Урок "Сила тертя. Коефіцієнт тертя ковзання. Сила опору під час руху тіла в рідині або газі»

 Крока Т. П., викладач (Технічний коледж Національного університету водного господарства та природокористування, м. Рівне)

 

РОЗРОБКА ЗАНЯТТЯ НА ТЕМУ: «СИЛА ТЕРТЯ. КОЕФІЦІЄНТ ТЕРТЯ КОВЗАННЯ. СИЛА ОПОРУ ПІД ЧАС РУХУ ТІЛА В РІДИНІІ АБО ГАЗІ»

 

Дана розробка впроваджена у навчальний процес для учнів першого курсу Технічного коледжу НУВГП, які отримують повну загальну середню освіту. Рекомендована для викладачів усіх ВНЗ І-ІІ рівнів акредитації, а також буде корисною для вчителів ЗОШ при підготовці до уроків у 10 класі.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тема: Сили тертя. Коефіцієнт тертя ковзання. Сила опору під час руху тіла в рідині або газі.

Мета:

1. розширити знання студентів про види сил тертя між твердими поверхнями, твердим тілом та рідиною (газом), природу сили тертя і її напрям, ввести формули для розрахунку сили тертя ковзання та опору середовища, з’ясувати від чого залежать (не залежать) сили тертя, які існують засоби їх збільшення і зменшення.
2. формувати вміння аналізувати навчальну інформацію та робити відповідні висновки; навчити студентів давати пояснення явищам природи з фізичного погляду; розвивати  інтелектуальні  та  творчі  здібності, пам’ять, критичне мислення;
3. формувати компетентності у природничих науках через ознайомлення з впливом сил тертя у побуті та технологічних процесах. 

Тип уроку: урок вивчення та засвоєння нових знань з формуванням експериментальних умінь.

Обладнання: підручники, динамометри, набір важків, скло, шліфувальний папір, дерев’яні бруски,  круглі олівці, проектор,  презентація.

Очікувані результати: студенти

• формулюють поняття сили тертя, коефіцієнта тертя ковзання;
• розрізняють сили тертя спокою та сили тертя ковзання;
• розуміють залежність (незалежність) коефіцієнта тертя ковзання від навантаження, якості обробки стичних поверхонь, площі стичних поверхонь;
• обраховують значення сили тертя під час руху тіла по певерхні, в рідині або газі;
• наводять способи зменшення та збільшення тертя в побуті та техніці.

Методи і форми роботи:

1. групова форма;
2. індивідуальна форма;
3. дослідницький метод;
4. ілюстративний метод;
5. робота з підручником.

 

Хід заняття

1. Організаційний момент (перевірка присутніх).    (0,5 хв)
2. Актуалізація опорних знань. Фронтальне опитування.     (10 хв)

Компетентності

Формування освітньої та предметної компетентності: гнучкості та оперативності мислення, виявлення прогалин у власних знаннях теоретичного матеріалу.

Сьогоднішнє заняття незвичайне. Працювати будемо в трьох групах. В кожній виберіть експерта, який буде оцінювати роботу своєї команди  і виставляти бали у листок самооцінювання (див. додаток 1). В кінці заняття буде проведено тестування, де кожен індивідуально отримає бали. До них ви додасте бали за роботу в групі і отримаєте оцінку за пару.

Почнемо заняття із фронтального опитування. Група, яка дасть найбільше відповідей отримає 2 бали, менше – 1,5, і за найменшу кількість відповідей – 1 бал. Експерт з кожної групи у листку самооцінювання за кожну правильну відповідь від учасника своєї команди ставить позначку.

1.  Сформулюйте ІІ закон Ньютона.
2. Яка рівнодійна двох сил 45 Η і 30 Н, якщо вони напрямлені вздовж однієї прямої у протилежні боки? (15 Н)
3. Дайте визначення сили тяжіння. Як вона напрямлена?
4. Яка сила тяжіння діє на тіло масою 100 кг? (1000 Н)
5. Що називають вагою тіла?
6. За яких умов вага тіла дорівнює нулю?
7. Яка вага нерухомої людини масою 70 кг? (700 Н)
8. Як визначається вага тіла при перевантаженні?
9. Яку швидкість називають першою космічною швидкістю і чому вона дорівнює?
10. Дайте визначення сили пружності і вкажіть як вона напрямлена.

