На главую страницу

Физика → Методика → Экзамены → Ответы на билеты устных экзаменов → 2. Взаимодействие тел. Сила. Законы динамики Ньютона


2. Взаимодействие тел. Сила. Законы динамики Ньютона

1. Взаимодействие тел. 2. Виды взаимодействия. 3. Сила. 4. Силы в механике. 5. Законы Ньютона. 6. Распространенные ошибки.

Простые наблюдения и опыты, например с тележками (рис. 3), приводят к следующим качественным заключениям: а) тело, на которое другие тела не действуют, сохраняет свою скорость неизменной; б) ускорение тела возникает под действием других тел, но зависит и от самого тела; в) действия тел друг на друга всегда носят характер взаимодействия. Эти выводы подтверждаются при наблюдении явлений в природе, технике, космическом пространстве только в инерциальных системах отсчета.

Взаимодействия отличаются друг от друга и количественно, и качественно. Например, ясно, что чем больше деформируется пружина, тем больше взаимодействие ее витков. Или чем ближе два одноименных заряда, тем сильнее они будут притягиваться. В простейших случаях взаимодействия количественной характеристикой является сила. Сила — причина ускорения тел (в инерциальной системе отсчета). Сила — это векторная физическая величина, являющаяся мерой ускорения, приобретаемого телами при взаимодействии. Сила характеризуется: а) модулем; б) точкой приложения; в) направлением.

Единица силы — ньютон (Н). 1 ньютон — это сила, которая телу массой 1 кг сообщает ускорение 1 м/с2 в направлении действия этой силы, если другие тела на него не действуют. Равнодействующей нескольких сил называют силу, действие которой эквивалентно действию тех сил, которые она заменяет. Равнодействующая является векторной суммой всех сил, приложенных к телу:

 \vec R = \vec F_1 + \vec F_2 + ...+ \vec F_n.

Качественно по своим свойствам взаимодействия также различны. Например, электрическое и магнитное взаимодействия связаны с наличием зарядов у частиц либо с движением заряженных частиц. Наиболее просто рассчитать силы в электродинамике: сила Ампера —  F_A = I l B \sin {\alpha} , сила Лоренца —  F_л = qvB \sin {\alpha} , кулоновская сила —  F = k q_1 q_2/r^2 и гравитационные си-лы: закон всемирного тяготения —  F = G m_1 m_2/R^2 . Такие механические силы, как сила упругости и сила трения, возникают в результате электромагнитного взаимодействия частиц вещества. Для их расчета необходимо использовать формулы:  F_{ynp} = -kx (закон Гука),  F_{Tp} = - \mu N — сила трения.

На основании обобщения огромного числа опытных фактов и наблюдений были сформулированы законы динамики. Такое обобщение было выполнено Исааком Ньютоном.

Первый закон Ньютона постулирует существова-ние инерционных систем отсчета и дает признак, пользуясь которым такие системы можно выделить из всего разнообразия систем отсчета: существуют такие системы отсчета, относительно которых посту¬пательно движущееся тело сохраняет свою скорость постоянной, если на него не действуют другие тела (или действия других тел компенсируются).

Второй закон Ньютона отражает фундаменталь¬ное свойство материального мира, в соответствии с которым относительно инерциальных систем отсчета ускорение тел возникает только под действием сил. Этот закон формулируется следующим образом.

Ускорение, с которым движется тело, прямо пропорционально равнодействующей всех сил, дей-ствующих на тело, обратно пропорционально его массе и направлено так же, как и равнодействую¬щая сила:

 \vec a = \frac{\vec F}{m}

Часто основной закон динамики записывают в виде  \vec F = m \vec a, что дает универсальный способ определения любых сил на основе кинематических методов измерения ускорения.

Третий закон Ньютона является обобщением громадного количества опытных фактов, показывающих, что силы — результат взаимодействия тел. Он формулируется следующим образом: тела действуют друг на друга с силами, равными по модулю и противоположными по направлению.

Распространенные ошибки

1. Многие абитуриенты не понимают, какая связь существует между законами Ньютона. Приходилось слышать такие ответы, в которых говорилось, что будто бы первый закон Ньютона является следствием второго закона Ньютона. Это не верно.

Первый закон Ньютона (закон инерции) - важный и самостоятельный закон. Он утверждает, что если на тело не действуют другие тела, то оно находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения относительно инерциальной системы отсчета. Из этого закона следует, что причиной изменения скоростя является сила. На вопрос о том, как движется тело под действием силы, отвечает второй закон Ньютона, устанавливабщий количественное соотношение между ускорением и силой. В первом и втором законах рассматривается только одно тело. Третий же закон Ньютона отражает тот факт, что если одно тело действует с некоторой силой на другое телоЮ то на него со стороны другого тела также действует сила, равная по модулю и противоположная по направлению. первой. Таким образом силы всегда действуют парами. Эти силы называют силами взаимодействия. Таким образом, между законами Ньютона существует связь, и их нельзя рассматривать отдельно.

2. Школьники, формально усвоившие третий закон Ньютона, не могли правильно объяснить ряд вопросов. К примеру:

Человек передвигает по полу шкаф, толкая его вперед, в результате чего человек и шкаф движутся с некоторым ускорением. Но, согласно третьему закону Ньютона, с какой силой человек действует на шкаф, с такой же силой, но направленной противоположно, шкаф действует на человека. Почему же они движутся вперед?

Здесь имеются три взаимодействия: человек — шкаф, человек — пол и шкаф — пол. Сила, сдвигающая шкаф с места, возникает вследствие того, что человек упирается ногами в пол. Если бы сила трения покоя между ступнями человека и полом оказалась меньше силы трения покоя между шкафом и полом, то человек не смог бы сдвинуть шкаф с места. Так что в данном случае сила трения, препятствуя проскальзыванию ступней, делает возможным движения человека со шкафом.

3.При решении задач по динамике учащиеся часто не могут правильно указать силы, действующие на тело. Часто, кроме реальных сил, придумывают всякие другие: сила движения, ускоряющая сила, сила толчка, броска, инерции и т.п. Так, например, говорят, что на тело, которое равноускоренно движется в горизонтальном направлении, кроме приложенной силы, действуют сила тяжести, сила реакции опоры, сила трения, сила тяги и "ускоряющая" сила. На самом деле реально существуют только первые четыре.

3. При нахождении модуля силы трения считают, что всегда  F_{тр} = \mu mg , где  \mu — коэффициент трения;  m — масса тела;  g — ускорение свободного движения. Но это неправильно. Выражение  F_{тр} = \mu mg справедливо только в частном случае, когда тело движется по горизонтальной поверхности (или покоится на ней, если рассматривается сила трения покоя). и при этом на тело в вертикальном направлении никакие силы, кроме силы тяжести  m \vec g и силы нормальной реакции опоры  \vec N , не действуют.

Необходимо твердо помнить, что модуль силы трения пропорционален силе нормальной реакции опоры:  F_{тр} = \mu N , и именно это выражении надо использовать при нахождении силы трения.  \vec N не всегда направлена против направления действия силы тяжести.

4. Правильно формулируя тот или иной закон, учащиеся не всегда могут указать условия, при которых он справедлив. В своих ответах многие не подчеркивают, например, что закон Гука справедлив только ждя упругих деформациях, что законы Ньютона выполняются только в инерциальных системах отсчета при движении тел со скоростями, малыми по сравнению со скоростью света, и т.п.

5.Некоторые экзаменуемые ошибочно считают, что центр тяжести тела не может находиться за пределами этого тела. На самом деле может. Достаточно рассмотреть, например, квалрат, сделанный из проволоки, кольцо, полый шар и др.

Оставить комментарий
Сообщить об ошибке