heim › Bremse › Kräfte in der Natur. Gravitationskräfte – Wissens-Hypermarkt

Kräfte in der Natur. Gravitationskräfte – Wissens-Hypermarkt

Bisher wurde der allgemeine Begriff der Kraft verwendet und die Frage, was Kräfte sind und was sie sind, wurde nicht berücksichtigt. Trotz der Vielfalt der in der Natur vorkommenden Kräfte können sie alle auf vier Arten von Grundkräften reduziert werden: 1) Gravitation; 2) elektromagnetisch; 3) nuklear; 4) schwach.

Gravitationskräfte treten zwischen beliebigen Körpern auf. Ihre Wirkung darf nur in der Welt großer Körper berücksichtigt werden.

Elektromagnetische Kräfte wirken sowohl auf stationäre als auch auf bewegliche Ladungen. Da Materie aus Atomen besteht, die wiederum aus Elektronen und Protonen bestehen, sind die meisten Kräfte, denen wir im Leben begegnen, elektromagnetische Kräfte. Es handelt sich beispielsweise um die elastischen Kräfte, die bei der Verformung von Körpern entstehen, die Reibungskräfte.

Nuklear und schwach Kräfte manifestieren sich in Entfernungen, die m nicht überschreiten, daher sind diese Kräfte nur im Mikrokosmos spürbar. Die gesamte klassische Physik und damit auch der Kraftbegriff sind auf Elementarteilchen nicht anwendbar. Es ist unmöglich, die Wechselwirkung dieser Teilchen mit Hilfe von Kräften genau zu charakterisieren. Hier wird die Energiebeschreibung zur einzig möglichen. Dennoch spricht man auch in der Atomphysik oft von Kräften. In diesem Fall der Begriff Gewalt wird zum Synonym für Interaktion.

So ist in der modernen Wissenschaft das Wort Gewalt wird in zwei Bedeutungen verwendet: erstens im Sinne mechanisch Stärke– genaues quantitatives Maß der Interaktion; Zweitens bedeutet Kraft das Vorhandensein einer Wechselwirkung einer bestimmten Art, deren genaues quantitatives Maß nur möglich ist Energie.

In der Mechanik werden drei Arten von Kräften betrachtet: Gravitations-, elastische und Reibungskräfte. Lassen Sie uns kurz auf sie eingehen.

1. Gravitationskräfte. Alle Körper in der Natur fühlen sich zueinander hingezogen. Diese Kräfte werden Gravitation genannt. Newton etablierte ein Gesetz namens Gesetz der Schwerkraft: Die Kräfte, mit denen materielle Punkte angezogen werden, sind proportional zum Produkt ihrer Massen, umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands zwischen ihnen und entlang der sie verbindenden Geraden gerichtet, d.h.

, (2.16)

Wo M Und T– Massen von Körpern; R ist der Abstand zwischen den Körpern;  ist die Gravitationskonstante. Das Zeichen „“ weist darauf hin, dass es sich um eine Anziehungskraft handelt.

Aus Formel (2.16) folgt das für T = M= 1 kg und R= 1 m,  = F, d.h. Die Gravitationskonstante ist gleich dem Modul der Anziehungskraft materieller Punkte einer Einheitsmasse, die sich in einem Einheitsabstand voneinander befinden. Der erste experimentelle Beweis des Gesetzes der universellen Gravitation wurde von Cavendish durchgeführt. Er konnte den Wert der Gravitationskonstante bestimmen:
. Ein sehr kleiner Wert von  zeigt an, dass die Kraft der Gravitationswechselwirkung nur bei Körpern mit großer Masse von Bedeutung ist.

2. elastische Kräfte. Bei elastischen Verformungen entstehen elastische Kräfte. Entsprechend Hookes Gesetz, Modul der elastischen Kraft
proportional zum Ausmaß der Verformung X, d.h.

, (2.17)

Wo k Elastizitätskoeffizient. Das Zeichen „“ gibt an, dass Kraft- und Verformungsrichtung entgegengesetzt sind.

3. Reibungskräfte. Wenn sich berührende Körper oder deren Teile relativ zueinander bewegen, Reibungskräfte. Es gibt innere (viskose) und äußere (trockene) Reibung.

Viskose Reibung Reibung zwischen einem festen Körper und einem flüssigen oder gasförmigen Medium sowie zwischen den Schichten eines solchen Mediums genannt.

äußere Reibung bezeichnet das Phänomen des Auftretens von Kräften am Berührungspunkt benachbarter Festkörper, die deren gegenseitige Bewegung verhindern. Wenn die in Kontakt stehenden Körper bewegungslos sind, entsteht zwischen ihnen eine Kraft, wenn sie versuchen, einen Körper relativ zu einem anderen zu bewegen. Es wird genannt statische Reibungskraft. Die Haftreibungskraft ist keine eindeutig definierte Größe. Sie variiert von Null bis zum Maximalwert der parallel zur Kontaktebene ausgeübten Kraft, bei der sich der Körper zu bewegen beginnt (Abb. 2.3).

Normalerweise wird diese maximale Reibungskraft als Haftreibungskraft bezeichnet. Modul der Haftreibungskraft
ist proportional zum Modul der Normaldruckkraft, der nach dem dritten Newtonschen Gesetz gleich dem Modul der Reaktionskraft des Trägers ist N, d.h.
, Wo
 Haftreibungskoeffizient.

Wenn sich ein Körper über die Oberfläche eines anderen Körpers bewegt, Gleitreibungskraft. Es wurde festgestellt, dass der Modul der Gleitreibungskraft
ist auch proportional zum Modul der Normaldruckkraft N

, (2.19)

wobei  der Gleitreibungskoeffizient ist. Habe das festgestellt
Bei der Lösung vieler Probleme gelten sie jedoch als gleichwertig.

