Підручник Фізика 7 клас - Пістун П. Ф. - Навчальна книга - Богдан 2015 рік

Розділ ІІІ ВЗАЄМОДІЯ ТІЛ. СИЛА

§28. Сила пружності. Закон Гука

✓ Яку деформацію називають пружною?

1. У механіці, основні положення і закони якої ви вивчаєте, розглядаються рухи тіл під дією сил. Але сили бувають різними.

З однією з них ви вже зустрічалися при розгляді принципу дії динамометра. Справді, в результаті деформації тіла виникає сила, що прагне повернути його у початковий стан. Цю силу називають силою пружності

2. Візьміть у руки пластмасову лінійку, затисніть її один кінець, а інший зігніть (рис. 75). Ви відчуєте, що лінійка протидіє деформації, і чим сильніше ви її згинаєте, тим виявляється трудніше це зробити (не зламайте лінійку!). Як тільки ви відпустите лінійку, вона відразу ж швидко повернеться у початкове положення. Це відбувається тому, що внаслідок деформації виникає сила пружності.

Сила пружності виникає в усіх випадках, коли тіло деформується. Причиною виникнення сил пружності є взаємодія атомів та молекул тіл між собою.

Далі, проробимо складніший дослід. Деформуємо тепер пружину динамометра (рис. 76) — розтягнемо її на величину Δl (Δl — видовження тіла або зміна його довжини), приклавши деяку силу. З боку пружини на руку діятиме сила Пружності пружини. Збільшимо величину деформаціїпружини вдвічі, розтягнувши її на величину 2Δl. Сила пружності, що виникає в пружині, також збільшиться і стане рівною Продовживши дослід, переконаємося, що в усіх випадках сила пружності

буде прямо пропорційна величині деформації (видовженню) тіла. Математично це записується так:

Fпр ~ Аl.

Рис. 75

Рис. 76

Рис. 77

Але пружини бувають різними. Одну розтягнути легко, а іншу — тяжче (рис. 77). Тому, щоб записати залежність між силою пружності і видовженням у вигляді рівності (тобто, подати у вигляді закону), потрібно враховувати пружні властивості кожної пружини. Ця властивість пружини характеризується деяким коефіцієнтом k, який називається жорсткістю. Жорсткість пружини (як і будь-якого деформованого тіла) залежить від її форми, розмірів та матеріалу, з якого вона виготовлена.

Отже, можна записати:

Fпр = kΔl.

Останнє рівняння виражає закон Гука:

сила пружності, яка виникає під час деформації тіла, прямо пропорційна видовженню тіла (величині деформації).

Зауважимо, що під час деформації стискання цей закон також можна застосовувати, але слід урахувати, що за цієї деформації «видовження» тіла від’ємне, Δl < 0, і в записі закону Гука слід брати |Δl|.

Закон Гука справедливий тільки у випадку пружних деформацій. У § 27 ми вже говорили про такий вид деформацій. Якщо ми раптом«перерозтягнемо» пружину у нашому досліді, то у деякий момент вона перестане стискатися після припинення дії сили. (Згадайте попередження: не зламайте пластмасову лінійку!). Те саме може відбутися із металевою лінійкою, але вона не зламається, а в деякий момент різко зігнеться і після цього уже більше не розпрямиться. Інакше кажучи, у кожного пружного тіла існує певна межа пружної деформації.

Особливість сили пружності полягає в тому, що вона завжди напрямлена в бік, протилежний до напряму зміщення частинок тіла за деформації. Так, на рис. 76 частинки пружини зміщуються вправо, а сила пружності спрямована вліво.

Проробивши самостійно досліди, ви переконаєтеся, що стиснута пружина завжди під дією сили пружності розправляється, а розтягнута — стискається.

Запитання для самоперевірки

1. Яку силу називають силою пружності?

2. Які деформації називають пружними? Наведіть приклади пружних деформацій.

3. Сформулюйте закон Гука і запишіть формулу, що його виражає.

4. Що характеризує жорсткість тіла? Від чого вона залежить?

5. Що ви можете сказати про напрям сили пружності?

6. Чи завжди виконується закон Гука для деформацій розтягу і стискання? Відповідь поясніть.

7. Чому пружини динамометрів виготовляють зі сталі, а не зі свинцю або алюмінію?

Завдання 18

1. Укажіть напрям сили пружності, яка діє на м’яч у момент його удару об підлогу.

