Физика. Дом имени чулпана
 Скачать 2.19 Mb.
|
|
ТЕМА ЦЕНТР ТЯЖЕСТИ ТЕЛА И ЕГО ОПРЕДЕЛЕНИЕ. ВИДЫ РАВНОВЕСИЯ Проведем следующий опыт. Возьмем лист картона ив произвольной точке при помощи иголки проденем нитку. Два конца нити закрепим на штативе. Лист займет положение, показанное на рис. 53. Если теперь немного повернуть его вокруг оси и отпустить, лист вернется в первоначальное положение. Проведем нить через центр листа (рис. 54). Теперь, сколько бы мы его не крутили, лист останется в своем первоначальном положении. Эта точка называется центром тяжести тела. Масса тела как бы сосредоточивается в этой точке. Проведенные опыты показывают, что центр тяжести тел различной конфигурации бывает следующим Рис. Рис. У однородных тел(например: шар, сфера, окружность и им подобные)центр тяжести совпадает с геометрическим центром рис. Шар Четырехугольник Параллелограмм Кольцо Куб Рис. Если плоские тела имеют произвольную форму, то центр тяжести таких тел определяют методом подвешивания в двух точках. Здесь центр тяжести находится на пересечении вертикальных линий, проведенных через точки Аи В (рис. Если тела подвесить на оси, прошедшей через центр тяжести, то эти тела сколь угодно долго будут находиться в положении равновесия. Сумма всех сил, действующих на тело, находящееся в равновесии, равна нулю. Равновесие называется устойчивым, если на выведенное из положения равновесия тело действуют силы, возвращающие его в первоначальное положение рис. 57, а). Равновесие называется неустойчивым, если на выведенное из положения равновесия тело действуют силы, еще больше отдаляющие его от положения равновесия рис. 57, б). Центр тяжести тела и его определение. Виды равновесия Рис. 56 Глава III. Равновесие тел. Простые механизмы 86 a) б) в) Рис. Равновесие называется безразличным, если на выведенное из положения равновесия тело не действует никакая сила, изменяющая его состояние рис. 57, в). Проведем такой опыт. Возьмем учебник физики и расположим под ним линейку. Затем за один конец медленно будем поднимать линейку (риса, б. После достижения определенного угла между столом и линейкой, книга опрокинется. Значит состояние равновесия тела зависит и от опоры. Тело, имеющее площадь опоры, опрокинется, если вертикальная прямая, проведенная из центра тяжести, выйдет за площадь опоры рис. 58, в). Следовательно, чем больше площадь опоры, тем более устойчивое положение имеет тело. Как вы объясните понятие центр тяжести. Как на практике определяется центр тяжести тел. Имеются два тела прямоугольной формы, центр тяжести у одного тела выше, чему другого. Какое из этих тел имеет более устойчивое положение. Облокотитесь левым плечом на стенку. Теперь поднимите левую ногу. Сможете ли вы остаться в этом положении Почему. Почему при ходьбе машут руками) б) в) Рис. 58 F F F ТЕМА МОМЕНТ СИЛЫ. РЫЧАГ, РАВНОВЕСИЕ СИЛ НА РЫЧАГЕ Проведем следующий опыт. Возьмем колесо и проведем неподвижную ось. На ось колеса приложим силу, как показано на рис. 59. Колесо останется неподвижным. Теперь приложим эту силу F в точке 2. Колесо придет в движение. Чем дальше от оси вращения мы приложим силу тем сильнее колесо будет вращаться. Следовательно, движение тел, имеющих ось вращения, зависит не только от величины приложенной силы, но и еще оттого, насколько далеко от оси вращения приложена эта сила. Кратчайшее расстояние от оси вращения до точки приложения силы называется плечом силы. В этом случае считается направление силы и плечо взаимно перпендикулярны.Так как движение тела с осью вращения зависит от приложенной силы F и плеча l, введем физическую величину, называемую моментом силы = F · Единица измерения момента силы M = 1 Нм. В повседневной жизни вы видели, что для передвижения тяжелого камня или груза используют лом (рис. 60). При этом на один конец действуют силой F 1 , а на втором конце получают силу F 2 . Сила F 2 больше силы F 1 вне- сколько раз. Следовательно, при помощи этого устройства можно получить выигрыш в силе. Твердое тело, которое может вращаться вокруг неподвижной опоры, называется рычагом На рис. 60 вращение происходит вокруг точки О. Момент силы. Рычаг, равновесие сил на рычаге Рис. Рис. 60 Глава III. Равновесие тел. Простые механизмы Рис. Рис. Рассмотрим следующий опыт. На