УСІ УРОКИ ФІЗИКИ 10 клас

1-й семестр


МЕХАНІКА


2. Динаміка

Урок 12/32

Тема. Сила пружності. Закон Гука

 

Мета уроку: ознайомити учнів з природою сили пружності, залежністю сили пружності від деформації

Тип уроку: вивчення нового матеріалу

План уроку

Контроль знань

5 хв.

1. Що таке деформація?

2. Які величини характеризують деформації розтягання й стискання?

3. Що таке пружні та пластичні деформації?

Демонстрації

3 хв.

Залежність сили пружності від деформації тіла.

Вивчення нового матеріалу

27 хв.

1. Природа сили пружності.

2. Механічна напруга.

3. Закон Гука

Закріплення вивченого матеріалу

10 хв.

1. Тренуємося розв’язувати задачі.

2. Контрольні запитання

 

ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

1. Природа сили пружності

Унаслідок будь-яких деформацій тіла завжди виникають сили, що перешкоджають деформаціям; ці сили спрямовані в бік відновлення колишніх форм і розмірів тіла, тобто спрямовані протилежно деформації. їх називають силами пружності.

Ø  Сила пружності — це сила, що виникає внаслідок деформації тіла й спрямована протилежно напряму зсуву частинок у процесі деформації.

Будь-яке тіло складається з частинок (атомів або молекул), а ті, у свою чергу, складаються з позитивного ядра й негативних електронів. Між зарядженими частинками існують сили електромагнітного притягання й відштовхування. Якщо частинки перебувають у стані рівноваги, то сили притягання й відштовхування зрівноважують одна одну.

У разі деформації тіла відбуваються зміни у взаємному розташуванні частинок. Якщо відстань між частинками збільшується, то електромагнітні сили притягання перевищують сили відштовхування. Якщо ж частинки зближуються, то переважають сили відштовхування.

Сили, що виникають у результаті зміни розташування частинок, дуже малі. Але внаслідок деформації змінюється розташування дуже великої кількості частинок, тому рівнодійна всіх сил уже є значною. Це і є сила пружності. Отже, сила пружності за своїм походженням — електромагнітна сила.

2. Механічна напруга

Стан пружно деформованого тіла характеризують фізичною величиною, що називається механічною напругою.

Розтягуватимемо з певною силою металевий стрижень. У будь-якому перерізі S деформованого стрижня виникають сили пружності, що перешкоджають його розриву.

 

image207

 

Ø  Механічна напруга σ — це фізична величина, що характеризує деформоване тіло й дорівнює відношенню модуля сили пружності Fnp до площі поперечного перерізу тіла S:

image208

Одиниця механічної напруги в СІ — паскаль (Па).

image209

Досліди показують, що:

Ø  у разі незначних пружних деформацій механічна напруга пропорційна відносному подовженню:

Коефіцієнт пропорційності Е називається модулем пружності, або модулем Юнга.

Ø  Модуль Юнга — це фізична величина, що характеризує опірність матеріалу пружній деформації розтягання або стискання.

Оскільки відносне подовження ε — безрозмірна величина, то одиниця модуля Юнга в СІ — паскаль (Па).

3. Закон Гука

У 8 класі ми вивчали закон Гука:

Ø  у межах пружної деформації сила пружності прямо пропорційна абсолютному подовженню пружини:

Жорсткість пружини визначається за формулою:

image211

Звідси випливає, що одиниця жорсткості в системі СІ вимірюється в Н/м.

Покажемо, що вираз  також є законом Гука, але в іншій формі запису.

За визначенням,  а відносне подовження  Тоді з урахуванням формули  дістаємо:

image212

Звідси:

image213

де  — коефіцієнт жорсткості. Отже,

Ø  коефіцієнт жорсткості залежить від пружних властивостей матеріалу, з якого виготовлене тіло, і його геометричних розмірів.

Пряму пропорційну залежність між силою пружності й подовженням використовують у динамометрах. Сила пружності часто працює в техніці й природі: у годинникових механізмах, в амортизаторах на транспорті, у канатах, тросах, у людських кістках і м’язах тощо.

 

Запитання до учнів під час викладу нового матеріалу

1. Коли виникає сила пружності?

2. Чому виникає сила пружності та як вона спрямована?

3. Що характеризує механічну напругу?

4. Від чого залежить коефіцієнт жорсткості?

 

ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ

1). Тренуємося розв'язувати задачі

1. Щоб розтягти пружину на 2 см, потрібно прикласти силу в 10 Н. Яку силу потрібно прикласти, щоб розтягти пружину на 6 см? на 10 см?

2. Обчисліть масу вантажу, що висить на пружині жорсткістю 100 Н/м, якщо подовження пружини дорівнює 1 см?

3. Унаслідок стискання буферної пружини на 3 см виникає сила пружності 6 кН. На скільки зросте ця сила, якщо стиснути пружину ще на 2 см?

4. З вертольота, що завис на певній висоті над поверхнею Землі, опускають сталевий трос. Якою може бути довжина троса, щоб він не обірвався під власною вагою? Максимальна механічна напруга, яку може витримати сталь, становить 320 МПа.

Розв’язок

З умови задачі випливає, що сила тяжіння, яка діє на трос, має дорівнювати силі пружності:

Fт = Fпр.

Обчислимо силу тяжіння з урахуванням того, що m = ρV і V = Sl:

image217

Для обчислення сили пружності скористаємося визначенням механічної напруги:  звідки дістаємо:

image214

Отже,

image215

Остаточно отримуємо:

Перевіряємо одиниці величин:

image218

Підставляючи числові величини, отримуємо, що довжина троса дорівнює 4 100 м.

(Відповідь: 4,1 км).

2). Контрольні запитання

1. Від чого залежить модуль сили пружності?

2. Окресліть межі застосовності закону Гука.

3. Що характеризує модуль Юнга?


Що ми дізналися на уроці

  Сила пружності — це сила, що виникає внаслідок деформації тіла і спрямована протилежно напрямку зсуву частинок у процесі деформації.

•  Механічна напруга σ — це фізична величина, що характеризує деформоване тіло й дорівнює відношенню модуля сили пружності Fnp до площі поперечного перерізу тіла S:

•  У разі невеликих пружних деформацій механічна напруга пропорційна відносному подовженню:

•  Модуль Юнга — це фізична величина, що характеризує опірність матеріалу пружній деформації розтягання або стискання.

  Коефіцієнт жорсткості залежить від пружних властивостей матеріалу, з якого виготовлене тіло, і його геометричних розмірів.

 

Домашнє завдання

1. П.: § 26.

2. 36.:

р1) - 9.3; 9.6; 9.7; 9.8;

р2) - 9.13; 9.14; 9.15; 9.16;

р3) - 9.40; 9.42; 9.43; 9.44.




Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити