Definiți greutatea corporală de către un fizician. Masa și greutatea corporală

Întâlnesc în mod regulat faptul că oamenii nu înțeleg diferența dintre greutate și masă. Acest lucru este în general de înțeles, deoarece ne petrecem întreaga viață în câmpul gravitațional necontenit al Pământului, iar aceste cantități sunt conectate în mod constant pentru noi. Și această legătură este întărită și lingvistic de faptul că aflăm masa cu ajutorul cântarului, ne „cântărim” sau, să zicem, mâncarea într-un magazin.
Dar să încercăm totuși să descurcăm aceste concepte.

Nu vom intra în subtilități (cum ar fi g diferite în diferite locuri de pe Pământ și așa mai departe). Aș dori să menționez că toate acestea sunt incluse în cursul de fizică școlară, așa că dacă toate cele de mai jos sunt evidente pentru tine, nu înjurati pe cei care nu au reușit să înțeleagă aceste lucruri și, în același timp, pe cei care au decis pentru a explica acest lucru pentru a suta oară.) Sper că vor exista oameni pentru care acest bilet le va suplimenta înțelegerea lumii din jurul lor.

Deci să mergem. Masa unui corp este o măsură a inerției sale. Adică, o măsură a cât de dificil este să schimbi viteza acestui corp în mărime (accelerare sau decelerare) sau în direcție. În sistemul SI se măsoară în kilograme (kg). Notat de obicei cu litera m. Este un parametru neschimbabil, fie pe Pământ, fie în spațiu.

Gravitația se măsoară în unități SI în Newtoni (N). Aceasta este forța cu care Pământul atrage un corp și este egală cu produsul m*g. Coeficientul g este de 10 m/s2, numit accelerație gravitațională. Odată cu această accelerație, un corp începe să se miște față de suprafața pământului, lipsit de sprijin (în special, dacă corpul a pornit dintr-o stare staționară, viteza lui va crește cu 10 m/s în fiecare secundă).

Acum luați în considerare un corp de masă m culcat nemișcat pe o masă. Pentru a fi mai precis, să fie masa de 1 kg. Acest corp este acționat vertical în jos de forța gravitației mg (verticala însăși este determinată exact de direcția forței gravitaționale), egală cu 10 N. V sistem tehnic Unitățile acestei forțe se numesc kilogram-forță (kgf).

Tabelul nu permite corpului nostru să accelereze, acționând asupra lui cu o forță N îndreptată vertical în sus (este mai corect să tragem această forță din masă, dar pentru ca liniile să nu se suprapună, voi desena și din centrul lui corpul):

N se numește forța de reacție a suportului, echilibrează forța gravitațională (în acest caz egală ca mărime cu aceiași 10 Newtoni), astfel încât forța rezultantă F (suma tuturor forțelor) să fie egală cu zero: F = mg - N = 0.

Și vedem că forțele sunt echilibrate din a doua lege a lui Newton F = m*a, conform căreia dacă accelerația corpului a este zero (adică este fie în repaus, ca în cazul nostru, fie se mișcă uniform și rectiliniu) , atunci forța rezultantă F este și ea zero.

Acum putem spune în sfârșit ce greutate este - aceasta este forța cu care corpul acționează asupra unui suport sau suspensie. Conform celei de-a treia legi a lui Newton, această forță este opusă forței N și este egală cu aceasta în valoare absolută. Adică, în acest caz este același 10 N = 1 kgf. Vi se poate părea că toate acestea sunt complicate inutil și ar fi trebuit să spuneți imediat că greutatea și gravitatea sunt același lucru? La urma urmei, ele coincid atât ca direcție, cât și ca amploare.

Nu, de fapt ele diferă semnificativ. Forța gravitației acționează constant. Greutatea se modifică în funcție de accelerația corpului. Să dăm exemple.

1. Porniți pe un lift de mare viteză (de mare viteză pentru ca faza de accelerație să fie mai impresionantă/mai vizibilă). Masa ta este, să zicem, 70 kg (puteți recalcula toate numerele de mai jos pentru masa dvs.). Greutatea ta într-un ascensor staționar (înainte de pornire) este de 700 N (sau 70 kgf). În momentul accelerării în sus, forța rezultată F este îndreptată în sus (aceasta te accelerează), forța de reacție N depășește forța gravitațională mg, iar din moment ce greutatea ta (forța cu care acționezi pe podeaua lift) coincide în valoare absolută cu N, experimentați așa-numita suprasarcină. Dacă liftul ar accelera cu accelerația g, atunci ați experimenta o greutate de 140 kgf, adică o forță g de 2g, de 2 ori greutatea de repaus. De fapt, în funcționarea normală, astfel de supraîncărcări nu apar în lifturi, de obicei, accelerația nu depășește 1 m/s2, ceea ce duce la o suprasarcină de doar 1,1 g. Greutatea în cazul nostru va fi de 77 kgf. Când liftul a accelerat până la viteza necesară, accelerația este zero, iar greutatea revine la 70 kgf inițial. La decelerare, greutatea, dimpotrivă, scade, iar dacă accelerația în valoare absolută este de 1 m/s2, atunci suprasarcina va fi de 0,9g. Când conduceți înăuntru reversul(jos) situatia se inverseaza: la accelerare greutatea scade, in sectiune uniforma greutatea se reface, la decelerare greutatea creste.