штативе установим толстую линейку. Линейка вращается вокруг оси O. На правой стороне рычага в точке А, расположенной на расстоянии шести единиц от оси О подвесим один груз. На левой стороне в точке В, расположенной на расстоянии трех единиц от оси О, B подвесим еще один груз, при этом равновесие не наблюдается. Чтобы достичь равновесия, надо в точке В подвесить два груза. Если в точку А подвесим второй груз, чтобы сохранить равновесия, в точку В надо подвесить четыре груза (рис. 61). Следовательно, между силами, действующими на рычаги плечом сил справедливо следующее отношение – длина OA, плечо силы F 1 l 2 – длина OB, плечо силы Правило равновесия рычага было установлено Архимедом · l 1 = F 2 · l 2 получим Это условие равновесия тел с осью вращения. Из наблюдаемого опыта M 1 – момент силы, вращающей рычаг почасовой стрелке, M 2 – момент силы, вращающей рычаг против часовой стрелки. Рычаги широко используются в повседневной жизни и технике. Например, рассмотрим ножницы, здесь сила руки F 1 прикладывается к ручке, а сила F 2 прикладывается к материалу. Сила F 2 больше силы F 1 , так как расположена ближе коси вращения. На этом принципе работают гвоздодер, ножницы по металлу, рассмотренные выше рычажные весы, являющиеся равноплечными рычагами (рис. 62). Если весы сделать с плечами разной длины, то можно маленькими гирями взвесить большие грузы. В строении людей и животных тоже видим этот принцип. Руки и ноги с мускулами образуют рычаги. Гвоздь, забитый в доску, очень трудно вытащить рукой, но очень легко с помощью гвоздодера. Почему. Назовите механизмы, в которых используется рычаг. На каких весах можно взвесить машины с грузом? ТЕМА ПРОСТЫЕ МЕХАНИЗМЫ ПРИМЕНЕНИЕ БЛОКА, НАКЛОННОЙ ПЛОСКОСТИ, ВИНТА, КЛИНА И ВОРОТА В процессе труда человек больше опирается не на свою силу, а на свою изобретательность. С древности люди при передвижении тяжелых грузов пользовались механизмами. При постройке величественных зданий в Бухаре и Самарканде пользовались воротом, наклонной плоскостью и блоками. Блок. Блок представляет собой колесо с желобом, укрепленное в обойме, по желобу блока пропускают веревку, трос или цепь. На один конец веревки подвешивают груз, за другой тянут. Неподвижным блоком называют такой блок, который при подъеме груза остается неподвижным (рис. 63-1). Блок, который поднимается и опускается вместе с грузом, называется подвижным блоком (рис. 63-2). У неподвижного блока плечо силы для груза равно АО, а плечо силы F равно ОВ (риса. Так как OA = сила F равна тяжести груза. Поэтому неподвижный блок не дает выигрыша в силе, но позволяет менять направление силы. У подвижного блока ось вращения совпадает сточкой О (рис. 64, б. В соответствии с этим плечо для груза равно ОА, а плечо силы А равно ОВ. Простые механизмы применение блока, наклонной плоскости, винта, клина и ворота Глава III. Равновесие тел. Простые механизмы Так как ОА = R, ОВ = 2R (R – радиус колеса, то F · 2R = mg · R. Отсюда: . Таким образом, подвижный блок даст выигрыш в силе в 2 раза. Система, состоящая из нескольких подвижных и неподвижных блоков, называется полиспастом. Если полиспаст состоит из подвижных блоков, то такая система дает выигрыш в силе в 2n раз. Наклонная плоскость Для того чтобы погрузить бочку на машину, используют наклонную плоскость. Здесь сила F составляет часть силы тяжести: Рис. Рис. 63 a) б) Рис. 64 Винт. Для замены проколотого баллона у машин используется винтовое подъемное устройство, называемое домкратом Из рис. 66 нетрудно понять принцип его работы. В домашних мясорубках, в тисках тоже используют винт. Клин. Говорят, что в некоторых районах нашей страны, чтобы испытать жениха, его заставляли колоть дрова. В этих случаях используют клин. Клин – треугольной формы тело, его устанавливают на пень, как показано на рис. Ворот Этим простым механизмом часто пользуются для подъема воды из колодца (рис. 68). Если радиус вала, на который наматывается веревка, равен, а рукоятки ворота R, то устройство дает выигрыш в силе в раза. Усовершенствованный вариант ворота называется лебедкой (рис. 69), там два ворота взаимосвязаны. Первый состоит из зубчатого колеса маленького радиуса и ворота. Эта система дает выигрыш в силе в раза. Второй состоит из зубчатого