А тепер експерти підрахують позначки за правильні відповіді і виставлять бали своїм командам.

 

3. Мотивація навчання. Повідомлення теми.      (5хв)

 

Три шляхи ведуть до знань:

шлях наслідування – найлегший,

шлях роздумів – найскладніший

і шлях дослідження – найцікавіший.

Конфуцій

 

Історична довідка

18  серпня  1851  року  імператор  Микола  І  здійснив  першу  поїздку по  залізниці.  Імператорський  потяг  був  готовий  до відправлення  о  4  години  ранку.  Керівник  будівництва  дороги,  генерал Клейнміхель,  щоб  підкреслити  особливу  урочистість  події,  наказав першу версту залізничного полотна пофарбувати білою масляною фарбою.

Це  було дійсно  красиво, але … потяг почав буксувати. Жандарми,  підібравши  поли  шинелей,  змушені були бігти  цю  версту  перед  потягом  і посипали піском пофарбовані колії. Для чого?

Отже, тема сьогоднішнього заняття «Сили тертя. Коефіцієнт тертя ковзання. Сила опору під час руху тіла в рідині або газі».

Сторінка у підручнику – 130.

Завдання уроку – дослідити силу тертя:

• що таке сила тертя?
• які є види сил тертя?;
• які причини виникнення тертя?;
• від чого залежать сили тертя?;
• які є способи зміни сили тертя?;
• що таке сила опору рідини і газу?

 

4. Вивчення нового матеріалу.     (50 хв)

Компетентності

Формування предметної та світоглядної компетентностей: вміння аналізувати побачений дослід, висувати гіпотези та робити висновки, вміння планувати експеримент, наукове розуміння природи, розширення знань про історію фізики та її відкриттів.

Формування соціальної компетентності: вміння працювати в малих групах.

Формування інформаційної компетентності: вміння обробляти інформацію, подану у фоторяді, та перетворювати її у текстову.

Формування самоосвітньої компетентності: опанування нових способів вивчення матеріалу, формування вмінь написання конспекту.

 

Проведемо такий дослід.

Демонстрація 1. З похилої площини скочується легко-рухомий візок. Він котиться до кінця демонстраційного стола, не змінюючи помітним чином швидкості свого руху. Якщо на поверхню стола послати тканину, то візок зупиниться, не доїжджаючи до кінця стола.

Питання класу:

– Чому змінюється швидкість візка в ході досліду? (Через дію іншого тіла – поверхні.)

– У чому виражається ця дія? (В опорі руху.) 

Отже, в розглянутому прикладі на рухоме тіло діє сила, яка протидіє цьому рухові і називається вона – сила тертя. А чи тільки між твердими поверхнями виникає тертя? Наведіть приклади.

Узагальнивши вищесказане, можемо дати означення сили тертя.

Сила тертя — це сила, яка виникає під час руху або спроби руху одного тіла по поверхні іншого чи під час руху тіла всередині рідкого або газоподібного середовища  

• Запишіть це означення з підручника (130 ст).

Сила тертя є векторною величиною і завжди напрямлена вздовж поверхні дотичних тіл проти вектора швидкості. Зобразимо це схематично:

 

Розрізняють два види тертя: сухе і рідке (в’язке).

Тертя між поверхнями двох твердих тіл, які доторкаються, за відсутності між ними рідкого чи газоподібного шару називають сухим тертям. Тертя між поверхнею твердого тіла і оточуючим його шаром рідини чи газу, в яких це тіло рухається, називають рідким або  в'язким тертям.  В свою чергу сухе тертя поділяється на:тертя спокою, тертя ковзання і тертя кочення.

• Зобразіть у вигляді схеми види тертя.

Сухе тертя виникає з двох причин:

1.       на будь яких поверхнях існують нерівності. При спробі зрушити одне тіло відносно іншого ці нерівності чіпляються одна за одну й деформуються. В результаті виникають сили пружності, направлені в бік, протилежний деформації. Сума всіх сил пружності і створює силу тертя.
2.       поліруючи поверхні можна зменшити силу тертя, але завжди настає момент, коли сила тертя починає збільшуватись. Причиною цього є те, що під час полірування зменшується відстань між молекулами і виникають сили міжмолекулярного притягання. Це може призвести навіть до прилипання поверхонь.

• Отже, зазначимо у конспекті причини тертя: нерівності на поверхнях, міжмолекулярне притягання між поверхнями.

І сили пружності і сили міжмолекулярного притягання мають електромагнітне походження, тож природа сили тертя теж електромагнітна.

• Експеримент

А тепер доведемо експериментально існування сили тертя спокою, сили тертя ковзання і сили тертя кочення, виміряємо їх і порівняємо. Для цього усі групи проведуть три досліди за планом, що наведений в інструкціях (див. додаток 2). Вимірювання і висновки запишете у таблицю в інструкції. Крім того, ви маєте сформулювати означення цих сил за зразком: сила тертя… - це сила, яка виникає…

За завдання команди отримають максимум 2 бали.

 

А тепер прошу експертів розповісти про свої дослідження.

Зробимо висновки: Яка сила більша: - максимальна сила тертя спокою чи сила тертя ковзання? - сила тертя ковзання чи сила тертя кочення?

Ще один важливий висновок: сила тертя спокою завжди дорівнює зовнішній силі:

Оформимо усі наші висновки в конспекті у вигляді таблиці:

 

Сила тертя спокою виникає між дотичними поверхнями тіл і перешкоджає виникненню руху

Сила тертя ковзання     виникає під час відносного руху одного тіла по поверхні іншого

Сила тертя кочення     виникає при перекочуванні одного тіла по поверхні іншого

А тепер оцінимо групи.

 

• Експеримент

Розглянемо більш докладніше силу тертя ковзання. Наступне ваше завдання експериментальним шляхом визначити як залежить ця сила від наступних чинників:

1. сили реакції опори (ваги);
2. матеріалів дотичних поверхонь;
3. площі дотичних поверхонь.

Перше завдання виконує група № 1, друге - група № 2 і відповідне третє - група № 3.  Інструкції до проведення експерименту у вас на столах (див. додатки 3, 4, 5). Усі вимірювання і висновки записуєте в інструкції.

За завдання команди отримають максимум 2 бали. 

 

Отже, сила тертя ковзання залежить від сили нормальної реакції опори і матеріалів дотичних поверхонь і не залежить від площі дотичних поверхонь.

Зазначимо ці висновки у конспекті у вигляді таблиці:

 

Залежність сили ковзання від сили реакції опори (ваги)   Залежить

Залежність сили ковзання від матеріалів дотичних поверхонь Залежить

Залежність сили ковзання від площі дотичних поверхонь   Не залежить

Оцінимо наші команди.

 

Команда № 1 прийшла до дуже важливого висновку: сила тертя ковзання залежить від сили реакції опори. Але не просто залежить, а прямо пропорційна до цієї сили

Коефіцієнтом пропорційності слугує коефіцієнт тертя ковзання µ, який є безрозмірною величиною

• 

Запишіть цей висновок з підручника (132 ст.)

Коефіцієнт тертя залежить від матеріалів, з яких виготовлені дотичні тіла і якості обробки дотичних поверхонь. Його визначають експериментально і заносять до таблиць довідників. На сторінці 133 ви знайдете таку таблицю для шести пар матеріалів. Яку особливість коефіцієнта тертя ви помітили? (студенти зазначають, що µ завжди менше за одиницю). Якщо µ > 0,5, таку пару матеріалів називають фрикційною парою.

Цікаво що …один із найменших коефіцієнтів тертя має тефлон, який широко використовується у цей час як антипригарне покриття. Коефіцієнт тертя тефлону і, приміром, відбивної такий самий, як у двох шматків мокрого льоду. Тефлон — секретна розробка військових США 1943 року.