Bei der Lösung von Problemen werden folgende Kräftearten berücksichtigt:

1. Schwere
- die Kraft, mit der das Gravitationsfeld der Erde auf den Körper einwirkt (diese Kraft wirkt auf den Massenschwerpunkt des Körpers).

2. Körpergewicht - die Kraft, mit der ein Körper auf eine horizontale Stütze oder einen horizontalen Faden einwirkt, der ihn am freien Fall hindert (elastische Kraft in der Natur). Auf einen Träger (Faden) wird eine Kraft ausgeübt. In einem Trägheitsbezugssystem
.

3. Unterstützung der Eingreiftruppe - die Kraft, mit der die Oberfläche der Stütze auf den Körper einwirkt (die Kraft der Elastizität in der Natur). Kraft angewendet zum Körper von der Seite des Trägers und senkrecht zur Kontaktfläche.

4. Fadenspannungskraft - die Kraft, mit der der Faden auf einen am Faden hängenden Körper einwirkt. Die Kraft wird auf den Körper ausgeübt und entlang des Fadens nach oben gerichtet.

5. Reibungskraft
.

Der Grund für die Bewegungsänderung: Das Auftreten von Beschleunigung in Körpern ist eine Kraft. Kräfte entstehen, wenn Körper miteinander interagieren. Doch welche Arten von Interaktionen gibt es und wie viele davon?

Auf den ersten Blick mag es scheinen, dass es viele verschiedene Arten der gegenseitigen Beeinflussung von Körpern und folglich viele verschiedene Arten von Kräften gibt. Durch Drücken oder Ziehen mit der Hand kann dem Körper Beschleunigung verliehen werden; ein Schiff segelt mit Beschleunigung, wenn ein guter Wind weht; Jeder Körper, der auf die Erde fällt, bewegt sich mit Beschleunigung. Durch das Ziehen und Loslassen der Bogensehne verleihen wir dem Pfeil Beschleunigung. In allen betrachteten Fällen sind Kräfte am Werk, und sie scheinen alle recht unterschiedlich zu sein. Und es gibt auch andere Kräfte. Jeder weiß um die Existenz elektrischer und magnetischer Kräfte, um die Stärke von Gezeiten und Ebbe, um die Stärke von Erdbeben und Hurrikanen.

Aber gibt es in der Natur wirklich so viele unterschiedliche Kräfte?

Wenn wir über die mechanische Bewegung von Körpern sprechen, dann treffen wir hier nur auf drei Arten von Kräften: die Schwerkraft, die Elastizitätskraft und die Reibungskraft. Alle oben besprochenen Kräfte werden auf sie reduziert. Elastizitäts-, Gravitations- und Reibungskräfte sind Ausdruck der Kräfte der universellen Gravitation und der elektromagnetischen Kräfte der Natur. Es stellt sich heraus, dass es in der Natur nur zwei dieser Kräfte gibt.

elektromagnetische Kräfte. Zwischen elektrifizierten Körpern wirkt eine besondere Kraft, die sogenannte elektrische Kraft, die sowohl eine anziehende als auch eine abstoßende Kraft sein kann. In der Natur gibt es zwei Arten von Ladungen: positive und negative. Zwei Körper mit unterschiedlicher Ladung ziehen sich an, Körper mit gleicher Ladung stoßen sich ab.

Elektrische Ladungen haben eine besondere Eigenschaft: Wenn sich die Ladungen bewegen, entsteht zwischen ihnen zusätzlich zur elektrischen Kraft eine weitere Kraft – eine magnetische Kraft.

Magnetische und elektrische Kräfte stehen in engem Zusammenhang zueinander und wirken gleichzeitig. Und da wir es am häufigsten mit sich bewegenden Ladungen zu tun haben, können die zwischen ihnen wirkenden Kräfte nicht unterschieden werden. Und diese Kräfte werden elektromagnetische Kräfte genannt.

Wie entsteht eine „elektrische Ladung“, die ein Körper haben kann oder nicht?

Alle Körper bestehen aus Molekülen und Atomen. Atome bestehen aus noch kleineren Teilchen – dem Atomkern und den Elektronen. Sie, Kerne und Elektronen, haben bestimmte elektrische Ladungen. Der Kern ist positiv geladen und die Elektronen sind negativ geladen.

Unter normalen Bedingungen hat ein Atom keine Ladung – es ist neutral, weil die gesamte negative Ladung der Elektronen gleich der positiven Ladung des Kerns ist. Und die Körper, die aus solchen neutralen Atomen bestehen, sind elektrisch neutral. Zwischen solchen Körpern gibt es praktisch keine elektrischen Wechselwirkungskräfte.

Aber in demselben flüssigen (oder festen) Körper liegen benachbarte Atome so nahe beieinander, dass die Wechselwirkungskräfte zwischen den Ladungen, aus denen sie bestehen, sehr groß sind.

Die Wechselwirkungskräfte der Atome hängen von den Abständen zwischen ihnen ab. Die Wechselwirkungskräfte zwischen Atomen können ihre Richtung ändern, wenn sich der Abstand zwischen ihnen ändert. Ist der Abstand zwischen den Atomen sehr gering, stoßen sie sich gegenseitig ab. Wenn jedoch der Abstand zwischen ihnen vergrößert wird, beginnen sich die Atome anzuziehen. Ab einem bestimmten Abstand zwischen den Atomen werden die Kräfte ihrer Wechselwirkung gleich Null. Natürlich sind die Atome in solchen Abständen relativ zueinander angeordnet. Beachten Sie, dass diese Abstände sehr klein sind und ungefähr der Größe der Atome selbst entsprechen.

Bei vollständiger oder teilweiser Kopie des Materials ist ein Link zur Quelle erforderlich.

Abschnitte: Physik

Ziel Die Lektion dient dazu, das Programmmaterial zum Thema „Kräfte in der Natur“ zu erweitern und praktische Fähigkeiten und Fertigkeiten bei der Lösung von Problemen zu verbessern.

Lernziele:

den gelernten Stoff festigen,
die Vorstellungen der Schüler über Kräfte im Allgemeinen und über jede einzelne Kraft zu formen,
Wenden Sie Formeln richtig an und erstellen Sie Zeichnungen richtig, wenn Sie Probleme lösen.

Der Unterricht wird von einer Multimedia-Präsentation begleitet.

Gewaltsam eine Vektorgröße genannt, die die Ursache jeder Bewegung als Folge der Wechselwirkungen von Körpern ist. Wechselwirkungen sind Kontakt, der eine Verformung verursacht, und Nichtkontakt. Unter Verformung versteht man eine Formveränderung eines Körpers oder seiner einzelnen Teile durch Wechselwirkung.

Im Internationalen Einheitensystem (SI) wird die Einheit Kraft genannt Newton (H). 1 N ist gleich der Kraft, die einem Referenzkörper mit einer Masse von 1 kg in Kraftrichtung eine Beschleunigung von 1 m/s 2 verleiht. Ein Gerät zur Kraftmessung ist ein Dynamometer.

Die auf einen Körper wirkende Kraft hängt ab von:

Die Größe der ausgeübten Kraft;
Kraftangriffspunkte;
Kraftrichtungen.

Kräfte sind ihrer Natur nach gravitative, elektromagnetische, schwache und starke Wechselwirkungen auf der Feldebene. Zu den Gravitationskräften zählen die Schwerkraft, das Gewicht eines Körpers und die Schwerkraft. Zu den elektromagnetischen Kräften zählen die Elastizitätskraft und die Reibungskraft. Zu den Wechselwirkungen auf Feldebene gehören Kräfte wie die Coulomb-Kraft, die Ampère-Kraft und die Lorentz-Kraft.

Betrachten Sie die vorgeschlagenen Kräfte.

Schwerkraft.

Die Schwerkraft wird aus dem Gesetz der universellen Gravitation bestimmt und entsteht auf der Grundlage der gravitativen Wechselwirkungen von Körpern, da jeder Körper mit Masse ein Gravitationsfeld besitzt. Zwei Körper interagieren mit Kräften gleicher Größe und entgegengesetzter Richtung, die direkt proportional zum Produkt ihrer Massen und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands zwischen ihren Mittelpunkten sind.

G = 6,67. 10 -11 - Gravitationskonstante, bestimmt von Cavendish.

Eine der Erscheinungsformen der universellen Gravitationskraft ist die Schwerkraft, und die Beschleunigung des freien Falls kann durch die Formel bestimmt werden:

Dabei ist: M die Masse der Erde, R z der Radius der Erde.

Aufgabe: Bestimmen Sie die Kraft, mit der zwei Schiffe mit einem Gewicht von jeweils 10 7 kg in einem Abstand von 500 m voneinander angezogen werden.

Wovon hängt die Schwerkraft ab?
Wie lautet die Formel für die Gravitationskraft, die in einer Höhe h von der Erdoberfläche wirkt?
Wie wurde die Gravitationskonstante gemessen?

Schwere.

Die Kraft, mit der die Erde alle Körper an sich zieht, wird Schwerkraft genannt. Bezeichnet - F-Strang, am Schwerpunkt befestigt, entlang des Radius zum Erdmittelpunkt gerichtet, bestimmt durch die Formel F-Strang = mg.

Wobei: m - Körpergewicht; g - Beschleunigung des freien Falls (g \u003d 9,8 m / s 2).

Problem: Die Schwerkraft auf der Erdoberfläche beträgt 10 N. Wie hoch wird es in einer Höhe sein, die dem Erdradius (6,10 6 m) entspricht?

In welchen Einheiten wird der Koeffizient g gemessen?
Wir wissen, dass die Erde keine Kugel ist. An den Polen ist es abgeflacht. Wird die Schwerkraft desselben Körpers am Pol und am Äquator gleich sein?
Wie lässt sich der Schwerpunkt eines Körpers mit regelmäßigen und unregelmäßigen geometrischen Formen bestimmen?

Körpergewicht.

Die Kraft, mit der ein Körper aufgrund der Schwerkraft auf eine horizontale Stütze oder vertikale Aufhängung einwirkt, wird als Gewichtskraft bezeichnet. Bezeichnet - P, befestigt an einer Stütze oder Aufhängung unter dem Schwerpunkt, nach unten gerichtet.

Wenn der Körper ruht, kann man argumentieren, dass das Gewicht gleich der Schwerkraft ist und durch die Formel P = mg bestimmt wird.

Bewegt sich der Körper mit Beschleunigung nach oben, dann erfährt der Körper eine Überlastung. Das Gewicht wird durch die Formel P \u003d m (g + a) bestimmt.

Das Körpergewicht beträgt etwa das Doppelte des Schwerkraftmoduls (doppelte Überlastung).

Wenn sich der Körper mit Abwärtsbeschleunigung bewegt, kann es in den ersten Sekunden der Bewegung zu Schwerelosigkeit kommen. Das Gewicht wird durch die Formel P \u003d m (g - a) bestimmt.

Aufgabe: Ein 80 kg schwerer Aufzug bewegt sich:

Gleichmäßig;

steigt mit einer Beschleunigung von 4,9 m/s 2 nach oben;
sinkt mit der gleichen Beschleunigung.
Bestimmen Sie in allen drei Fällen das Gewicht der Hebebühne.

Wie unterscheidet sich das Gewicht von der Schwerkraft?
Wie findet man den Angriffspunkt des Gewichts?
Was ist Überlastung und Schwerelosigkeit?

Reibungskraft.

Die Kraft, die durch die Bewegung eines Körpers auf der Oberfläche eines anderen entsteht und in die entgegengesetzte Richtung zur Bewegung gerichtet ist, wird Reibungskraft genannt.