2. Alergați și greutatea de odihnă este încă de 70 kgf. În momentul alergării, când împingi de la sol, greutatea ta depășește 70 kgf. Și în timp ce zbori (un picior a părăsit pământul, celălalt încă nu s-a atins), greutatea ta este zero (din moment ce nu influențezi nici suportul, nici gimbalul). Aceasta este imponderabilitate. Adevărat, este destul de scurt. Astfel, alergatul este o alternanță de suprasarcină și imponderabilitate.

Permiteți-mi să vă reamintesc că forța gravitațională din toate aceste exemple nu a dispărut, nu s-a schimbat și a fost 70 kgf = 700 N pe „câștigați cu greu” dvs.

Acum să extindem semnificativ faza de imponderabilitate: imaginați-vă că vă aflați pe ISS (Stația Spațială Internațională). În același timp, nu am eliminat forța gravitației - încă acționează asupra ta - dar din moment ce atât tu, cât și stația vă aflați în aceeași mișcare orbitală, sunteți fără greutate față de ISS. Vă puteți imagina oriunde în spațiul cosmic, doar că ISS este puțin mai realistă.)

Cum va fi interacțiunea ta cu obiectele? Masa ta este de 70 kg, iei in mana un obiect de 1 kg si il arunci departe de tine. În conformitate cu legea conservării impulsului, viteza principală va fi primită de un obiect de 1 kg, deoarece este mai puțin masiv, iar aruncarea va fi aproximativ la fel de „ușoară” ca pe Pământ. Dar dacă încercați să împingeți de pe un obiect care cântărește 1000 kg, atunci vă veți împinge de fapt departe de el, deoarece în acest caz veți primi singur viteza principală, iar pentru a vă accelera 70 kg va trebui să dezvoltați mai multă forță. Pentru a vă imagina aproximativ cum este, acum puteți să mergeți la perete și să vă împingeți de pe el cu mâinile.

Acum ai plecat de la gară la spatiu deschisși vrei să manipulezi un obiect masiv. Lăsați masa lui să fie de cinci tone.

Sincer să fiu, aș fi foarte atent la manipularea unui obiect de cinci tone. Da, imponderabilitate și toate astea. Dar doar viteza sa mică în raport cu ISS este suficientă pentru a apăsa degetul sau ceva mai serios. Aceste cinci tone sunt greu de mutat: a accelera, a opri.

Și nici nu vreau să-mi imaginez, așa cum a sugerat o persoană, între două obiecte care cântăresc 100 de tone. Cea mai mică mișcare din partea lor și vă vor zdrobi cu ușurință. În totală, caracteristică, imponderabilitate.)

Și, în sfârșit. Dacă zburați fericit în jurul ISS și loviți un perete/un perete etanș, atunci vă va răni exact la fel ca și când ați alerga cu aceeași viteză și ați lovi un perete/jamb în apartamentul dvs. Pentru că impactul îți reduce viteza (adică îți dă o accelerație negativă), iar masa ta este aceeași în ambele cazuri. Aceasta înseamnă că, conform celei de-a doua legi a lui Newton, forța de influență va fi proporțională.

Mă bucur că în filmele despre spațiu ("Gravity", "Interstellar", serialul TV "The Expanse") din ce în ce mai realist (deși nu fără defecte precum George Clooney zburând fără speranță de Sandra Bullock) afișează lucrurile de bază descrise. în această postare.

Lasă-mă să rezum. Masa este „inalienabilă” de la obiect. Dacă un obiect este greu de accelerat pe Pământ (mai ales dacă ați încercat să minimizați frecarea), atunci este la fel de dificil să îl accelerați în spațiu. În ceea ce privește cântare, atunci când stai pe ele, pur și simplu măsoară forța cu care sunt comprimate și, pentru comoditate, afișează această forță nu în Newtoni, ci în kgf. Fără a adăuga litera „s”, pentru a nu vă încurca.)

Conceptul cu care suntem familiarizați încă din copilărie este masa. Și totuși, într-un curs de fizică, există unele dificultăți asociate cu studiul acestuia. Prin urmare, este necesar să se definească clar cum poate fi recunoscut? Și de ce nu este egal cu greutatea?

Determinarea masei

Sensul științific natural al acestei valori este că determină cantitatea de substanță conținută în organism. Pentru a o desemna, se obișnuiește să se folosească litera latină m. Unitatea de măsură în sistemul standard este kilogramul. În sarcini și Viata de zi cu zi se folosesc adesea şi cele nesistemice: gram şi ton.

ÎN curs şcolar fizicienii răspund la întrebarea: „Ce este masa?” dat la studierea fenomenului de inerţie. Apoi este definită ca fiind capacitatea unui corp de a rezista schimbărilor în viteza de mișcare. Prin urmare, masa este numită și inertă.

Ce este greutatea?

În primul rând, aceasta este forța, adică un vector. Masa este o greutate scalară care este întotdeauna atașată de un suport sau suspensie și este îndreptată în aceeași direcție cu forța gravitațională, adică vertical în jos.

Formula de calcul a greutății depinde de dacă suportul (suspensia) se mișcă. Când sistemul este în repaus, se utilizează următoarea expresie:

P = m * g, unde P (în sursele engleze se folosește litera W) este greutatea corpului, g este accelerația căderii libere. Pentru pământ, g este de obicei considerat egal cu 9,8 m/s 2.

Din aceasta se poate deriva formula masei: m = P/g.

La deplasarea în jos, adică în direcția greutății, valoarea acesteia scade. Prin urmare, formula ia forma:

P = m (g - a). Aici „a” este accelerația sistemului.

Adică dacă aceste două accelerații sunt egale, se observă o stare de imponderabilitate când greutatea corpului este zero.

Când corpul începe să se miște în sus, vorbim de creștere în greutate. În această situație, apare o condiție de supraîncărcare. Deoarece greutatea corporală crește, iar formula sa va arăta astfel:

P = m (g + a).

Cum este legată masa de densitate?

Soluţie. 800 kg/m3. Pentru a utiliza formula deja cunoscută, trebuie să cunoașteți volumul petei. Este ușor de calculat dacă luați locul ca un cilindru. Atunci formula de volum va fi:

V = π * r 2 * h.

Mai mult, r este raza, iar h este înălțimea cilindrului. Apoi volumul va fi egal cu 668794,88 m 3. Acum poți număra masa. Se va dovedi astfel: 535034904 kg.

Răspuns: masa petrolului este de aproximativ 535036 tone.

Sarcina nr. 5. Stare: Lungimea celui mai lung cablu telefonic este de 15151 km. Care este masa de cupru care a intrat în fabricarea sa dacă secțiunea transversală a firelor este de 7,3 cm 2?

Soluţie. Densitatea cuprului este de 8900 kg/m3. Volumul se găsește folosind o formulă care conține produsul dintre suprafața bazei și înălțimea (aici lungimea cablului) cilindrului. Dar mai întâi trebuie să convertiți această zonă în metri patrati. Adică a împărți număr dat la 10.000 După calcule, se dovedește că volumul întregului cablu este de aproximativ 11.000 m 3.

Acum trebuie să înmulțiți valorile densității și volumului pentru a afla cu ce este egală masa. Rezultatul este numărul 97900000 kg.

Răspuns: masa cuprului este de 97900 de tone.

O altă problemă legată de masă

Sarcina nr. 6. Stare: Cea mai mare lumânare, cântărind 89867 kg, avea un diametru de 2,59 m. Care era înălțimea ei?

Soluţie. Densitatea cerii este de 700 kg/m3. Înălțimea va trebui să fie găsită din Adică, V trebuie împărțit la produsul lui π și pătratul razei.

Și volumul în sine este calculat după masă și densitate. Se dovedește a fi egal cu 128,38 m 3. Înălțimea a fost de 24,38 m.

Răspuns: înălțimea lumânării este de 24,38 m.

Să luăm în considerare cazurile de conectare separat sursă externă curent alternativ la un rezistor cu rezistență R, capacitatea condensatorului Cși inductori L. În toate cele trei cazuri, tensiunile pe rezistor, condensator și bobină sunt egale cu tensiunea sursei de curent alternativ.

1. Rezistorul în circuitul AC

Rezistența R se numește activă deoarece un circuit cu o astfel de rezistență absoarbe energie.

Rezistență activă - dispozitiv în care energie curent electric convertită ireversibil în alte tipuri de energie (internă, mecanică)

Lăsați tensiunea din circuit să se schimbe conform legii: u = Umcos ωt ,

atunci puterea curentului se modifică conform legii: i = u/R = I R cosωt

u – valoarea tensiunii instantanee;

i – valoarea curentului instantaneu;

eu R- amplitudinea curentului care trece prin rezistor.

Relația dintre amplitudinile curentului și tensiunii pe un rezistor este exprimată prin relație RI R = U R

Fluctuațiile curentului sunt în fază cu fluctuațiile de tensiune. (adică defazajul dintre curent și tensiune pe rezistor este zero).

2. Condensator în circuit AC

Când un condensator este conectat la un circuit de tensiune DC, curentul este zero, iar atunci când un condensator este conectat la un circuit de tensiune AC, curentul nu este zero. Prin urmare, un condensator într-un circuit de tensiune AC creează mai puțină rezistență decât într-un circuit DC.

IC si tensiune

Curentul este înaintea tensiunii în fază cu un unghi de π/2.

3. Bobina în circuitul de curent alternativ

Într-o bobină conectată la un circuit de tensiune alternativă, puterea curentului este mai mică decât puterea curentului într-un circuit cu tensiune constantă pentru aceeași bobină. În consecință, bobina dintr-un circuit de tensiune alternativă creează mai multă rezistență decât într-un circuit de tensiune continuă.

Relația dintre amplitudinile curentului eu L si tensiune U L:

ω LI L = U L

Curentul întârzie în fază față de tensiune cu un unghi π/2.

Acum putem construi o diagramă vectorială pentru un circuit RLC în serie în care oscilațiile forțate apar la frecvența ω. Deoarece curentul care curge prin secțiunile conectate în serie ale circuitului este același, este convenabil să se construiască o diagramă vectorială în raport cu vectorul care reprezintă oscilațiile curentului din circuit. Notăm amplitudinea curentului cu eu 0 . Se presupune că faza curentă este zero. Acest lucru este destul de acceptabil, deoarece nu sunt de interes fizic valori absolute faze, dar schimbări de fază relative.

Diagrama vectorială din figură este construită pentru cazul în care sau În acest caz, tensiunea sursei externe este înaintea în fază a curentului care curge în circuit cu un anumit unghi φ.

Diagrama vectorială pentru un circuit RLC serial

Din figură este clar că

de unde urmează

Din expresia pentru eu 0 este clar că amplitudinea curentului ia valoare maximă dat fiind

Fenomenul de creștere a amplitudinii oscilațiilor curentului atunci când frecvența ω a unei surse externe coincide cu frecvența naturală ω 0 a circuitului electric se numește rezonanță electrică . La rezonanţă

Defazatul φ dintre tensiunea aplicată și curentul în circuit devine zero la rezonanță. Se numește rezonanța într-un circuit RLC în serie rezonanța tensiunii. În mod similar, folosind o diagramă vectorială, puteți studia fenomenul de rezonanță atunci când conectați elemente în paralel R, LȘi C(așa-zisul rezonanța curentă).

La amplitudini de rezonanţă secvenţială (ω = ω 0). U CȘi U L Tensiunile de pe condensator și bobină cresc brusc:

Figura ilustrează fenomenul de rezonanță într-un circuit electric în serie. Figura arată grafic dependența raportului de amplitudine U C tensiunea pe condensator la amplitudinea 0 a tensiunii sursei de la frecvența sa ω. Curbele din figură se numesc curbe de rezonanță.

Inapoi inainte

Atenţie! Previzualizările diapozitivelor au doar scop informativ și este posibil să nu reprezinte toate caracteristicile prezentării. Dacă sunteți interesat acest lucru, vă rugăm să descărcați versiunea completă.

Această prezentare are scopul de a ajuta elevii din clasele 9-10 atunci când pregătesc subiectul „Greutatea corporală”.

Obiective de prezentare:

Repetați și aprofundați conceptele: „gravitație”; "greutate corporala"; „imponderabilitate”.
Subliniați elevilor că gravitația și greutatea corporală sunt forte diferite.
Învățați elevii să determine greutatea unui corp care se mișcă vertical.

În viața de zi cu zi, greutatea corporală este determinată de cântărire. De la cursul de fizică de clasa a VII-a știm că gravitația este direct proporțională cu masa unui corp. Prin urmare, greutatea unui corp este adesea identificată cu masa sau gravitația sa. Din punct de vedere al fizicii, aceasta este o greșeală gravă. Greutatea corporală este o forță, dar gravitația și greutatea corporală sunt forțe diferite.

Gravitatie - caz special manifestări de forță gravitația universală. Prin urmare, este oportun să amintim legea gravitației universale, precum și faptul că forțele de atracție gravitațională se manifestă atunci când corpurile sau unul dintre corpuri au mase enorme (diapozitivul 2).

Când se aplică legea gravitației universale pentru condiții terestre (diapozitivul 3), planeta poate fi considerată ca o minge omogenă, iar corpurile mici din apropierea suprafeței sale ca mase punctuale. Raza pământului este de 6400 km. Masa Pământului este de 6∙10 24 kg.

= ,
unde g este accelerația căderii libere.

Aproape de suprafața Pământului g = 9,8 m/s 2 ≈ 10 m/s 2 .

Greutatea corporală este forța cu care acest corp acționează asupra unui suport orizontal sau întinde o suspensie.

Fig.1

În fig. Figura 1 prezintă un corp pe un suport. Forța de reacție a suportului N (control F) se aplică nu suportului, ci corpului situat pe acesta. Modulul forței de reacție a solului este egal cu modulul greutății conform celei de-a treia legi a lui Newton. Greutatea corporală este un caz special de manifestare a elasticității. Cea mai importantă caracteristică greutatea este ca valoarea sa depinde de acceleratia cu care se misca suportul sau suspensia. Greutate egală cu forța gravitația numai pentru un corp în repaus (sau un corp care se mișcă cu viteză constantă). Dacă corpul se mișcă cu accelerație, atunci greutatea poate fi mai mare sau mai mică decât gravitația și chiar egală cu zero.

Prezentarea, folosind exemplul de rezolvare a problemei 1, examinează diverse cazuri de determinare a greutății unei sarcini de 500 g suspendată de un arc dinamometru, în funcție de natura mișcării:

a) sarcina este ridicată în sus cu o accelerație de 2 m/s 2 ;
b) sarcina este coborâtă cu o accelerație de 2 m/s 2 ;
c) sarcina este ridicată uniform;
d) greutatea cade liber.

Sarcinile pentru calcularea greutății corporale sunt incluse în secțiunea „Dinamica”. Rezolvarea problemelor de dinamică se bazează pe utilizarea legilor lui Newton cu proiecția ulterioară pe axele de coordonate selectate. Aceasta determină succesiunea acțiunilor.

Se realizează un desen care arată forțele care acționează asupra corpului (corpilor) și direcția de accelerație. Dacă direcția de accelerație este necunoscută, aceasta este aleasă în mod arbitrar, iar rezolvarea problemei oferă un răspuns despre corectitudinea alegerii.
Scrieți a doua lege a lui Newton sub formă vectorială.
Selectați axele. De obicei, este convenabil să direcționați una dintre axe de-a lungul direcției de accelerație a corpului, iar a doua - perpendiculară pe accelerație. Alegerea axelor este determinată de considerente de comoditate: astfel încât expresiile pentru proiecțiile legilor lui Newton ar avea cea mai simplă formă.
Ecuațiile vectoriale obținute în proiecții pe axe sunt completate cu relații care decurg din textul condițiilor problemei. De exemplu, ecuații ale relațiilor cinematice, definiții ale mărimilor fizice, a treia lege a lui Newton.
Folosind sistemul de ecuații rezultat, ei încearcă să răspundă la întrebarea problemei.

Configurarea animației într-o prezentare vă permite să subliniați succesiunea acțiunilor atunci când rezolvați probleme. Acest lucru este important, deoarece abilitățile dobândite prin rezolvarea problemelor de calculare a greutății corporale vor fi utile studenților atunci când studiază alte subiecte și secțiuni de fizică.

Rezolvarea problemei 1.

1a. Corpul se deplasează cu o accelerație de 2 m/s 2 în sus (diapozitivul 7).

Fig.2

1b. Corpul se deplasează cu accelerație în jos (diapozitivul 8). Îndreptăm axa OY în jos, apoi proiecțiile gravitației și elasticității din ecuația (2) își schimbă semnele și arată astfel:

(2) mg – F control = ma.

Prin urmare, P = m(g-a) = 0,5 kg∙(10 m/s 2 - 2 m/s 2) = 4 N.

secolul I La mișcare uniformă(diapozitivul 9) ecuația (2) are forma:

(2) mg – F control = 0, deoarece nu există accelerație.

Prin urmare, P = mg = 5 N.

1 anÎn cădere liberă = (alunecarea 10). Să folosim rezultatul rezolvării problemei 1b:

P = m(g – a) = 0,5 kg(10 m/s 2 – 10 m/s 2) = 0 H.

Starea în care greutatea corporală este zero se numește stare de imponderabilitate.

Corpul este afectat doar de gravitație.

Vorbind despre imponderabilitate, trebuie remarcat faptul că astronauții experimentează o stare prelungită de imponderabilitate în timpul zborului cu motoarele navelor spațiale oprite.

navă și pentru a experimenta o stare de imponderabilitate pe termen scurt, trebuie doar să sari. O persoană care alergă în momentul în care picioarele lui nu ating pământul este și ea într-o stare de imponderabilitate.

Prezentarea poate fi folosită în clasă pentru a explica subiectul „Greutatea corporală”. În funcție de nivelul de pregătire al orei, elevilor s-ar putea să nu li se ofere toate diapozitivele cu soluții la problema 1. De exemplu, în clasele cu motivație crescută pentru studiul fizicii, este suficient să explici cum se calculează greutatea unui corp în mișcare. cu accelerare ascendentă (sarcina 1a), iar problemele rămase (b , c, d) prevăd decizie independentă urmată de verificare. Elevii ar trebui să încerce să tragă singuri concluziile obținute în urma rezolvării problemei 1.

Concluzii (diapozitivul 11).

Greutatea corporală și gravitația sunt forțe diferite. Au naturi diferite. Aceste forțe se aplică diferitelor corpuri: gravitația - asupra corpului; greutatea corporală - la suport (suspensie).
Greutatea unui corp coincide cu forța gravitației numai atunci când corpul este staționar sau se mișcă uniform și rectiliniu, iar asupra lui nu acționează alte forțe, cu excepția gravitației și reacției suportului (tensiunea suspensiei).
Greutatea unui corp este mai mare decât forța gravitațională (P > mg) dacă accelerația corpului este îndreptată în direcția opusă direcției gravitației.
Greutatea corporală este mai mică decât gravitația (P< mg), если ускорение тела совпадает по направлению с силой тяжести.
Starea în care greutatea corporală este zero se numește stare de imponderabilitate. Un corp se află într-o stare de imponderabilitate atunci când se mișcă cu accelerația gravitației, adică atunci când asupra lui acționează doar forța gravitației.

Sarcinile 2 și 3 (diapozitivul 12) pot fi oferite elevilor ca teme.

Prezentarea Greutate corporală poate fi folosită pentru învățământ la distanță. In acest caz se recomanda:

când vizualizați prezentarea, notați în caiet soluția problemei 1;
rezolva în mod independent problemele 2, 3, folosind succesiunea de acțiuni propusă în prezentare.

O prezentare pe tema „Greutatea corporală” vă permite să prezentați teoria rezolvării problemelor de dinamică într-o interpretare interesantă, accesibilă. Prezentarea activează activitatea cognitivă a elevilor și le permite să se formeze abordarea corectă la rezolvarea problemelor fizice.

Literatură:

Grinchenko B.I. Fizica 10-11. Teoria rezolvarii problemelor. Pentru elevii de liceu și cei care intră în universități. – Velikiye Luki: Tipografia orașului Velikiye Luki, 2005.
Gendenshtein L.E. Fizică. Clasa 10. La ora 2 Ch 1./L.E. Gendenshtein, Yu.I. Dick. – M.: Mnemosyne, 2009.
Gendenshtein L.E. Fizică. Clasa 10. La ora 2 Partea 2. Cartea problemelor./L.E. Gendenshtein, L.A. Kirik, I.M. Gelgafgat, I.Yu. Nenashev - M.: Mnemosyne, 2009.

Resurse de internet:

imagini.yandex.ru
videocat.chat.ru

Destul de multe greșeli și alunecări non-aleatorie ale elevilor sunt legate de puterea greutății. Expresia „puterea greutății” în sine nu este foarte familiară, deoarece noi (profesori, autori de manuale și cărți cu probleme, manuale metodologiceși cărți de referință) sunt mai obișnuiți să spună și să scrie „greutatea corporală”. Astfel, sintagma în sine ne îndepărtează de conceptul că greutatea este forță și duce la faptul că greutatea corporală este confundată cu greutatea corporală (în magazin auzim adesea oameni care cer să cântărească câteva kilograme dintr-un produs). A doua greșeală comună pe care o fac elevii este confundarea forței greutății cu forța gravitației. Să încercăm să înțelegem forța greutății la nivelul unui manual școlar.

În primul rând, să ne uităm la literatura de referință și să încercăm să înțelegem punctul de vedere al autorilor asupra acestei probleme. Yavorsky B.M., Detlaf A.A. (1) în cartea de referință pentru ingineri și studenți, greutatea unui corp este forța cu care acest corp acționează datorită gravitației către Pământ asupra suportului (sau suspensiei) care ține corpul de cădere liberă. Dacă corpul și suportul sunt nemișcate în raport cu Pământul, atunci greutatea corpului este egală cu gravitația sa. Să setăm mai multe întrebări naive la definitie:

1. Despre ce sistem de raportare vorbim?

2. Există un singur suport (sau suspensie) sau mai multe (suporturi și suspensii)?

3. Dacă un corp gravitează nu spre Pământ, ci spre Soare, de exemplu, va avea greutate?

4. Dacă corpul este în nava spatiala, deplasându-se cu accelerație, „aproape” nu gravitează spre nimic din spațiul observabil, va avea greutate?

5. Cum se află suportul în raport cu orizont, suspensia este verticală în cazul egalității greutății corporale și a gravitației?

6. Dacă un corp se mișcă uniform și rectiliniu împreună cu un suport față de Pământ, atunci greutatea corpului este egală cu gravitația sa?

În ghidul de referință la fizică pentru cei care intră în universități și autoeducație de B.M. și Selezneva Yu.A. (2) dați o explicație a ultimei întrebări naive, lăsându-le pe primele nesupravegheate.

Koshkin N.I. și Shirkevich M.G. (3) se propune să se considere greutatea corporală ca vector cantitate fizica, care poate fi găsită prin formula:

Exemplele de mai jos vor arăta că această formulă funcționează în cazurile în care nicio altă forță nu acționează asupra corpului.

Kuhling H. (4) nu introduce deloc conceptul de greutate ca atare, identificându-l practic cu forța gravitației în desene forța de greutate se aplică corpului, și nu suportului;

În popularul „Tutor de fizică” de I.L. Kasatkina. (5) greutatea unui corp este definită ca forța cu care corpul acționează asupra unui suport sau suspensie datorită atracției către planetă. În următoarele explicații și exemple date de autor, răspunsurile sunt date doar la a 3-a și a 6-a dintre întrebările naive.

Majoritatea manualelor de fizică oferă definiții ale greutății care sunt mai mult sau mai puțin asemănătoare cu definițiile autorilor (1), (2), (5). Când studiezi fizica în clasele a VII-a și a IX-a, acest lucru poate fi justificat. În clasele a 10-a de specialitate cu o astfel de definiție, atunci când rezolvăm o întreagă clasă de probleme, nu se pot evita diverse tipuri de întrebări naive (în general, nu este nevoie să ne străduim să evitați deloc întrebări).

Autorii Kamenetsky S.E., Orehov V.P. în (6) distingând și explicând conceptele de gravitație și greutate corporală, ei scriu că greutatea corporală este o forță care acționează asupra unui suport sau suspensie. Asta e tot. Nu este nevoie să citiți printre rânduri. Adevărat, tot vreau să întreb, câte suporturi și suspensii și poate o caroserie să aibă atât suport, cât și suspensie deodată?

Și, în sfârșit, să ne uităm la definiția greutății corporale dată de V.A. (7) în manualul de fizică clasa a X-a: „greutatea unui corp este forța elastică totală a corpului, care acționează în prezența gravitației asupra tuturor legăturilor (suporturi, suspensii).” Dacă ne amintim că forța gravitației este egală cu rezultanta a două forțe: forța de atracție gravitațională asupra planetei și forța centrifugă de inerție, cu condiția ca această planetă să se rotească în jurul axei sale, sau o altă forță inerțială asociată cu mișcare accelerată această planetă, atunci s-ar putea fi de acord cu această definiție. Deoarece nimeni nu ne împiedică să ne imaginăm o situație în care una dintre componentele gravitației va fi neglijabilă, de exemplu, cazul unei nave spațiale în spațiul profund. Și chiar și cu aceste rezerve, este tentant să eliminați prezența obligatorie a gravitației din definiție, deoarece sunt posibile situații când există și alte forțe inerțiale care nu sunt asociate cu mișcarea planetei sau cu forțele Coulomb de interacțiune cu alte corpuri, de exemplu. Sau să fiți de acord cu introducerea unei anumite forțe „echivalente” a gravitației în sistemele de raportare non-inerțială și să dați o definiție a forței de greutate pentru cazul în care nu există nicio interacțiune a corpului cu alte corpuri, cu excepția corpului care creează atracție gravitațională, suporturi si suspensii.

Și totuși, să decidem când greutatea unui corp este egală cu forța gravitației în sistemele de raportare inerțiale?

Să presupunem că avem un suport sau o suspendare. Este suficient ca suportul sau suspensia să fie nemișcată în raport cu Pământul (considerăm Pământul sistem inerțial raport), sau se mișcă uniform și în linie dreaptă? Să luăm un suport fix situat într-un unghi față de orizontală. Dacă suportul este neted, atunci corpul alunecă plan înclinat, adică nu se sprijină pe un suport și nu se află în cădere liberă. Și dacă suportul este suficient de dur încât corpul să fie în repaus, atunci fie planul înclinat nu este un suport, fie greutatea corpului nu este egală cu forța gravitației (puteți, desigur, să mergeți mai departe și să puneți la îndoială că greutatea corpului nu este egală ca mărime și nu este opusă în direcția forței de reacție a solului și atunci nu va mai fi nimic de vorbit). Dacă considerăm planul înclinat ca fiind un suport, iar propoziția din paranteze ca fiind ironie, atunci, rezolvând ecuația pentru cea de-a doua lege a lui Newton, care pentru acest caz va fi și condiția pentru echilibrul unui corp pe un plan înclinat, scrisă în proiecții pe axa Y, vom obține expresia pentru altă greutate decât gravitația:

Deci, în acest caz, nu este suficient să spunem că greutatea unui corp este egală cu forța gravitațională atunci când corpul și suportul sunt nemișcate în raport cu Pământul.

Să dăm un exemplu cu o suspensie și un corp pe ea care sunt nemișcate în raport cu Pământul. O bilă de metal încărcată pozitiv pe un fir este plasată într-o formă omogenă câmp electric astfel încât firul să facă un anumit unghi cu verticala. Să aflăm greutatea bilei din condiția ca suma vectorială a tuturor forțelor să fie egală cu zero pentru un corp în repaus.

După cum vedem, în cazurile de mai sus, greutatea corpului nu este egală cu forța gravitațională atunci când este îndeplinită condiția de imobilitate a suportului, suspensiei și corpului față de Pământ. Particularitățile cazurilor de mai sus sunt existența forței de frecare și, respectiv, a forței Coulomb, a cărei prezență duce de fapt la faptul că corpurile sunt împiedicate să se miște. Pentru suspensie verticală și suport orizontal, nu sunt necesare forțe suplimentare pentru a împiedica corpul să se miște. Astfel, la starea de imobilitate a suportului, suspensiei si corpului fata de Pamant, am putea adauga ca suportul este orizontal si suspensia verticala.

Dar această adăugare ne va rezolva întrebarea? Intr-adevar, in sistemele cu suspensie verticala si suport orizontal pot actiona forte care reduc sau cresc greutatea corpului. Acestea ar putea fi forța lui Arhimede, de exemplu, sau forța Coulomb îndreptată vertical. Să rezumam pentru un suport sau o suspensie: greutatea unui corp este egală cu forța gravitațională atunci când corpul și suportul (sau suspensia) sunt în repaus (sau se mișcă uniform și liniar) în raport cu Pământul și numai reacția forța suportului (sau forța elastică a suspensiei) și forța acționează asupra gravitației corpului. Absența altor forțe, la rândul său, presupune că suportul este orizontal și suspensia verticală.

Să luăm în considerare cazurile în care un corp cu mai multe suporturi și/sau suspensii este în repaus (sau se mișcă uniform și rectiliniu cu ele în raport cu Pământul) și nicio altă forță nu acționează asupra lui în afară de forțele de reacție ale suportului, forțele elastice ale suspensii și atracție către Pământ. Folosind definiția forței de greutate de către Kasyanov V.A. (7), vom găsi forța elastică totală a conexiunilor corpului în primul și al doilea caz prezentat în figuri. Suma geometrică a forțelor elastice ale legăturilor F, în modul egal cu greutatea corpului, pe baza stării de echilibru, este într-adevăr egală cu forța gravitațională și opusă acesteia în direcție, iar unghiurile de înclinare ale planurilor față de orizont și unghiurile de abatere ale suspensiile de pe verticală nu afectează rezultatul final.

Să luăm în considerare un exemplu (figura de mai jos), când într-un sistem staționar față de Pământ corpul are un suport și suspensie și nicio altă forță nu acționează în sistem cu excepția forțelor conexiunilor elastice. Rezultatul este similar cu cel de mai sus. Greutatea corpului este egală cu forța gravitațională.

Deci, dacă un corp se află pe mai multe suporturi și (sau) suspensii și se află în repaus cu acestea (sau se mișcă uniform și rectiliniu) în raport cu Pământul, în absența altor forțe cu excepția gravitației și a forțelor de elasticitate ale conexiunilor, greutatea este egală cu forța gravitațională. În acest caz, amplasarea suporturilor și umeraselor în spațiu și numărul acestora nu afectează rezultatul final.

Să luăm în considerare exemple de găsire a greutății corporale în sisteme de raportare non-inerțială.

Exemplul 1. Aflați greutatea unui corp de masa m care se deplasează într-o navă spațială cu accelerație Aîn spațiu „gol” (atât de departe de alte corpuri masive încât gravitația lor poate fi neglijată).

În acest caz, asupra corpului acționează două forțe: forța de inerție și forța de reacție a suportului. Dacă accelerația în mărime este egală cu accelerația gravitației pe Pământ, atunci greutatea corpului va fi egală cu forța gravitației pe Pământ, iar prova navei va fi percepută de astronauți ca plafon și coadă. ca podeaua.

Gravitația artificială creată în acest fel pentru astronauții din interiorul navei nu va fi diferită de cea „adevărată” pământească.

ÎN în acest exemplu Neglijăm, datorită micii sale, componenta gravitațională a gravitației. Atunci forța de inerție asupra navei spațiale va fi egală cu forța gravitației. Având în vedere acest lucru, putem fi de acord că cauza greutății corporale în acest caz este gravitația.

Să ne întoarcem pe Pământ.

Exemplul 2.

Raportat la sol cu accelerație A Se deplasează un cărucior, pe care un corp este atașat de un fir de masă m, deviat sub un unghi față de verticală. Găsiți greutatea corpului, neglijați rezistența aerului.

Problema este cu o suspensie, prin urmare, greutatea este egală ca mărime cu forța elastică a firului.

Astfel, puteți utiliza orice formulă pentru a calcula forța elastică și, prin urmare, greutatea corpului (dacă forța de rezistență a aerului este suficient de mare, atunci va trebui luată în considerare ca termen al forței de inerție).

Să mai lucrăm cu formula

Prin urmare, introducând forța „echivalentă” a gravitației, putem afirma că în acest caz greutatea corpului este egală cu forța „echivalentă” a gravitației. Și, în sfârșit, putem da trei formule pentru calculul său:

Exemplul 3.

Aflați greutatea unui șofer de curse cu masa m într-un vehicul în mișcare cu accelerație A mașină.

La accelerații mari, forța de reacție a suportului spătarului scaunului devine semnificativă și o vom lua în considerare în acest exemplu. Forța elastică totală a conexiunilor va fi egală cu suma geometrică a ambelor forțe de reacție a suportului, care la rândul său este egală ca mărime și opusă ca direcție cu suma vectorială a forțelor de inerție și gravitație. Pentru această problemă, găsim modulul forței de greutate folosind formulele:

Accelerația efectivă a gravitației se găsește ca în problema anterioară.

Exemplul 4.

O minge pe o sfoară de masă m este fixată pe o platformă care se rotește cu o viteză unghiulară constantă ω la o distanță r de centrul său. Găsiți greutatea mingii.

Găsirea greutății corporale în sistemele de raportare non-inerțială din exemplele date arată cât de bine funcționează formula pentru greutatea corporală propusă de autori în (3). Să complicăm puțin situația în exemplul 4. Să presupunem că mingea este încărcată electric, iar platforma, împreună cu conținutul ei, se află într-un câmp electric vertical uniform. Care este greutatea mingii? În funcție de direcția forței Coulomb, greutatea corpului va scădea sau crește:

S-a întâmplat că problema greutății s-a redus în mod natural la problema gravitației. Dacă definim forța gravitațională ca rezultanta forțelor de atracție gravitațională către o planetă (sau către orice alt obiect masiv) și inerție, ținând cont de principiul echivalenței, lăsând însăși originea forței de inerție în ceață , atunci ambele componente ale gravitației, sau una dintre ele, cel puțin vor cauza greutatea corporală. Dacă în sistem, alături de forța de atracție gravitațională, forța de inerție și forțele conexiunilor elastice, există și alte interacțiuni, atunci acestea pot crește sau micșora greutatea corpului, ducând la o stare în care greutatea corpul devine egal cu zero. Și aceste alte interacțiuni pot determina creșterea în greutate în unele cazuri. Să încărcăm o minge pe un fir subțire neconductor într-o navă spațială care se mișcă uniform și rectiliniu în spațiul „gol” îndepărtat (vom neglija forțele gravitaționale din cauza micii lor). Să punem mingea într-un câmp electric, firul se va întinde și va apărea greutatea.

Rezumând ceea ce s-a spus, ajungem la concluzia că greutatea unui corp este egală cu forța gravitațională (sau forța gravitațională echivalentă) în orice sistem în care nicio altă forță nu acționează asupra corpului cu excepția forțelor gravitației, inerției și elasticității conexiuni. Gravitația sau gravitația „echivalentă” este cel mai adesea cauza forței de greutate. Greutatea și gravitația au natură diferităși aplicate diferitelor organisme.

Bibliografie.

1. Yavorsky B.M., Detlaf A.A. Manual de fizică pentru ingineri și studenți, M., Nauka, 1974, 944 p.

2. Yavorsky B.M., Selezneva Yu.A. Ghid de referință pentru fizică pentru

intrarea în universități și autoeducația., M., Nauka, 1984, 383 p.

3. Koshkin N.I., Shirkevich M.G. Manual de fizică elementară., M., Nauka, 1980, 208 p.

4. Kuhling H. Manual de fizică., M., Mir, 1983, 520 p.

5. Kasatkina I.L. Tutor de fizică. Teorie. Mecanica. Fizica moleculară. Termodinamica. Electromagnetism. Rostov-pe-Don, Phoenix, 2003, 608 p.

6. Kamenetsky S.E., Orehov V.P. Metode de rezolvare a problemelor de fizică în liceu., M., Educație, 1987, 336 p.

7. Kasyanov V.A. Fizică. clasa a X-a, M., Butarda, 2002, 416 p.