Урок Сила тертя. Коефіцієнт тертя.

Дата:

Клас: 7

Тема: Сили тертя. Коефіцієнт тертя. Сила тертя ковзання

Мета уроку:

• Навчальна: вивчити поняття тертя; формувати вміння планувати і проводити фізичні досліди; пояснювати фізичні явища.

• Розвиваюча: вміння аналізувати, висувати гіпотези, припущення, будувати   прогнози,  спостерігати і експериментувати; розвиток вміння висловлювати результати власної розумової діяльності.

• Виховна: пробудження пізнавального інтересу до предмета і навколишніх явищ; розвиток здатності до співпраці, роботі в колективі;

Тип уроку: комбінований

Обладнання: підручник, мультимедійне обладнання та презентація, динамометр, дерев’яний брусок, важок, різні поверхні.

Хід уроку

І. Організаційний етап

ІІ. Мотивація навчальної діяльності

Прослухайте вірш.  Він  допоможе нам ознайомитись із матеріалом, який ми сьогодні розглянемо

Зима – це радість, лижі, сміх,                       Та водієві не до сміху!

Це ковзанка, це гірка, сніг.                           Дорога, як каток блищить –

Фортеці, сніжки – це розваги!                      Машину враз не зупинить!

В зими свої є переваги.                                 В зимовий час, та що й казати,

Але дорога, безперечно,                               Дорогу треба посипати!

         Зимою дуже небезпечна.                             Усе робити до пуття,

А те, що слизько – всім на втіху!                 Щоб відбувалося... (тертя.)

ІІІ. Актуалізація опорних знань

Запитання до класу

• Що таке сила?
• Якою величиною є сила: векторною чи скалярною?
• Чим характеризується сила як векторна величини?
• Якою є одиниця сили в СІ?
• Яким приладом можна виміряти силу?
• Яку силу називають силою нормальної реакції опори?

VІ. Вивчення нового матеріалу

План

1. Сила тертя.
2. Сила тертя ковзання.
3. Природа сили тертя.
4. Сила тертя кочення.
5. Сила тертя спокою.
6. Способи зменшення й збільшення сили тертя.
7. Тертя в природі та техніці.

Кожному учневі класний керівник може дати характеристику: розумний, слухняний, працьови­тий. Сила також має характеристики. Ми вже знаємо – їх рівно три: числове значення (модуль); напрям; точка прикла­дання.

Ми з вами розглянули вже дві механічні сили: силу пружності і силу тяжіння, дали їм характеристику. Залишилася ще одна – це сила тертя.

1. Сила тертя

З тертям ми зіштовхуємося на кожному кроці. Вірніше було б сказати, що без тертя ми й кроку ступити не можемо. Тертя може бути корисним і шкідливим, цю аксіому людина опанувала ще на зорі цивілізації. Адже два найголовніших винаходи – колесо й добування вогню – пов’язані саме із прагненням зменшити й збільшити ефекти тертя.

Рух тіла в реальних умовах не може тривати нескінченно довго. Якщо штовхнути брусок, що лежить на столі, він набуде певної швидкості, але під час руху бруска його швидкість буде зменшуватися. Яка ж «невидима» сила гальмує брусок? Це – сила тертя ковзання. Вона діє з боку стола й спрямована проти­лежно до руху бруска. Така сама  за модулем, але протилежно спрямована сила – теж сила тертя ковзання – діє на стіл з боку бруска.

Сила тертя ковзання – це сила, що виникає при русі одного тіла по поверхні іншого тіла.

2. Сила тертя ковзання

Сила тертя ковзання завжди спрямована проти напрямку руху тіла, до якого вона прикладена. Необхідно відзначити, що при ковзанні одного тіла по поверхні іншого завжди виникає пара сил: одна сила прикладена до ковз­ного тіла й спрямована проти його швидкості, інша – прикладена до поверхні, по якій тіло ковзає, і спрямована проти першої сили ковзання.

Від чого ж залежить сила тертя ковзання?

Демонстрація. Будемо за допомогою динамометра тягти брусок уздовж поверх­ні стола так, щоб брусок рухався з постійною швидкістю.

Сили, що діють при цьому на брусок, врівноважують одна одну – вони зображені на рисунку. Сила пружності з боку пружи­ни  врівноважує силу тертя ковзання , тому за показниками динамометра можна визначити модуль сили тертя.

Поклавши на брусок другий такий самий брусок, ми, подво­їмо силу ваги (і силу нормального тиску). При цьому ми помітимо, що й сила тертя ковзання збільшилася також у два рази.

Це наводить на думку, що модуль сили тертя ковзання пропорційний  модулю сили  нормального тиску .    

3.          Природа сили тертя

Сила тертя спокою виникає з двох причин.

1.          На шорсткуватих поверхнях існують нерівності. При спробі зрушити одне тіло відносно іншого ці нерівності зачіпаються одна за одну, у результаті чого виникають сили, подібні до сил пружності.
2.          Якщо обидві поверхні ретельно відшліфовані, при зіткненні поверхонь виникають сили міжмолекулярного притягання. Це може призвести навіть до прилипання поверхонь.

4.    Сила тертя кочення

Демонстрація. Візьмімо яку-небудь кулю або просто круглий олі­вець. Ці предмети рухаються від поштовху, звичайно, набагато легше, тому що вони вже не ковзають по поверхні стола, а котять­ся по ньому. А чи виникає тертя при цьому? І в цьому випадку, звичайно, теж виникає тертя. Але це вже інше тертя, і має воно іншу назву: тертя кочення.

Імовірно, тут і доводити не треба, що за тих самих умов тертя кочення завжди буде менше тертя ковзання.

Звичайне тертя кочення тим менше, чим твердіші поверхні дотичних тіл: тому, наприклад, сталева кулька довго котиться по склу. Ось чому рейки й колеса вагонів роблять зі сталі, а шосе роблять із твердим покриттям.

5.   Сила тертя спокою

Якщо сила тяжіння не знає відпочинку, то сила тертя з’являється під час руху одного тіла по по­верхні іншого. Точніше, вона з’являється навіть трохи раніше – вже при спробі змусити одне тіло почати рух по поверхні іншого тіла.

Кожний знає, як важко зрушити з місця піаніно. Яка ж сила врівноважує силу, що прикладається до піаніно?

Так, це – сила тертя спокою. Вона виникає при спробі зрушити одне з дотичних тіл щодо іншого й тому перешкоджає руху тіл одне щодо одного.

Якщо збільшувати прикладену до піаніно силу, ми все-таки зру­шимо його. Виходить, сила тертя спокою не може перевищувати деяку «граничну» величину, що називається максимальною силою тертя спокою. Досвід показує, що максимальна сила тертя спокою трохи більше сили тертя ковзання, однак у багатьох задачах для спрощення ці сили вважають рівними.

Сила тертя спокою може набувати значень від нуля до .

Незважаючи на свою назву, сила тертя спокою часто приводить тіла в рух.

Наприклад, без цієї сили ми буквально й кроку не могли б сту­пити: роблячи крок, ми відштовхуємося від дороги саме за допомо­гою сили тертя спокою. Сила тертя спокою розганяє й автомобілі: з її допомогою колеса, що обертаються, відштовхуються від дороги.

Якщо по натягнутій струні скрипки провести смичком, то за рахунок сили тертя спокою струна буде смикатися ривками, почне коливатися й зазвучить.

6.    Способи зменшення й збільшення сили тертя

Що ж таке тертя? Чи не правда, це слово викликає уявлення чогось неприємного, несимпатичного; чогось такого, що невідомо звідки береться й для того тільки й існує, щоб ми його усували, долали?.. Коротше кажучи, викликає уявлення чогось надзвичайно зайвого.

В інтересах істини нам необхідно якомога скоріше позбутися цих помилкових уявлень. Оскільки тертя насправді існує не тільки для того, щоб додавати нам турбот і роботи; воно так само рятує нас від чималих турбот і часто полегшує нашу працю. Давайте уявімо собі, що тертя більше немає. Що тоді б відбулося? Та ми б не змо­гли з вами і кроку ступити, наші ноги всюди б так і роз’їжджалися, причому куди більше, ніж на гладкому льоді; а поїзд стояв би на колії – машина працювала б, а він не рухався б з місця; книга не змогла б утриматися на столі, та й стіл теж їздив би по підлозі – дивишся, а він вже десь у куті. Ручка вислизала б у нас із рук, чаш­ка із чаєм – теж, цвяхи повилізали б зі стін, а гвинти – з гайок. Ми б не зуміли спорудити жодної будівлі, і вітер так і гуляв би повсюди, як у чистому полі. Навіть одяг тримається купи теж за допомогою тертя! І носити ми його можемо теж дякуючи силі тертя!

Демонстрації. Порівняння сил тертя спокою, ковзання і ко­чення.

• Покласти брусок на стіл, плавно потягнути динамометр і записати його покази перед початком руху бруска. Ви визна­чите силу тертя спокою.
• Переміщувати брусок по столі рівномірно за допомогою динамометра. Записати покази динамо­метра. Ви визначите силу тертя ковзання.
• Покласти брусок із тягарцями на два круглі олівці і переміщати його рівномірно за допомогою динамометра. Записати покази динамометра. Ви виміряєте силу тертя кочення.

Запитання для обговорення після виконання завдання: Яка сила максимальна?

Демонстрація. Вивчення залежності сили тертя ковзання від роду поверхонь, що стикаються.

Рівномірно переміщувати брусок з тягарця­ми по:

• лінійці;
• аркушу паперу;

Записати покази динамометрів.

Запитання для обговорення після виконання завдання:

 Як сила тертя залежить від роду поверхонь стичних тіл?

Коефіцієнт пропорційності μ називається коефіцієнтом тер­тя ковзання. Він визначається матеріалом дотичних поверхонь та якістю їх обробки.

Коефіцієнт тертя визначається експериментально. Наприклад,

Відносно великий коефіцієнт тертя між гумою й бетоном спри­яє безпечному руху автомобілів. Восени, коли мокре листя покриває дорогу і коефіцієнт тертя між колесами та дорогою значно змен­шується, рух стає досить небезпечним.

Демонстрація. Вивчення залежності сили тертя ковзання від сили тиску і від площі поверхонь тіл, що контактують.

• Покласти на лінійку брусок більшою гранню і виміряти силу тертя ковзання.
• Покласти на брусок ще один (такий самий) і виміряти силу тертя ковзання.
• Покласти брусок із двома тягарцями меншою гранню на лінійку і виміряти силу тертя ковзання.

Запитання для обговорення після виконання за­вдання:

Чи залежить сила тертя від сили тиску? (так)

 Чи залежить сила тертя від площі поверхонь тіл, що труться, при незмінній силі тиску? (ні)

7. Тертя в природі й техніці. У ХХ столітті дослідження в області тертя принесли так багато нової інформації, що її потрібно якось систематизувати. У результаті з'явилася ціла наука - трибологія - наука про тертя, зношування, змащування та контактну взаємодію поверхонь твердих тіл при їх відносному русі. 

Кінцівки тварин схожі на робочі інструменти, що використовуються людиною. У багатьох рослин та тварин є різні органи, що служать для хватання ( вусики у рослин, хобот у слона, хвости у повзаючих тварин). Всі вони мають шорстку поверхню для збільшення сили тертя.

Змії можуть ковзати по різних поверхнях, не порушуючи цілісності своєї шкіри, і цю особливість фахівці з Технологічного інституті Карлсруе використали для створення сталі зі структурованою поверхнею, що в деяких випадках дозволяє зменшити сили тертя і, як наслідок, знос  тертьових частин механізмів.

Попередні оцінки збільшення зносостійкості показують, що текстурування поверхні лускатими структурами дозволить кардинально збільшити термін служби механізмів, які працюють в складних умовах, в яких неможливо застосувати мастильні матеріали. До таких механізмів відносяться і приводи сучасних жорстких дисків і, цілком імовірно, що в майбутньому жорсткі диски наших комп'ютерів зможуть стати набагато надійніші і тихіші, отримавши деякі деталі, покриті структурою типу "зміїної шкіри".

У техніці сила тертя в багатьох випадках є причиною нагрівання поверхонь.  Пояснюється це тим, що під час зривання зачеплень виступи певний час коливаються, перетворюючи у внутрішню енергію набуту енергію пружної деформації. Цей та інші фактори спонукають до пошуку способів зміни сили тертя. На практиці доводиться як зменшувати, так і збільшувати сили тертя між поверхнями тіл.

V. ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ

Поміркуй і відповідай

1. Чому не розв’язуються шнурки на черевиках?

2. Що змінюється зі збільшенням ваги автомобіля: сила тертя чи коефіцієнт тертя?

3. Чому головку сиру легше розрізати на шматки міцною ниткою, ніж ножем?

4. З якою метою гімнасти перед виступом натирають долоні рук спеціальною речовиною, що збільшує коефіцієнт тертя між долонями та перекладиною – тальком?

VI. Домашнє завдання

Вивчити §21 підручника,

впр. 21 (1-3 – усно, 4 (в), 7 – пис.)

прочитати опис л.р. №9 (с. 146-147)