Урок "Момент сили. Важіль. Умови рівноваги важеля. 2 год"

Момент сили. Важіль. Умови рівноваги важеля. 2 год

Інтегрований урок фізики, історії й біології.

Борисенко Г.О., вчитель фізики та інформатики Київської гімназії східних мов №1

Мета. Дати учням уявлення про важіль; розвивати вміння спостерігати, аналізувати фізичні явища, робити висновки; закріпити поняття «важіль», «момент сили», вивчити умову рівноваги важеля, показати єдність фізики, історії й біології, підручники, роздавальний матеріал.

Тип уроку. Комбінований.

Обладнання. Мультимедійне обладнання, важіль демонстраційний, лінійка, штатив з муфтою та лапкою, набір важків.

Очікувані результати. Після цього уроку учні зрозуміють практичну значущість важеля в природі та техніці, розрізнятимуть важелі І та ІІ порядку, вмітимуть розв’язувати задачі на умову рівноваги важеля, знатимуть закон Галілео Галілея.

Методичні поради. Урок проводиться у відповідно оформленому кабінеті фізики.

План уроку

Хід уроку

І. Перевірка домашнього завдання

Учні з місця коментують розв’язання домашніх задач. Учитель відповідає на запитання, які виникли в ході виконання домашнього завдання.

ІІ. Контроль і корекція знань, умінь і навичок

Метод «Інтерактивний тест Так-Ні»»

1.              Потенціальна енергія – це енергія піднятого над землею тіла (так)
2.              Потенціальну енергію мають лише тіла, підняті над Землею (ні)
3.              Енергія вимірюється в Па (ні)
4.              Спостереження за явищами природи показують, що робота може виконуватися при русі тіл (так)
5.              Енергія, яку має тіло внаслідок свого руху, називається кінетичною (так)
6.              Якщо на дане тіло не діють сили тертя, то його повна механічна енергія залишається сталою. (так)

ІІІ. Вивчення нового матеріалу

Уже давно відомо, що важке тіло підняти значно легше, якщо просунути під нього міцний стержень – лом. У цьому випадку лом відіграватиме роль простого механізму – важеля.

Учень 1. Де важелі використовувались в історичну давнину

 В давнину люди побудували споруди, якими ми милуємося і сьогодні: єгипетські піраміди, Стоунхендж, гіганти з острова Святої Пасхи, Краснодарські дольмени. Важіль потрібний для того, щоби, прикладаючи менше зусилля, ніж вага тіла, зрушити його з місця. З історії давніх часів ми знаємо, що важелі використовували при для піднімання величезних брил, з яких складаються єгипетські піраміди. Ще один історичний факт: в Росії в 1654 році майстри-ливарники вилили відомий «Цар-дзвін» вагою 128 т, який на дзвіницю за допомогою важеля піднімали протягом 9 місяців.

Пояснення вчителя

Важіль являє собою стрижень, який може обертатися навколо опори (точка О) або закріпленої нерухомо осі. На рисунку зображено лабораторний важіль у вигляді лінійки, через центр якої проходить горизонтальна вісь. Тягарці, набори яких відрізняються удвічі за загальною вагою, підвішені до важеля на різних відстанях ліворуч і праворуч від осі (ці відстані відрізняються теж удвічі), тобто , звідки ;  і  — плечі сил  і .

Плече сили — це найкоротша відстань від лінії дії сили до осі чи до точки обертання.
Момент сили M — це добуток значення сили на її плече:
;  (не джоуль!).
Момент  викликає обертання важеля у напрямку руху годинникової стрілки, момент  — у протилежному. Важіль знаходиться у рівновазі, якщо момент сили, який обертає важіль за годинниковою стрілкою, дорівнює моменту сили, який обертає важіль проти годинникової стрілки.

Залежно від того, як діють сили і де розташована точка опори (вісь обертання) важеля, їх поділяють на кілька типів. Найчастіше маємо справу із важелями трьох типів. Якщо точка опори важеля О розташована між точками прикладання сил, то такий важіль називають важелем першого роду. Важелями першого роду є, наприклад, щипці, ножиці, залізничний шлагбаум. У цьому випадку сила з боку навантаження і сила, прикладена для врівноваження важеля, мають однаковий напрямок.

Якщо вісь обертання розташована на одному з кінців важеля, точка прикладання сили F1 — на іншому, а точка прикладання навантаження F2 розташована між ними, то такий важіль називають важелем другого роду.

У цьому випадку сили діють у протилежних напрямках. Гайкові ключі, стріли підіймальних кранів, тачки для перевезення будівельних матеріалів, педалі велосипеда — це важелі другого роду. Такі важелі дають виграш у силі — прикладена сила буде меншою за навантаження, прикладене до важеля.

