Условия равновесия материальной точки и твердого тела.
Все силы, действующие на материальную точку, приложены в одной точке. Результирующая сила определяется как геометрическая сумма всех сил, действующих на материальную точку. В случае если результирующая сила равна нулю, то согласно 2-го закона Ньютона ускорение материальной точки равно нулю, скорость постоянна или равна нулю, материальная точка находится в состоянии равновесия.
Условие равновесия материальной точки : . (6.1)
Гораздо более важным вопросом в статике является вопрос о равновесии протяженного тела, поскольку на практике приходится иметь дело именно с такими телами. Ясно, что для равновесия тела крайне важно, чтобы результирующая сила, действующая на тело, равнялась нулю. Но выполнение этого условия недостаточно. Рассмотрим горизонтально расположенный стержень, способный вращаться относительно горизонтальной оси О (рис. 6.2). На стержень действуют: сила тяжести , сила реакции оси, две внешние силы и , равные по величине и противоположные по направлению. Результирующая этих сил равна нулю:
однако наш практический опыт подсказывает нам, что стержень начнет вращаться, ᴛ.ᴇ. не будет находиться в состоянии равновесия. Обращаем внимание, что моменты сил и относительно оси О равны нулю, моменты сил и не равны нулю и оба положительны, силы стараются повернуть стержень по часовой стрелке относительно оси О .
На рис.6.3 силы и равны по величине и направлены одинаково. Результирующая всех сил, действующих на стержень, равна нулю (в данном случае сила больше, чем в первом случае, она уравновешивает результирующую трех сил – , и ). Результирующий момент всех сил равен нулю, стержень находится в равновесии. Приходим к выводу, что для равновесия тела крайне важно выполнение двух условий.
Условия равновесия протяженного тела :
Запишем важные правила, которыми можно пользоваться при рассмотрении условий равновесия тела.
1. Векторы приложенных к телу сил можно перемещать вдоль линии их действия. Результирующая сила и результирующий момент при этом не меняются.
2. Второе условие равновесия выполняется относительно любой оси вращения. Удобно выбирать такую ось вращения, относительно которой уравнение (6.3) будет наиболее простым. К примеру, относительно оси О на рис. 6.2 моменты сил и равны нулю.
Устойчивое равновесие . В устойчивом равновесии потенциальная энергия тела минимальна. При смещении тела из положения устойчивого равновесия потенциальная энергия возрастает, возникает результирующая сила, направленная к положению равновесия.
Неустойчивое равновесие . При смещении тела из положения неустойчивого равновесия потенциальная энергия уменьшается, возникает результирующая сила, направленная от положения равновесия.
Центр тяжести тела – точка приложения результирующей всех сил тяжести, действующих на отдельные элементы тела.
Признак равновесия . Тело сохраняет равновесие, в случае если вертикальная прямая, проходящая через центр тяжести, пересекает площадь опоры тела.
Тема 7. (4 часа)
МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА. Атомистическая гипотеза строения вещества и ее экспериментальные доказательства. Давление газа. Абсолютная температура как мера средней кинетической энергии теплового движения частиц вещества. Уравнение состояния идеального газа. Изопроцессы идеального газа. Строение и свойства жидкостей и твердых тел. Водяной пар.
Размещено на реф.рф
Влажность воздуха.
Условия равновесия материальной точки и твердого тела. - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Условия равновесия материальной точки и твердого тела." 2017, 2018.
Назад
Вперёд
Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.
Цели урока: Изучить состояние равновесия тел, познакомиться с различными видами равновесия; выяснить условия, при которых тело находится в равновесии.
Задачи урока:
- Учебные: Изучить два условия равновесия, виды равновесия (устойчивое, неустойчивое, безразличное). Выяснить, при каких условиях тела более устойчивы.
- Развивающие: Способствовать развитию познавательного интереса к физике. Развитие навыков сравнивать, обобщать, выделять главное, делать выводы.
- Воспитательные: Воспитывать внимание, умения высказывать свою точку зрения и отстаивать её, развивать коммуникативные способности учащихся.
Тип урока: урок изучения нового материала с компьютерной поддержкой.
Оборудование:
- Диск «Работа и мощность» из «Электронных уроков и тестов.
- Таблица «Условия равновесия».
- Призма наклоняющаяся с отвесом.
- Геометрические тела: цилиндр, куб, конус и т.д.
- Компьютер, мултимедиапроектор, интерактивная доска или экран.
- Презентация.
Ход урока
Сегодня на уроке мы узнаем, почему подъёмный кран не падает, почему игрушка «Ванька-встанька» всегда возвращается в исходное состояние, почему Пизанская башня не падает?
I. Повторение и актуализация знаний.
- Сформулировать первый закон Ньютона. О каком состоянии говорится в законе?
- На какой вопрос отвечает второй закон Ньютона? Формула и формулировка.
- На какой вопрос отвечает третий закон Ньютона? Формула и формулировка.
- Что называется равнодействующей силой? Как она находится?
- Из диска «Движение и взаимодействие тел» выполнить задание № 9 «Равнодействующая сил с разными направлениями» (правило сложения векторов (2, 3 упражнения)).
II. Изучение нового материала.
1. Что называется равновесием?
Равновесие – это состояние покоя.
2. Условия равновесия. (слайд 2)
а) Когда тело находится в покое? Из какого закона это следует?
Первое условие равновесия: Тело находится в равновесии, если геометрическая сумма внешних сил, приложенных к телу, равна нулю. ∑F = 0
б) Пусть на доску действуют две равные силы, как показано на рисунке.
Будет ли она находиться в равновесии? (Нет, она будет поворачиваться)
В покое находится только центральная точка, а остальные движутся. Значит, чтобы тело находилось в равновесии, необходимо, чтобы сумма всех сил, действующих на каждый элемент равнялась 0.
Второе условие равновесия: Сумма моментов сил, действующих по часовой стрелке, должна равняться сумме моментов сил, действующих против часовой стрелки.
∑ M по часовой = ∑ M против часовой
Момент силы: M = F L
L – плечо силы – кратчайшее расстояние от точки опоры до линии действия силы.
3. Центр тяжести тела и его нахождение. (слайд 4)
Центр тяжести тела – это точка, через которую проходит равнодействующая всех параллельных сил тяжести, действующих на отдельные элементы тела (при любом положении тела в пространстве).
Найти центр тяжести следующих фигур:
4. Виды равновесия.
а) (слайды 5–8)
Вывод: Равновесие устойчиво, если при малом отклонении от положения равновесия есть сила, стремящаяся вернуть его в это положение.
Устойчиво то положение, в котором его потенциальная энергия минимальна. (слайд 9)
б) Устойчивость тел, находящихся на точке опоры или на линии опоры. (слайды 10–17)
Вывод: Для устойчивости тела, находящегося на одной точке или линии опоры необходимо, чтобы центр тяжести находился ниже точки (линии) опоры.
в) Устойчивость тел, находящихся на плоской поверхности.
(слайд 18)
1) Поверхность опоры – это не всегда поверхность, которая соприкасается с телом (а та, которая ограниченна линиями, соединяющими ножки стола, треноги)
2) Разбор слайда из «Электронных уроков и тестов», диск «Работа и мощность», урок «Виды равновесия».
Рисунок 1.
- Чем различаются табуретки? (Площадью опоры)
- Какая из них более устойчивая? (С большей площадью)
- Чем различаются табуретки? (Расположением центра тяжести)
- Какая из них наиболее устойчива? (Укоторой центр тяжести ниже)
- Почему? (Т.к. её можно отклонить на больший угол без опрокидывания)
3) Опыт с призмой отклоняющейся
- Поставим на доску призму с отвесом и начнём её постепенно поднимать за один край. Что мы видим?
- Пока линия отвеса пересекает поверхность, ограниченную опорой, равновесие сохраняется. Но как только вертикаль, проходящая через центр тяжести, начнёт выходить за границы поверхности опоры, этажерка опрокидывается.
Разбор слайдов 19–22 .
Выводы:
- Устойчиво то тело, у которого площадь опоры больше.
- Из двух тел одинаковой площади устойчиво то тело, у которого центр тяжести расположен ниже, т.к. его можно отклонить без опрокидывания на большой угол.
Разбор слайдов 23–25.
Какие корабли наиболее устойчивы? Почему? (У которых груз расположен в трюмах, а не на палубе)
Какие автомобили наиболее устойчивы? Почему? (Чтобы увеличить устойчивость машин на поворотах, полотно дороги наклоняют в сторону поворота.)
Выводы: Равновесие может быть устойчивым, неустойчивым, безразличным. Устойчивость тел тем больше, чем больше площадь опоры и ниже центр тяжести.
III. Применение знаний об устойчивости тел.
- Каким специальностям наиболее необходимы знания о равновесии тел?
- Проектировщикам и конструкторам различных сооружений (высотных зданий, мостов, телевизионных башен и т.д.)
- Цирковым артистам.
- Водителям и другим специалистам.
(слайды 28–30)
- Почему «Ванька-встанька» возвращается в положение равновесия при любом наклоне игрушки?
- Почему Пизанская башня стоит под наклоном и не падает?
- Каким образом сохраняют равновесие велосипедисты и мотоциклисты?
Выводы из урока:
- Существует три вида равновесия: устойчивое, неустойчивое, безразличное.
- Устойчиво положение тела, в котором его потенциальная энергия минимальна.
- Устойчивость тел на плоской поверхности тем больше, чем больше площадь опоры и ниже центр тяжести.
Домашнее задание : § 54– 56 (Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н. Сотский)
Использованные источники и литература:
- Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н.Сотский. Физика. 10 класс.
- Диафильм «Устойчивость» 1976 г. (отсканирован мною на плёночном сканере).
- Диск «Движение и взаимодействие тел» из «Электронных уроков и тестов».
- Диск «Работа и мощность» из «Электронных уроков и тестов».
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Устойчивое равновесие - это равновесие, при котором тело, выведенное из положения равновесия и предоставленное самому себе, возвращается в прежнее положение.
Это происходит, если при небольшом смещении тела в любом направлении от первоначального положения равнодействующая сил, действующих на тело, становится отличной от нуля и направлена к положению равновесия. Например, шарик, лежащий на дне сферического углубления (рис.1 а).
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Неустойчивое равновесие - это равновесие, при котором тело, выведенное из положения равновесия и предоставленное самому себе, будет еще больше отклоняться от положения равновесия.
В данном случае при небольшом смещении тела из положения равновесия равнодействующая приложенных к нему сил отлична от нуля и направлена от положения равновесия. Примером может служить шарик, находящийся в верхней точке выпуклой сферической поверхности (ри.1 б).
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Безразличное равновесие - это равновесие, при котором тело, выведенное из положения равновесия и предоставленное самому себе, не меняет своего положения (состояния).
В этом случае при небольших смещениях тела из первоначального положения равнодействующая приложенных к телу сил остается равной нулю. Например, шарик, лежащий на плоской поверхности (рис.1,в).
Рис.1. Различные типы равновесия тела на опоре: а) устойчивое равновесие; б) неустойчивое равновесие; в) безразличное равновесие.
Статическое и динамическое равновесие тел
Если в результате действия сил тело не получает ускорения, оно может находиться в состоянии покоя или двигаться равномерно прямолинейно. Поэтому можно говорить о статическом и динамическом равновесии.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Статическое равновесие - это такое равновесие, когда под действием приложенных сил тело находится в состоянии покоя.
Динамическое равновесие - это такое равновесие, когда по действием сил тело не изменяет своего движения.
В состоянии статического равновесия находится подвешенный на тросах фонарь, любое строительное сооружение. В качестве примера динамического равновесия можно рассматривать колесо, которое катится по плоской поверхности при отсутствии сил трения.
Все силы, действующие на материальную точку, приложены в одной точке. Результирующая сила определяется как геометрическая сумма всех сил, действующих на материальную точку. Если результирующая сила равна нулю, то согласно 2-го закона Ньютона ускорение материальной точки равно нулю, скорость постоянна или равна нулю, материальная точка находится в состоянии равновесия.
Условие равновесия материальной точки : . (6.1)
Гораздо более важным вопросом в статике является вопрос о равновесии протяженного тела, поскольку на практике приходится иметь дело именно с такими телами. Ясно, что для равновесия тела необходимо, чтобы результирующая сила, действующая на тело, равнялась нулю. Но выполнение этого условия недостаточно. Рассмотрим горизонтально расположенный стержень, способный вращаться относительно горизонтальной оси О (рис. 6.2). На стержень действуют: сила тяжести , сила реакции оси, две внешние силы и , равные по величине и противоположные по направлению. Результирующая этих сил равна нулю:
однако наш практический опыт подсказывает нам, что стержень начнет вращаться, т.е. не будет находиться в состоянии равновесия. Обращаем внимание, что моменты сил и относительно оси О равны нулю, моменты сил и не равны нулю и оба положительны, силы стараются повернуть стержень по часовой стрелке относительно оси О .
На рис.6.3 силы и равны по величине и направлены одинаково. Результирующая всех сил, действующих на стержень, равна нулю (в этом случае сила больше, чем в первом случае, она уравновешивает результирующую трех сил - , и ). Результирующий момент всех сил равен нулю, стержень находится в равновесии. Приходим к выводу, что для равновесия тела необходимо выполнение двух условий.
Условия равновесия протяженного тела :
Запишем важные правила, которыми можно пользоваться при рассмотрении условий равновесия тела.
1. Векторы приложенных к телу сил можно перемещать вдоль линии их действия. Результирующая сила и результирующий момент при этом не меняются.
2. Второе условие равновесия выполняется относительно любой оси вращения. Удобно выбирать такую ось вращения, относительно которой уравнение (6.3) будет наиболее простым. Например, относительно оси О на рис. 6.2 моменты сил и равны нулю.
Устойчивое равновесие . В устойчивом равновесии потенциальная энергия тела минимальна. При смещении тела из положения устойчивого равновесия потенциальная энергия возрастает, возникает результирующая сила, направленная к положению равновесия.
Неустойчивое равновесие . При смещении тела из положения неустойчивого равновесия потенциальная энергия уменьшается, возникает результирующая сила, направленная от положения равновесия.
Центр тяжести тела - точка приложения результирующей всех сил тяжести, действующих на отдельные элементы тела.
Признак равновесия . Тело сохраняет равновесие, если вертикальная прямая, проходящая через центр тяжести, пересекает площадь опоры тела.