колеса большого радиуса и вала, на который наматывается веревка (трос. Эта система дает выигрыш в силе в раза. Общий выигрыш в силе, который дает лебедка, равен: Рис. Рис. Простые механизмы применение блока, наклонной плоскости, винта, клина и ворота Рис. Рис. 67 Глава III. Равновесие тел. Простые механизмы 92 n= 1. Возьмите линейку, установите посередине опору и приведите в равновесие. Справа на расстоянии 5 см от опоры положите одну монету. Слева от опоры положите две монеты на таком расстоянии, чтобы линейка оставалась в равновесии. Рассмотрите устройство имеющихся в доме клещей, ножниц, прищепок. Найдите их оси вращения и плечи. Подсчитайте, какой выигрыш в силе они дают. Какие простые механизмы вы еще знаете. С какой целью можно использовать лебедку. Какими простыми механизмами пользуются в поле и дома. Можно ли увеличить силу при использовании механизмов. Относятся ли подвижный и неподвижный блоки к рычагам? ТЕМА РАВЕНСТВО РАБОТЫ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ МЕХАНИЗМОВ Все механизмы, рассмотренные выше, используются для выполнения работы. Мы говорили, что механизмы дают выигрыш в силе. Интересно, которые из них дают выигрыш в работе? Рассмотрим это на примере наклонной плоскости (рис. 70). Было показано, что при подъеме тела по наклонной плоскости Здесь для подъема тела необходима маленькая сила, но при этом тело проходит больший путь, так как s больше h. F 1 · s = F 2 · h Рис. Рис. Отсюда вытекает, что по какому бы пути ни поднимался груз, выполняется одна и та же работа. Значит, наклонная плоскость не дает выигрыша в работе Может, рычаг даст выигрыш в работе Из рисунка 70 видно, что при перемещении груза, лежащего на маленьком плече, сила F 1 , приложенная к большому плечу, должна пройти путь s 1 . Значит, ив случае с рычагом выигрыш в силе достигается путем проигрыша в пути. В этом случае . Для выполненной работы F 1 s 1 = F 2 s 2 или A 1 = A 2 . Рычаг, как и другие механизмы, не дает выигрыша в работе Существует легенда, что Архимед, восхищенный открытием правила рычага, воскликнул Дайте мне точку опоры, и я подниму Землю. Теоретически можно при помощи рычага сочень длинным плечом создать силу, равную весу Земли. Для подъема Земли всего на 1 см длинное плечо рычага должно было бы описать дугу огромной длины, для перемещения длинного конца рычага поэтому пути со скоростью 1 м Архимеду потребовались бы миллионы лет. Точно таким путем можно доказать, что подвижный блок тоже не дает выигрыша в работе. Здесь, чтобы поднять грузна высоту, необходимо конец веревки переместить на высоту 2h (рис. Получая выигрыш в силе в 2 раза, проигрывают раза в расстоянии, в результате подвижный блок тоже не дает выигрыша в работе. Равенство работы при использовании механизмов Рис. 72 Глава III. Равновесие тел. Простые механизмы Пример решения задач. Задача 1. Для подъема груза весом 100 кг нам используется наклонная плоскость. Если приложенная сила равна 245 Н, то какой длины должна быть наклонная плоскость? Д ан о Формула Решение кг = 10 м = 245 Н = 9,81 Н кг · s = F 2 · отсюда = mg. F 2 = 100 кг · 9,8 Н кг =980 Нм м = 40 м. Требуется найти = Ответ s = 40 м. Попробуйте доказать равенство работы, выполненной при помощи ворота. Докажите правильность закона равенства работ гидравлического пресса. Выполняется ли работа при забивании клина в пень. Можете ли вы нарисовать блок, дающий выигрыш в пути. Как можно использовать подвижный блок, чтобы получить выигрыш в пути ТЕМА ЗОЛОТОЕ ПРАВИЛО МЕХАНИКИ. КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ МЕХАНИЗМОВ Вы узнали, что простые механизмы не дают выигрыша в работе. Если рассмотреть это в широком смысле, то можно прийти к выводу, что любой механизм во сколько раз выигрывает в силе, во столько раз проигрывает в расстоянии. Это правило назвали золотым правилом механики». В предыдущей теме при подъеме какого-либо груза на определенную высоту мы не учитывали вес механизмов, возникающие в них трения. Если учесть все это, то для подъема груза массой m на высоту выполняемая работа А зат. будет намного больше работы А пол. , называемой полезной работой. А зат. – полная затраченная работа. А зат. = А пол. + доп, здесь А доп. – дополнительная работа, необходимая для того, чтобы преодолеть трение, подъем самих механизмов и др. Отношение полезной работы (А пол. ) к полной работе (А зат. ) называется коэффициентом полезного действия механизма = А пол. А зат. η – коэффициент полезного действия (КПД). КПД обычно выражают в процентах = А пол. А зат. · КПД любого механизма меньше 100% (см. таблицу Таблица Подвижный или неподвижный блок 94–98% Ручная лебедка 80% Винтовой домкрат 30–40% Рычажно-винтовой домкрат 95–97% Золотое правило механики. Коэффициент полезного действия механизмов Глава III. Равновесие тел. Простые механизмы Чтобы повысить КПД, уменьшают вес механизмов, трение и т.