємо дію важеля за допомогою таблиці.)

Характеристики важеля.

Для встановлення правила важеля вводимо такі характеристики.

Плече важеля – частина важеля, до якого при­кладена сила відносно осі обертання. Важіль має два плеча.

Точка прикладання сили – це точка, в якій на важіль діє сила.

Вісь обертання – лінія, перпендикулярна до поздовжньої осі важеля. Важіль може вільно обер­татися навколо цієї осі.

Лінія дії сили – це лінія, яка показує напрям дії сили.

Плече сили – найменша відстань від осі обер­тання до напрямку дії сили. Плечі важеля не завжди дорівнюють плечам сил. (Рівність спостерігається за умови прикладання сил перпендикулярно до важеля.)

Плечі сил позначають l₁, і l₂, відповідно сили, прикладені до важеля, позначають F₁, і F₂, пере­міщення під дією сил відповідно s₁ i s₂, швидкості точок прикладання сил – υ₁ і υ₂

Правило рівноваги важеля.

Демонструючи піднімання вантажу за допо­могою важеля та вимірявши прикладені сили та плечі важеля, доводимо правильність наступних співвідношень: 

Правила рівноваги важеля: важіль перебуває в рівновазі тоді, коли сили, які діють на нього, обернено пропорційні плечам цих сил.

Це правило встановив Архімед.

Важелі можна використовувати двояко. У важелях першого типу сили прикладені по різні боки від осі обертання (продемонструвати). У важелях другого типу – сили прикладені з одного боку від осі обертання (продемонструвати). Умова рівно­ваги важеля справджується для обох випадків.

3. Момент сили.

Розглянемо формулу

. Використову­ючи основну властивість пропорції, можна за­писати:  F₁l₁ = F₂l₂

У лівій частині рівності стоїть добуток сили на її плече, у правій — також.

Добуток модуля сили, яка обертає тіло, на її плече називають моментом сили і позначають літерою М. Отже,  М=Fl.

Момент сили вимірюється в ньютон-метрах (Нм) . Правило рівноваги важеля можна сформу­лювати так: важіль перебуває в рівновазі під дією двох сил, якщо момент сили, яка обертає важіль за рухом стрілки годинника, дорівнює моменту сили, яка обертає його проти руху стрілки годинника. Правило називають правилом моментів.

Значення моменту сили.

Момент сили – одна з основних величин, які вивчають у фізиці. Ця величина характеризує дію сили, показує, що вона залежить і від модуля сили, і від її плеча. Справді, ми вже знаємо, наприклад, що дія сили на двері залежить і від модуля сили, і від точки прикладання сили: двері тим легше по­вернути, чим далі від осі обертання прикладено силу, яка на них діє; гайку легше викрутити довгим гайковим ключем, ніж коротким і т. д.

   V.      Узагальнення знань

1.     Що називається плечем важеля?

2.     Що називається точкою прикладання сили?

3.     Що називається віссю обертання?

4.     Що називається лінією дії сили?

5.     Що називається плечем сили?

1. Чи підніме людина, яка стоїть на підлозі і має вагу 600 Н, за допомогою нерухомого блока ван­таж, маса якого 82 кг? (Не підніме.)

2. А за допомогою рухомого блока? (Так.)

3. На яку довжину потрібно протягнути вільний кінець мотузки рухомого блока, щоб вантаж, який висить на гачку блока, підняти на 120 см? (2,4 м.)

4. Довжина схилу похилої площини утричі більша за її висоту. Яку слід прикласти силу, щоб підняти вантаж вагою 1,2 кН? (400 Н.)

Розв'язування задач біля дошки:

1. Яка довжина важеля, до  кінців якого прикладені сили 5 Н і 10 Н, якщо він перебуває в рівновазі, а менше плече дорівнює 40 см? (1,2 м)

2. Який максимальний вантаж може підняти хлопчик вагою 420 Н, користуючись одним рухо­мим і одним нерухомим блоком, якщо вага блока 20 Н? (820 Н)

3. В якому місці треба розмістити опору, щоб важіль (див. рис. ) знаходився в рівновазі?

(на 0,6 м від сили 10 Н або на 0,4 м від сили 15 Н)

VI.      Підсумки уроку

Повернемося до поставленого запитання: «Чи міг Архімед, маючи точку опори, підняти Землю?».

Відповідь. Звичайно, Архімед не зміг би здій­снити свій намір, якби йому і дали точку опори (яка б лежала поза Землею) та важіль потрібної довжини. Якщо б великий механік древності знав, яка величезна маса Землі, він, напевно, не висловив би свого гордого виклику. Піднімаючи Землю всього на 1 см, довге плече важеля опи­сало б дугу величезної довжини. Переміщення довгого кінця важеля цим шляхом, наприклад, зі швидкістю 1 м/с, тривало б мільйони років.

VII.      Домашнє завдання

  Завантажити конспект Урок № 59 Момент сили. Умови рівноваги важеля