Урок "Рівновага тіл. Момент сили"

Про матеріал

Конспект уроку фізики на тему: "Рівновага тіл. Момент сили" для 10 класу. Тип уроку: комбінований. Використано фізичну симуляцію "Балансування", авторський тест "Рівновага тіл. Момент сили", презентацію "Рівновага тіл. Момент сили"

Перегляд файлу

Методична розробка заняття з дисципліни «Фізика»

Тема уроку: «Рівновага тіл. Момент сили»

Мета уроку:

навчальна:

формувати уявлення про умови рівноваги тіл у разі відсутності обертання;
формувати знання про умови рівноваги тіл, які мають обертання;
формувати уявлення про умови стійкої рівноваги тіл під дією сили тяжіння;
дослідним шляхом з’ясувати умови рівноваги важеля, вивести формулу умови рівноваги тіл та момент сили;
розширити і поглибити знання учнів про використання рівноваги тіл в різних механічних приладах і системах, довести важливість рівноваги тіл та їх систем у будівництві;
розв’язувати задачі на застосування рівноваги важеля;

розвивальна:

розвивати пізнавальні навички учнів;
розвивати вміння використовувати набуті в життєвій практиці знання для пояснення явищ і розв’язування задач;
розвивати творчі здібності учнів, прищеплювати зацікавлення до інтелектуальної праці.

виховна:

виховувати уважність, зібраність, спостережливість;
виховувати дисципліну, звичку до систематичної розумової праці;
виховувати пізнавальний інтерес і культуру наукового мовлення.

Тип уроку: комбінований.

Цифрові технології:

на сайті join.naurok.com.ua розроблений електронний тест «Момент сили. Рівновага тіл» (автор Мунтян С.О.);
фізична симуляція «Балансування» за покликанням https://phet.colorado.edu/uk/simulations/balancing-act

Наочність і обладнання: навчальна презентація, комп’ютери, проектор, підручник «Фізика» для 10 класу (автори Бар’яхтар В.Г., Довгий С.О., Божинова Ф.Я., Кірюхіна О.А.), важіль, штатив, тіла різних мас та форм, лінійка, динамометр.

(Слайд 1)

Дайте мені точку опори,

і я переверну Землю.

Архімед

Хід уроку

І. Організаційний момент.

Привітання:

Доброго дня, учні. (Слайд 2)

Хочу розпочати наш урок словами Аристотеля: «Розум – це не тільки знання, а й уміння застосовувати ці знання на практиці».

ІІ. Актуалізація опорних знань.

Фронтальне опитування «Мозковий штурм»

1. Що вивчає механіка?

2. Як можуть рухатися тіла?

3. Ви сидите зараз на стільцях, скільки ніжок у стільця – 4. А якщо 1 або 2 або навіть 3 ніжки прибрати, щось зміниться, чому?

Механічний рух тіл вивчає наука механіка. На запитання: «Як рухається тіло?» відповідає кінематика. На запитання: «Чому рухається тіло і саме так рухається?» - відповідає динаміка. А частина механіки, яка вивчає рівновагу твердих тіл, називається статикою. Задача статики полягає у визначенні умов, за яких тіло знаходиться у рівновазі.

ІІІ. Мотивація навчальної діяльності.

(Слайд 3)

Запитання до учнів:

Подивіться уважно на цих три малюнки і скажіть, який з простих механізмів тут використано і для чого? (Учні відповідають, вчитель аналізує їх відповіді й оголошує тему та мету уроку)

Тема нашого уроку: «Момент сили. Рівновага тіл.» Мета уроку: дослідним шляхом з’ясувати умови рівноваги важеля, вивести формулу умови рівноваги тіл та моменту сили;

IV. Сприймання та засвоєння нового матеріалу.

1. Рівновага тіла

Отже, статика – це розділ механіки, у якому вивчаються умови рівноваги тіл або системи тіл.

(Слайд 4)

Рівновага тіла – це збереження стану руху або стану спокою тіла з плином часу.

Що означає збереження стану руху?

Поступальний рух – рух тіла, за якого всі точки тіла рухаються однаково.

Обертальний рух – рух тіла, за якого всі точки тіла рухаються по колах, центри яких розташовані на одній прямій лінії – на осі обертання.

Кулька зберігатиме стан руху – перебуватиме в рівновазі, якщо швидкості її поступального та обертального рухів залишатимуться незмінними.