Der Angriffspunkt der Reibungskraft liegt unter dem Schwerpunkt, in entgegengesetzter Richtung zur Bewegung entlang der Kontaktflächen. Die Reibungskraft unterteilt sich in die Haftreibungskraft, die Rollreibungskraft und die Gleitreibungskraft. Die Haftreibungskraft ist die Kraft, die die Bewegung eines Körpers auf der Oberfläche eines anderen verhindert. Beim Gehen beschleunigt die auf die Sohle wirkende Haftreibung die Person. Beim Gleiten werden die Bindungen zwischen den Atomen zunächst bewegungsloser Körper aufgebrochen, die Reibung nimmt ab. Die Gleitreibungskraft hängt von der Relativgeschwindigkeit der sich berührenden Körper ab. Die Rollreibung ist um ein Vielfaches geringer als die Gleitreibung.

Die Reibungskraft wird durch die Formel bestimmt:

Dabei ist: µ der Reibungskoeffizient, ein dimensionsloser Wert, der von der Art der Oberflächenbehandlung und von der Materialkombination der sich berührenden Körper abhängt (die Anziehungskräfte einzelner Atome verschiedener Stoffe hängen maßgeblich von ihren elektrischen Eigenschaften ab);

N – Stützreaktionskraft – das ist die elastische Kraft, die unter der Einwirkung des Körpergewichts in der Oberfläche entsteht.

Für eine horizontale Fläche: F tr = µmg

Wenn sich ein fester Körper in einer Flüssigkeit oder einem Gas bewegt, entsteht eine viskose Reibungskraft. Die Kraft der viskosen Reibung ist viel geringer als die Kraft der Trockenreibung. Sie ist auch entgegengesetzt zur Relativgeschwindigkeit des Körpers gerichtet. Bei der viskosen Reibung gibt es keine Haftreibung. Die Kraft der viskosen Reibung hängt stark von der Geschwindigkeit des Körpers ab.

Aufgabe: Ein Hundeschlitten beginnt, einen auf dem Schnee stehenden 100 kg schweren Schlitten mit einer konstanten Kraft von 149 N zu ziehen. Wie lange braucht der Schlitten für die ersten 200 m der Strecke, wenn der Gleitreibungskoeffizient der Kufen auf dem Schnee 0,05 beträgt?

Was ist die Bedingung für Reibung?
Wovon hängt die Gleitreibungskraft ab?
Wann ist Reibung „nützlich“ und wann „schädlich“?

Elastische Kraft.

Bei einer Verformung des Körpers entsteht eine Kraft, die versucht, die ursprüngliche Größe und Form des Körpers wiederherzustellen. Man nennt sie Elastizitätskraft.

Die einfachste Art der Verformung ist die Zug- oder Druckverformung.

Bei kleinen Verformungen (|x|<< l) сила упругости пропорциональна деформации тела и направлена в сторону, противоположную направлению перемещения частиц тела при деформации: F упр =kх

Dieses Verhältnis drückt das experimentell etablierte Hookesche Gesetz aus: Die elastische Kraft ist direkt proportional zur Änderung der Körperlänge.

Dabei ist k der Steifigkeitskoeffizient des Körpers, gemessen in Newton pro Meter (N/m). Der Steifigkeitskoeffizient hängt von der Form und den Abmessungen des Körpers sowie vom Material ab.

In der Physik wird das Hookesche Gesetz für Zug- oder Druckverformung üblicherweise in einer anderen Form geschrieben:

Wo: - relative Verformung; E – Elastizitätsmodul, der nur von den Eigenschaften des Materials und nicht von der Größe und Form des Körpers abhängt. Für verschiedene Materialien variiert der Elastizitätsmodul stark. Für Stahl beispielsweise E2 10 11 N/m 2 und für Gummi E2 10 6 N/m 2 ; - mechanische Beanspruchung.

Bei Biegeverformung F Kontrolle = - mg und F Kontrolle = - Kx.

Daher können wir den Steifigkeitskoeffizienten ermitteln:

Im Maschinenbau werden häufig Schraubenfedern eingesetzt. Wenn Federn gedehnt oder gestaucht werden, entstehen elastische Kräfte, die ebenfalls dem Hookeschen Gesetz gehorchen, und es kommt zu Torsions- und Biegeverformungen.

Aufgabe: Die Feder einer Kinderpistole wurde um 3 cm zusammengedrückt. Bestimmen Sie die elastische Kraft, die darin entsteht, wenn die Federsteifigkeit 700 N/m beträgt.

Was bestimmt die Steifigkeit von Körpern?
Erklären Sie die Ursache der elastischen Kraft?
Was bestimmt die Größe der elastischen Kraft?

4. Die resultierende Kraft.

Eine resultierende Kraft ist eine Kraft, die die Wirkungen mehrerer Kräfte ersetzt. Diese Kraft wird angewendet, wenn Probleme mit mehreren Kräften gelöst werden.

Auf den Körper wirken die Schwerkraft und die Reaktionskraft der Stütze. Die resultierende Kraft wird in diesem Fall nach der Parallelogrammregel ermittelt und durch die Formel bestimmt

Basierend auf der Definition der Resultierenden kann man das zweite Newtonsche Gesetz wie folgt interpretieren: Die resultierende Kraft ist gleich dem Produkt aus der Beschleunigung des Körpers und seiner Masse.

Die Resultierende zweier Kräfte, die entlang einer Geraden in eine Richtung wirken, ist gleich der Summe der Module dieser Kräfte und ist in die Wirkungsrichtung dieser Kräfte gerichtet. Wirken die Kräfte entlang einer Geraden, aber in unterschiedliche Richtungen, so ist die resultierende Kraft gleich der Differenz der Module der wirkenden Kräfte und auf die Wirkung einer größeren Kraft gerichtet.

