Конспект уроку з фізики "Деформація тіла. Сила пружності. Закон Гука. "

Дата _____________

Тема. Деформація тіла. Сила пружності.

Закон Гука. Вимірювання сили.  Динамометр. Лабораторна робота №6 «Конструювання динамометра»

Мета уроку:

• Навчальна: увести поняття сили пружності, з’ясувати залежність сили пружності від деформації, навчитися користуватися динамометром, виготовляти шкалу і заданою ціною похибки і за допомогою динамометра вимірювати силу.

• Виховна: продовжити розкривати роль фізичного знання в житті людини, виробництві, техніці.
• Розвиваюча: розвивати пізнавальний інтерес, наполегливість вміння слухати,  і аналізувати почуте.

Основні поняття: деформація, пружна деформація, пластична деформація, сила пружності, коефіцієнт пружності.

Обладнання: набір приладів для виконання лабораторної роботи: динамометр, шкалу якого закрито папером, тягарці масою по 102г, штатив з муфтою і затискачем, різні тіла.

Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу.

Хід уроку

І. Організаційний момент

ІІ. Актуалізація опорних знань

Інтерактивна вправа «Інтерв’ю».

Один із учнів проходить по класу з умовним мікрофоном і бере в учнів інтерв’ю, під час якого учні дають відповіді на запитання.

Запитання до учнів:

• Яка величина характеризує взаємодію тіл і причину зміни їх швидкості?
• Як позначають силу? Назвіть одиниці вимірювання сили?
• Наведіть приклади, які показують, що швидкість тіла змінюється внаслідок дії на нього іншого тіла.
• Що відбувається з тілом, якщо на нього не діють інші тіла?
• Як графічно зобразити силу, що діє на тіло?
• Що таке рівнодійна сил, як її знайти?

ІІІ. Оголошення теми та мети уроку

Ми з вами з’ясували, що мірою взаємодії тіл є сила. Які ж сили вивчаються у механіці? Учні висловлюють свої думки.

Усі механічні явища можна пояснити за допомогою всього трьох видів сил. Це:

• Сили всесвітнього тяжіння;
• Сили пружності;
• Сили тертя.

Знайомство із силами ми розпочнемо із сили пружності, оскільки ця сила найзручніша для вимірювання.

ІV. Формування нових знань

Під дією сили змінюється швидкість руху тіла. При контакті взаємодіючих тіл починають рухатися окремі частини тіла, внаслідок чого обидва тіла деформуються. Основні види деформації – це розтяг (або стиск) і зсув. До основних видів зводяться всі інші – наприклад згин, кручення.

Дослід. Покладемо на дві опори сталеву пластинку. Вона перебуватиме в горизонтальному положенні. Коли на середину її покласти (підвісити )гирю, то гиря разом з пластинкою буде рухатися донизу доти, доки не зупиниться.

Інтерактивна вправа «Мозковий штурм».

Проблемне запитання:

Чому припинився рух гирі  і пластинки?

Обране проблемне запитання записують на дошці або папері, щоб під час роботи цей запис був перед очима. Усі учасники штурму, обмірковуючи питання, висувають ідеї.

Ідеї можуть бути навіть найфантастичніші. Хтось з учнів записує на дошці всі пропоновані ідеї. Коли всі присутні вважатимуть кількість поданих ідей достатньою, їх висування припиняється. Коли всі ідеї зібрано, їх групують, аналізують, розвивають групою.

Обираються ті ідеї, які, на думку групи, правильні.

Припинення руху можна пояснити, що на них подіяла якась сила напрямлена вгору.

Деформація – це зміна форми або розмірів  тіла.

Розрізняють два види деформацій: пружна і пластична.

Деформація тіла називається пружною, якщо після зняття навантаження розміри та форма тіла повністю відновлюються.

Деформація тіла називається пластичною, якщо після зняття навантаження розміри та форма тіла не відновлюються.

Внаслідок руху вниз пластинка деформувалася – прогиналася. В результаті цього виникла сила, з якою пластинка діє на гирю, що стоїть на ній. Ця сила напрямлена вгору, тобто в бік, протилежний силі тяжіння. Цю силу називають силою пружності. Коли сила пружності за значенням зрівняється з силою тяжіння, опора і тіло зупиняться.

Іноді деформацію тіла легко помітити, наприклад, при розтягуванні та стиску пружини. Але часто деформація не помітна для наших очей, наприклад, ми не помічаємо, як прогинається стіл під книгою.

Усі тверді тіла здатні деформуватися під дією зовнішніх сил. Сила пружності виникає при деформації тіла, тобто при зміні його форми.  Якщо деформація припиняється, пружні сили зникають.