Відомо, що під дією сили тіло набуває прискорення, тобто змінює свою швидкість. Який закон динаміки за це відповідає? (другий закон Ньютона)

Питання відсутності прискорення при дії сил є дуже важливим, особливо у галузі будівництва і машинобудування: зовсім неприпустимо переміщення будинків, мостів, баштових кранів, інших споруд, деформація і руйнування об’єктів, до яких прикладена велика сила.

2. Центр мас тіла

(Слайд 5)

Центр мас тіла – це точка перетину прямих, уздовж яких напрямлені сили, кожна з яких спричиняє тільки поступальний рух тіла.

Дослід: Визначити центр мас тіл правильної та неправильної форми (робота у парах).

Тіла правильної форми (провести діагоналі з кутів – перетин і є центр мас).

Тіла неправильної форми плоскої фігури (якщо підвісити плоску фігуру за будь-яку її точку, то фігура повернеться так, що центр тяжіння стане на вертикалі, яка проходить через точку підвісу, так само робимо і з другою точкою).

(Слайд 6)

Пригадаємо: центр тяжіння симетричних фігур розташований у їх геометричному центрі, центр тяжіння трикутника – у точці перетину його медіан.

3. Важіль

(Слайд 7)

Важіль — тверде тіло, яке може обертатися навколо нерухомої опори. Його застосовують для зміни напряму і значення сили, наприклад, для зрівноваження великої сили малою. Важіль має такі характеристики:

(Слайд 8)

Точка прикладання сили — це точка, в якій на важіль діє інше тіло.

Вісь обертання — пряма, що проходить через нерухому точку опори важеля О, і навколо якої він може вільно обертатися. Розглянемо випадок, коли вісь обертання розташована між точками прикладання сил F₁iF₂.

Лінія дії сили — це пряма, уздовж якої напрямлена сила.

Плече сили — найкоротша відстань від осі обертання тіла О до лінії дії сили. Плече сили позначається літерою d. Одиницею плеча сили в СІ є один метр (1м).

$C:\Documents and Settings\UserXP\Рабочий стол\1UUJuj7Q.jpg$ $C:\Documents and Settings\UserXP\Рабочий стол\index.jpg$

4. Умови рівноваги тіла

Дослід: Візьмемо важіль. На відстані 10 см від осі обертання підвісимо до нього 6 важків, кожен масою 100 г. Щоб зрівноважити важіль двома такими самими важками, нам доведеться їх підвісити з іншого боку важеля, але на відстані 30 см.

Отже, для того щоб важіль перебував у рівновазі, потрібно до довшого плеча прикласти силу в стільки разів меншу, у скільки разів його довжина більша за довжину коротшого плеча. Таке правило важеля описують формулою обернено пропорційної залежності:

де F₁ і F₂ — сили, які діють на важіль;

d₁ і d₂ — плечі відповідних сил.

(Слайд 9)

Тому правило (умову) рівноваги важеля можна сформулювати так:

Важіль перебуває в рівновазі тоді, коли значення сил, які діють на нього, обернено пропорційні плечам цих сил.

(Слайд 10)

Повністю зрозумів і зумів сформулювати принцип дії цього простого механізму Архімед. Йому належить крилатий вираз, що є епіграфом нашого заняття. З того часу як Архімед установив правило важеля, воно проіснувало в первинному вигляді майже 1900 років. І лише в 1687 р. французький вчений П. Варіньйон надав йому більш загальної форми, скориставшись поняттям моменту сили:

Момент сили М - це фізична величина, значення якої визначається добутком модуля сили F, що обертає тіло, та її плеча:

M = Fd

Одиницею моменту сили в СІ є один ньютон-метр (1 Н•м), який дорівнює моменту сили 1 Н, прикладеної до плеча 1 м.

Доведемо, що важіль перебуває в рівновазі під дією двох сил, якщо значення моменту М₁ сили, яка обертає важіль проти руху годинника, дорівнює значенню моменту М₂ сили, яка обертає його за рухом стрілки годинника, тобто:

M_{1 =}M₂

З правила важеля випливає рівність F₁d_{1 =}F₂d₂

М₁ — момент сили, яка повертає важіль проти годинникової стрілки, М₂ — момент сили, яка повертає важіль за годинниковою стрілкою. Таким чином: М₁ =M_2,що і потрібно було довести. Отже, правило (умову) рівноваги важеля можна ще сформулювати так:

(Слайд 11)

Важіль перебуває в рівновазі під дією двох сил, якщо значення моменту сили, яка обертає важіль проти руху годинникової стрілки, дорівнює значенню моменту сили, яка обертає його за рухом годинникової стрілки.

