Тема 3. Тема 3

матеріал 3

Види сил в механіці.

Матеріал

Для вчителя

Для учня

Завантажити матеріал (PDF)

Урок 28. Види сил в механіці.

Очікувані результати навчання

формулює самостійно або у співпраці з іншими проблему дослідження [12 ПРО 1.1.1]
формулює та обґрунтовує самостійно або у співпраці з іншими гіпотези відповідно до проблеми і мети дослідження, визначає завдання[12 ПРО 1.2.2]
формулює самостійно або у співпраці з іншими висновки за результатами досліджень та обґрунтовує їх [12 ПРО 1.5.2]
виявляє ціннісне ставлення до набутих дослідницьких навичок для пізнання природи [12ПРО 1.6.3]
планує, здійснює пошук, опрацьовує, порівнює, аналізує, оцінює самостійно або у співпраці з іншими надійність джерел і достовірність інформації для розв’язання життєвої/навчальної проблеми [12 ПРО 2.1.1]
установлює та обґрунтовує самостійно або у співпраці з іншими взаємозв’язки між природними, техногенними об’єктами, закономірності явищ природи[12 ПРО 3.3.1]
ідентифікує, формулює та аналізує самостійно або у співпраці з іншими життєву/навчальну проблему [12 ПРО 4.2.1]
застосовує самостійно або у співпраці з іншими наукове знання і власний досвід для розв’язання життєвої/ навчальної проблеми [12 ПРО 4.3.2]

Мета уроку: сформувати в учнів уявлення про різноманітність сил у природі та техніці, навчити розпізнавати й описувати основні види механічних сил (сила тяжіння, сила пружності, сила тертя, вага тіла, сила реакції опори), з’ясувати їх природу, напрям, точку прикладання, вплив на тіла; розвивати вміння аналізувати ситуації з реального життя, пов’язані з дією різних сил; сприяти формуванню наукового мислення, спостережливості та практичного застосування знань.

Очікувані результати для вчителя:

учні розрізняють основні види механічних сил: силу тяжіння, силу пружності, силу тертя, вагу тіла, силу реакції опори
учні пояснюють дію сил у прикладних ситуаціях, зокрема в біомеханіці, медицині та в техніці;
учні навчяться використовувати формули під час вирішення проблемних ситуацій
учні встановлюють причинно-наслідкові зв’язки між зміною сили й поведінкою тіл
учні наводять приклади з природи, техніки, медицини та побуту, де потрібно враховувати кожну з вивчених сил
учні аналізуть графіки, ілюстрації та експериментальні дані

Очікувані результати для учнівства:

розрізняє основні види механічних сил: силу тяжіння, силу пружності, силу тертя, вагу тіла, силу реакції опори
пояснює дію сил у прикладних ситуаціях, зокрема в біомеханіці, медицині та в техніці;
навчиться використовувати формули під час вирішення проблемних ситуацій
встановлює причинно-наслідкові зв’язки між зміною сили й поведінкою тіл
наводить приклади з природи, техніки, медицини та побуту, де потрібно враховувати кожну з вивчених сил
аналізує графіки, ілюстрації та експериментальні дані

Ключові слова:

сила
сила тяжіння
прискорення вільного падіння
деформація
сила пружності
закон Гука
вага
нормальна реакція опори
сила тертя
коефіцієнт тертя

План уроку:

Мотиваційна частина
Теоретичний блок
2.1.Сила тяжіння
2.2. Сила пружності
2.3. Вага тіла
2.4. Сила нормальної реакції опори.
2.5. Сила тертя.
2.6. Сила Архімеда
Практичний блок
Попрактикуймо самостійно
Рефлексія

1. Мотивація

Дружня порада вчителю

Тривалість: до 3 хв

Проблемне питання

На наше тіло щодня діє багато сил — і ззовні, і всередині самого тіла. Що це за сили? Які сили діють на нас із боку Землі та навколишніх предметів, а які виникають усередині наших м’язів, кісток і суглобів?

Посилання на відео джерела:

https://www.youtube.com/watch?v=gCFZ4q7GTEs

Відео

2. Теоретичний блок

Дружня порада вчителю

Тривалість: до 17 хв

Учні вже знайомилися з цими силами у 7 та 9 класах. Тому це більше повторення ніж вивчення нового матеріалу. Супроводжуйте викладення матеріалу проведенням дослідів та показом симуляцій

Сила тяжіння

Відпустіть предмет з певної висоти. Чому тіло впало? https://javalab.org/en/gravity_en/

Сила пружності https://phet.colorado.edu/sims/html/masses-and-springs-basics/latest/masses-and-springs-basics_all.html?locale=uk

1. Зім’яти листочок паперу (пластично та пружно).

2. Деформація пружинки чи резинки.

3. Лук чи рогатка.

4. Пружинний горіхокол.

Сила тертя https://phet.colorado.edu/sims/html/forces-and-motion-basics/latest/forces-and-motion-basics_all.html?locale=uk

1 Рух одного і того ж тіла по різним поверхням.

2. Ручка на похилій площині (демонстрація ковзання та кочення).

3. Дві книжки вкласти листи один через одний і спробувати ці книжки роз’єднати.

. Сила Архімеда https://javalab.org/en/archimedes_en/
https://javalab.org/en/buoyancy_comparison_en/
https://phet.colorado.edu/sims/html/buoyancy/latest/buoyancy_all.html?locale=uk

1. Знаходження тіл різної густини у воді.

2. Створення шаруватого коктейлю

3. Плавання сирого та вареного (чи тухлого) яйця

Види сил

У природі існує багато видів сил, і кожна з них відповідає за певний тип взаємодії між тілами. У механіці розглядають сили, які виникають унаслідок контактної взаємодії (наприклад, сила тертя, сила пружності, сила реакції опори) або дії на відстані (сила тяжіння). Деякі сили виникають при деформації тіл, інші — під час руху тіл у середовищі, або коли тіло тисне на поверхню. Кожен вид сили має свої особливості, напрямок дії, формулу обчислення та приклади в реальному житті. Розуміння цих сил дає змогу пояснити більшість явищ навколо нас — від ходьби людини до польоту літака. Розглянемо кожну з цих сил окремо.

2.1. Сила тяжіння.

Сила тяжіння — це сила, з якою Земля (або інше астрономічне тіло) притягує до себе тіла, що перебувають на її поверхні або поблизу неї.

m – маса тіла (кг)
g≈9,8мс2, прискорення вільного падіння

2.2. Сила пружності.

Деформація – це зміна форми та (або) розмірів тіла.

Види за характером зміщення частин:

стиснення
розтягнення
зсув
вигин
кручення

Типи деформацій:

пружні — зникають після припинення дії сили
пластичні — зберігаються після припинення дії сили

Сила пружності — це сила, яка виникає під час деформації тіла і намагається повернути тіло в недеформований стан.

Закон Гука: у разі малих пружних деформацій розтягнення або стиснення сила пружності прямо пропорційна видовженню тіла:

k – жорсткість тіла (пружини)

Знак «–» показує, що сила пружності завжди напрямлена в бік, протилежний напрямку зміщення.

∆x – це фізична величина, яка дорівнює зміні довжини тіла при деформації розтягнення або стиснення:

(1) $\begin{equation*} \Delta x = x - x_0\end{equation*}$

Закон Гука можна записати і для модулів:

2.3. Вага тіла

Вага тіла – це сила, з якою тіло тисне на опору або розтягує підвіс внаслідок дії на нього сили тяжіння.

(2) $\begin{equation*} \vec{P} = m\vec{g}\end{equation*}$

2.4. Сила нормальної реакції опори.

Сила реакції опори – це сила, що діє на тіло з боку опори (наприклад, столу, підлоги) і спрямована перпендикулярно (по нормалі) до поверхні опори (рис.1).

(3) $\begin{equation*} \vec{N} = m\vec{g}\end{equation*}$

На рис.2 можна побачити дію сил, коли тіло розміщене на горизонтальній поверхні.

2.5. Сила тертя.

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

Види тертя:

а) Сила тертя спокою

Виникає при спробі зсунути тіло з місця.
Діє в напрямку, протилежному зовнішній силі.

б) Сила тертя ковзання

Виникає при ковзанні одного тіла по іншому.
Напрямлена протилежно руху.

N – сила реакції опори
µ – коефіцієнт тертя ковзання

в) Сила тертя кочення

Виникає при коченні тіла.
Значно менша за силу тертя ковзання.

г) Сила опору середовища (в’язке тертя)

Виникає при русі тіла в рідині або газі.
Причини:
- Ламінарне обтікання
- Лобовий опір
- Вихрове обтікання
Залежить від форми тіла: найменший опір — у тіл краплеподібної форми.

2.6. Сила Архімеда

Виштовхувальну силу, яка діє на тіло в рідині або в газі, називають також архімедовою силою.

Закон Архімеда:

На тіло, занурене в рідину або газ, діє виштовхувальна сила, яка дорівнює вазі рідини або газу в об’ємі зануреної частини тіла.

Архімедова сила прикладена до центра зануреної частини тіла і напрямлена вертикально вгору.

3. Практичний блок

Дружня порада вчителю

Тривалість: до 15 хв

Завдання №1

На різних планетах прискорення вільного падіння різне (табл.1), (рис.3).

Табл.1

Планета	Прискорення вільного падіння	Планета	Прискорення вільного падіння
Меркурій	3,70 м/с²	Земля	9,81 м/с²
Марс	3,71 м/с²	Сатурн	10,44 м/с²
Уран	8,87 м/с²	Нептун	11,15 м/с²
Венера	8,87 м/с²	Юпітер	24,79 м/с²

Що впливає на відмінність значення прискорення вільного падіння на різних планетах?

Джерело: https://science.nasa.gov/resource/solar-system-sizes/

Яка сила тяжіння буде діяти на тебе на Нептуні? Меркурії?
У скільки разів сила тяжіння на Юпітері більша ніж на Землі?
У скільки разів сила тяжіння на Землі більша ніж на Марсі?

Завдання №2

Вага тіла людини може змінюватися дуже швидко на відміну від маси. Прикладами є: взліт чи приземлення на літаку чи ракеті (рис.4).

Як називається стан коли вага тіла більша за ту, якою володіє людина у стані спокою?
Чи можна зробити так, щоб вага людини дорівнювала 0? Як називається такий стан?

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Завдання№3

Як ти вже знаєш, за характером зміщення частин тіла одна відносно одної розрізняють деформації стиснення, розтягнення, зсуву, вигину, кручення (рис.5).

Покажи ці види деформації на своєму тілі.
Також деформації поділяють на пружні та пластичні. Коли такі деформації можуть зустрічатися на тілі людини? Коли виникнення таких деформацій на тілі людини це добре, а коли погано?

Завдання №4

Хірург використовує матеріал з донорського серця для відновлення пошкодженої аорти пацієнта та потребує зняття еластичних характеристик цього аортального матеріалу. Випробування проведені на смужці донорської аорти довжиною 16 см показують, що вона розтягується до 19,73 см при дії на неї навантаження 1,4 Н.

Який коефіцієнт жорсткості цього матеріалу?
Як зміниться подовження матеріалу, якщо силу збільшити до 2,1Н, припускаючи, що матеріал і далі підкоряється закону Гука?
Чому для виготовлення штучних судин чи клапанів серця важливо, щоб матеріали підкорялися закону Гука у певному діапазоні навантажень? Поясніть, що може статися в організмі, якщо аорта втратить свою пружність

Відповідь:

∆x=3,73 см

Деформації, що підпорядковуються закону Гука, є важливими, оскільки в цьому режимі матеріал імпланту ведеться передбачувано — легко розрахувати його розтяг під дією тиску крові. Це забезпечує безпеку та стабільність роботи судини. Якщо імплант занадто жорсткий — він перевантажує серце, якщо надто м’який — може розтягнутися й утворити аневризму. Втрата пружності аорти порушує кровообіг, підвищує тиск і збільшує ризик розриву судини.

Завдання №5

Під час зимових спортивних змагань учасник намагається зрушити з місця велику брилу льоду масою 120 кг, що лежить на поверхні замерзлого озера. Він упирається руками в лід та штовхає брилу вперед. Визначте, яку мінімальну силу повинен прикласти, щоб лід почав рухатися. Коефіцієнт тертя льоду по льоду становить 0,05 (рис.6).

Відповідь:

Задача №6

Коли ми бачимо айсберг у морі, здається, що це просто велика брила льоду, що спокійно плаває на поверхні. Насправді ж більша його частина прихована під водою. Саме тому з’явився відомий вислів «верхівка айсберга» — коли видима частина проблеми є лише малою часткою набагато більшого й глибшого явища. Якщо відомо, що густина морської води становить 1025 кг/м³, а густина льоду — 916 кг/м³, визнач, яка частина айсберга занурена у воду, а яка видима над її поверхнею (рис.7).

Відповідь:

Занурена частина айсберга: 89,4 %
Над водою (видима частина): 100 % − 89,4 % = 10,6 %

4. Попрактикуймо самостійно

Дружня порада вчителю

Тривалість: до 8 хв

Відшукайте приклади, де потрібно враховувати силу тяжіння (вагу тіла, силу реакції опори), силу пружності, силу тертя в техніці побуті, медицині. Запишіть та коротко опишіть їх.

Рівень А: по два приклади до кожної з сил.
Рівень В: по три приклади до кожної з сил.
Рівень С: по чотири приклади до кожної з сил.

5. Рефлексія

Дружня порада вчителю

Тривалість: до 2 хв

Закінчи речення:

Тепер я знаю, що сила…
Я зрозумів(-ла), чому важливо знати точку прикладання сили, бо…
Без сили…

У вільний від відпочинку час

Впіймай силу!

Що зробити:
Знайди або зроби 3 фото, на яких видно дію сили (будь-якої: тяжіння, тертя, пружності тощо).

Для кожного фото коротко підпиши:

Яка це сила?
До чого вона прикладена?
Що ця сила робить із тілом?
Що було б, якби цієї сили не було?

Завантажити матеріал (PDF)

Урок 28. Види сил в механіці.

Очікувані результати навчання

Очікувані результати для учнівства:

розрізняє основні види механічних сил: силу тяжіння, силу пружності, силу тертя, вагу тіла, силу реакції опори
пояснює дію сил у прикладних ситуаціях, зокрема в біомеханіці, медицині та в техніці;
навчиться використовувати формули під час вирішення проблемних ситуацій
встановлює причинно-наслідкові зв’язки між зміною сили й поведінкою тіл
наводить приклади з природи, техніки, медицини та побуту, де потрібно враховувати кожну з вивчених сил
аналізує графіки, ілюстрації та експериментальні дані

Ключові слова:

сила
сила тяжіння
прискорення вільного падіння
деформація
сила пружності
закон Гука
вага
нормальна реакція опори
сила тертя
коефіцієнт тертя

План уроку:

Мотиваційна частина
Теоретичний блок
2.1.Сила тяжіння
2.2. Сила пружності
2.3. Вага тіла
2.4. Сила нормальної реакції опори.
2.5. Сила тертя.
2.6. Сила Архімеда
Практичний блок
Попрактикуймо самостійно
Рефлексія

1. Мотивація

Проблемне питання

Посилання на відео джерела:

https://www.youtube.com/watch?v=gCFZ4q7GTEs

Відео

https://www.youtube.com/watch?v=czOff8Q5O4Q&list=PLoBey5XxgssiXKb2MgPXzlPhE0DUZfFPz&index=9

Відео

https://www.youtube.com/watch?v=0OEmwdgfGwk&list=PLoBey5XxgssiXKb2MgPXzlPhE0DUZfFPz&index=10

Відео

https://www.youtube.com/watch?v=pOtVtuhy5NQ&list=PLoBey5XxgssiXKb2MgPXzlPhE0DUZfFPz&index=11

Відео

https://www.youtube.com/watch?v=HIpB9tx19zQ&list=PLoBey5XxgssiXKb2MgPXzlPhE0DUZfFPz&index=15

Відео

2. Теоретичний блок

Види сил

2.1. Сила тяжіння.

m – маса тіла (кг)
g≈9,8мс2, прискорення вільного падіння

2.2. Сила пружності.

Деформація – це зміна форми та (або) розмірів тіла.

Види за характером зміщення частин:

стиснення
розтягнення
зсув
вигин
кручення

Типи деформацій:

пружні — зникають після припинення дії сили
пластичні — зберігаються після припинення дії сили

k – жорсткість тіла (пружини)

Знак «–» показує, що сила пружності завжди напрямлена в бік, протилежний напрямку зміщення.

∆x – це фізична величина, яка дорівнює зміні довжини тіла при деформації розтягнення або стиснення:

(4) $\begin{equation*} \Delta x = x - x_0\end{equation*}$

Закон Гука можна записати і для модулів:

2.3. Вага тіла

Вага тіла – це сила, з якою тіло тисне на опору або розтягує підвіс внаслідок дії на нього сили тяжіння.

(5) $\begin{equation*} \vec{P} = m\vec{g}\end{equation*}$

2.4. Сила нормальної реакції опори.

(6) $\begin{equation*} \vec{N} = m\vec{g}\end{equation*}$

На рис.2 можна побачити дію сил, коли тіло розміщене на горизонтальній поверхні.

2.5. Сила тертя.

Види тертя:

а) Сила тертя спокою

Виникає при спробі зсунути тіло з місця.
Діє в напрямку, протилежному зовнішній силі.

б) Сила тертя ковзання

Виникає при ковзанні одного тіла по іншому.
Напрямлена протилежно руху.

N – сила реакції опори
µ – коефіцієнт тертя ковзання

в) Сила тертя кочення

Виникає при коченні тіла.
Значно менша за силу тертя ковзання.

г) Сила опору середовища (в’язке тертя)

Виникає при русі тіла в рідині або газі.
Причини:
- Ламінарне обтікання
- Лобовий опір
- Вихрове обтікання
Залежить від форми тіла: найменший опір — у тіл краплеподібної форми.

2.6. Сила Архімеда

Виштовхувальну силу, яка діє на тіло в рідині або в газі, називають також архімедовою силою.

Закон Архімеда:

Архімедова сила прикладена до центра зануреної частини тіла і напрямлена вертикально вгору.

3. Практичний блок

Завдання №1

На різних планетах прискорення вільного падіння різне (табл.1), (рис.3).

Табл.1

Планета	Прискорення вільного падіння	Планета	Прискорення вільного падіння
Меркурій	3,70 м/с²	Земля	9,81 м/с²
Марс	3,71 м/с²	Сатурн	10,44 м/с²
Уран	8,87 м/с²	Нептун	11,15 м/с²
Венера	8,87 м/с²	Юпітер	24,79 м/с²

Що впливає на відмінність значення прискорення вільного падіння на різних планетах?

Джерело: https://science.nasa.gov/resource/solar-system-sizes/

Яка сила тяжіння буде діяти на тебе на Нептуні? Меркурії?
У скільки разів сила тяжіння на Юпітері більша ніж на Землі?
У скільки разів сила тяжіння на Землі більша ніж на Марсі?

Завдання №2

Як називається стан коли вага тіла більша за ту, якою володіє людина у стані спокою?
Чи можна зробити так, щоб вага людини дорівнювала 0? Як називається такий стан?

Завдання№3

Покажи ці види деформації на своєму тілі.
Також деформації поділяють на пружні та пластичні. Коли такі деформації можуть зустрічатися на тілі людини? Коли виникнення таких деформацій на тілі людини це добре, а коли погано?

Завдання №4

Який коефіцієнт жорсткості цього матеріалу?
Як зміниться подовження матеріалу, якщо силу збільшити до 2,1Н, припускаючи, що матеріал і далі підкоряється закону Гука?
Чому для виготовлення штучних судин чи клапанів серця важливо, щоб матеріали підкорялися закону Гука у певному діапазоні навантажень? Поясніть, що може статися в організмі, якщо аорта втратить свою пружність

Завдання №5

Задача №6

4. Попрактикуймо самостійно

Рівень А: по два приклади до кожної з сил.
Рівень В: по три приклади до кожної з сил.
Рівень С: по чотири приклади до кожної з сил.

5. Рефлексія

Закінчи речення:

Тепер я знаю, що сила…
Я зрозумів(-ла), чому важливо знати точку прикладання сили, бо…
Без сили…

У вільний від відпочинку час

Впіймай силу!

Що зробити:
Знайди або зроби 3 фото, на яких видно дію сили (будь-якої: тяжіння, тертя, пружності тощо).

Для кожного фото коротко підпиши:

Яка це сила?
До чого вона прикладена?
Що ця сила робить із тілом?
Що було б, якби цієї сили не було?

Завантажити матеріал (PDF)

Ділись та обговорюй важливе