Aufgabe: Eine schiefe Ebene, die einen Winkel von 30° bildet, hat eine Länge von 25 m. Der Körper, der sich mit gleichmäßiger Beschleunigung bewegte, rutschte innerhalb von 2 Sekunden von dieser Ebene ab. Bestimmen Sie den Reibungskoeffizienten.

Die Macht des Archimedes.

Die Archimedische Kraft ist eine Auftriebskraft, die in einer Flüssigkeit oder einem Gas auftritt und der Schwerkraft entgegenwirkt.

Archimedisches Prinzip: Ein Körper, der in eine Flüssigkeit oder ein Gas eingetaucht ist, erfährt eine Auftriebskraft, die dem Gewicht der verdrängten Flüssigkeit entspricht.

Dabei ist: die Dichte der Flüssigkeit oder des Gases; V ist das Volumen des eingetauchten Körperteils; g ist die Beschleunigung im freien Fall.

Aufgabe: Eine gusseiserne Kugel mit einem Volumen von 1 dm 3 wurde in eine Flüssigkeit abgesenkt. Sein Gewicht hat sich um 8,9 N verringert. In welcher Flüssigkeit befindet sich der Ball?

Welche Bedingungen gelten für Schwimmkörper?
Hängt die Archimedes-Kraft von der Dichte eines in einer Flüssigkeit eingetauchten Körpers ab?
Wie ist die Kraft von Archimedes gerichtet?

Zentrifugalkraft.

Bei Kreisbewegungen entsteht eine Zentrifugalkraft, die entlang des Radius vom Mittelpunkt aus gerichtet ist.

Wobei: v – lineare Geschwindigkeit; r ist der Radius des Kreises.

Coulomb-Stärke.

In der Newtonschen Mechanik wird der Begriff der Gravitationsmasse verwendet, in der Elektrodynamik steht der Begriff der elektrischen Ladung im Vordergrund. Elektrische Ladung ist eine physikalische Größe, die die Eigenschaft von Teilchen oder Körpern charakterisiert, elektromagnetische Kraftwechselwirkungen einzugehen. Die Ladungen interagieren mit der Coulomb-Kraft.

Wobei: q 1 und q 2 – wechselwirkende Ladungen, gemessen in C (Coulomb);

r ist der Abstand zwischen den Ladungen; k ist der Proportionalitätskoeffizient.

k=9 . 10 9 (H . m 2) / Cl 2

Oft wird es in der Form geschrieben: , wobei die elektrische Konstante 8,85 beträgt . 10 12 C 2 /(N . m 2).

Wechselwirkungskräfte gehorchen dem dritten Newtonschen Gesetz: F 1 = - F 2 . Es handelt sich um abstoßende Kräfte mit gleichem Ladungszeichen und anziehende Kräfte mit unterschiedlichem Vorzeichen.

Wenn ein geladener Körper gleichzeitig mit mehreren geladenen Körpern wechselwirkt, dann ist die resultierende Kraft, die auf diesen Körper einwirkt, gleich der Vektorsumme der Kräfte, die von allen anderen geladenen Körpern auf diesen Körper wirken.

Aufgabe: Die Wechselwirkungskraft zweier identischer Punktladungen im Abstand von 0,5 m beträgt 3,6 N. Finden Sie die Werte dieser Gebühren?

Warum werden beide reibenden Körper aufgeladen, wenn sie durch Reibung elektrisiert werden?
Bleibt die Masse eines Körpers unverändert, wenn er elektrifiziert wird?
Welche physikalische Bedeutung hat der Proportionalitätskoeffizient im Coulombschen Gesetz?

Ampere-Leistung.

Auf einen stromdurchflossenen Leiter in einem Magnetfeld wirkt eine Amperekraft.

Wobei: I - Stromstärke im Leiter; B - magnetische Induktion; l ist die Länge des Leiters; ist der Winkel zwischen der Richtung des Leiters und der Richtung des magnetischen Induktionsvektors.

Die Richtung dieser Kraft kann durch die Linke-Hand-Regel bestimmt werden.

Wenn die linke Hand so positioniert werden soll, dass die magnetischen Induktionslinien in die Handfläche gelangen, die ausgestreckten vier Finger entlang der Wirkung des Stroms gerichtet sind, dann zeigt der gebogene Daumen die Richtung der Ampère-Kraft an.

Aufgabe: Bestimmen Sie die Richtung des Stroms in einem Leiter in einem Magnetfeld, wenn die auf den Leiter wirkende Kraft eine Richtung hat

Unter welchen Bedingungen entsteht die Amperekraft?
Wie lässt sich die Richtung der Ampere-Kraft bestimmen?
Wie lässt sich die Richtung der magnetischen Induktionslinien bestimmen?

Lorentzkraft.

Die Kraft, mit der ein elektromagnetisches Feld auf einen geladenen Körper in ihm einwirkt, wird Lorentzkraft genannt.

Dabei ist: q der Ladungsbetrag; v ist die Geschwindigkeit des geladenen Teilchens; B – magnetische Induktion; ist der Winkel zwischen den Geschwindigkeits- und magnetischen Induktionsvektoren.

Die Richtung der Lorentzkraft kann durch die Linke-Hand-Regel bestimmt werden.

Aufgabe: In einem gleichmäßigen Magnetfeld, dessen Induktion 2 T beträgt, bewegt sich ein Elektron mit einer Geschwindigkeit von 10 5 m/s senkrecht zu den magnetischen Induktionslinien. Berechnen Sie die Kraft, die auf das Elektron wirkt.

Was ist die Lorentzkraft?
Was sind die Bedingungen für die Existenz der Lorentzkraft?
Wie bestimmt man die Richtung der Lorentzkraft?

Am Ende der Unterrichtsstunde erhalten die Schüler die Möglichkeit, die Tabelle auszufüllen.

Der Name der Kraft	Formel	Zeichnung	Anwendungspunkt	Wirkungsrichtung
Schwere
Schwere
Gewicht
Reibungskraft
Elastische Kraft
Stärke von Archimedes
resultierende Kraft
Zentrifugalkraft
Anhängerkraft
Verstärkerleistung
Lorentzkraft

Literatur:

M.Yu.Demidova, I.I.Nurminsky „USE 2009“
I.V. Krivchenko „Physik – 7“
V. A. Kasyanov „Physik. Profilebene“

« Physik - Klasse 10 "

In Kapitel 2 haben wir das Konzept der Kraft als quantitatives Maß für die Wirkung eines Körpers auf einen anderen eingeführt.
In diesem Kapitel werden wir untersuchen, welche Kräfte in der Mechanik berücksichtigt werden und was ihre Werte bestimmt.

Wie viele Arten von Kräften gibt es in der Natur?
Listen Sie die Kräfte auf, die Sie kennen.
Welchen Charakter haben sie – Gravitation oder Elektromagnetik?

Auf den ersten Blick scheint es, als hätten wir uns einer überwältigenden und unlösbaren Aufgabe gestellt: Es gibt unendlich viele Körper auf der Erde und außerhalb.
Sie interagieren auf unterschiedliche Weise.

Atomkräfte wirken zwischen Teilchen in Atomkernen und bestimmen die Eigenschaften von Kernen.

Der Umfang der Nuklearstreitkräfte ist sehr begrenzt.

Sie sind nur im Inneren von Atomkernen wahrnehmbar (dh in Entfernungen in der Größenordnung von 10–15 m).
Bereits bei Abständen zwischen Teilchen in der Größenordnung von 10 -13 m (tausendmal kleiner als die Größe eines Atoms - 10 -10 m) treten sie überhaupt nicht auf.

Schwache Interaktionen verursachen gegenseitige Umwandlungen von Elementarteilchen, bestimmen den radioaktiven Zerfall von Kernen, thermonukleare Fusionsreaktionen.

Sie erscheinen in noch kürzeren Entfernungen, in der Größenordnung von 10–17 m.

Nukleare Kräfte sind die stärksten in der Natur.

Wenn die Intensität der Kernkräfte als Einheit angenommen wird, beträgt die Intensität der elektromagnetischen Kräfte 10 -2, der Gravitationskräfte 10-40 und der schwachen Wechselwirkungen 10 -16.

Starke (nukleare) und schwache Wechselwirkungen manifestieren sich in so kleinen Abständen, wenn die Gesetze der Newtonschen Mechanik und damit auch der Begriff der mechanischen Kraft ihre Bedeutung verlieren.

Die Intensität starker und schwacher Wechselwirkungen wird in Energieeinheiten (in Elektronenvolt) und nicht in Krafteinheiten gemessen, und daher erklärt sich die Verwendung des Begriffs „Kraft“ für sie aus der jahrhundertealten Tradition der Erklärung aller Phänomene in der umgebenden Welt durch die Wirkung von „Kräften“, die für jedes Phänomen charakteristisch sind.

In der Mechanik betrachten wir nur gravitative und elektromagnetische Wechselwirkungen.

Kräfte in der Mechanik.

In der Mechanik haben wir es normalerweise mit drei Arten von Kräften zu tun – Gravitationskräften, elastischen Kräften und Reibungskräften.

Quelle: „Physik – Klasse 10“, 2014, Lehrbuch Myakishev, Bukhovtsev, Sotsky

Dynamik – Physik, Lehrbuch für Klasse 10 – Physik im Klassenzimmer

MOU Dmitrievskaya-Sekundarschule

Physikunterricht in der 11. Klasse zum Thema: „Kräfte in der Natur“

Kolupaev Wladimir Grigorjewitsch

Physik Lehrer

2015

Ziel Die Lektion besteht darin, das Programmmaterial zum Thema „Kräfte in der Natur“ zu erweitern und praktische Fähigkeiten und Fertigkeiten zur Lösung von USE-Problemen zu verbessern.

Lernziele:

den gelernten Stoff festigen,

die Vorstellungen der Schüler über Kräfte im Allgemeinen und über jede einzelne Kraft zu formen,

Wenden Sie Formeln richtig an und erstellen Sie Zeichnungen richtig, wenn Sie Probleme lösen.

Der Unterricht wird von einer Multimedia-Präsentation begleitet.

ICH. Gewaltsam eine Vektorgröße genannt, die die Ursache jeder Bewegung als Folge der Wechselwirkungen von Körpern ist. Wechselwirkungen sind Kontakt, der eine Verformung verursacht, und Nichtkontakt. Unter Verformung versteht man eine Formveränderung eines Körpers oder seiner einzelnen Teile durch Wechselwirkung.

Im Internationalen Einheitensystem (SI) wird die Einheit Kraft genannt Newton(H). 1 N ist gleich der Kraft, die einem Referenzkörper mit einer Masse von 1 kg in Kraftrichtung eine Beschleunigung von 1 m/s 2 verleiht. Ein Gerät zur Kraftmessung ist ein Dynamometer.

Die auf einen Körper wirkende Kraft hängt ab von:

Die Größe der ausgeübten Kraft;

Kraftangriffspunkte;

Kraftrichtungen.

Betrachten Sie die vorgeschlagenen Kräfte.

Schwerkraft.

G = 6,67. 10 -11 - Gravitationskonstante, bestimmt von Cavendish.

Abb.1

Eine der Erscheinungsformen der universellen Gravitationskraft ist die Schwerkraft, und die Beschleunigung des freien Falls kann durch die Formel bestimmt werden:

Dabei ist: M die Masse der Erde, R z der Radius der Erde.

Schwere.

Wobei: m - Körpergewicht; g - Beschleunigung des freien Falls (g \u003d 9,8 m / s 2).

Körpergewicht.

Abb.2

Wenn der Körper ruht, kann man argumentieren, dass das Gewicht gleich der Schwerkraft ist und durch die Formel P = mg bestimmt wird.