Якщо вісь обертання розташована на одному з кінців важеля, точка прикладання навантаження F2 — на іншому кінці, а точка прикладання сили F1 розташована між ними, то такий важіль називають важелем третього роду. У цьому випадку сили теж діють у протилежних напрямках. Проте, використовуючи такі важелі, завжди програють у силі. Прикладами важелів третього роду є пінцет, рука, нога людини.

Учень 2.  Різновиди важелів в нашому житті

Важелі поширені і в побуті. Це відноситься до гайкового ключа, яким ви відкручуєте або закручуєте болт або гайку. Чим довше ключ, тим легше вам буде відкрутити цю гайку, або навпаки, тим тугіше ви зможете її затягнути.

При роботі з особливо великими і важкими болтами і гайками, наприклад при ремонті різних механізмів, автомобілів, верстатів, використовують гайкові ключі з рукояткою до метра.

Інший яскравий приклад важеля в повсякденному житті звичайнісінькі двері. Спробуйте відкрити двері, штовхаючи їх біля кріплення петель. Двері будуть піддаватися дуже важко. Але чим далі від дверних петель буде розташовуватися точка докладання зусиль, тим легше вам буде відкрити двері.

Група 3. Важіль в живому організмі

Природа забезпечи­ла простими механізмами також кістяки тварин, людини і рослин. Це, наприклад, кінцівки, щелепи, череп, фаланги пальців.

У кістяку тварин і людини всі кістки, що відзначають­ся певною свободою руху, є важеля­ми. Наприклад, у людини це — кістки кінцівок, нижня щелепа, череп, фаланги пальців. У кішок важелями є рухливі пазурі; у багатьох риб — шипи спинного плавця; у членисто­ногих — більшість сегментів їх зов­нішнього кістяка; у двостулкових мо­люсків — стулки раковин.

Важільні механізми кістяка звичай­но розраховані на виграш у швидкості при втраті в силі. Особливо великий виграш у швидкості спостерігається у комах. Співвідношення довжини пліч важільного елемента кістяка пе­ребуває в тісній залежності від вико­нуваних даним органом життєвих функцій. Наприклад: 1) довгі ноги хорта й оленя визначають їхню здатність до швидкого бігу; 2) короткі лапи крота розраховані на розвиток великої сили при незначній швид­кості; 3) довгі щелепи хорта дозволя­ють швидко схоплювати здобич на бігу; 4) короткі щелепи бульдога сту­ляються повільно, але тримають дуже міцно.

... У рослинах важільні елементи зу­стрічаються рідше, що зумовлено ма­лою рухливістю рослинного організ­му. Типовий важіль — стовбур дерева і головний корінь, що є його продов­женням. Цікаві важільні елементи можна знайти в деяких квітках (на­приклад, у тичинки шавлії), у плодах, що розкрива­ються (наприклад, у бальзаміну).

Група 4. Важіль в сучасній техніці

Звісно, важелі так само повсюдно поширені і в техніці. Найбільш очевидний приклад важіль перемикання коробки передач в автомобілі. Коротке плече важеля та його частина, що ви бачите в салоні.

Довге плече важеля приховано під днищем автомобіля, і довше короткого приблизно в два рази.

Коли ви переставляєте важіль з одного положення до іншого, довге плече в коробці передач перемикає відповідні механізми.

Тут так само дуже наочно можна побачити, як довжина плеча важеля, діапазон його ходу і сила, необхідна для його зсуву, співвідносяться один з одним.

Наприклад, у спортивних автомобілях, для більш швидкого перемикання передач, важіль зазвичай встановлюють короткий, і діапазон його ходу так само роблять коротким.

Проте, в цьому випадку водію необхідно докладати більше зусиль, щоб перемкнути передачу. Навпаки, в великовантажних автомобілях, де механізми самі по собі важче, важіль роблять довшими, і діапазон його ходу також довше, ніж в легковому автомобілі.

Важелі можна зустріти на будівництві: екскаватор, підйомний кран, тачка, лом.

Прикладом важеля, що дає виграш в силі, можуть служити ножиці для різання паперу, кусачки, ножиці для різання металу, лопата.

Важелі різного виду є у багатьох машин: ручка швейної машини, педалі або ручне гальмо велосипеда, клавіші піаніно - все це приклади важелів. Ваги - теж приклад важеля.

Прикладом важеля, що дає програш у силі, є весло. Це необхідно для отримання виграшу в відстані. Чим довше частина весла опускається в воду, тим більше його радіус обертання і швидкість руху.