Рідини форму не зберігають. Ви можете налити воду із глечика у склянку, або розлити її по поверхні столу чи підлозі, і це не спричинить виникнення сил пружності. Однак спробуйте її стиснути. Сила пружності відразу виникне. Так само сила пружності виникає при спробі стиснути повітря (газ) у камері чи насосі

Отже, що сила пружності виникла, необхідно, щоб тіло (в будь – якому агрегатному стані) зазнавало деформації – дії на тіло сторонніх сил. Щоб лук викинув стрілу або пружна сітка батута підкинула акробата, лук чи сітку слід спочатку деформувати.

Причиною виникнення сил пружності у тілі є взаємодія його молекул, які розташовані на певній відстані одна від одної. Молекули тіла відштовхуються і притягуються одна до одної. У недеформованому тілі молекули перебувають саме на такій відстані, за якої сили притягання та відштовхування врівноважуються.

 Коли ми стискаємо, або розтягуємо тіло, відстані між молекулами змінюються, тому починають переважати сили притягання чи відштовхування. У результаті виникає сила пружності, що завжди спрямована, так, аби зменшити величину деформації тіла.

Із практики відомо, що чим більшу деформацію ми бажаємо створити, тим більше навантаження потрібно прикласти до тіла, що деформується. Отже, за деформацією можна судити про величину прикладеної сили.

Знайдемо на досліді співвідношення між деформацією тіла й силою пружності.

Підвісимо до пружини спочатку один важок, виміряємо видовження пружини. Додамо ще один важок, знову виміряємо видовження. Якщо силу прикладену до пружини збільшили вдвічі, то  видовження збільшилося теж вдвічі. Співвідношення між силою пружності та видовженням пружини вперше було встановлено дослідним шляхом англійським вченим Робертом Гуком. Тому його називають законом Гука:

Модуль сили пружності F_пр прямо пропорційний видовженню тіла х, тобто F_пр = kх. (х = l – l₀)

Коефіцієнт пропорційності k називають жорсткістю тіла і залежить від властивостей речовини, та лінійних розмірів тіла.  Він чисельно дорівнює силі, яку необхідно прикласти для того, щоб розтягти, або стиснути тіло на одиницю довжини. Одиницею вимірювання коефіцієнта жорсткості є Н/м.

Закон Гука можна продемонструвати за допомогою графіка. Графіком залежності є пряма лінія, напрямлена до осі ОХ під певним кутом, що свідчить про різне значення коефіцієнта жорсткості для різних речовин.

Сили пружності враховують і використовують в різних технічних пристроях і машинах.

Автомобілі, залізничні вагони, мотоцикли та інші транспортні засоби мають ресори. Їх застосування дає змогу зробити рух значно плавнішим, оскільки наїзд на камінь або іншу перешкоду приводить лише до деформації ресори і відчутно не змінює положення самого транспортного засобу.

У країнах де часто бувають землетруси, будинки ставлять на спеціальні пружини, які під час поштовху деформуються, а споруда залишається майже не рухомою. Оскільки тверді тіла здатні до деформації варто враховувати механічні властивості цих тіл: пружність, пластичність, крихкість.

У давні часи пружні властивості деяких матеріалів (зокрема, такого дерева, як тис) дали змогу нашим пращурам винайти лук – ручну зброю, призначену для метання стріл за допомогою сили пружності натягнутої тятиви. Винайдений приблизно 12 тисяч років тому, лук упродовж багатьох століть був основною зброєю майже всіх племен і народів світу. Англійські лучники могли пускати до 14 стріл за хвилину, що під час масового використання луків, створювало цілу хмару стріл.

У 1139р. Лютеранський собор заборонив використовувати цю зброю проти християн. Проте заборона не мала успіху, лучну зброю продовжували використовувати протягом 500років. У наш час стрільба з луку є лише одним із видів спорту.

За величиною деформації тіла можна судити про величину сили пружності. Тому силу пружності часто використовують для вимірювання сил. Прилад для вимірювання сили називають динамометром.

При градуюванні пружинного динамометра використовують закон Гука. За допомогою динамометра можна порівнювати сили за модулем, а також визначити напрямок її дії.

Будова динамометра ґрунтується на тому, що сила пружності за законом Гука прямо пропорційна видовженню пружини.

Демонстрація. Конструювання динамометра.

Найпростіший пружинний динамометр виготовляють так.

