Імпульс тіла. Закон збереження імпульсу. Реактивний рух. Механічна енергія. Кінетична і потенціальна енергія.

Предмет: фізика.

Тема. Імпульс тіла. Закон збереження імпульсу. Реактивний рух.

Механічна енергія. Кінетична і потенціальна енергія.

Навчальна мета. Формування знань студентів про фізичні величини – імпульс тіла та імпульс сили і зв'язок між ними; усвідомлення закону збереження імпульсу; формування знань про реактивний рух і поняття енергії як  кількісної міри руху, пояснення зв’язку між роботою й енергією на            

прикладі кінетичної  та потенціальної енергій.

 Розвивальна мета: розвивати логічне мислення та пам'ять.

Виховна мета: виховувати спостережливість, кмітливість.

Тип уроку : комбінований.

Обладнання: скло, сталева кулька, магніт, стрічка цупкого паперу, склянка з водою, штатив, два кільця, дерев’яний ціпок, дві кульки однакової маси підвішених на нитках, насос, гумова кулька, циліндр; мультимедійна презентація.

ХІД ЗАНЯТТЯ

1. Організаційний момент.  
   • Перевірка присутності студентів на занятті.
   • Перевірка форми та готовності студентів до заняття.

II. Перевірка домашнього завдання.

• Індивідуальне опитування (розв’язування задач на дошці).

Задача 1. До довшого кінця горизонтального важеля, який знаходиться в рівновазі, прикладена сила 36 Н, а до коротшого 12 Н. Визначте плече меншої сили, якщо плече більшої дорівнює 3м. 

Відповідь: 9м.

Задача 2. До короткого плеча горизонтального важеля, що перебуває в рівновазі, прикладена сила 28кН, а до довгого 7кН. Визначте довжину важеля, якщо його коротке плече дорівнює 2,5м.

Відповідь: 12,5м.    

• Фронтальне опитування.

1.               Сформулюйте третій закон Ньютона. Напишіть формулу до нього.

Орієнтовна відповідь. Сили, з якими тіла, що взаємодіють, діють одне на одне, рівні за модулем і протилежні за напрямом. 

2.               Що таке гравітаційна сила? Сформулюйте закон всесвітнього тяжіння і запишіть формулу, яка відповідає йому.

Орієнтовна відповідь. Сила, з якою будь – які два тіла притягуються одне до одного, називаються силою всесвітнього тяжіння, або гравітаційною силою.   Два тіла притягуються одне до одного уздовж прямої із силою, прямо пропорційною добутку їх мас та обернено пропорційною квадрату відстані між ними.

3.               Розкажіть, що таке вага тіла, запишіть формулу та наведіть приклади.

Орієнтовна відповідь. Вага – це сила, з якою тіло внаслідок його притягання до Землі діє на опору або підвіс. Приклади: підручник лежить на столі, тягарець на пружині і. т.д.

4.               Який із розділів механіки вивчає рівновагу тіл. Розкажіть першу умову рівноваги.

Орієнтовна відповідь. Статика – розділ механіки, у якому вивчаються умови рівноваги тіл, тобто умови, за яких тіло може перебувати в спокої  відносно певної інерціальної системи відліку. Перша умова рівноваги: для того щоб тіло залишалось у спокої (відносно інерціальної системи відліку), необхідно, щоб векторна сума всіх прикладених сил дорівнювала нулю.

5.               Дайте визначення моменту сили, запишіть формулу для обчислення моменту сили.

Орієнтовна відповідь.  Добуток модуля сили на плече сили називають моментом сили. 

6.               Розкажіть про другу умову рівноваги. Запишіть формулу для неї.

Орієнтовна відповідь. Щоб тіло, закріплене на нерухомій осі, перебувало в рівновазі, необхідно, щоб алгебраїчна сума моментів прикладених сил відносно даної осі дорівнювала нулю.

7.               Які ви знаєте види рівноваги? Розкажіть про них.

Орієнтовна відповідь. Рівновага є стійка, нестійка, байдужа.

Стійка – у разі відхилення тіло повертається в початкове положення.

Нестійка – у разі відхилень тіло ще більше відхиляється від положення рівноваги.

Байдужа – за будь – яких відхилень тіло залишається в положенні рівноваги.

III. Вивчення нового матеріалу.

Інтерактивна вправа «Асоціативний кущ» з ключовим словом «імпульс».

План

1. Імпульс сили. Імпульс тіла.

2. Ізольована система тіл. Закон збереження імпульсу.

3. Реактивний рух. Рух ракети як реактивний рух.

4. Механічна робота як фізична величина.

5. Кінетична енергія. Потенціальна енергія.

6. Імпульс у медицині.

1. Імпульс сили. Імпульс тіла.

 Демонстрація 1.

 На демонстраційному столі горизонтально розміщують невелике скло (рис 1). За необхідності можна застосувати підкладки . На скло кладуть сталеву кульку. Над кулькою швидко проносять магніт. Кулька залишається в спокої. Повторюють дослід, але магніт над кулькою проносять повільно. Кулька рухається за магнітом. Роблять висновок, що результат взаємодії тіл залежить від часу взаємодії. Роблять висновок, що результат взаємодії тіл залежить від сили взаємодії.

 Демонстрація 2.

На демонстраційний стіл кладуть довгу стрічку цупкого паперу (рис. 2). На край стрічки ставлять склянку з водою. Повільно тягнуть стрічку. Склянка рухається разом із папером. Коли склянка буде знаходитись біля краю стола, роблять паузу і попереджають студентів про зміну результату досліду. Різким рухом тягнуть стрічку. Склянка з водою залишається нерухомою. Роблять висновок, що результат взаємодії тіл залежить від сили взаємодії.

Демонстрація 3.

Із цупкого паперу виготовляють три стрічки шириною 12 см і довжиною 30 – 40 см. Кожну стрічку склеюють у кільце. Два кільця надівають на довгий стрижень від штатива, закріпленого між двома штативами. У кільця вставляють сухий дерев’яний ціпок. Повільно натискують на ціпок коротким стрижнем від штатива до тих пір, поки одне із кілець не порветься (рис 3). Замінивши порване кільце новим, повторюють дослід, але б’ють по дерев’яному ціпку різким ударом. Ціпок ламається, а кільця залишаються цілими (рис 3, б).

Із дослідів видно, що зміна швидкості тіла залежить від сили і часу її дії.

звідки

Імпульс сили – фізична величина, яка описує взаємодію тіл і дорівнює добутку сили та часу її дії. Імпульс сили спрямований так, як і сила, що діє на тіло. Одиниця виміру імпульсу сили в СІ - .

Імпульс тіла – фізична величина, яка характеризує рух тіла і дорівнює добутку маси тіла на його швидкість.  

 Імпульс тіла – векторна величина, його напрям збігається із напрямом швидкості тіла. Одиницею виміру імпульсу в СІ є .

2. Ізольована система тіл. Закон збереження імпульсу.

Ізольована (або замкнена) система тіл – це система тіл, які взаємодіють тільки між собою і не взаємодіють з тілами, які не входять в цю систему.

Ізольована система тіл у повному сенсі цього слова не існує, це ідеалізація. Всі тіла у світі взаємодіють. Але в ряді випадків реальні системи можна розглядати як ізольовані, виключаючи з розглядання ті взаємодії, які в даному випадку є несуттєвими.

Демонстрація 4. 

Пружний удар двох кульок однакової маси, підвішених на нитках (рис. 4).

 Так, вивчаючи пружний удар двох однакових кульок, систему кульок можна розглядати як ізольовану, бо в момент удару сили тяжіння кульок зрівноважені силами реакції ниток, сили опору повітря кульок малі, ними можна знехтувати.

 Закон збереження імпульсу зручно демонструвати за допомогою двох візків із набору з кінематики та динаміки. Візки повинні мати однакову масу. Оскільки маси візків одинакові, імпульси кожного з них можна характеризувати через швидкості. Швидкість візків вимірювати не потрібно, достатньо оцінити їх на око.

 Змінивши кут похилої площини, повторюють дослід з навантаженим візком. Тіло переміщується ще на більшу відстань. Роблять висновок, що для характеристики руху тіла потрібно знати і його швидкість, і його масу.

Отже, формулюємо закон збереження імпульсу: векторна сума імпульсів тіл, що складають замкнену систему, залишається сталою за будь – яких взаємодій тіл цієї системи між собою. 

Для двох тіл

Для n тіл:

3. Реактивний рух. Рух ракети як реактивний рух.

Розглянемо  приклад реактивного руху.     

