какое свойство тел характеризует инертность
Какое свойство тел характеризует инертность
Инертность тела.
Мы уже говорили о явлении инерции.
Именно вследствие инерции покоящееся тело приобретает заметную скорость под действием силы не сразу, а лишь за некоторый интервал времени.
Инертность — свойство тел по-разному изменять свою скорость под действием одной и той же силы.
Ускорение возникает сразу, одновременно с началом действия силы, но скорость нарастает постепенно.
Даже очень большая сила не в состоянии сообщить телу сразу значительную скорость.
Для этого нужно время.
Чтобы остановить тело, опять-таки нужно, чтобы тормозящая сила, как бы она ни была велика, действовала некоторое время.
Именно эти факты имеют в виду, когда говорят, что тела инертны, т. е. одним из свойств тела является инертность.
Масса.
Количественной мерой инертности является масса.
Приведём примеры простых опытов, в которых очень отчётливо проявляется инертность тел.
1. На рисунке 2.4 изображён массивный шар, подвешенный на тонкой нити.
Внизу к шару привязана точно такая же нить.
Если медленно тянуть за нижнюю нить, то порвётся верхняя нить: ведь на неё действуют и шар своей тяжестью, и сила, с которой мы тянем шар вниз.
Однако если за нижнюю нить очень быстро дёрнуть, то оборвётся именно она, что на первый взгляд довольно странно.
Но это легко объяснить.
Когда мы тянем за нить медленно, то шар постепенно опускается, растягивая верхнюю нить до тех пор, пока она не оборвётся.
При быстром рывке с большой силой шар получает большое ускорение, но скорость его не успевает увеличиться сколько-нибудь значительно за тот малый промежуток времени, в течение которого нижняя нить сильно растягивается и обрывается.
Верхняя нить поэтому мало растягивается и остаётся целой.
2. Интересен опыт с длинной палкой, подвешенной на бумажных кольцах (рис. 2.5).
Если резко ударить по палке железным стержнем, то палка ломается, а бумажные кольца остаются невредимыми.
3. Наконец, самый, пожалуй, эффектный опыт.
Если выстрелить в пустой пластмассовый сосуд, пуля оставит в стенках правильные отверстия, но сосуд останется целым.
Если же выстрелить в такой же сосуд, заполненный водой, то сосуд разорвётся на мелкие части.
Это объясняется тем, что вода малосжимаема и небольшое изменение её объёма приводит к резкому возрастанию давления.
Когда пуля очень быстро входит в воду, пробив стенку сосуда, давление резко возрастает.
Из-за инертности воды её уровень не успевает повыситься, и возросшее давление разрывает сосуд на части.
Чем больше масса тела, тем больше его инертность, тем сложнее вывести тело из первоначального состояния, т. е. заставить его двигаться или, наоборот, остановить его движение.
Единица массы.
В кинематике мы пользовались двумя основными физическими величинами — длиной и временем.
Для единиц этих величин установлены соответствующие эталоны, сравнением с которыми определяются любая длина и любой интервал времени.
Единицей длины является метр, а единицей времени — секунда.
Все другие кинематические величины не имеют эталонов единиц.
Единицы таких величин называются производными.
При переходе к динамике мы должны ввести ещё одну основную единицу и установить её эталон.
В Международной системе единиц (СИ) за единицу массы — один килограмм (1 кг) — принята масса эталонной гири из сплава платины и иридия, которая хранится в Международном бюро мер и весов в Севре, близ Парижа.
Точные копии этой гири имеются во всех странах.
Приближённо массу 1 кг имеет вода объёмом 1 л при комнатной температуре.
Легко осуществимые способы сравнения любой массы с массой эталона путём взвешивания мы рассмотрим позднее.
Свойство инертности и масса тела
Когда мы играем с мячом, нам кажется, что стоит его ударить рукой или ногой, и он мгновенно полетит в нужную сторону. Если же мяч налетит на стену, то в тот же миг отскочит назад. Похоже на правду?
 |
Проверим наше мнение кинематографическим методом: заснимем движение мяча на киноплёнку и рассмотрим его положения на получившихся кадрах (см. рисунок).
Вот мяч приближается к стене (кадр 1). Вот он её касается (2), значит, на следующем кадре мяч должен полететь обратно. Нет! Мяч летит дальше, сплющиваясь всё сильнее (3). И на следующем кадре мяч всё плотнее приближается к стене (4). И лишь после этого, распрямляясь, летит обратно (кадры 5–7). Как видите, мяч не мгновенно меняет скорость, останавливаясь при ударе и разгоняясь в обратном направлении.
Не только упругий мяч, но и вообще любое тело не мгновенно изменяет свою скорость – для этого всегда требуется некоторое время. Например, нагруженный самосвал дольше разгоняется и тормозит, чем тот же самосвал, но без груза.
В физике свойство тела сопротивляться мгновенному изменению направления и/или быстроты движения, то есть изменению скорости, называют инертностью тела. Для изменения скорости тела с большей массой нужно больше времени, то есть инертность тела проявляется тем заметнее, чем больше его масса.
Как вы понимаете, гравитационное притяжение и инертность тела – это совершенно разные свойства. Для их характеристики правильнее было бы использовать две разные физические величины: гравитационную массу и инертную массу. Однако эксперименты не обнаружили их различия, что позволяет нам оба этих свойства каждого тела характеризовать одной величиной – массой.
Рассмотрим опыт. Имеются две одинаковые тележки с упругими пластинками; на левой тележке находится «взвешиваемое» тело, а на правой – гири. Подкатим тележки друг к другу, согнув пластинки между ними и перевязав их тонкой нитью. Если её пережечь, пластинки начнут распрямляться, отталкивая друг друга. При этом тележки разъедутся в стороны, приобретя некоторые скорости. Говорят, что произошло взаимодействие тележек.
 |
Если масса гирь на правой тележке мала, то за время взаимодействия она приобретёт большую скорость, чем тележка с телом. И наоборот: при избыточной массе гирь скорость тележки с ними будет меньше, чем скорость тележки с телом. Подбирая массу гирь, можно заставить тележки разъезжаться с одинаковыми скоростями. Это значит, что в этом случае масса тела равна массе гирь. Подсчитав массу гирь, мы найдём массу тела.
Весами и методом взвешивания мы не можем воспользоваться в условиях невесомости, поскольку ни тело, ни гири не будут давить на чаши весов. Однако метод взаимодействия в этом случае вполне применим, так как даже в условиях невесомости можно наблюдать взаимодействие тележек и сравнивать их скорости.
Способы измерения массы тела в физике
Масса тела в физике
Масса тела (m) — это скалярная физическая величина, которая является мерой инертности тела и гравитационного взаимодействия.
Масса тела отображает, как оно сопротивляется изменению скорости и как сильно притягивается к Земле. Чем больше масса тела, тем меньше изменяется его скорость при воздействии на него.
В международной системе единиц (СИ) массу измеряют в килограммах.
Масса — это аддитивная (то есть добавочная) величина. Масса совокупности тел или материальных точек равна сумме масс всех отдельный тел.
Масса тела не зависит от движения тела, его расположения и воздействия других тел. Согласно закону сохранения массы, в замкнутой механической системе тел масса неизменна во времени.
Чем отличается от веса тела, связь инерции и массы
Хотя в повседневности понятие «масса» часто путают с понятием «вес», в физике они сильно отличаются.
Вес тела (P) — это сила, с которой тело действует на опору или подвес.
Перечислим основные различия массы и веса.
Инертность — это свойство тела препятствовать изменению своей скорости при воздействии на него внешних сил.
Инерция — это физическое явление, при котором тело сохраняет свою скорость постоянной или находится в покое, если на него не действуют другие тела или их действие скомпенсировано.
Закон инерции постулируется первым законом Ньютона. Приведем современную формулировку закона.
Существуют такие системы отсчёта, называемые инерциальными, относительно которых материальные точки, когда на них не действуют никакие силы (или действуют силы взаимно уравновешенные), находятся в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения.
Второй закон Ньютона в классической механике вводит массу как проявление инертности тела или материальной точки в определенной системе отсчета.
Согласно современной формулировке, второй закон Ньютона звучит следующим образом.
В инерциальной системе отсчёта ускорение, которое получает материальная точка с постоянной массой, прямо пропорционально равнодействующей всех приложенных к ней сил и обратно пропорционально её массе.
В виде формулы закон выглядит как:
где a → — ускорение материальной точки, F → — равнодействующая сил, приложенных к материальной точке, m — масса материальной точки.
Что характеризует, каким прибором измеряют
Выделяют два вида массы:
Инертная масса показывает инертность тел и выражена во втором законе Ньютона.
Гравитационная масса характеризует силу, с которой тело взаимодействует с полями тяготения и какое гравитационное поле создает само. Входит в закон всемирного тяготения.
Согласно экспериментам на Земле, разницы между гравитационной массой и инертной нет, так что их можно считать равными и объединять в общее краткое понятие. Как правило, они также имеют общее обозначение m.
Масса измеряется в килограммах (кг). Для того, чтобы ее измерить, используют специальный прибор – весы.
Весы измеряют массу тела, а не его вес. Но в повседневном сознании эти понятия считают синонимичными.
В Международном бюро мер и весов находится эталон массы в 1 кг. С 2018 года им является цилиндр диаметром и высотой в 39,17 мм. Цилиндр состоит из сплава, состоящего на 90% из платины и на 10% из иридия.
Как выражается через плотность и объем, формула
Из этой формулы можно вывести формулу массы.
Примеры решения задач на второй закон Ньютона
Второй закон Ньютона описывает взаимосвязь ускорения, равнодействующей всей сил, приложенных к телу, а также массы тела. Это основной закон динамики.
Напомним формулу Второго закона:
Решим несколько задач по этой формуле.
Решение. Ускорение и сила, действующая на тело, направлены в одну сторону. Соответственно, ускорение и равнодействующую сил можно рассматривать как скалярные величины.
Дано. Тело массой 10 кг, двигаясь равноускоренно без начальной скорости, за 1 мин прошло в горизонтальном направлении путь, равный 27 м. Произведите необходимые расчеты, чтобы определить, чему равна сила, действующая на тело.
Решение. Прежде чем проводить вычисления, необходимо перевести все единицы в единую систему измерений. Возьмем СИ. Масса выражена в кг, путь — в м. Необходимо перевести время в с:
Ускорение можно найти по формуле пути равноускоренного движения:
S = a t 2 2 ⇒ a = 2 S t 2
Теперь можно найти силу F:
Инерционные характеристики
Свойство инертности тел раскрывается в первом законе Ньютона:
«Всякое тело сохраняет свое состояние покоя или равномерного и
прямолинейного движения до тех пор, пока внешние приложенные силы
,не изменят это состояние».
Иначе говоря, всякое тело сохраняет скорость, пока ее не изменяв силы.
Понятие об инертности
Инертность — свойство физических тел, проявляющееся в постепенном изменении скорости с течением времени под действием сил.
Сохранение скорости неизменной (движение как бы по инерции) в реальных условиях возможно только тогда, когда все внешние силы, приложенные к телу, взаимно уравновешены. В остальных случаях неуравновешенные внешние силы изменяют скорость тела в соответствии с мерой его нертности.
Масса тела — это мера инертности тела при поступательном движении. Она измеряется отношением величины приложенной силы к вызываемому ею ускорению:
Измерение массы тела здесь основано на втором законе Ньютона: «Изменение движения прямо пропорционально извне действующей силе и происходит по тому направлению, по которому эта сила приложена».
При исследовании движений часто бывает необходимо учитывать не только величину массы, но и как говорится, ее распределение в теле.
На распределение материальных точек в теле указывает местоположение центра масс тела. В абсолютно твердом теле имеются три точки, положения которых совпадают: центр масс, центр инерции и центр тяжести. Однако это совершенно различные понятия. В ЦМ пересекаются направления сил, любая из которых вызывает поступательное движение тела.
Момент инерции тела
Момент инерции тела — это мера инертности тела при вращательном движении. Момент инерции тела относительно оси равен сумме произведений масс всех материальных точек тела на квадраты их расстояний от данной оси:
В деформирующейся системе тел, когда ее части отдаляются от оси вращения, момент инерции системы увеличивается. Инерционное сопротивление увеличивается с отдалением частей тела от оси вращения пропорционально квадрату расстояния. Поскольку материальные точки в теле расположены на разных расстояниях от оси вращения, для ряда задач удобно вводить понятие «радиус инерции».
Радиус инерции тела — это сравнительная мера инертности данного тела относительно его разных осей. Он измеряется корнем квадратным из отношения момента инерции (относительно данной оси) к массе тела:
Найдя опытным путем момент инерции тела, можно рассчитать радиус инерции ( R ин), величина которого характеризует распределение материальных точек в теле относительно данной оси.
Знать о моменте инерции очень важно для понимания движения, хотя точное количественное определение этой величины в конкретных случаях нередко затруднено.
Презентация к уроку
Цель урока: Обеспечить усвоение понятий: взаимодействие тел, инертность, масса.
Тип урока: урок изучения новых знаний
Методы: словесные, наглядные, проблемно-поисковые, наблюдение, экспериментальные
Технология: ИКТ при изучении нового материала и закреплении.
Оборудование: ПК, мультимедиа проектор, электронная презентация “Масса тела” ( Презентация ), легкоподвижные тележки (2 шт.), веревка, кегля.
Ход урока
Введение в тему
Сегодня на уроке мы продолжаем изучение темы “Движение и взаимодействие тел” (слайд 1). Движение и взаимодействие – это основные свойства материи, которая окружает нас, частью которой мы с вами являемся. В физике, в частности в механике, которую мы начали с Вами изучать, движение и взаимодействие рассматриваются как физические явления. На предыдущих уроках (слайд 2) Вы познакомились с физическими величинами, которые характеризуют движение. Сегодня на уроке мы выясним, что в физике понимают под взаимодействием, какая связь существует между движением и взаимодействием; а также поговорим о массе тел и узнаем какова ее роль при взаимодействии.
Сейчас проведем небольшой эксперимент. (переход со слайда 2 на слайд 7 по ссылке “Незнайка”)
Опыт 1. Нужно встать на легкоподвижную тележку (приглашается один ученик из класса) и попробовать с помощью тележки, не сходя с нее, добраться до учительского стола. Удалось?
Опыт 2. Предложи способ добраться до стола, с помощью тележки.
Вывод: (закончите предложения)
Согласно явлению инерции тело само не может …
Для изменения скорости тела на него нужно подействовать …
Опыт 3. (приглашаются два ученика разной массы)
На одинаковом расстоянии от кегли устанавливаются две тележки, на которые встают ученики. В руки им дается веревка, с помощью которой ученик с меньшей массой должен дотянуть до кегли второго ученика.
Опыт 4. опыт повторяется, но уже тянет веревку ученик с большей массой тела, пытаясь добраться до кегли первым. Получилось?
В результате взаимодействия оба тела изменяют свою скорость. Но изменение скорости тел …, оно зависит от ….
Наша с Вами задача выяснить: от чего? (учащиеся высказывают предположения, среди которых возможно будет и правильное; т.к. понятие массы используется на уроках по другим предметам).
Если ответ прозвучал, то учитель сообщает тему урока и план изучения нового материала. (слайд 3, возврат со слайда 7 по кнопке )
Если нет, то переходит к демонстрации презентации, а развернутый план учащиеся составляют сами в конце урока по своему конспекту. (Cлайд 3)
Тема урока “Взаимодействие тел. Масса” (слайд 5)
Девиз: “Радость видеть и понимать – есть самый прекрасный дар природы. А. Эйнштейн
1) Взаимодействие тел
Согласно плану, который отражает основное содержание урока, в конце урока вы будете (переход через слайд 4 по оглавлению на слайд 39)
Знать: понятие взаимодействия, какие свойства тела характеризует масса
Уметь: приводить примеры из своего жизненного опыта; решать задачи на определение массы тел с помощью взаимодействия и взвешивания; переводить единицы измерения массы в СИ; описывать понятие массы по ПОХ (с позиций физической величины).
Понимать: что такое инертность и какова роль эталона в измерении массы.
Изучение нового материала
1. Перейдем к 1 вопросу. Выясним: что же такое взаимодействие? Анализ слайда 8.
1) Почему скорость тележки в 1 опыте не изменилась? (потому что нет взаимодействия).
2) Почему во 2 опыте скорости тележек одинаковые? (потому что тележки одинаковые).
3) Почему в 3 опыте скорости после взаимодействия разные (тележки разные)
Вывод: Действие тел друг на друга называют взаимодействием.
При взаимодействии тел изменяется их скорость. (Записать в тетрадь).
Примеры взаимодействия: (слайд 9)
Просмотр примеров через гиперссылку в виде видеокамеры ( Приложение 1) примеры 3,5,6), запись в тетрадь, дополнить своими примерами
2. Слайд 10. Грузовой и легковой автомобили двигаются с одинаковой скоростью. Однако их тормозной путь различен. Почему?
Вывод: Масса характеризует инертные свойства тел
3. Установим связь между скоростью тел и их массами при взаимодействии.
Анализ слайда 11 и запись формул в тетрадь.
5. Слайд 12. Конкретизируем смысл понятия инерция, обратимся к словарю.
Можно воспользоваться определением в учебнике:
Инертностью называют свойство тел по-разному менять свою скорость при взаимодействии.
Степень проявления свойств тел количественно характеризуется физической величиной. Для инертности такой величиной является масса.
Мерой инертности тела является масса. Масса характеризует не только инертные свойства тела.
6. Слайд 13 Работа со слайдом.
Масса характеризует гравитационные свойства тел, т.е. способность притягиваться к Земле. Гравитация в переводе на русский тяготение, притяжение, тяжесть. Иногда о теле с большой массой говорят тяжелое, а с маленькой массой – легкое.
7. Рассмотрим массу с позиций физической величины по плану обобщенного характера (слайд 14).
Самую маленькую массу имеют элементарные частицы, которые входят в состав атомов. Самую большую массу имеют звезды.
Слайд 19. Задание 1: Установи соответствие между живым существом и его массой. (выполняется устно или на слайде мышкой с указателем в виде “фломастера” рисуются стрелки”; щелчком мыши проверяем правильный ответ)
– Взаимодействием тел, используя формулу: (слайд 20)
– Взвешиванием – с помощью весов. (слайд 21)
Слайд 22 Озвучить содержание слайда (опорный конспект)
Слайд 23 Вместо многоточия вставьте подходящие по смыслу слова. (Работа по цепочке по одному предложению, текущее закрепление).
А сейчас просмотрите свой конспект. Выясните, на все ли поставленные в начале урока вопросы получены ответы.
Домашнее задание : (слайд 40) 1-3 обязательное для всех, 4 творческое (по желанию, возможно создание мини презентации)
2) Упражнение 6 № 1-3
3) Приведите примеры ситуаций, в которых мы интересуемся массой тел (письменно в тетрадь 3-5 ситуаций).
4) Подготовьте сообщение по одной из тем:
Ну а сейчас приступим к закреплению изученного материала.
Закрепление проводится по выбору учителя:
1 вариант Решение задач № 1-8 (слайды 24-32 ) К задаче № 2 Приложение3
2 вариант Компьютерный тест ( Приложение 4, Приложение 5 ) слайд 33
Контроль: выполнение теста с экрана на листочках, обмен листочками и взаимопроверка с выставлением оценки карандашом. (слайды 34-38 )
Выполнение тестовых заданий с презентации. (часть ребят выполняют тестовое задание за компьютером, остальные в тетради с экрана).
Подведение итога урока. Рефлексия (слайд 41 )
Слова, выделенные жирным шрифтом составляют основу конспекта учащихся (рекомендуются для записи в тетрадь)