Момент сили — важлива фізична величина, вона характеризує дію сили, показує, що вона залежить і від модуля сили, і від її плеча. Наприклад, ми знаємо, що дія сили на двері залежить і від модуля сили, і від того, де прикладена сила: двері тим легше повернути, чим далі від осі обертання прикладена сила, яка на них діє; гайку легше викрутити довгим гайковим ключем, ніж коротким; відро тим легше витягти з колодязя, чим довша ручка коловорота.

Якщо сила обертає (або намагається обертати) тіло проти ходу годинникової стрілки – момент такої сили прийнято вважати додатним.

Якщо сила обертає (або намагається обертати) тіло за ходом годинникової стрілки, то момент такої сили вважають від’ємним.

Проаналізуйте, додатнім чи від’ємним є значення сил, запропонованих на рисунку.

(Слайд 12)

Дослід. Перший приклад: «Які сили діють на тіло, що може рухатись поступально вздовж похилої поверхні вниз?». Прошу учнів назвати ці сили і при можливості показати.

Другий приклад: тіло може тільки обертатися (має нерухому вісь обертання).

Якщо тіло може рухатися тільки поступально (не може обертатися), то відповідно до закону інерції таке тіло перебуває в рівновазі, якщо рівнодійна сил, прикладених до тіла, дорівнює нулю:

Якщо тіло може тільки обертатися (має нерухому вісь обертання), то відповідно до правила моментів таке тіло перебуває в рівновазі, якщо алгебраїчна сума моментів сил, що діють на тіло, дорівнює нулю:

Приклад. Розташоване на похилій площині тіло перебуває у стані рівноваги, якщо сили, що діють на нього, скомпенсовані:

Приклад. Важіль перебуває в рівновазі,

якщо сума моментів сил, що діють на

нього, дорівнює нулю:

сила повертає важіль за ходом годинникової стрілки.

сила повертає важіль проти ходу годинникової стрілки);

(оскільки ).

Якщо тіло може рухатися поступально, а також обертатися навколо деякої осі, то це тіло перебуватиме в рівновазі, якщо дотримано обох умов рівноваги:

Демонстрація рівноваги тіл у фізичній симуляції «Балансування» за покликанням https://phet.colorado.edu/uk/simulations/balancing-act

(Слайд 13)

5. Види рівноваги

Розрізняють три види рівноваги тіл:

стійка рівновага – у разі відхилення тіло повертається в початкове положення.
нестійка рівновага – у разі відхилення тіло ще більше віддаляється від початкового положення;
байдужа рівновага – у разі відхилення тіло залишається у своєму новому положенні.

Тіло на гладенькій поверхні
Стійка рівновага	Нестійка рівновага	Байдужа рівновага
Рівнодійна повертає тіло в положення рівноваги	Рівнодійна віддаляє тіло від положення рівноваги	Рівнодійна дорівнює нулю

Лялька-Неваляйка кубик-Рубика кубик-Рубика

Тіло, що має горизонтальну «вісь» обертання
Стійка рівновага	Нестійка рівновага	Байдужа рівновага
Вісь обертання знаходиться вище від центра тяжіння	Вісь обертання знаходиться нижче за центр тяжіння	Вісь обертання проходить через центр тяжіння

Зверніть увагу: Площею опори вважають площу фігури, що охоплює всі точки, на які спирається тіло.

Тіло на опорі
Рівновага	Тіло перекидається
Вертикаль, яка проходить через центр тяжіння, не виходить за межі площі опори	Вертикаль, яка проходить через центр тяжіння, виходить за межі площі опори

А тепер, увага, запитання: Чому не впала Пізанська Вежа? (Вертикаль, яка проходить через центр тяжіння вежі, не виходить за межі площі опори.)

V. Закріплення нових знань та вмінь

1. Виконання лабораторної роботи. Повторимо правила техніки безпеки. Переходимо до виконання лабораторної роботи. (Інструкційна картка до лабораторної роботи - додаток А)

2. Розв’язування задач. Вчитель роздає учням картки з умовами задач. (Додаток Б)

Задача 1. Плечі важеля, який перебуває у стані рівноваги, мають довжини 0,4 м і 30 см. До коротшого плеча прикладено у вертикальному напрямку силу 120 Н. Яку силу прикладено у вертикальному напрямку до довшого плеча? Масою важеля можна знехтувати. ( Слайд 14)

Дано:

Розв’язання

Запишемо правило моментів:

– тому що сила повертає важіль проти ходу годинникової стрілки

– тому що сила повертає важіль за ходом годинникової стрілки

Відповідь:

Задача 2. Яку силу треба прикласти, щоб зрівноважити важіль?

3.Фронтальне опитування (Слайд 15)

Чому сильно закручені гайки легше відкручувати довгим ключем?
Назвіть прості механізми, які використовує людина в своїй діяльності.
Назвіть основні характеристики важеля.
Що таке плече сили?
Що таке момент сили?
Сформулюйте умову рівноваги важеля.

4.Виконання тесту.

Виконання електронного тесту «Момент сили. Рівновага тіл» (автор Мунтян С.О. на сайті https://naurok.com.ua )

VI. Підсумок уроку

Бліц-опитування

1. Що таке важіль?

2. Одиниця вимірювання моменту сили в системі СІ ...

3. Одиниця вимірювання плеча сили в СІ...

4. Момент сили дорівнює...

Підсумки: Закінчіть речення:

Сьогодні на уроці я дізнався (дізналась) …
Мені сподобалося…

Оцінювання вчителем роботи учнів на уроці.

VII. Домашнє завдання

1. Опрацювати § 14,

2. Вправа № 14 (4,5)

3. Продумати і записати у зошитах приклади видів рівноваги тіл, які оточують людину в домашніх умовах.

4. Додаткове завдання: ознайомтесь детальніше із фізичною симуляцією «Балансування» за покликанням https://phet.colorado.edu/uk/simulations/balancing-act

Додаток А

Інструкційна карта

Лабораторна робота №3

Тема: «Дослідження рівноваги тіла під дією кількох сил»

Мета: з’ясувати, за яких умов тіло із закріпленою віссю обертання перебуває в рівновазі.

Обладнання: важіль, динамометр, лінійка, набір тягарців, штатив, фізична симуляція «Балансування» за покликанням

https://phet.colorado.edu/uk/simulations/balancing-act

$C:\Documents and Settings\UserXP\Рабочий стол\1_2_r.gif$ Короткі теоретичні відомості

Точка прикладання сили — це точка, в якій на важіль діє інше тіло.

Лінія дії сили — це пряма, уздовж якої напрямлена сила.

Важіль перебуває в рівновазі тоді, коли значення сил, які діють на нього, обернено пропорційні плечам цих сил:

Якщо тіло може рухатися поступально, а також обертатися навколо деякої осі, то це тіло перебуватиме в рівновазі, якщо дотримано обох умов рівноваги:

Хід роботи

Закріпіть важіль у штативі, урівноважте його в горизонтальному стані.
До лівого плеча підвісьте важок, до правого прикріпіть динамометр.
Виміряйте силу, яку треба прикласти до динамометра, щоб привести
важіль до стану рівноваги.
За допомогою лінійки виміряйте довжину плечей важеля.
Обчисліть моменти сил М₁, М₂.
Повторіть дослід ще чотири рази, змінюючи довжини плечей та
кількість тягарців. (2-3 досліди виконайте із використанням фізичної симуляції)
Результати вимірювань та обчислень занесіть до таблиці.

№	m, кг	mg, H	d₁, м	М₁, H* м	F, H	d₂, м	M₂, H* м
1
2
3
4
5

Зробіть висновки.

Додаток Б

Картка для учнів для розв’язування задач

Тема: «Момент сили. Рівновага тіл»

Задача 2. До плеча важеля довжиною d₁ =0,2 м підвішено вантаж масою m₁ =0,1 кг. Знайти довжину d₂ другого плеча важеля, якщо до його плеча підвішено вантаж масою m₂ =0,2 кг.

Задача 3. До плеча важеля, довжиною d₁ =0,25м, підвішено вантаж, масою m₁=0,2кг. Знайти довжину d₂ другого плеча важеля, якщо до його плеча підвішено вантаж масою m₂ =0,3кг.

Задача 4. До плеча важеля, довжиною d₁ =0,15м, підвішено вантаж, масою m₁ =0,3кг. Знайти довжину d₂ другого плеча важеля, якщо до його плеча підвішено вантаж масою m₂ =0,4 кг.

Задача 5. Плечі важеля дорівнюють 25 і 40 см. Менша з двох вертикальних сил, що діють на важіль, дорівнює 40 Н. Чому дорівнює друга сила, якщо важіль перебуває в рівновазі?

Додаткові задачі

1. Для чого ковзанярі, розганяючись, розмахують руками?

2. Чому не перекидаються люльки підвісної дороги?

3. Маса першого тягарця становить 15 кг. Визначте масу другого тягарця, якщо важіль врівноважений. Масою важеля можна знехтувати.