Bewegt sich der Körper mit Beschleunigung nach oben, dann erfährt der Körper eine Überlastung. Das Gewicht wird durch die Formel P \u003d m (g + a) bestimmt.

Abb. 3

Das Körpergewicht beträgt etwa das Doppelte des Schwerkraftmoduls (doppelte Überlastung).

Wenn sich der Körper mit Abwärtsbeschleunigung bewegt, kann es in den ersten Sekunden der Bewegung zu Schwerelosigkeit kommen. Das Gewicht wird durch die Formel P \u003d m (g - a) bestimmt.

Reis. 4

Reibungskraft.

Die Kraft, die durch die Bewegung eines Körpers auf der Oberfläche eines anderen entsteht und in die entgegengesetzte Richtung zur Bewegung gerichtet ist, wird Reibungskraft genannt.

Abb.5

Abb.6

Die Reibungskraft wird durch die Formel bestimmt:

F = µN

N – Stützreaktionskraft – das ist die elastische Kraft, die unter der Einwirkung des Körpergewichts in der Oberfläche entsteht.

Für eine horizontale Fläche: F tr = µmg

Elastische Kraft.

Bei einer Verformung des Körpers entsteht eine Kraft, die versucht, die ursprüngliche Größe und Form des Körpers wiederherzustellen. Man nennt sie Elastizitätskraft.

Die einfachste Art der Verformung ist die Zug- oder Druckverformung.

Reis. 7

Dieses Verhältnis drückt das experimentell etablierte Hookesche Gesetz aus: Die elastische Kraft ist direkt proportional zur Änderung der Körperlänge.

Dabei ist k der Steifigkeitskoeffizient des Körpers, gemessen in Newton pro Meter (N/m). Der Steifigkeitskoeffizient hängt von der Form und den Abmessungen des Körpers sowie vom Material ab.

In der Physik wird das Hookesche Gesetz für Zug- oder Druckverformung üblicherweise in einer anderen Form geschrieben:

Bei Biegeverformung F Kontrolle = - mg und F Kontrolle = - Kx.

Abb.8

Daher können wir den Steifigkeitskoeffizienten ermitteln:

k =

Reis. 9

4. Die resultierende Kraft.

Eine resultierende Kraft ist eine Kraft, die die Wirkungen mehrerer Kräfte ersetzt. Diese Kraft wird angewendet, wenn Probleme mit mehreren Kräften gelöst werden.

Abb.10

Auf den Körper wirken die Schwerkraft und die Reaktionskraft der Stütze. Die resultierende Kraft wird in diesem Fall nach der Parallelogrammregel ermittelt und durch die Formel bestimmt

R=ma

Die Macht des Archimedes.

Die Archimedische Kraft ist eine Auftriebskraft, die in einer Flüssigkeit oder einem Gas auftritt und der Schwerkraft entgegenwirkt.

Archimedisches Prinzip: Ein Körper, der in eine Flüssigkeit oder ein Gas eingetaucht ist, erfährt eine Auftriebskraft, die dem Gewicht der verdrängten Flüssigkeit entspricht.

F A = mg = Vg

Dabei ist: die Dichte der Flüssigkeit oder des Gases; V ist das Volumen des eingetauchten Körperteils; g ist die Beschleunigung im freien Fall.

Abb.11

Zentrifugalkraft.

Bei Kreisbewegungen entsteht eine Zentrifugalkraft, die entlang des Radius vom Mittelpunkt aus gerichtet ist.

Wobei: v – lineare Geschwindigkeit; r ist der Radius des Kreises.

Abb.12

Coulomb-Stärke.

Wobei: q 1 und q 2 – wechselwirkende Ladungen, gemessen in C (Coulomb);

r ist der Abstand zwischen den Ladungen; k ist der Proportionalitätskoeffizient.

k=9 . 10 9 (H . m 2) / Cl 2

Oft wird es in der Form geschrieben: , wobei die elektrische Konstante 8,85 beträgt . 10 12 C 2 /(N . m 2).

Abb.13

Abb.14

Ampere-Leistung.

Auf einen stromdurchflossenen Leiter in einem Magnetfeld wirkt eine Amperekraft.

F A \u003d IBlsin

Wobei: I - Stromstärke im Leiter; B - magnetische Induktion; l ist die Länge des Leiters; ist der Winkel zwischen der Richtung des Leiters und der Richtung des magnetischen Induktionsvektors.

Die Richtung dieser Kraft kann durch die Linke-Hand-Regel bestimmt werden.

Reis. 15

Lorentzkraft.

Die Kraft, mit der ein elektromagnetisches Feld auf einen geladenen Körper in ihm einwirkt, wird Lorentzkraft genannt.

F = qvBsin

Reis. 16

Dabei ist: q der Ladungsbetrag; v ist die Geschwindigkeit des geladenen Teilchens; B - magnetische Induktion; ist der Winkel zwischen den Geschwindigkeits- und magnetischen Induktionsvektoren.

Die Richtung der Lorentzkraft kann durch die Linke-Hand-Regel bestimmt werden.

Am Ende der Unterrichtsstunde erhalten die Schüler die Möglichkeit, die Tabelle auszufüllen.

Fragmentansicht (Interaktive Physikmodelle)

II. Lösen von USE-Aufgaben

1. Zwei Planeten gleicher Masse kreisen auf Kreisbahnen um den Stern. Beim ersten von ihnen ist die Anziehungskraft auf den Stern viermal größer als beim zweiten. Wie groß ist das Verhältnis der Bahnradien des ersten und zweiten Planeten?