д., совершенствуют конструкции. Возьмем дощечку с крючком и с помощью динамометра определим вес Р. Медленно поднимите динамометр с дощечкой. При помощи стола или линейки создайте наклонную плоскость. Равномерно перемещая дощечку по наклонной плоскости, запишите показания динамометра рис. 73). Измерьте высоту h и длину s наклонной плоскости. Из полученных результатов рассчитайте КПД наклонной плоскости по формуле · 100%. 1. Докажите золотое правило механики на примере ворота. Почему простые механизмы не дают выигрыша в работе. Как изменится КПД наклонной плоскости, если увеличить ее длину? Упражнение 8. 1. Длинное плечо рычага равном, а короткое 2 м. Если на длинное плечо подействовать силой 10 Н, какой тяжести тело можно поднять концом короткого плеча (Ответ 30 Н. При помощи неподвижного блока мальчик поднимает груз вверх. Если вес мальчика равен 50 кг, каков максимальный вес груза, который может поднять мальчик при помощи блока g ≈ 10 Н кг. (Ответ 500 Н. Ответ обоснуйте. При подъеме тела по наклонной плоскости совершили работу 20 Дж. При этом использовали механизм с КПД, равным 80%. Найдите полезную работу. (Ответ 16 Дж. Прямоугольное тело имеет длину 6 см, ширину 8 см. На каком удалении будет центр тяжести, если отсчет вести из произвольного угла. Из колодца при помощи ведра поднимается вода. Объем ведра 10 л. Радиус вала, на который наматывается трос, 10 см, радиус пово- Рис. 73 F P рота рукоятки 50 см. С какой силой надо подействовать на рукоятку, чтобы поднять воду g ≈ 10 Н кг. (Ответ 20 Н. Под действием силы 15 Н тело поднимают по наклонной плоскости. Найти КПД наклонной плоскости, если вес тела 16 Н, высота наклонной плоскости 5 м, длинам. (Ответ КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ГЛАВЕ III 1. Как называется механическое приспособление, изменяющее величину силы или ее направление) Рычагом. B) Подвижным блоком) Неподвижным блоком. D) Простым механизмом. В каких единицах измеряется момент силы) кг. B) Н. C) Нс) Нм. Укажите формулу правила моментов) F 1 l 1 = F 2 · l 2 . B) M = F · l. C) F/m. D) 4. В чем дает выигрыш неподвижный блок) В силе. B) В пути. C) В работе) Нив одной из приведенных в пунктах A–D величин. Как определить коэффициент полезного действия механизма) Полезную работу надо умножить на полную работу) Полезную работу надо разделить на полную работу) Надо сложить полезную и полную работу) Из полной работы надо вычесть полезную работу. В чем состоит золотое правило механики) Простые механизмы дают выигрыш только в силе) Простые механизмы дают выигрыш в силе ив пути) Простые механизмы дают выигрыш только в пути) Простые механизмы дают выигрыш в силе или в пути. Контрольные вопросы к главе III 7 – Физика, 6 класс Глава III. Равновесие тел. Простые механизмы 98 7. Кто нашел правило рычага) Герон. B) Аристотель. C) Архимед. D) Ньютон. Каким будет отношение междуFи в приведенной системе блоков? Р – вес тела Р F A) P = 4F. B) P = F. C) P = 2F. D) P = F. 9. В приведенной системе вес тела равен 200 Н. Найдите силу F. A) 50 H. B) 100 H. C) 150 H. D) 200 H. 10. Отчего зависит сила F, необходимая для вращения ворота) От r. 2) От R. 3) От P. A) 1. B) 2. C) 3. D) 1 и 2. E) 1,2 и 3. 11. В чем дает выигрыш подвижный блок) В силе. B) В пути. C) В работе. D) Во времени. Тело массой 2 кг поднимают по наклонной плоскости под действием силы 5 Н. Если высота наклонной плоскости равна 4 м, чему будет равна ее длинам мм м. Если груз в приведенной системе поднимают на высоту 1 м, насколько метров поднимется конец нити, куда приложена сила F? F P A) 1. B) 2. C) 3. D) 4. 