Зробіть відповідний рисунок.

2. Проаналізуйте формулу закону Гука і визначте одиницю жорсткості k.

3. Знайдіть жорсткість пружини, яка під дією сили 5 Н видовжилася на 8 см.

4. На рисунку 78 зображений графік залежності довжини гумового джгута від прикладеної до нього сили. Визначте жорсткість джгута.

Рис. 78

Лабораторна робота № 8

Градуювання шкали динамометра і вимірювання сили

Мета роботи. 1. Дослідити залежність сили пружності від величини деформації. 2. Виготовити шкалу динамометра. 3. Навчитися вимірювати силу тяжіння.

Обладнання. 1. Лабораторний динамометр зі шкалою, закритою чистим папером. 2. Лабораторний динамометр з відкритою шкалою. 3. Штатив. 4.Лабораторний набір важків масою по 100 г. 5. Лінійка. 6. Олівець. 7. Тіло невідомої маси (камінець, брусок тощо) з ниткою для кріплення.

Хід роботи

1. Удома напередодні виконання роботи повторіть §27, §28 підручника й ознайомтеся з вказівками до лабораторної роботи № 7.

2. Закріпіть у штативі корпус динамометра із закритою папером шкалою у вертикальному положенні.

3. При нерозтягнутій пружині позначте на папері нульову поділку навпроти стрілки (покажчика) динамометра і біля неї поставте цифру 0.

4. Підвісивши до гачка динамометра важок масою 100 г, позначте довгою рискою положення стрілки і поставте цифру 1. Як відомо, на тіло з масою 102 г діє сила тяжіння 1 Н. Оскільки ми користуємося важками з масою по 100 г, тому нестача 2 г дає незначну похибку (біля 2%).

5. Після цього аналогічно повторюємо досліди, підвішуючи 2, 3 і 4 такі самі важки, та наносимо відповідно цифри 2, 3 і 4, що відповідають силам 2 Н, 3 Н та 4 Н.

6. Зніміть динамометр зі штатива та виміряйте лінійкою відстані між позначками 0 і 1, 1 та 2, 2 і 3, 3 та 4. Встановіть, чи отримано рівномірну шкалу. Результати вимірювань занесіть у таблицю.

Відстані між позначками шкали, мм

Шкала (рівномірна чи нерівномірна)

0 і 1

1 і 2

2 і 3

3 і 4

7. За допомогою лінійки й олівця поділіть відстані між двома сусідніми поділками на 10 рівних частин, позначивши їх коротшими рисками. Кожну п’яту поділку шкали, отриманої таким способом, позначте дещо довшими рисками.

8. На основі даних градуювання шкали динамометра заповніть таблицю.

Межа вимірювання динамометра

Ціна поділки

Зробіть відповідний висновок щодо залежності сили пружності від величини деформації розтягу.

9. До гачка динамометра з виготовленою шкалою приєднайте лабораторний динамометр з відкритою шкалою, розташуйте їх на горизонтальній поверхні стола і розтягніть динамометри. Порівняйте покази обох приладів, проробивши три досліди при різних силах. Результати занесіть у таблицю.

Номер досліду

Показ динамометра з виготовленою шкалою, Н

Показ динамометра з відкритою шкалою, Н

1.

2.

3.

10. Знову закріпіть динамометр з проградуйованою вами шкалою. До його гачка повісьте тіло невідомої маси і виміряйте силу тяжіння, що діє на нього (точніше силу, з якою тіло розтягує пружину динамометра — так звану вагу тіла).

11. Вимірявши силу тяжіння, обчисліть масу тіла. Досліди проробіть з двома різними тілами і заповніть таблицю.

Назва тіла

Сила тяжіння Fтяж , що діє на тіло, Н

Маса тіла

m = Fтяж/(9,8 м/с2), кг

Брусок

Камінь

12. Додаткове завдання. Зніміть динамометр зі штатива і разом із досліджуваним тілом різко піднімайте вгору, а потім опускайте вниз, спостерігаючи за стрілкою приладу. Зробіть висновок, чи завжди сила тяжіння, що діє на тіло, дорівнює силі пружності пружини динамометра.

Домашнє завдання

Розробіть і опишіть конструкцію такого динамометра, на який зважувані тіла кладуть, а не підвішують. Зробіть ескіз (рисунок) вашої конструкції.





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