Гравитационная сила природа силы

Урок 8. Гравитационные силы

1)познакомиться с явлением всемирного тяготения и сформулировать закон всемирного тяготения.

2) понять физический смысл гравитационной постоянной;

3) проанализировать некоторые физические явления на основе знаний закона всемирного тяготения;

Закон всемирного тяготения – все материальные тела притягивают друг друга с силами прямо пропорциональными их массам и обратно пропорциональными квадрату расстояния между ними.

Тяготение – свойство материи, которое состоит в том, что между любыми двумя частицами существуют силы притяжения.

Масса тела – основная механическая величина, определяющая величину ускорения, сообщаемого телу данной силой.

Сила тяжести – векторная величина, определяющая силу притяжения к Земле любого тела.

Первая космическая скорость – наименьшая скорость, которую нужно сообщить телу на поверхности Земли, чтобы оно стало двигаться вокруг Земли по круговой орбите над её поверхностью только под действием силы гравитационного притяжения Земли

Вес – сила, с которой любое тело вследствие притяжения Земли действует на опору или подвес.

Невесомость – состояние, при котором вес тела равен нулю.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 89 – 106.

Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс. -М.:Дрофа,2009.

Открытые электронные ресурсы:

Теоретический материал для самостоятельного изучения

В механике обычно имеют дело с тремя видами сил – силами тяготения, упругости и трения.

Силу, с которой Земля действует на тело, называют силой тяжести.

Ньютон является первым учёным, который открыл закон всемирного тяготения. Он строго доказал, что причина, вызывающая падение камня на Землю, движение Луны вокруг Земли и планет вокруг Солнца, одна и та же. Эта сила всемирного тяготения, действующая между любыми телами Вселенной.

Ньютон после долгих наблюдений сделал вывод, что если бы не сопротивление воздуха, то траектория камня, брошенного с высокой горы с определённой скоростью, могла бы стать такой, что он никогда не достиг бы поверхности Земли, а двигался бы подобно тому, как планеты вокруг Солнца.

Исаак Ньютон сделал выводы:

1) ускорение и сила притяжения тел к Земле обратно пропорциональны квадрату расстояния до центра Земли:

2) Солнце сообщает всем планетам ускорение, обратно пропорциональное квадрату расстояния от планет до Солнца.

Ньютон нашёл причину множества явлений: от падения брошенного камня на землю до движения огромных космических тел. И причину этих явлений он выразил одной формулой – законом всемирного тяготения.

Закон всемирного тяготения

Сила взаимного притяжения двух тел прямо пропорциональна произведению масс этих тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:

F – модуль вектора силы гравитационного притяжения между телами с массами , находящимися на расстоянии r друг от друга.

G – это коэффициент, который называется гравитационной постоянной

Измерения показывают, что

Первая космическая скорость — минимальная скорость, которую надо сообщить телу на поверхности Земли, чтобы оно стало спутником Земли, движущимся по орбите.

Примеры и разбор решения заданий

1.На столе несколько гвоздиков, кнопка, ластик, карандаш. На какие из этих тел действует одинаковые силы тяжести?

Правильный ответ: на гвозди.

2. Чему равна сила тяжести, действующая на мяч массой 100 г, если он находится на космическом корабле? Космический корабль движется на высоте 1600 км над поверхностью Земли. Радиус Земли 6400 км. Масса Земли равна

Источник

Природа сил

Все известные взаимодействия и соответственно силы в природе сводятся к следующим четырем типам: гравитационное, электромагнитное, сильное, слабое.

Гравитационное взаимодействие свойственное всем телам во Вселенной, проявляется в виде взаимного притяжения всех тел в природе, независимо от среды в которой они находятся, в микромире элементарных частиц при обычных энергиях роли не играет. Ярким примером является притяжение Землей. Это взаимодействие подчиняется закону всемирного тяготения: сила взаимодействия между двумя материальными точками массами m₁ и m₂ прямо пропорциональная произведению этих масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними. Математически этот закон имеет вид:

(3.7)

где G = 6,67 10 -11 Н м 2 /кг 2 — гравитационная постоянная, которая определяет силу притяжения между двумя одинаковыми телами с массами m₁ = m₂ = 1 кг на расстоянии r = 1 м.

Электромагнитное взаимодействие – взаимодействие между неподвижными и подвижными электрическими зарядами. Этим взаимодействием в частности обусловлены силы межмолекулярного и межатомного взаимодействия.

Взаимодействие между двумя точечными неподвижными зарядами q₁ и q₂ подчиняется закону Кулона:

,

где k = 9 10 9 Н м 2 /Кл 2 – коэффициент пропорциональности.

Если заряд движется в магнитном поле, то на него действует сила Лоренца:

v – скорость заряда, В – вектор магнитной индукции.

Cильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре атома. Слабое отвечает за большинство распадов элементарных частиц, а также за процессы взаимодействия нейтрино с веществом.

В классической механике мы имеем дело с гравитационными и электромагнитными силами, которые приводят к появлению сил притяжения, сил упругости, сил трения и других.

Сила тяжести характеризует взаимодействие тела с Землей.

Вблизи Земли все тела падают приблизительно с одинаковым ускорением g  9,8 м/с 2 , которое называется ускорением свободного падения. Отсюда следует, что вблизи Земли на каждое тело действует сила тяжести, которая направлена к центру Земли и равна произведению массы тела на ускорение свободного падения.

вблизи поверхности Земле поле однородно (g=const). Сравнивая с, получим, что.

Сила реакции опоры – сила , с которой опора действует на тело. Она приложена к телу и перпендикулярна поверхности соприкосновения. Если тело лежит на горизонтальной поверхности, то сила реакции опоры численно равна силе тяжести. Рассмотрим 2 случая.

Пусть тело покоится, тогда на него действует две силы. Согласно 2 закону Ньютона

Найдем проекции этих сил на ось у и получим, что

2. Пусть теперь тело находится на наклонной плоскости, составляющей угол с горизонтом (см. рис.).

Рассмотрим случай, когда тело будет покоиться, тогда на тело будут действовать две силы, уравнение движения выглядит аналогично первому случаю. Записав 2 закон Ньютона в проекции на ось у, получим, что сила реакции опоры численно равна проекции силы тяжести на перпендикуляр к этой поверхности

Вес тела – сила, с которой действует тело на опору или подвес. Вес тела равен по модулю силе реакции опоры и направлен противоположно

Часто путают силу тяжести и вес. Это обусловлено тем, что в случае неподвижной опоры эти силы совпадают по величине и по направлению Однако надо помнить, что эти силы приложены к разным телам: сила тяжести приложена к самому телу, вес приложен к подвесу или опоре. Кроме того, сила тяжести всегда равна mg, независимо от того покоится тело или движется, сила веса зависит от ускорения, с которым движутся опора и тело, причем она может быть как больше, так и меньше mg, в частности, в состоянии невесомости она обращается в нуль.

Сила упругости. Под действием внешних сил может происходить изменение формы тела – деформация. Если после прекращения действия силы форма тела возобновляется, деформация называется упругой. Для упругой деформации справедлив закон Гука:

x — удлинение тела вдоль оси х, k — коэффициент пропорциональности, который называют коэффициентом упругости.

При непосредственном соприкосновении тел помимо сил упругости могут возникать силы и другого типа, так называемые силы трения.

Силы трения бывают двух видов:

1. Сила трения покоя.
2. Сила трения, обусловленная движением тел.

Сила трения покоя – сила, с которой действует поверхность на покоящееся на ней тело в направлении, противоположном приложенной к телу силе (см. рис) и равная ей по модулю Силы трения 2 типа появляются при перемещении соприкасающихся тел или частей друг относительно друга. Трение, возникающее при относительном перемещении двух соприкасающихся тел, называют внешним. Трение между частями одного и того же сплошного тела (жидкость или газ), носит название внутреннего.Сила трения скольжения действует на тело в процессе его перемещения по поверхности другого тела и равна произведению коэффициента трения  между этими телами на силу реакции опоры N и направлена в сторону, противоположную относительной скорости движения этого тела F = N Силы трения играют очень большую роль в природе. В нашей повседневной жизни трение нередко оказывается полезным. Например, затруднения которые испытывают пешеходы и транспорт во время гололедицы, когда трение между покрытием дороги и подошвами пешеходов или колесами транспорта значительно уменьшается. Не будь сил трения, мебель пришлось бы прикреплять к полу, как на судне во время качки, ибо она при малейшей негоризонтальности пола сползла бы в направлении покатости. Закон сохранения импульса Замкнутой (изолированной) системой тел называют такую систему, тела которой не взаимодействуют с внешними телами или если равнодействующая внешних сил равна нулю. Если на систему материальных точек не действуют внешние силы, то есть система изолирована (замкнутая), из (3.12) выплывает, что , или (3.13) Мы получили фундаментальный закон классической физики — закон сохранения импульса: в изолированной (замкнутой) системе суммарный импульс остается величиной постоянной. Для того, чтобы выполнялся закон сохранения импульса достаточно, чтобы система была замкнута. Закон сохранения импульса является фундаментальным законом природы не знающим исключений. В нерелятивистском случае можно ввести понятие центра масс (центра инерции) системы материальных точек, под которым понимают воображаемую точку, радиус-вектор которой , выражается через радиусы векторы материальных точек по формуле: (3.14) Найдем скорость центра масс в данной системе отсчета, взяв производную по времени от соотношения (3.14) . (3.14) Импульс системы равняется произведению массы системы на скорость ее центра инерции. . (3.15) Понятие центра масс позволяет придать уравнению другую форму, которая часто оказывается более удобной. Для этого достаточно учесть, что масса системы есть величина постоянная. Тогда (3.16) где – сумма всех внешних сил, которые действуют на систему. Уравнение (3.16) – уравнение движенияцентра инерции системы. Теорема о движении центра масс гласит: центр масс движется как материальная точка, масса которой равна суммарной массе всей системы, а действующая сила – геометрической сумме всех внешних сил, действующих на систему. Если система замкнута, то . В этом случае уравнение (3.16) переходит в, из которого следуетV=const. Центр масс замкнутой системы движется прямолинейно и равномерно.

Источник