На дощечці закріплюють пружину, яка закінчується знизу стержнем з гачком. До верхньої частини стержня прикріплюють покажчик. На дочечці позначають початкове положення покажчика – 0Н. Потім до гачка підвішують вантаж масою 102г. На цей тягарець буде діяти сила 1Н. Під дією сили пружинка розтягнеться, покажчик опуститься вниз. Помічають його нове положення – 1Н. Потім підвішують ще один тягарець масою 102г, або заміняють обидва тягарці одним масою 204г. Отримаємо в результаті деформації пружини позначку 2Н, і т.д.

Проградуювати прилад – означає нанести на нього шкалу з поділками.

Проградуйована таким чином пружина і буде найпростішим динамометром.

Для вимірювання сили використовують: шкільний лабораторний динамометр, шкільний демонстраційний динамометр, пружинні терези, медичний динамометр – силомір (для вимірювання сили м’язів руки людини), динамометр – тягомір (основною частиною якого є пружні металеві ресори, використовують для вимірювання сили тяги автомобіля, трактора).

V. Закріплення вивченого матеріалу

Інтерактивна вправа  «Взаємоопитування».

Учні опитують один одного за базовими запитаннями.

Наприклад:

• Що таке деформація?
• У яких випадках виникає деформація?
• Які причини виникнення сили пружності?
• Від чого залежить сила пружності?
• Що характеризує жорсткість?
• Як формулюється закон Гука?

VІ. Інструктаж з Т.Б.

Учні знайомляться з правилами проведення лабораторної роботи; правилами користування приладами, та знаходженням фізичних величин та похибок; правилами безпечної поведінки під час виконання дослідження.

VІІ. Виконання лабораторної роботи №6

Учні виконують  лабораторну роботу згідно інструкції.

Потрібно зробити в класі:

1. Закріпіть вертикально в затискачі штатива динамометр із закритою шкалою.
2. Позначте горизонтальною рискою початкове положення стрілки динамометра – це буде нульова поділка шкали.
3. Підвісьте до гачка динамометра тягарець масою 102г і позначте рискою нове положення стрілки динамометра.
4. Підвішуючи другий, третій та четвертий тягарці, позначте рисочками відповідні положення стрілки динамометра.
5. Зніміть динамометр зі штатива і навпроти рисочок , починаючи з верхньої, поставте числа 0, 1, 2, 3, 4. Над числом 0 напишіть: Н.
6. Виміряйте відстані між сусідніми рисками на папері. Зробіть висновок.
7. Поділивши кожен відрізок на 10 рівних частин, отримаєте шкалу з ціною поділки 0,1Н.
8. Виміряйте проградуйованим динамометром вагу  різних тіл.
9. Визначте силу тяжіння, що діє на тіло.
10. Обчисліть маси цих тіл, враховуючи, що F_тяж = m·g.
11. Результати вимірювань і обчислень запишіть у таблицю:

12. За результатами дослідження зробіть висновок

Всі вимірювання та обчислення, а також висновки учні записують у зошиті для лабораторних робіт.

VІІІ. Виконання додаткових або творчих завдань

Для учнів, які справилися з роботою раніше, можна запропонувати додаткове завдання - задачі різних рівнів складності.

Розв’язування задач:

• Сила 40Н розтягує пружину на 8см. Яка сила розтягує пружину ще на 6см?
• Під дією якої сили пружина жорсткістю 1500Н/м укоротилась на 5см?
• До пружини довжиною 8см підвісили вантаж, що діяв на пружину з силою 1Н. Довжина пружини стала 12см. Якої сили необхідно докласти до пружини, щоб її довжина стала 9см?
• Визначте видовження пружини, якщо на неї діє сила 10Н, а коефіцієнт жорсткості пружини 500Н/м.
• Чому дорівнює жорсткість пружини, якщо під дією сили 2Н вона розтяглася на 4см?
• При відчинені дверей довжина дверної пружини збільшилася на 0,2м, сила пружності пружини складала при цьому 4Н. За якого видовження пружини сила пружності дорівнює 10Н?
• Дві пружини жорсткістю 300Н/м і 800Н/м, з’єднали послідовно. Визначити видовження першої пружини, якщо видовження другої дорівнює 1,5см.

ІХ. Підсумок уроку

Обговорення результатів лабораторної роботи.

Х. Домашнє завдання

Розв’язати:

(5) У випадку стискання пружини на 7см виникає сила пружності 2,8кН. Яка сила виникає у разі стискання цієї пружини на 4,2см?

Творче завдання:

Виготовте вдома динамометр,взявши замість пружини гумовий шнур,а важками – тіла, маси яких вам відомі.

Повторити:

Основні відомості про взаємодію, сили, та методи їх визначення.