Демонстрація 5.

Рух гумової кульки (рис. 5). Якщо кульку розв'язати так, щоб повітря виходило з неї, то вона почне ру­хатися у напрямі, протилежному напряму витікан­ня повітря                    

Реактивний рух – це рух, який відбувається внаслідок відділення частини системи. 

Реактивний рух – це один із проявів закону збереження імпульсу. З прикладами реактивного руху. З прикладами реактивного руху ми зустрічаємось і в живій, і в неживій природі, у побуті і в техніці. Прикладом реактивного руху є рух ракети. 

Особливість цього руху полягає в тому, що приско­рення чи гальмування тіла відбувається без будь-якої взаємодії з оточуючими тілами. Особливо широкого застосу­вання такий рух набув у ракет­ній техніці. Розглянемо будову реактивної ракети {рис.6).Вона складається з таких основ­них частин:

 Рис 6. — головна частина раке­ти (корисний вантаж: наукові при­лади, космонавти): 2 — паливо; З — окисник; 4 — насоси; 5 — ка­мера згоряння; 6 — реактивне со­пло.

4. Механічна робота як фізична величина.

Енергія тіл, які взаємодіють, може змінюватись. Для характеристики зміни енергії тіл, які взаємодіють, вводиться спеціальна фізична величина – механічна робота. Якщо припустити, що до тіла прикладена постійна сила , під дією якої воно перемістилося за напрямом дії сили на відстань s, то механічний стан тіла б при цьому змінився (бо змінились би його положення і швидкість).

Охарактеризуємо механічну роботу як фізичну величину за узагальненим планом характеристики фізичної величини.

Механічна робота як фізична величина 

1.   Механічна робота характеризує зміну енергію тіл, які взаємодіють.
2.   Механічна робота постійної сили – це скалярна фізична величина, яка визначається добутком модуля вектора сили на модуль вектора переміщення і на косинус кута між цими векторами.

3.  
4.  
5.   Якщо напрям сили і переміщення збігаються, то .

5. Кінетична енергія. Взаємозв’язок роботи й енергії

6.Імпульс у медицині.

Серце складається з чотирьох камер — двох верхніх (передсердя) і двох нижніх (шлуночки). Нормальний ритм роботи серця контролює синусів вузол, розташований у правому передсерді. Він виробляє електричні імпульси, з яких починається кожен удар серця.              Вийшовши з синусового вузла, електричний імпульс проходить через передсердя, завдяки чому вони скорочуються і перекачують кров у шлуночки. Потім електричний імпульс потрапляє в кластер клітин, який називається атріовентрикулярним вузлом (АВ вузол). АВ вузол передає сигнал в особливі скупчення клітин — пучки Гіса, через які він надходить у шлуночки. При надходженні електричного імпульсу шлуночки скорочуються; із правого шлуночка венозна кров (практично без кисню) надходить у легені, а з лівого — збагачена киснем кров потрапляє в кровотік і розходиться по всьому організму.

IV. Закріплення вивченого матеріалу.

Розв’язування задач.

Задача 1. Під час пострілу з гвинтівки вилітає куля масою m_k зі швидкістю v_k. Якої за модулем швидкості набуває гвинтівка, якщо її маса в 500 раз більша за масу кулі.

Розв’язання:

За законом збереження імпульсу: до пострілу швидкості кулі і гвинтівки дорівнювали нулю. Сумарний імпульс кулі та гвинтівки до і після пострілу також дорівнює нулю. Швидкості кулі і гвинтівки після пострілу мають протилежний напрям. Отже, , звідси

Відповідь: (м/с)

Задача 2. Рух матеріальної точки описується рівнянням . Знайдіть імпульс точки через 4с, вважаючи, що її маса дорівнює 4кг.

Розв’язання.

  З рівняння маємо:   

Відповідь:

Задача 3. Снаряд масою 20кг, що летить зі швидкістю 500м/с, потрапляє у платформу з піском масою 10т і застрягає в піску. З якою швидкістю розпочала рухатись ракета.

Розв’язання.

За законом збереження імпульсу, враховуючи, що вектори   і однаково напрямлені, отримаємо: , 

Відповідь:

V. Підсумок заняття.

Інтерактивна вправа «асоціативний кущ» з ключовим словом «імпульс».

VI. Домашнє завдання.