1)
2)
3)
4)

Lösung.
Nach dem Gesetz der universellen Gravitation ist die Anziehungskraft des Planeten auf den Stern umgekehrt proportional zum Quadrat des Umlaufradius. Aufgrund der Gleichheit der Massen der Planeten () ist das Verhältnis der Anziehungskräfte des ersten und zweiten Planeten auf den Stern umgekehrt proportional zum Verhältnis der Quadrate der Umlaufbahnradien:

Gemäß der Bedingung ist die Anziehungskraft des ersten Planeten zum Stern viermal größer als die des zweiten: Das bedeutet

2. Während der Darbietung hebt die Turnerin vom Sprungbrett ab (Stufe 1), macht Saltos in der Luft (Stufe 2) und landet auf den Füßen (Stufe 3). In welchen Bewegungsstadien kann ein Turner einen Zustand nahe der Schwerelosigkeit erleben?

1) nur auf Stufe 2
2) nur in den Stufen 1 und 2
3) in den Stufen 1, 2 und 3
4) keine der aufgeführten Stufen

Lösung.
Gewicht ist die Kraft, mit der der Körper auf die Stütze drückt oder die Aufhängung streckt. Der Zustand der Schwerelosigkeit bedeutet, dass der Körper kein Gewicht hat und die Schwerkraft nirgendwo verschwindet. Wenn sich die Turnerin vom Sprungbrett abstößt, drückt sie darauf. Wenn die Turnerin auf ihren Füßen landet, drückt sie auf den Boden. Das Sprungbrett und der Boden spielen die Rolle einer Stütze, sodass es sich in den Stufen 1 und 3 nicht in einem Zustand annähernd Schwerelosigkeit befindet. Im Gegenteil, während des Fluges (Stufe 2) hat der Turner einfach keine Unterstützung, wenn wir den Luftwiderstand vernachlässigen. Da es keine Unterstützung gibt, gibt es auch kein Gewicht, was bedeutet, dass sich der Turner tatsächlich in einem Zustand befindet, der der Schwerelosigkeit nahe kommt.

3. Der Körper ist an zwei Fäden aufgehängt und befindet sich im Gleichgewicht. Der Winkel zwischen den Fäden beträgt , und die Spannungskräfte der Fäden betragen 3 H und 4 H. Welche Schwerkraft wirkt auf den Körper?

1) 1H
2) 5H
3) 7H
4) 25 Stunden

Lösung.
Insgesamt wirken drei Kräfte auf den Körper: die Schwerkraft und die Spannung zweier Fäden. Da sich der Körper im Gleichgewicht befindet, muss die Resultierende aller drei Kräfte Null sein, was bedeutet, dass der Schwerkraftmodul gleich ist

Richtige Antwort: 2.

4. Die Abbildung zeigt drei Kraftvektoren, die in derselben Ebene liegen und auf einen Punkt wirken.

1) 0H
2) 5H
3) 10 Uhr
4) 12H

Lösung.
Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass die Resultierende der Kräfte und mit dem Kraftvektor übereinstimmt. Daher ist der Modul der Resultierenden aller drei Kräfte gleich

Anhand des Maßstabs der Abbildung finden wir die endgültige Antwort

Richtige Antwort: 3.

5. Wie bewegt sich ein materieller Punkt, wenn die Summe aller auf ihn einwirkenden Kräfte gleich Null ist? Welche Aussage ist wahr?

1) Die Geschwindigkeit eines materiellen Punktes ist notwendigerweise gleich Null
2) Die Geschwindigkeit des Materialpunktes nimmt mit der Zeit ab
3) Die Geschwindigkeit eines materiellen Punktes ist konstant und notwendigerweise nicht gleich Null
4) Die Geschwindigkeit eines materiellen Punktes kann beliebig sein, sie muss jedoch zeitlich konstant sein

Lösung.
Nach dem zweiten Newtonschen Gesetz ist in einem Inertialsystem die Beschleunigung eines Körpers proportional zur Resultierenden aller Kräfte. Da bedingt die Summe aller auf den Körper einwirkenden Kräfte gleich Null ist, ist auch die Beschleunigung des Körpers gleich Null, was bedeutet, dass die Geschwindigkeit des Körpers beliebig, aber notwendigerweise zeitlich konstant sein kann.
Richtige Antwort: 4.

6. Eine Stange mit einer Masse von 5 kg, die sich entlang einer horizontalen Fläche bewegt, ist einer Gleitreibungskraft von 20 N ausgesetzt. Wie hoch wird die Gleitreibungskraft nach einer Verdoppelung der Körpermasse sein, wenn sich der Reibungskoeffizient nicht ändert?

1) 5 N
2) 10 N
3) 20 N
4) 40 N

Lösung.
Die Gleitreibungskraft steht im Zusammenhang mit dem Reibungskoeffizienten und der Reaktionskraft des Trägers durch die Beziehung . Für einen Stab, der sich entlang einer horizontalen Fläche bewegt, gilt gemäß dem zweiten Newtonschen Gesetz .

Somit ist die Gleitreibungskraft proportional zum Produkt aus Reibungskoeffizient und Masse des Stabes. Wenn sich der Reibungskoeffizient nicht ändert, nimmt nach einer Verringerung der Körpermasse um das Zweifache auch die Gleitreibungskraft um das Zweifache ab und ist gleich

Richtige Antwort: 2.

III. Zusammenfassend, Bewertung.

IV. D/z:

Die Abbildung zeigt drei Kraftvektoren, die in derselben Ebene liegen und auf einen Punkt wirken.

Der Maßstab der Abbildung ist so, dass die Seite eines Quadrats des Gitters dem Modul der Kraft 1 H entspricht. Bestimmen Sie den Modul des resultierenden Vektors der drei Kraftvektoren.

Die Grafik zeigt die Abhängigkeit der Schwerkraft von der Körpermasse für einen bestimmten Planeten.

Wie hoch ist die Beschleunigung im freien Fall auf diesem Planeten?

Internetressource: 1.

Literatur:

M.Yu.Demidova, I.I.Nurminsky „USE 2009“

V. A. Kasyanov „Physik. Profilebene“

Beliebt in der Kategorie: