В технике применяют механические, электромеханические и электрические акселерометры. Ряд конструкций механических акселерометров, доступных для самостоятельного изготовления, описан в методической литературе. Их принцип действия основан на отклонении при ускоренном движении пружинного или тяжелого маятника (рис. 7).

Рис.7

Для пружинного маятника , а для тяжелого . В опытах акселерометры прикрепляют к ускоренно движущимся телам, например, к тележкам, взаимодействующим с помощью буферной пружины.

Помимо прямых возможны и косвенные измерения ускорений взаимодействующих тел.

В этих целях можно решить следующие экспериментальные задачи:

1. Найти отношение модулей ускорений снарядов, вылетающих из двустороннего баллистического пистолета (рис. 8).

Опыт и расчеты покажут, что при любом сжатиипружины

,

где и -- дальность полета шаров в горизонтальном направлении.

2. Два шарика 1 и 2 с отверстиями связаны нитью и насажены на стержень, по которому они могут скользить с незначительным трением (рис. 9).

Найти на опыте отношение модулей ускорений шарикови и доказать, что оно остается неизменным для различных длин связывающей их нити.

Рис. 8 Рис.9

Опыты и расчеты покажут, что . Следовательно, при любых (и поступательных и вращательных) движениях отношение модулей ускорений двух данных взаимодействующих тел есть величина постоянная.

Одни тела, взаимодействуя с избранным, получают ускорения, большие в 2, 3 и т. д. раз, другие -- меньшие ускорения. О первых телах говорят, что они менее «инертны», о вторых -- более «инертны».

Инертность -- это свойство, присущее всем телам. Состоит оно в том, что для изменения скорости тела на заданную величину нужно, чтобы действие на него определенного другого тела длилось некоторое время. Чем это время больше, тем инертнее тело. Из двух взаимодействующих тел то тело более инертно, которое медленнее «набирает» скорость, т. е. приобретает при взаимодействии меньшее ускорение.

Для закрепления понятия об инертности тел полезно решить следующие задачи:

1. На одинаковые нити подвешивают два груза 1 и 2, значительно отличающиеся по массе (рис.10).

Рис. 10

Снизу каждый груз привязывается двумя нитями 3 и 4 к перекладине 5. При резком ударе по перекладине 5 обрывается верхняя нить малого груза и нижние нити большого. Объяснить почему.

Ответ. За одно и то же малое время груз 1, обладающий меньшей инертностью, получил большую скорость, переместился на большее расстояние и оборвал верхнюю нить. Больший же груз переместился незначительно, и верхняя нить осталась целой.

2. В цирке показывают такой аттракцион. Молотами бьют по наковальне, поставленной на грудь человека (рис.11), Почему это безопасно для человека, держащего наковальню?

Инертность тел может быть различной, большей или меньшей, а потому ее можно сравнивать и измерять, как всякую физическую величину.

Инертность выражается определенной величиной, получившей название масса. Естественно приписывать большую массу тому из двух взаимодействующих тел, которое более инертно.

В качестве повторения и закрепления материала здесь полезно решить такую задачу:

Два мальчика на коньках, оттолкнувшись руками друг от друга, поехали в разные стороны со скоростями 5 и 3 м/с. Масса какого мальчика больше и во сколько раз?

.

Масса второго мальчика больше в раза. Так как

, то

Это означает, что отношение модулей ускорений взаимодействующих тел равно обратному отношению их масс.

Чтобы найти массу каждого отдельного тела, выбирают какое-нибудь тело в качестве эталона массы; массу его условно принимают за единицу. Тогда с помощью опыта, в котором тело, масса которого определяется, взаимодействует с эталоном массы, находят отношение

.

Откуда единиц массы.

При этом надо обратить внимание учащихся на то, что из данного выражения нельзя упускать слова «единиц массы», так как в противном случае получится отвлеченное, неименованное число.

В учебниках физики дается следующее определение массы: Масса тела -- это величина, выражающая его инертность. Она определяет отношение ускорения эталона массы к ускорению тела при их взаимодействии.

В этом определении нужно выделить две части: первая содержит утверждение о том, что масса есть величина, характеризующая инертность тел. Эта часть определения раскрывает физическую сущность величины. Вторая часть является дополняющей, раскрывающей способ определения массы тел.

Далее логически следует вопрос о единице измерения массы и, наконец, о способе ее измерения. При рассмотрении вопроса о единице измерения массы надо предупредить возможность неверного запоминания учащимися определения. Многие учащиеся в определении запоминают только то, что цилиндр -- эталон массы изготовлен из платины с иридием, другие -- только то, что это тело является цилиндром. Чтобы не допустить подобных ошибок, необходимо обратить внимание учащихся на то, что за единицу массы принята масса определенным образом выбранного тела. Таким телом является цилиндр, изготовленный из сплава платины с иридием и хранящийся в Международном бюро мер и весов.

В качестве примера практического использования изученного метода измерения масс рассматривают задачу по сравнению масс Земли и Луны.

Таким образом, учащиеся получают более полное понятие о динамическом методе сравнения и измерения масс. Но они ранее получили понятие и об измерении масс тел взвешиванием. Позже на данном вопросе останавливаются позднее в теме «Силы природы» в связи с изучением сил всемирного тяготения. Однако и в данной теме следует кратко сказать об определении массы тел взвешиванием и о том, где применяется каждый метод.

«Динамический» метод, связанный с расчетом ускорений, обычно применяется для измерения масс микро- и макрообъектов. А «статический», основанный на взвешивании,-- в повседневной практической деятельности, а также в метрологии. Единица массы-- 1 кг -- масса платиноиридиевого эталона -- и изготовленные с той или иной степенью точности его копии рассчитаны на использование именно путем взвешивания.

При выборе соответствующих единиц измерения оба метода дают независимо один от другого одинаковые результаты. Это полезно показать, взвесив на весах шарики, которые использовались в экспериментальной задаче (см. рис. 8 и 9).

Масса обладает свойством аддитивности, почти очевидным для учащихся: общая масса нескольких тел равна сумме их масс.

Наконец, для дальнейшего расширения и углубления понятия о массе, а также в целях межпредметных связей следует кратко сказать о законе сохранения массы: «Масса веществ, вступивших в химическую реакцию, всегда равна массе получившихся веществ».

Этот основной закон химии называется законом сохранения массы. Впервые закон сохранения массы был сформулирован М.В. Ломоносовым. Ввиду большого значения этого закона для формирования понятия о массе некоторые авторы, в том числе Л.Д. Ландау, вполне обоснованно включают его и в учебники физики.

Методика формирования понятия «сила»

При формировании данного понятия неизбежно приходится считаться с тем, что оно находит самое широкое применение в повседневной жизни и в известной мере знакомо учащимся до изучения физики. На основе жизненного опыта учащиеся с данным понятием связывают, прежде всего, представление о мускульной силе, толкании, тяге, весе, «магнитной» силе и т. п. В связи с этим во многих учебниках физики поясняется: «Все виды тяги и толчков называются силами». Не возводя данное пояснение в ранг научных определений, его все же следует использовать на первоначальном этапе формирования понятия о силах.

Заметим, что И. Ньютон разъясняет «происхождение» силы аналогичным образом: «Происхождение приложенной силы может быть различное: от удара, от давления, от центростремительной силы».

Далее, обобщая бытовое представление и конкретные примеры, следует сказать, что сила -- это краткое название действия одного тела на другое Следующая задача -- выяснить и количественно определить, в чем же именно проявляется это действие тел друг на друга. На конкретных примерах учащимся показывают, что «сила -- причина изменения скорости движения».

Данное определение также соответствует ньютоновской трактовке понятия силы: «... приложенная сила -- есть действие, производимое над телом, чтобы изменить его состояние покоя или равномерного прямолинейного движения».

Но действие одного тела на другое, или сила, может быть больше или меньше, поскольку в большей или меньшей мере может изменяться движение тела, т. е. его скорость. А быстрота изменения скорости, как известно, характеризуется ускорением.

Можно сказать, чем больше ускорение тела, тем значительнее взаимодействие тел или сила, с которой одно тело действует на другое.

Но ускорение тела можно найти по формуле

которая в векторной форме имеет вид:Знак «--» показывает, что ускорения и имеют противоположные направления.

Из данной формулы видно, от каких величин зависит ускорение избранного первого тела массой т1 и как можно количественно определить «действие» на него второго тела, к которому относятся величины и и произведение -- . Это произведение по определению называют силой .

Следовательно,

,или.

Обратим внимание на то, что сила является «внешней» по отношению к первому телу, так как определяется через величины и характеризующие второе тело.

На это обстоятельство обращал внимание и Ньютон. «Определив силу («Определение IV») как «действие», производимое над телом, чтобы изменить его состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, Ньютон указывает на внешний по отношению к телу характер этого действия».

Выражение нельзя рассматривать только как определение силы. Оно выражает определенный физический закон (по существу это закон действия и противодействия). Оно осталось бы только определением, если бы, кроме данного уравнения, мы ничего другого не знали о силе.

Следовательно, сила в механике -- это физическая величина, которую можно определить как «количественную меру действия тел друг на друга, в результате которого тела получают ускорение».

Далее естественно возникает вопрос, как и в каких единицах измерять силы. Эти сведения уже известны учащимся: они получили первоначальное понятие о силах тяжести, упругости и трения и их измерении динамометрами.

Эти сведения следует повторить, в том числе восстановить в памяти учащихся, что за единицу силы принят 1 Н -- сила, приблизительно равная силе тяжести, действующей на тело массой 0,1 кг или, точнее, кг.

Здесь можно рассказать ребятам, что гири как эталоны не только массы, но и силы, прежде всего веса, использовались разными народами с незапамятных времен. Используются они в этих целях и в настоящее время. Так, например, тяжелоатлеты, соревнуясь в силе, поднимают гири или штанги.

Однако вес гирь как эталон силы имеет существенный недостаток: он неодинаков в различных местах земного шара и тем более на других планетах и в космосе, где он вообще может быть равен нулю. И если разницей в весе тел на Земле и в повседневной практике часто можно пренебречь, то ей никак нельзя пренебречь в точных физических расчетах и метрологии. Поэтому и градуировка пружинного динамометра с помощью гирь имеет тот же недостаток. Следовательно, нужно найти другие, принципиально более точные способы измерения и вычисления сил.

Страницы: 1, 2, 3, 4