Таким чином, ми можемо переконатися в тому, що механізм важеля дуже широко поширений як в нашому повсякденному побуті, і в різних механізмах.

IV. Закріплення нового матеріалу

Виконання лабораторної роботи.

V. Рефлексія за методом «Парад розумних думок»

Учитель просить учнів прокоментувати прислів’я і приказки у контексті теми уроку.

Прислів’я і приказки

1.              Гни деревинку за вершинку.
2.              Високе дерево найборше вітер зломить.
3.              Куди дерево хилилось, туди й повалилось.
4.              Куди дерево нахилене, туди його і підрубують.
5.              Не пхай пальці межи двері.
6.              На великий камінь – великий лом.
7.              Порожній колосок вище всіх стоїть.
8.              Без ножиць сукні не викроїш.
9.              Коваль без кліщів, як без рук.
10.         Як не коваль, то і кліщів не погань.
11.         Куди дерево підрубане, туди й пада.
12.         Мертвому дереву буря не страшна.

Відповіді:

1. Узявшись за вершину, ми збільшуємо плече сили, відповідно зросте момент сили, що діє на дерево.

5. Оскільки плече сили, що діє на ручку дверей, набагато більше за плече протидії встановлених пальців між дверима й одвірками, то, відповідно до правила моментів, сила, що діятиме на пальці, буде також набагато більшою, а це може призвести до травми.

7. При вітрі стебло з порожнім колоском не зломиться тому, що сила (вага колоска), яка діятиме на плече (стебло), буде досить малою, і таке стебло ростиме далі у висоту.

Загадки в контексті теми Момент сили. Важіль. Умови рівноваги важеля.

1.              Кожний, хто входе, – ненавмисне чи друг, чи ворог – руку тисне. (Двері)
2.              Однією ручкою – всіх зустрічає, іншою ручкою – всіх проводжає. (Двері)
3.              Туди-сюди ходе, а в хату не заходе. (Двері)
4.              Без мене, козаче, не втримаєш залізо гаряче. (Кліщі)
5.              Що воно за штучка: два ножа і з отворами ручка? (Ножиці)
6.              Залізний плоский ніс, дерев’яний довгий хвіст. (Лопата)
7.              Два озерця на одній дузі гойдаються. (Відра на коромислі)
8.              Кривеньке, горбатеньке по людях скакає. (Коромисло)
9.              Криве, горбате на спині розтяте. (Коромисло)
10.         В горбатого парубка з двох боків зарубка. (Коромисло)
11.         Кінцями над водою висить, серединою на плечі лежить. (Коромисло)

Підбиття підсумків уроку. Підійшов до кінця надзвичайно цікавий і пізнавальний урок.

Ви одержали сьогодні багато інформації. Мабуть, ні для кого не секрет, що шкільна програма багато в чому відірвана від реального життя. Учні вчаться розв'язувати тригонометричні нерівності, складати рівняння теплового балансу, малювати кристалічні решітки та постійно ставлять запитання собі, батькам і вчителям: "Ну навіщо все це нам? Чи знадобиться це в житті?".

Щоб таких запитань ставало все менше, і щоб учні розуміли взаємозв'язок вивченої теорії з життєвою практикою, ми і створили цей комбінований урок за темою «Момент сили. Важіль. Умови рівноваги важеля».

VІ. Домашнє завдання

1. §34

2. Підготувати повідомлення на таку тему:

Принцип роботи та різновид  українського журавля для піднімання води з колодязя.

Список використаних джерел:

1.              Фізика : підруч. для 7 кл. загальноосвіт. навч. закл. / [В. Г. Бар’яхтар, С. О. Довгий, Ф. Я. Божинова та ін.] ; за ред. В. Г. Бар’яхтара, С. О. Довгого. — Х. : Вид-во «Ранок», 2015. — 256 с. : іл., фот.
2.              www.schoollife.org.ua/1256-2017/
3.              http://xn--e1ajbkehnl.xn--j1amh/zahist-proektiv-iz-temi-stanovlennya-y-rozvitok-znan-pro-fizichni-osnovi-mashin-i-mehanizmiv-prosti-mehanizmi-v-pobutovih-priladah-biomehanika-lyudini-vikoristannya-energiyi-prirodnih-dzherel/
4.              https://mynmk.com.ua/fizyka/fizyka-v-pryslivyah/vazhil-rivnovaha-til
5.              http://moyaosvita.com.ua/fizuka/vazheli-v-prirodi-pobuti-j-texnici/
6.              www.vidminnyk.com/robota-i-potuzhnist-energija/prosti-mehanizmy/umova-rivnovagy-vazhelja
7. https://narodna-osvita.com.ua/2577--56-vazhl-umova-rvnovagi-vazhelya.html