99 14. Тела, изготовленные из однородного материала, подвесили, как показано на рисунке. Которое из них останется в этом положении B C D 15. Стержень, изготовленный из несгибаемого материала, имеет форму, приведенную на рисунке. В каком месте находится его центр тяжести) В точке В точке L. C) В точке M. D) Между точками ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ БЕСЕДА В нижеприведенной таблице вы ознакомитесь с кратким содержанием тем, изложенных в главе Центр тяжести Центром тяжести твердого тела называют точку приложения равнодействующей сил тяжести, приложенных ко всем частям тела. Центр тяжести однородных тел (шара, сферы, кольца и т.д.) совпадает с геометрическим центром этих тел. Виды равновесия Если тело вывести из положения равновесия а) возникает сила, возвращающая тело в первоначальное состояние, такое равновесие устойчивое б) если возникает сила, стремящаяся еще больше отклонить тело от первоначального состояния, такое равновесие называется неустойчивым дне возникает никакой силы, такое равновесие называется безразличным. Момент силы Физическая величина, определяемая формулой M = F · l. F – сила l – плечо силы, наикратчайшее расстояние от точки приложения силы до оси вращения. Заключительная беседа 100 100 Рычаг Твердое тело, которое может вращаться вокруг неподвижной опо- ры. Условие равновесия рычага F 1 · l 1 =F 2 · открыто Архимедом. Рычагом пользуются для подъема тяжелых грузов, чтобы выиграть в силе. Простые механизмы (блок, наклонная плоскость, винт, клин, ворот) Механизмы, позволяющие изменять направляющие силы, дают выигрыш в силе. Блок – с желобом по ободу. По желобу блока пропускают веревку. Блоки бывают подвижные и неподвижные. Неподвижный блок изменяет только направление силы. Подвижный блок дает выигрыш в силе в 2 раза. Система, состоящая из подвижного и неподвижного блоков, называется полиспастом. Сила F, удерживающая тело на наклонной плоскости, численно равна F = mg. Винт дает выигрыш в силе и поэтому используется в качестве домкрата. Клин бывает в форме треугольника. На широкую часть клина действуют силой F, и можно получить силы F 1 . Ворот дает выигрыш в силе враз. Здесь – R – длина плеча ворота r – радиус барабана, куда наматывается веревка. Система, состоящая из нескольких воротов, называется лебедкой. Золотое правило механики Любой механизм во сколько раз выигрывает в силе, во столько раз проигрывает в расстоянии. Ни один из простых механизмов не дает выигрыша в работе. Коэффициент полезного действия механизмов Величина, измеряемая отношением полезной работы (полк полной работе (A зат. ), называется коэффициентом полезного действия КПД) механизма η = А пол. А зат. . КПД любого механизма всегда меньше Заключительная беседа Продолжение – источники теплоты телопроводность различных сред явление конвекции излучение тепловое расширение тел взгляды Фараби, Беруни и Авиценны на тепловые явления температура и методы ее измерения внутренняя энергия и методы ее измерения двигатели внутреннего сгорания сведения об охране окружающей среды. IV ГЛАВА ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ Глава IV. Тепловые явления ВВОДНАЯ БЕСЕДА Вы много раз смотрели по телевизору мультфильм «Маугли». Для того чтобы победить своего злейшего врага тигра, Маугли овладевает красным цветком (те. огнем. После этого все звери в нем признают человека. Действительно, условия жизни человека резко меняются с приобретением огня. Есть сваренную пищу, расплавить металл и изготовить из него орудия охоты, труда и войны, согреваться и др. – все это связано с получением и использованием огня. Об огне создано много легенд. Например, в греческом мифе о Прометее говорится, что он украл огонь у богов, принес людям и научил их пользоваться им. Даже фильм о первом полетев космос назвали Укрощение огня, так как человек использует энергию тепла не только в машинах для передвижения по земле и океанам, но и для полетов в космос. В повседневной жизни вы часто пользуетесь понятиями жарко, холодно, горячо, тепло, зима и лето. Когда вы изучали строение вещества, то узнали, что пар, вода и лед состоят из одних и тех же молекул. Так чем же отличаются молекулы холодной и горячей воды Что мы понимаем под словом температура На эти и другие подобные вопросы мы получим ответ в этой главе. |