1

DANE INFORMACYJNE (DO UZUPEŁNIENIA) Nazwa szkoły: Gimnazjum im. Noblistów Polskich w Koźminku ID grupy: 98/44_mf_g1 Opiekun: Izabela Czechowska Kompetencja: MATEMATYCZN0- FIZYCZNA Temat projektowy: „Siłą fizyki jest SIŁA” Semestr/rok szkolny: semestr IV 2011/2012 2

REALIZATORZY PROJEKTU COMBIDATA Poland sp. z o.o. Uniwersytet Szczeciński Lider projektu Partner projektu

PATRONI PROJEKTU Zachodniopomorski Kurator Oświaty Wielkopolski Kurator Oświaty Lubuski Kurator Oświaty

GIMNAZJUM IM. NOBLISTÓW POLSKICH W KOŹMINKU

NASZA GRUPA 98/44_mf_g1

Cele projektu : b) rozważania na temat : a) przypomnienie składania sił, siła wypadkowa i równoważąca, b) rozważania na temat : - Jaki to rodzaj ruchu gdy działa stała siła? Od kinematyki do dynamiki. c) opracowanie doświadczenia i powiązanie kinematyki z dynamiką. II zasada dynamiki Newtona. d) rozważania na temat: Siła ciężkości a ciężar ciała. - Czy ciężar może zniknąć? Szukamy odpowiedzi wykonując doświadczenie. e) dostrzeżenie statycznych skutków działania siły. Badanie odkształcenia sprężyny. Siła sprężystości. Opracowanie instrukcji do ćwiczenia. f) wyznaczenie współczynnika sprężystości różnych sprężyn. g) rozważania nad dynamiczny skutek działania siły. h) rozwiązywanie zadań dotyczących ciał zmieniających prędkość i uzyskujących pęd i) omówienie siły tarcia i wyznaczanie współczynnika tarcia statycznego dla różnych powierzchni. j) poznanie szkodliwych i zbawiennych skutków tarcia. - Jak wyglądałby świat bez tarcia? Opowiadanie, wiersz lub inna forma artystyczna.

k) poznanie ciekawych sił: siły dośrodkowej, siły bezwładności, siły nacisku, siły wyporu, siły nośna. l) - Czym jest środek ciężkości ciała? A co to jest środek masy? Wyznaczanie środka ciężkości różnych ciał. ł) znaczenie środka ciężkości w sporcie. Przygotowanie reklamy. przypomnienie prawa powszechnego ciążenia Newtona. ”Mogłem spojrzeć daleko, gdyż stałem na barkach gigantów”- uzasadnij słowa Newtona. n) poznanie grawitacji na innych planet. Czy jest grawitacyjne odpychanie? Czy grawitacja działa zawsze pionowo w dół? o) „Dziwny świat planetek małych”. Jak może wyglądać świat z inną grawitacją? - próba odpowiedzi na pytanie p) opracowanie, przeprowadzenie i dokonanie analizy doświadczeń wspomaganych zestawem Coauch Lab II

Siła wypadkowa Siła wypadkowa – siła, która zastępuje działanie kilku sił, przyłożonych do tego samego ciała. Siła wypadkowa powoduje zmianę pędu ciała, zgodnie z drugą zasadą dynamiki.

Siła równoważąca Siła równoważąca – to siła której wypadkowa wynosi 0N.

Składanie sił Składanie sił - jest to rysunkowe znalezienie siły wypadkowej.

Siły składowe

II zasada dynamiki Newtona Jeśli siły działające na ciało nie równoważą się (czyli siła wypadkowa jest różna od zera), to ciało porusza się z przyspieszeniem wprost proporcjonalnym do siły wypadkowej, a odwrotnie proporcjonalnym do masy ciała.  

Jaki to rodzaj ruchu, gdy działa siła stała ? Ruch jednostajnie przyspieszony – ruch, w którym prędkość ciała zwiększa się o jednakową wartość w jednakowych odstępach czasu. Ciało takie ma przyspieszenie o stałej wartości, a jego kierunek i zwrot są równe kierunkowi i zwrotowi prędkości tego ciała.

Siła ciężkości, a ciężar ciała Siła ciężkości – siła z jaką Ziemia lub inne ciało niebieskie przyciąga dane ciało, w układzie odniesienia związanym z powierzchnią ciała niebieskiego. Ciężar jest wypadkową sił przyciągania grawitacyjnego i siły odśrodkowej wynikającej z ruchu obrotowego określonego ciała niebieskiego. 15

Jednostką ciężaru w układzie SI jest niuton, jednak nadal dozwolone jest używanie jednostek spoza układu SI.

Ciężar, jako siła, jest wielkością wektorową – wektor ciężaru skierowany jest w każdym miejscu do środka ciężkości układu planeta – ciało, co w praktyce oznacza środek ciężkości planety.

Czy ciężar może zniknąć ? Ciężar nie zanika ! g- 1,6m/s2 (przyciąganie na Księżycu) g- 9,8m/s2 (przyciąganie ziemskie) g-0,38m/s2 (przyciągania ziemskiego (przyciąganie na Marsie) g- 2,34m/s2 (przyciągania ziemskiego przyciąganie na Jowiszu) g- 0,28m/s2 przyciągania ziemskie na Merkury) g-0,88m/s2 przyciągania ziemskiego na Wenus) g-0,93m/s2 (przyciągania ziemskiego na Saturn) g-0,79m/s2 (przyciągania ziemskiego na Uran) g-1,12m/s2 (przyciągania ziemskiego na Naptun )

Statyczny skutek działania siły - polega na zmianie kształtu oddziałującego ciała np. złożenie kartki, złamanie ołówka. Statyczny skutek działania siły

Badanie odkształcania sprężyny Sprężyna naciskowa służy do stawiania oporu, przeciwdziałania siłom nacisku lub do gro konfiguracjach madzenia energii. Cechą znamienną sprężyny jest określona zależność pomiędzy obciążeniem (siłą P lub momentem M) a odkształceniem.

Jeżeli obciążenie jest proporcjonalne do odkształcenia, sprężynę nazywa się liniową (proporcjonalną), jeżeli wzrasta szybciej niż odkształcenie - progresywną, jeżeli zaś wolniej – degresywną.

Siła sprężystości – siła, która powoduje powrót odkształconego ciała do pierwotnego kształtu lub objętości. Dla małych odkształceń siła sprężystości jest proporcjonalna do odkształcenia, co wyraża prawo Hooke'a.

Prawo Hooke’a można wyrazić wzorem : - zmiana długości (wydłużenie lub skrócenie) ciała, - współczynnik sprężystości sprężyny wyrażany w N/m, - siła sprężystości Minus we wzorze oznacza, że siła sprężystości ma zwrot przeciwny do zwrotu zmiany długości ciała. Dlatego powoduje jej powrót do pierwotnego kształtu.

Wyznaczanie współczynnika sprężystości różnych sprężyn Współczynnik sprężystości – stała określająca wielkość odkształcenia w odpowiedzi na siły działające na ciała sprężyste. Jednostka współczynnika zależy od jego rodzaju.

Współczynnik sprężystości nie jest pojęciem jednoznacznym i jest używany w różnych kontekstach jako: a. stała materiałowa liniowy współczynnik sprężystości współczynnik sprężystości poprzecznej współczynnik sprężystości objętościowej b. stała określająca cechy danego ciała (sprężyny, drutu)

Dynamiczny skutek działania siły Jeśli dwa ciała działają na siebie, mówimy, że działają między nimi siły. Siły nie można zobaczyć, ale można rozpoznać jej działanie po wywoływanych przez nią skutkach. Skutki działania sił dzielimy na dwie grupy. Jedną z nich są skutki dynamiczne, czyli zmiany stanu ruchu. Np. zmiana prędkości lub kierunku ruchu, zatrzymanie ciała, czy wprawienie go w ruch.

Pęd ciała Ciało w ruchu jest charakteryzowane przez wielkość zwaną pędem, który może zostać wywołany jedynie pod wpływem działającej siły przyłożonej do tego ciała. Pędem p nazywamy iloczyn masy ciała m i jego prędkości v.

Zasada zachowania pędu Jeśli dwa różne ciała działają na siebie wzajemnie, to na skutek tego oddziaływania uzyskują one różne szybkości. Gdy na skutek wzajemnego oddziaływania dwóch ciał jedno z nich uzyskuje mniejszą szybkość to mówimy, że ma większą bezwładność. Wielkością fizyczną związaną z bezwładnością ciała jest jego masa (ciało bardziej bezwładne ma większą masę) Pędem ciała nazywamy iloczyn jego masy i prędkości

Siła tarcia - jest to siła powodująca hamowanie. Wytracona w ten sposób energia zamienia się w ciepło i jest bezpowrotnie tracona. Siła tarcia jest skierowana w przeciwną stronę do kierunku ruchu. Jej wartość wyraża wzór: T= f x N

Współczynnik tarcia - jest to stosunek tarcia do całkowitego nacisku normalnego. Dla małych szybkości uzależnione jest ono od stanu powierzchni oraz jest on inny, kiedy powierzchnie są brudne, skorodowane czy chropowate.

Rodzaje współczynnika tarcia: Współczynnik tarcia statycznego Nazywany również współczynnikiem proporcjonalności jest wielkością bezwymiarową. Siła tarcia jest wprost proporcjonalna do nacisku normalnego. Współczynnik tarcia kinetycznego Jest on rozpatrywany w przypadku ruchu względnego ciał. Współczynnik ten zależy od prędkości ruchu względnego ciał.

Sposoby zmniejszania tarcia : stosowanie olejów, smarów; stosowanie łożysk kulkowych; zmiana z posuwania na toczenie; zmniejszanie siły nacisku na podłoże; wygładzanie powierzchni;

CIEKAWE SIŁY: Siła dośrodkowa - w fizyce siła powodująca zakrzywianie toru ruchu ciała, skierowana wzdłuż normalnej do toru, w stronę środka jego krzywizny. Wartość siły określa wzór: Gdzie: – siła dośrodkowa, – masa ciała, – prędkość ciała, – promień krzywizny toru ruchu.

Siła dośrodkowa w ruchu po okręgu.

Siła bezwładności - siła pojawiająca się w nie inercjalnym układzie odniesienia, będąca wynikiem przyspieszenia tego układu. Siła bezwładności nie jest oddziaływaniem z innymi ciałami, jak to ma miejsce przykładowo w sile klasycznie rozumianej grawitacji.

Siła bezwładności działająca na ciało o masie m znajdujące się w nieinercjalnym układzie poruszającym się z przyspieszeniem a wyrażona jest wzorem: We wzorze tym minus oznacza, że zwrot siły bezwładności jest przeciwny do zwrotu przyspieszenia układu.

Siła nacisku zawsze związana jest z jakąś powierzchnią ! - jest jedną z najczęściej spotykanych w naszym codziennym świecie sił. Siły tej zazwyczaj nie wiążemy z jakimś konkretnym oddziaływaniem, lecz z rolą jaką pełni wobec ciał. W typowych sytuacjach mikroskopowa natura zjawiska jest taka, że atomy jednego ciała działają na atomy drugiego za pomocą sił elektromagnetycznych. Siła nacisku zawsze związana jest z jakąś powierzchnią !

Siłę nacisku oblicza się na różne sposoby w zależności od sytuacji. Jeżeli jakieś ciało położymy na poziomej powierzchni, to będzie ona swoim naciskiem na to ciało (skierowanym do góry!), podtrzymywać je przeciwstawiając się spadaniu. W takiej sytuacji: Siła nacisku powierzchni na ciało zrównoważy siłę ciężkości. N – siła nacisku P – siła ciężkości

Siła nacisku ma jedną ważną własność: jest prostopadła do powierzchni, na która działa. Bez względu na to jak sama powierzchnia jest ustawiona, to nacisk na nią jest zawsze prostopadły do powierzchni.

Szczególnym rodzajem siły nacisku jest siła reakcji podłoża Jeśli siła nacisku działa ze strony podłoża na ciało na tym podłożu spoczywające (lub poruszające się) to nazywamy ją siłą reakcji podłoża.

Ciśnienie wywierane przez ciało stałe na podłoże.

Doświadczenia „Siłą fizyki jest siła” Doświadczenie 1. 20g. Sprężyna 1 Kiedy podłączyliśmy Coach Labll+ założyliśmy sprężyne 1 i ciężarek o masie 20g. Wynik pokazany jest na poniższej ilustracji :

20g. Sprężyna 2 Po zapisaniu poprzednich wyników zmieniliśmy sprężynę i ponownie odnotowaliśmy poniższy wynik :

50g sprężyna Zmieniliśmy odważnik na ciężarek o masie 50g i powtórnie założyliśmy sprężynę 1. Wynik: 1.

50g sprężyna 2 Ponownie zmieniliśmy sprężyny. Wynik ukazany jest poniżej :

Badanie ruchu 1 :

Badanie ruchu 2 :

Badanie ruchu 3 :

Badanie ruchu 4 :

Doświadczenie 2. Przygotowanie : Na ławce ustawiliśmy samochodzik do którego przymocowaliśmy sznurek. Na jego końcu przywiązaliśmy odważnik o masie najpierw 50 g a później 100 g. Ustawiliśmy przyrząd do pomiaru ruchu. Ustawiony na krańcu ławki ciężarek, zrzuciliśmy go, co w efekcie skutkowało pociągnięciem za sobą samochodzika. Wyniki przedstawione są na poniższych zrzutach ekranowych.

Badanie 1- 50g Zależność położenia od czasu Zależność prędkości od czasu

Badanie 2- 100 g Zależność położenia od czasu Zależność prędkości od czasu

Obserwacje i wnioski: Im masa ciężarka większa, tym samochodzik uzyskuje w tym samym czasie większe przyspieszenie. Im większe przyspieszenie, tym większa jego prędkość końcowa.

Zadania związane z różnymi siłami Zadanie 1. (zad. 1) Z samolotu wyskoczył spadochroniarz. Wymień jakie siły na niego działają przed otwarciem spadochronu. Jakim ruchem porusza się? Odpowiedź uzasadnij. Odp.: Spadochroniarz spada swobodnie, działa na niego siła grawitacji. Fg= mg Spadochroniarz porusza się ruchem jednostajnie przyspieszonym.

Zadanie 2. (zad.3) Porównaj pęd samochodu poruszającego się z prędkością V1=72km/h z pędem pocisku o wartości V2=1440km/h. Masa samochodu to 1t, a masa pocisku 2kg. Dane: Szukane: Wzór: V1=72km/h = 72*10/36m/s = 20m/s = ? p1=m1*v1 m1=1t= 1000kg p2=m2*v2 V2=1440k/h= 1440*10/36m/s= 400m/s p= m2=2kg P= =25

Zadanie 3. (zad.4) Wyznacz, jaką masę ma wózek, jeśli działa na niego niezrównoważona siła F=50 N i nadaje mu przyspieszenie 2,5 . Dane: Szukane: Wzór: F = 50 N = 50 kg * m = ? F = m*a a = 2,5 m*a =F m = m = 20 kg Odp.: Masa wózka wynosi 20 kg.

Odp. Należy działać siłą o wartości 40 N. Zadanie 4. (zad. 7) Oblicz, jaką siłą należy działać, aby zwiększyć w czasie 4 s szybkość ciała o masie 20 kg z 12m/s do 20 m/s. Dane: Szukane: Wzór: t=4s F=? a= m=20kg a=? F=m*a VP=12m/s a= F= 20kg*2ms/2 Vk=20m/s a= F=40N a=2m/s2 Odp. Należy działać siłą o wartości 40 N.

Zadanie 5. (zad.8) Przed zderzeniem: V1 = 10 V2 = ? Po zderzeniu:   V1 = 10 V2 = ? m1 = 50 kg m2 = 75 kg Pprzed = m1 V1 + m2 V2 Po zderzeniu: V = 2,5 m = m1 + m2 V2 = - 2,5 Ppo = (m1 + m2) * V Pprzed = Ppo m1 V1 + m2 V2 = (m1 + m2) * V m2 V2 / : m2 V2 = V2 = V2 = 2,5 Odp.: Drugi wózek przed zderzeniem miał prędkość 2,5

Zadanie 6. (zad.12) Jaki przyrost prędkości uzyska ciało o masie 00,5 kg, jeżeli działa na niego siła o wartości 2 N w drewniany trzonek, a nie metalową część siekiery? Dane: Szukane: Wzór: m = 0,5 kg = ? a = F – 2 N = 2 kg * a = t = 2 s / * t = = 8 Odp.: Ciało uzyska przyrost prędkości równy 8 .

Zadanie 7. (zad. 15) Pocisk armatni o masie 10kg wylatuje z lufy z prędkością 600m/s. Ile wynosi średnia siła działania gazów pochodzących ze spalania prochu, jeśli długość lufy wynosi 3m, a pocisk porusza się ruchem jednostajnie przyspieszonym? Dane: m=10kg Vk=600m/s s= 3m Vp=0 Szukane: F=? a=? t=? Odp. Średnia siła wynosi 600KN. Wzór: s= a= /*t at=vk/ :a t= s=a* /2 s= /*a sa= / :s a= a=60 000m/ F= m*a F=10kg*60000m/ F= 600 000N F= 600KN

Zadanie 8. (zad. 18) Elektrowóz rozwija siłę pociągową o wartości 200kN. Masa całego pociągu wynosi 1500t. Całkowita siła tarcia kół o szyny wynosi 50kN. Na jakiej drodze prędkość tego pociągu może wzrosnąć z 14 do 50 W jakim czasie to nastąpi? Dane: Szukane: Fs = 200 kN = 200000N s = ? M = 1500 t = 1500000 kg t = ? Ft = 50 kN = 50000 N Fw = ?   Vp = 14 Vk = 50 = Vk - Vp = 50 - 14 = 36 = 10 a = a = 0,1 a / *t a*t= /: a t= t= 100 s s = s= Odp.: Prędkość może wzrosnąć na drodze 500 m. Nastąpi to w czasie 100 s.

Zadanie 9. (zad. 19) Człowiek o masie 70 kg trzyma w ręku walizkę o masie 20kg. Jaka siła działa na tego człowieka na powierzchni Ziemi? Dane: Szukane: Wzór: m =70kg Fg= ? Fg=m*g mw = 30kg mc = 70kg+20kg Fg= 90kg*10 mc = 90kg Fg= 900N g= 10 Odp. Siła wynosi 900N.

Zadanie 10. (zad. 23) W jakim czasie spadnie swobodnie ciało z wieży o wysokości 50 m? Dane: Szukane: Wzór: h= 50m t =? h = /*2 g = 10 2h= gt2 gt2 =2h/ : g t2 = t= t= 3,2s Odp. Ciało spadnie w czasie 3,2s.

Zadanie 7. (zad. 22) Napisz prawidłową odpowiedź. Siła tarcia podczas ruchu ciała ma zwrot zawsze przeciwny do zwrotu wektora prędkości ciała.

Prezentacja projektu UGP W dniu 20 grudnia 2011 r. grupa 98/44_mf_g1 zaprezentowała społeczności uczniów klas drugich Gimnazjum im. Noblistów Polskich w Koźminku prezentację realizowaną w ramach UGP dotyczącą „Siłą fizyki jest SIŁA”.

Wnioski : Jesteśmy przekonani poprzez działania projektowe, że siły są miarami wszystkich oddziaływań, Dostrzegamy siły w naszym otoczeniu, Zestaw czynników ułatwił nam przeprowadzenie doświadczeń, których obserwowaliśmy siły, Poprzez rozwiązywanie zadań rachunkowych dotyczących różnych sił doskonalimy i porządkowaliśmy swoją wiedzę i umiejętności, Pytania problemowe ułatwiły nam uporządkowanie zastosowanie wiedzy i umiejętności dotyczące sił w sytuacjach praktycznych.

Źródła 1.Fizyka wokół nas” Paul G. Hewitt , Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2008 2.„Fizyka i astronomia dla każdego” pod red. B. Saganowskiej Zamkor, Kraków 2007 3.Grażyna Francuz- Ornat, Jan Kulawik, Teresa Kulawik, Elżbieta Kuźniak, Maria Nowotny-Różańska „Fizyka i astronomia dla gimnazjum. Zbiór zadań”, Nowa Era, W-wa 2008 4.Romuald Subiete „Zbiór zadań fizyka”, Wydawnictwa Szkolne i pedagogiczne, Warszawa 2006 5.http://fizyka.zamkor.pl/aplety/programyfizykagimnazjum/badruchugi m/badruchugimwzk.htm - symulacje komputerowe 6. http://www.wsipnet.pl/kluby/fizykaekstra.php?id=75688k=1317 7. http://ifnt-old.fizyka.amu.edu.pl/dydaktyka/lab/T7.htm - badanie siłCoach

71