Зверніть увагу, що дане співвідношення не можна записувати у векторному вигляді, тому що сила тертя і сила нормальної реакції опори перпендикулярні одна одній.

 

 

 

 

 

 

 

Якщо поверхня ковзання горизонтальна і зовнішня сила тяги прикладена теж горизонтально, то сила реакції опори на неї рівна вазі тіла:

• Ця формула називається законом Амонтона-Кулона.

Запишіть цей закон.

Історична довідка

Першим закон тертя сформулював Леонардо да Вінчі, який ще у 1519 році стверджував, що сила тертя, що виникає при контакті тіла з поверхнею іншого тіла, пропорційна навантаженню (силі притискування), спрямована проти напрямку руху і не залежить від площі контакту. Модель Леонардо да Вінчі була перевідкрита через 180 років французьким фізиком Гійомом Амонтоном і отримала остаточне обґрунтування в роботах Шарля Кулона (1781). Амонтон і Кулон ввели поняття коефіцієнта тертя як відношення сили тертя до навантаження, надавши йому значення фізичної константи.

 

В кінці XIX століття з'явилися нові досягнення у вивченні в'язкості, і стало зрозуміло, як діє сила тертя в рідинах і газах.

• Рідке тертя або сила опору середовища виникає при поступальному русі твердого тіла в рідині чи газі. 

Запишіть це означення.

Порівняємо сухе і рідке тертя (дослід). Прошу одного із студентів зрушити з місця дерев'яний брусок, що лежить на столі, подув на нього. Потім в широку посудину наливаю воду, кладу туди цей же брусок, і прошу студента, подув також на нього, зрушити з місця. Який висновок ви зробите з цієї демонстрації?

Висновок: в твердих тілах існує сила тертя спокою, а в рідинах не існує; сила опору менше максимальної сили тертя спокою.

• Віртуальний експеримент

А тепер проведемо віртуальний дослід. Визначимо час падіння кульки в чотирьох різних рідинах: ацетоні, бензолі, воді і гасі. Який висновок ви можете зробити?

Висновок: сила опору залежить від в’язкості середовища.

Крім того, сила опору середовища залежить від розмірів, форми, стану поверхні тіла і від відносної швидкості руху тіла й середовища та завжди напрямлена проти руху.

При малих швидкостях  сила опору в рідині і повітрі пропорційна швидкості: , де  – швидкість тіла;  – коефіцієнт опору середовища. Завдяки цьому удари крапель дощу, які падають з великої висоти, безболісні.  

Але при  великих швидкостях сила опору пропорційна квадрату швидкості: . При русі із надзвуковою швидкістю (кулі, снаряду, ракети, літака) тіло створює потужні звукові хвилі, що забирають енергію рухомого тіла. Для зменшення опору при надзвуковій швидкості треба загострювати передню частину рухомого тіла.

•     Запишіть ці висновки.

У ХХ столітті дослідження в області тертя принесли так багато нової інформації, що  з'явилася ціла наука – трибологія – наука про тертя, зношування, змащування та контактну взаємодію поверхонь твердих тіл при їх відносному русі. 

Тертя буває як шкідливим, так і корисним. І невідомо, якого тертя більше. Коли воно корисне, його намагаються збільшити, коли шкідливе – зменшити.

Пропоную усім переглянути фотографії, на яких зображені способи збільшення та зменшення тертя в побуті та техніці. Використовуючи цю інформацію, перша команда складе список способів збільшення тертя, друга команда – зменшення тертя, а третя команда наведе приклади, коли тертя корисне, а коли шкідливе. За це завдання усі групи отримують по 1 балу.

Способи зменшення сил тертя: 

• покращити якість обробки стичних поверхонь;
• підшипники (заміна тертя ковзання тертям кочення);

• змащення стичних поверхонь мастилом;
• надання тілу обтічної форми;
•       повітряні подушки. (Повітряна подушка - це шар стиснутого повітря під транспортним засобом, який піднімає його над поверхнею води або землі. Шар стисненого повітря створюється вентиляторами. Відсутність тертя об поверхню дозволяє знизити опір руху. Від висоти підйому залежить здатність такого судна рухатися над різними перешкодами на суші або над хвилями на воді. Першим ідею подібної машини на повітряній подушці висловив К.Е. Ціолковський в 1927 році, в роботі «Опір повітря і швидкий поїзд»)

 Способи збільшення сил тертя:

• рельєфні малюнки на стичних поверхнях.
• збільшення ваги тіла.
• Збільшення швидкості тіла.
• протиковзні стрічки.
• підбір середовищ з більшим коефіцієнтом тертя.

• рухається транспорт, люди, тварини
• предмети не вислизають з рук
• не розв’язуються шнурки
• нитки утримуються в тканині

• нагріваються і спрацьовуються рухомі частини
• стираються підошви взуття і шини автомобілів
• зменшується швидкість руху
• стираються кістки у суглобах

Підрахуємо бали, які отримала кожна група.

 

5. Закріплення вивченого матеріалу.   (10 хв)

Компетентності

Формування предметної та самоосвітньої компетентностей: гнучкості та оперативності мислення, розвитку пам’яті та уваги, виявлення прогалин у власних знаннях теоретичного матеріалу, формування цілісної системи знань з теми.

 

А зараз проведемо тестування. Кожне запитання оцінюється в 0,5 бали. Підпишіть листочки. Виправлені відповіді враховуватись не будуть.

1. При рівних умовах порівняйте силу тертя ковзання і силу тертя кочення?

1. Сила тертя ковзання менше;
2. Сила тертя кочення менше;
3. Сили тертя кочення і ковзання однакові;
4. Сила тертя кочення і ковзання завжди дорівнюють нулю.

2. Які причини виникнення сили тертя?

1. Шорсткість дотичних поверхонь;
2. Взаємодія молекул дотичних поверхонь;
3. Рух тіла по поверхні.
4.  Нерівності на поверхнях та сили міжмолекулярного притягання молекул поверхонь.
   3. Вкажіть правильний висновок:
   1. Сила тертя ковзання не залежить від площі дотичних поверхонь;
   2.   Сила тертя ковзання обернена до сили нормальної реакції опори;
   3. Сила тертя ковзання залежить від роду дотичних поверхонь;
   4. Сила тертя ковзання не залежить від роду дотичних поверхонь.
   4. Як розрахувати силу тертя ковзання при русі тіла по горизонтальній поверхні?
   1. µmg;
   2. mg;
   3. kx;
   4. mgh.
   5. Як розрахувати коефіцієнт тертя?
   1. Fтр / m;
   2. Fтр / N;
   3. N / Fтр;
   4. Fтр ∙ mg.
   6. Яка сила тертя утримує вантаж на похилому транспортері?
   1. Тертя кочення;
   2. Тертя ковзання;
   3. Тертя спокою;
   4. Сила опору в повітрі.
   7. За допомогою динамометра учень рівномірно переміщував дерев'яний брусок масою 0,2 кг по горизонтально розташованій дошці. Яку силу показував динамометр? Коефіцієнт тертя становить 0,3.
   1. 0,5;
   2. 0,05;
   3. 0,06;
   4. 0,6.
   8. Щоб збільшити силу тертя потрібно:

1. Збільшити площу стичної поверхні;
2. Використати підшипники;
3. Збільшити відносну швидкість руху стичних поверхонь;
4. Надати тілу обтічної форми.
   9. При малих швидкостях тіла сила опору в рідині пропорційна:

1. Масі тіла;
2. Густині рідини;
3. Силі тяжіння;
4. Швидкості тіла.
   10.     Чому космічний корабель, що відправляється на Місяць з штучного супутника Землі, може не мати обтічної форми?
   1. Космічний корабель рухається з великою швидкістю;
   2. На Місяці немає атмосфери;
   3. Атмосфера на Місяці щільна;
   4. Сила опору не залежить від форми супутника.

Тепер обміняйтеся листками з сусідом. Перевіримо результати тестів за таблицею, наведеною на екрані

 

Таблиця результатів тестування

1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
В	D	C	A	B	C	D	С	D	B

 

Підрахуйте бали і до отриманого результату додайте бали, які заробила за урок група. Передайте листки назад один одному. 

 

6.     Рефлексія.     (3 хв)

Метод «мій настрій після уроку»: студенти на листках, де писали тести, малюють один із смайликів, зображених на слайді, який відображає їх настрій та засвоєння навчального матеріалу.

 

7. Домашнє завдання.     (1,5 хв)

Вивчити § 27, відповісти на питання в кінці параграфу. Впр. 23, задача 5.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Додатки

 

Листок самооцінювання

 

 

Назва завдання	Бали
Фронтальне опитування (0 – 2 бали)
Експериментальне завдання №1: Порівняння сил тертя. (0 – 2 бали)
Експериментальне завдання №2: Визначення залежності сили тертя ковзання від ваги, матеріалів і площі поверхонь. (0 – 2 бали)
Аналітичне завдання №3: Представлення способів зміни, користі і шкідливості сил тертя.  (0 – 1 бал)
Всього

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Робота в групах

 

 

Експериментальне завдання: Порівняння сил тертя

 

 Дослід  № 1. Визначення сили тертя спокою 

Хід роботи

1. Покладіть брусок з двома вантажами на стіл і приєднайте динамометр.
2. Дуже повільно потягніть динамометр.
3. Запишіть його покази в той момент, коли брусок зрушиться з місця. Це буде максимальне значення сили тертя спокою.

 

Дослід № 2. Визначення сили тертя ковзання

Хід роботи

1. Переміщуйте брусок з двома вантажами по столу рівномірно за допомогою динамометра.
2. Запишіть покази динамометра.

 

 

Дослід № 3. Визначення сили тертя кочення

Хід роботи

1. Покладіть брусок з двома вантажами на круглі олівці.
2. Переміщайте брусок рівномірно за допомогою динамометра.
3. Запишіть покази динамометра.

 

 

Сила тертя спокою, , Н   Покази динамометра: __________ Висновки:     Це сила, яка виникає…

Сила тертя ковзання, , Н   Покази динамометра: __________ Висновки:     Це сила, яка виникає…

Сила тертя кочення, , Н   Покази динамометра: __________ Висновки:     Це сила, яка виникає…

 

 

 

 

 

 

 

 

Робота в групах

 

 

Група № 1

Експериментальне завдання: Визначення залежності сили тертя ковзання від сили реакції опори (ваги) 

Хід роботи

1. Виміряти динамометром вагу кожного вантажу. Записати покази.
2. Виміряти силу тертя ковзання дерев'яного бруска з 1-м, 2-ма, 3-ма   вантажами.
3. Записати покази динамометра.
4. Зробити висновок.

Дослід	Вага тіла Р, Н	Сила тертя ковзання , Н
Брусок з одним вантажем
Брусок з двома вантажами
Брусок з трьома вантажами
Висновок:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Робота в групах

 

 

Група № 2

Експериментальне завдання: Визначення залежності сили тертя ковзання від  матеріалів дотичних поверхонь 

Хід роботи

1. Виміряти силу тертя ковзання  дерев'яного бруска на таких поверхнях:

• склі,
• деревині,
• шліфувальному папері.

2. Записати покази.
3. Зробити висновок.

Вид поверхні	Сила тертя ковзання , Н
Скло
Деревина
Шліфувальний папір
Висновок:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Робота в групах

 

 

Група № 3

Експериментальне завдання: Визначення залежності сили тертя ковзання від  площі дотичних поверхонь 

Хід роботи

1. Виміряти силу тертя дерев'яного бруска, що дотикається  більшою гранню до столу,
2. Виміряти силу тертя дерев'яного бруска, що дотикається  меншою гранню до столу,
3. Записати покази.
4. Зробити висновок.

Дослід	Сила тертя ковзання , Н
Нижня грань бруска
Бічна грань бруска
Висновок: