ПРЕДМЕТ: Физика

КЛАСС: 7

ТЕМА УРОКА: Наклонная плоскость. "Золотое правило механики".

Учитель физики

ТИП УРОКА: Комбинированный.

ЦЕЛЬ УРОКА: Актуализировать знания по теме "Простые механизмы"

и усвоить общее положение для всех разновидностей простых

механизмов, которое называется «золотым правилом» механики.

ЗАДАЧИ УРОКА:

ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ:

- углубить знания об условии равновесия вращающегося тела, о блоках подвижном и неподвижном;

Доказать, что простые механизмы, используемые в работе, дают выигрыш в силе, а с другой стороны, - позволяют изменить направление движения тела под действием силы;

Вырабатывать практические умения в подборе аргументированного материала.

ВОСПИТАТЕЛЬНЫЕ:

Воспитывать интеллектуальную культуру в подведении учащихся к пониманию основного правила простых механизмов;

Познакомить с функциями применения рычагов в быту, в технике, в школьной мастерской, в природе.

РАЗВИТИЕ МЫШЛЕНИЯ:

Формировать умение обобщать известные данные на основе выделения главного;

Формировать элементы творческого поиска на основе приема обобщения.

ОБОРУДОВАНИЕ: Приборы (рычаги, набор грузов, линейка, блоки, наклонная плоскость, динамометр), таблица «Рычаги в живой природе», компьютеры, раздаточный материал (тесты, карточки с заданиями), учебник, доска, мел.

ХОД УРОКА.

СТРУКТУРНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ УРОКА ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ УЧИТЕЛЯ И УЧАЩИХСЯ

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ УРОКА Учитель обращается к классу:

Целый мир охватив от земли до небес,

Всполошив не одно поколение,

По планете шагает научный прогресс.

У природы все меньше секретов.

Как использовать знанье - забота людей.

Сегодня, ребята, познакомимся с общим положением простых механизмов, которое называется «золотым правилом» механики .

ВОПРОС УЧАЩИМСЯ (ГРУППЕ ЛИНГВИСТОВ)

Как вы думаете, почему правило наз-ся "золотым"?

ОТВЕТ: " Золотое правило" - одна из древнейших нравственных заповедей, содержащихся в народных пословицах, поговорках: Не делай другим того, что не хочешь, чтобы причиняли тебе, - высказывались древне - восточные мудрецы.

ГРУППА ТОЧНИКОВ ОТВЕТ: ” Золотое”- это основа всех основ.

ВЫЯВЛЕНИЕ ЗНАНИЙ. ВЫПОЛНЕНИЕ ТЕСТА «РАБОТА И МОЩНОСТЬ»

(на компьютере, тест прилагается)

ТРЕНИРОВОЧНЫЕ ЗАДАНИЯ И ВОПРОСЫ.

1.Что представляет собой рычаг?

2. Что называют плечом силы?

3. Правило равновесия рычага.

4. Формула правила равновесия рычага.

5. Найдите ошибку на рисунке.

6. Используя правило равновесия рычага, найдите F2

d1=2см d2=3см

7. Будет ли находится в равновесии рычаг?

d1=4см d2=3см

Группа лингвистов выполняет № 1, 3, 5.

Группа точников выполняют № 2, 4, 6, 7.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ ГРУППЕ УЧ-СЯ

1. Уравновесьте рычаг

2. Подвесьте два груза на левой части рычага на расстоянии 12 см. от оси вращения

3. Уравновесьте эти два груза:

а) одним грузом_ _ _ плечо_ _ _ см.

б) двумя грузами_ _ _ плечо_ _ _ см.

в) тремя грузами_ _ _плечо _ _ _ см.

С учащимися работает консультант

В мире интересного.

"Рычаги в живой природе "

(выступает призер олимпиады по биологии Минакова Марина)

РАБОТА НАД Показ опытов (консультант)

ИЗУЧАЕМЫМ № 1 Применение закона равновесия рычага к блоку.

МАТЕРИАЛОМ. а) Неподвижный блок.

Актуализация ранее Уч-ся должны пояснить, что неподвижный блок можно усвоенных рассматривать как равноплечий рычаг и выигрыша в

знаний о простых силе не дает

механизмах. № 2 Равновесие сил на подвижном блоке.

Уч–ся на основании опытов делают вывод, что подвижный
блок дает выигрыш в силе в два раза и такой же проигрыш в
пути.

ИЗУЧЕНИЕ

НОВОГО МАТЕРИАЛА. Более 2000 лет назад прошло с тех пор, как погиб Архимед, но и
сегодня память людей хранит его слова: «Дайте мне точку опоры, и
я вам подниму весь мир». Так сказал выдающийся древнегреческий
ученый – математик, физик, изобретатель, разработав теорию
рычага и поняв его возможности.

На глазах правителя Сиракуз, Архимед, воспользовавшись

сложным
устройством из рычагов, в одиночку спустил корабль. Девизом
каждого, кто нашел новое, служит знаменитое «Эврика!».

Одним из простых механизмов, дающим выигрыш в силе, является
наклонная плоскость. Определим работу, совершаемую с помощью
наклонной плоскости.

ДЕМОНСТРАЦИЯ ОПЫТА:

Работа сил на наклонной плоскости.

Измеряем высоту и длину наклонной плоскости и

Сравниваем их отношение с выигрышем силы на

F плоскости.

L А) опыт повторяем, изменив угол наклона доски.

Вывод из опыта: наклонная плоскость дает

h выигрыш в силе во столько раз, во сколько ее длина

Больше высоты. =

2. Золотое правило механики выполняется и для

рычага.

При вращении рычага во сколько раз

выигрываем в силе, во столько же раз теряем

в перемещении.

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ Качественные задания.

И ПРИМЕНЕНИЕ № 1. Почему машинисты избегают остановки поездов на

ЗНАНИЙ. подъеме? (отвечает группа лингвистов).

B

№ 2 Брусок в положении В скользит по наклонной

плоскости,преодолевая трение. Будет ли

скользить брусок и в положении А? (ответ дают

точники).

Ответ: Будет, т. к. величина F трения бруска о плоскость не
зависит от площади соприкасающихся поверхностей.

Расчетные задачи.

№ 1. Найти силу, действующую параллельно длине наклонной плоскости, высота которой 1м., длина 8 м., чтобы удержались на наклонной плоскости груз весом 1,6 *10³ Н

Дано: Решение:

h = 1м F= F=

Ответ: 2000Н

№2. Чтобы удержать на ледяной горе санки с седоком весом 480 Н, нужна сила 120 Н. Наклон горки по всей ее длине постоянный. Чему равна длина горы, если высота 4 м.

Дано: Решение:

h = 4м l =

Ответ: 16м

№ 3. Автомобиль весом 3*104 Н равномерно движется на подъеме длиной 300 м. и высотой 30м. Определить силу тяги автомобиля, если сила трения колес о грунт 750 Н. Какую работу совершает двигатель на этом пути?

Дано: Решение:

P = 3*104H Сила, необходимая для подъема
Fтр = 750H автомобиля без учета трения

l = 300м F= F=

h =30м Сила тяги равна: Fтяг= F+Fтр=3750H

Fтяг-?, A -? Работа двигателя: А= Fтяг*L

A=3750H*300м=1125*103Дж

Ответ: 1125кДж

Подведение итогов урока, оценивание работы учащихся консультантами используя карту внутридифференцированного подхода к видам деятельности на уроке.

ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ § 72 повт. § 69,71. с. 197 у. 41 №5

В современной технике для переноса грузов на стройках и предприятиях широко используются грузоподъемные механизмы, незаменимыми составными частями которых можно назвать простые механизмы. Среди них древнейшие изобретения человечества: блок и рычаг. Древнегреческий ученый Архимед облегчил труд человека, дав ему при использовании своего изобретения выигрыш в силе, и научил менять направление действия силы.

Блок - это колесо с желобом по окружности для каната или цепи, ось которого жестко прикреплена к стене или потолочной балке.

Грузоподъемные устройства обычно используют не один, а несколько блоков. Система блоков и тросов, предназначенная для повышения грузоподъемности, называется полиспаст.

Подвижный и неподвижный блок - такие же древнейшие простые механизмы, как и рычаг. Уже в 212 г.до н.эры с помощью крюков и захватов, соединенных с блоками, сиракузцы захватывали у римлян средства осады. Сооружением военных машин и обороной города руководил Архимед.

Неподвижный блок Архимед рассматривал как равноплечий рычаг.

Момент силы, действующей с одной стороны блока, равен моменту силы, приложенной с другой стороны блока. Одинаковы и силы, создающие эти моменты.

Выигрыш в силе при этом отсутствует, но такой блок позволяет изменить направление действия силы, что иногда необходимо.

Подвижный блок Архимед принимал за неравноплечий рычаг, дающий выигрыш в силе в 2 раза. Относительно центра вращения действуют моменты сил, которые при равновесии должны быть равны.

Архимед изучил механические свойства подвижного блока и применил его на практике. По свидетельству Афинея, "для спуска на воду исполинского корабля, построенного сиракузским тираном Гиероном, придумывали много способов, но механик Архимед, применив простые механизмы, один сумел сдвинуть корабль с помощью немногих людей. Архимед придумал блок и посредством него спустил на воду громадный корабль".

Блок не дает выигрыша в работе, подтверждая золотое правило механики. В этом легко убедиться, обратив внимание на расстояния, пройденные рукой и гирей.

Спортивные парусные суда, как и парусники прошлого, не могут обойтись без блоков при постановке парусов и управлении ими. Современным судам нужны блоки для подъема сигналов, шлюпок.

Эта комбинация подвижных и неподвижных блоков на линии электрофицированной железной дороги для регулировки натяжения проводов.

Такой системой блоков могут пользоваться планеристы для подъема в воздух своих аппаратов.

Чаще всего простые механизмы используют, чтобы получить выигрыш в силе. То есть меньшей силой переместить больший по-сравнению с ней вес. При этом выигрыш в силе достигается не «бесплатно». Расплатой за него является потеря в расстоянии, то есть требуется сделать большее перемещение, чем без использования простого механизма. Однако когда силы ограничены, то «обмен» расстояния на силу выгоден.

Подвижный и неподвижный блоки являются одними из видов простых механизмов. Кроме того, они являются видоизмененным рычагом, который также является простым механизмом.

Неподвижный блок не дает выигрыш в силе, он просто изменяет направление ее приложения. Представьте, что вам надо поднять за веревку тяжелый груз вверх. Вам придется тянуть его вверх. Но если использовать неподвижный блок, то тянуть надо будет вниз, в то время как груз будет подниматься вверх. В этом случае вам будет проще, так как необходимая сила будет складываться из силы мышц и вашего веса. Без использования неподвижного блока надо было бы прикладывать такую же силу, но она достигалась бы исключительно за счет силы мышц.

Неподвижный блок представляет собой колесо с желобом для веревки. Колесо закреплено, оно может вращаться вокруг своей оси, но не может перемещаться. Концы веревки (троса) свисают вниз, к одному прикреплен груз, а к другом прикладывается сила. Если тянуть за трос вниз, то груз поднимается вверх.

Так как здесь нет выигрыша в силе, то нет и проигрыша в расстоянии. На какое расстояние поднимется груз, на такое же расстояние надо опустить веревку.

Использование подвижного блока дает выигрыш в силе в два раза (в идеале). Это значит, что если вес груза равен F, то чтобы его поднять, надо приложить силу F/2. Подвижный блок состоит всё из того же колеса с желобом для троса. Однако здесь закреплен один конец троса, а колесо подвижно. Колесо движется вместе с грузом.

Вес груза - это сила, направленная вниз. Его уравновешивают две силы, направленные вверх. Одну создает опора, к которой прикреплен трос, а другую тянущий за трос. Сила натяжения троса одинакова с обоих сторон, значит, между ними поровну распределяется вес груза. Поэтому каждая из сил в 2 раза меньше веса груза.

В реальных ситуациях выигрыш в силе меньше, чем в 2 раза, так как поднимающая сила частично «тратится» на вес веревки и блока, а также трение.

Подвижный блок, давая почти двойной выигрыш в силе, дает двойной проигрыш в расстоянии. Чтобы поднять груз на определенную высоту h, надо чтобы веревки с каждой стороны блока уменьшились на эту высоту, то есть в сумме получается 2h.

Обычно используют комбинации из неподвижных и подвижных блоков - полиспасты. Они позволяют получить выигрыш в силе и направлении. Чем больше в полиспасте подвижных блоков, тем больше будет выигрыш в силе.

Блоки относят к простым механизмам. В группу этих устройств, которые служат для преобразования силы, помимо блоков относят рычаг, наклонную плоскость.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Блок - твердое тело, которое имеет возможность вращаться вокруг неподвижной оси.

Изготавливаются блоки в виде дисков (колес, низких цилиндров и т. п.), имеющих желоб, через который пропускают веревку (торс, канат, цепь).

Неподвижным называется блок, с закрепленной осью (рис.1). Он не перемещается при подъеме груза. Неподвижный блок можно рассматривать как рычаг, который имеет равные плечи.

Условием равновесия блока является условие равновесия моментов сил, приложенных к нему:

Блок на рис.1 будет находиться в равновесии, если силы натяжения нитей равны:

так как плечи этих сил одинаковы (ОА=ОВ). Неподвижный блок не дает выигрыша в силе, но он позволяет изменить направление действия силы. Тянуть за веревку, которая идет сверху часто удобнее, чем за веревку, которая идет снизу.

Если масса груза, привязанного к одному из концов веревки, перекинутой через неподвижный блок равна m, то для того, чтобы его поднимать, к другому концу веревки следует прикладывать силу F, равную:

при условии, что силу трения в блоке мы не учитываем. Если необходимо учесть трение в блоке, то вводят коэффициент сопротивления (k), тогда:

Заменой блока может служить гладкая неподвижная опора. Через такую опору перекидывают веревку (канат), которая скользит по опоре, но при этом растет сила трения.

Неподвижный блок выигрыша в работе не дает. Пути, которые проходят точки приложения сил, одинаковы, равны силы, следовательно, равны работы.

Для того чтобы получить выигрыш в силе, применяя неподвижные блоки применяют комбинацию блоков, например, двойной блок. При блоки должны иметь разные диаметры. Их соединяют неподвижно между собой и насаживают на единую ось. К каждому блоку прикрепляется веревка, что она может наматываться на блок или сматываться с него без скольжения. Плечи сил в таком случае будут неравными. Двойной блок действует как рычаг с плечами разной длины. На рис.2 изображена схема двойного блока.

Условие равновесия для рычага на рис.2 станет формула:

Двойной блок может преобразовывать силу. Прикладывая меньшую силу к веревке, намотанной на блок большого радиуса, получают силу, которая действует со стороны веревки, навитой на блок меньшего радиуса.

Подвижным блоком называют блок, ось которого перемещается совместно с грузом. На рис. 2 подвижный блок можно рассматривать как рычаг с плечами разной величины. В этом случае точка О является точкой опоры рычага. OA - плечо силы ; OB - плечо силы . Рассмотрим рис. 3. Плечо силы в два раза больше, чем плечо силы , следовательно, для равновесия необходимо, чтобы величина силы F была в два раза меньше, чем модуль силы P:

Можно сделать вывод о том, что при помощи подвижного блока мы получаем выигрыш в силе в два раза. Условие равновесия подвижного блока без учета силы трения запишем как:

Если попытаться учесть силу трения в блоке, то вводят коэффициент сопротивления блока (k) и получают:

Иногда применяют сочетание подвижного и неподвижного блока. В таком сочетании неподвижный блок используют для удобства. Он не дает выигрыша в силе, но позволяет изменять направление действия силы. Подвижный блок применяют для изменения величины прилагаемого усилия. Если концы веревки, охватывающей блок, составляют с горизонтом одинаковые углы, то отношение силы, оказывающей воздействие на груз к весу тела, равна отношению радиуса блока к хорде дуги, которую охватывает веревка. В случае параллельности веревок, сила необходимая для подъема груза потребуется в два раза меньше, чем вес поднимаемого груза.

Золотое правило механики

Простые механизмы выигрыша в работе не дают. Во сколько мы получаем выигрыш в силе, во столько же раз проигрываем в расстоянии. Так как работа равна скалярному произведению сила на перемещение, следовательно, она не изменится при использовании подвижного (как и неподвижного) блоков.

В виде формулы «золотое правило№ можно записать так:

где - путь, который проходит точка приложения силы - путь проходимый точкой приложения силы .

Золотое правило является самой простой формулировкой закона сохранения энергии. Это правило распространяется на случаи, равномерного или почти равномерного движения механизмов. Расстояния поступательного движения концов веревок связаны с радиусами блоков ( и ) как:

Получим, что для выполнения «золотого правила» для двойного блока необходимо, чтобы:

Если силы и уравновешены, то блок покоится или движется равномерно.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание	Используя систему из двух подвижных и двух неподвижных блоков, рабочие поднимают строительные балки, при этом прикладывают силу равную 200 Н. Чему равна масса (m) балок? Трение в блоках не учитывайте.
Решение	Сделаем рисунок. Вес груза, приложенный к системе грузов, будет равен силе тяжести, которая приложена к поднимаемому телу (балке): Неподвижные блоки выигрыша в силе не дают. Каждый подвижный блок дает выигрыш в силе в два раза, следовательно, при наших условиях мы получим выигрыш в силе в четыре раза. Это значит, что можно записать: Получаем, что масса балки равна: Вычислим массу балки, примем :
Ответ	m=80 кг

ПРИМЕР 2

Задание	Пусть высота, на которую поднимают балки рабочие, в первом примере равна м. Чему равна работа, которую совершают рабочие? Какова работа груза по перемещению на заданную высоту?
Решение	В соответствии с «золотым правилом» механики, если мы, используя имеющуюся систему блоков, получили выигрыш в силе в четыре раза, то проигрыш в перемещении составит тоже четыре. В нашем примере это означает, что длина веревки (l) которую рабочим следует выбрать составит длину в четыре раза большую, чем расстояние, которое пройдет груз, то есть: