Урок по теме: "Сила трения"

Цели урока:

• Образовательные:
  • изучить силу трения, на опытных фактах установить направление силы трения, связь между максимальной силой трения покоя (скольжения) и силой давления;
  • добиться четкого усвоения физического смысла коэффициента трения, природы возникновения силы трения;
  • научиться решать качественные и расчетные задачи по теме и экспериментально определять коэффициент трения скольжения.
• Воспитательные:
  • поддержание эмоциональной и доброжелательной атмосферы;
  • дальнейшее развитие индивидуально-групповой работы на уроке.
• Развивающие:
  • научиться выделять явления, в которых присутствует сила трения в природе и технике;
  • научиться определять направление силы трения при движении колесного транспорта;
  • познакомиться с краткими историческими сведениями изучения силы трения с возможностями учета и использования силы трения в технике.

ХОД УРОКА

I. Организционнй момент

II. Постановка задачи

На доске записано определение:

Сила трения – сила, возникающая при движении или попытке вызвать движение одного тела по поверхности другого и направленная вдоль соприкасающихся поверхностей.

План урока (записан на боковой доске).

1. Сила трения. Природа возникновения силы трения.
2. Виды сил трения (трение покоя, трение скольжения, трение качения)
3. Вязкое трение.
4. Решение качественных задач. Рассмотрение способов уменьшения и увеличения силы трения.
5. Выполнение лабораторной работы в тетради для лабораторных работ для 10 класса: “Измерение коэффициента трения скольжения” Для сильных учеников предлагаются индивидуальные творческие задания.

Учитель: Скажите, пожалуйста, о какой силе идет речь в отрывке “И вот визжит замок заржавый . Визжит предательская дверь ...” (О силе трения.)
Трение наш друг и враг. За этими словами кроется очень многое. Много пословиц, в которых используется знание силы трения и способов ее уменьшения:

• На полугорье, воз не останавливают. (Русская)
• Пошло дело, как по маслу. (Русская)
• Учиться – что тележку в гору тащить, стоит отпустить, назад покатиться. (Японская)

– С силой трения вы уже знакомы, сегодня вы пополните и расширите свои знания по этому вопросу.

III. Изучение нового матеиала

– Третий тип сил, с которыми имеют дело в механике – это силы трения. Эти силы имеют электромагнитную природу, т.е. в основе сил трения лежат электрические силы взаимодействия молекул.
Главная особенность сил трения, которая отличает их от гравитационных сил и сил упругости состоит в том, что они зависят от скорости движения тел относительно друг друга.
Попробуйте слегка двинуть книгу. Что заметили? (Книга осталась на месте.)

Рис. 1

– Почему книга не соскальзывает со слегка наклоненного нами стола? Причин несколько:

• Шероховатость поверхностей.
• Различный материал, из которого сделаны объекты.
• Молекулярные связи.

– Бесчисленные выступы на поверхности, которые хорошо заметны в микроскоп, не дают грузу скользить. Возникают силы взаимодействия молекул. При увеличений нагрузки, происходит разрыв молекулярных связей (“скалывание”) бугорков – износ трущихся деталей.
Чем лучше отполированы поверхности, тем лучше скользит тело, т.е. сила трения должна быть меньше. Но оказывается, шлифовка снижает трение, но не беспредельно. После некоторого предела сила трения возрастает. Высота неровностей уменьшается, и поверхности сблизятся настолько, что силы притяжения молекул охватят значительную часть поверхности соприкасающихся тел. Эти силы препятствуют смещению брусков относительно друг друга, что приводит к увеличению силы трения покоя.
При скольжении брусков рвутся межмолекулярные связи между молекулами, подобно тому, как у шероховатых поверхностей рушатся связи в самих бугорках.
Вам нужно передвинуть шкаф. Вы прикладываете силу горизонтально поверхности, но шкаф на месте. Почему? (Приложенная сила компенсируется другой силой, равной по модулю и противоположной по направлению – это сила трения покоя – статическое трение.)

На парте приготовлено оборудование: брусок, деревянная линейка, грузы по 100 г, динамометр. Учащиеся вместе с учителем выполняют опыты и отвечают на вопросы:

• Как зависит сила трения от массы?
• Зависит ли сила трения покоя от площади поверхности соприкосновения поверхностей?

– Страничку тетради развернули и поделили на три равные части. На доске с помощью компьютера проецируется таблица (без ответов учеников), идет обсуждение и проводятся опыты.

Вязкое трение – сила сопротивления.

• Вязкого трения покоя – нет.
• Причина одна – электромагнитная.
• Зависит от скорости. Зависимость сложная.

А) при малых скоростях сила трения пропорциональна скорости. F_тр = v

Б) при больших скоростях сила трения пропорциональна квадрату скорости. F_тр =v²

Рис. 2

В) при сверхзвуковых скоростях сила вязкого трения пропорциональна третьей степени скорости.

Рис. 3

Особенность силы вязкого трения в том, что она обращается в нуль вместе со скоростью.

Трение – наш друг и враг

Что такое трение?
Трение – явление.
Враг оно нам или друг?
Это знают все вокруг:
Если б трение пропало,
Что б со всеми нами стало?
Мы ходить бы не смогли,
Оттолкнувшись от Земли.
Если б взял ты что-то вдруг,
Оно выпало б из рук.
Помогает трение
Начинать движение
Всем машинам, тракторам,
Мотоциклам, поездам.
Ну а также тормозить
И их всех остановить.
Очень нужно тренье нам
Всем растеньям и зверям!
Но притом приносит вред
И немало разных бед:
В станках, приборах трутся части –
И это главное несчастье.
Ну а все автомашины
Быстро снашивают шины!
И поэтому вопрос
Не настолько уж и прост:
Трение – друг нам или враг?
Ответ двоякий: так и так!

IV. Качественные задачи

1. Каким будет движение автомобиля, ехавшего равномерно по горизонтальному шоссе, после выключения мотора? Ответ объясните. (Замедленным, так как на колеса действует сила трения, а на корпус – сопротивление воздуха, уменьшающие скорость)
2. Автомашина с прицепом должна перевезти тяжелый груз. Куда его выгодней поместить: в кузов или на прицеп? Почему? (В кузов. Это увеличит силу давления на задние колеса машины, значит, увеличит трение и сцепление с полотном дороги, движение машины будет более устойчивым.)
3. Почему зимой задние колеса некоторых грузовых автомобилей, работающих в сельской местности, перевязывают цепями? (Это увеличивает трение и уменьшает скольжение.)
4. автомобиль с грузом в кузове движется равномерно. Какой вид трения возникает между ним А) дорогой и колесами, Б) грузом и автомобилем. (А – трение качения, Б – трение покоя.)
5. Почему надо беречь смазочные материалы от попадания в них песка и пыли? (Песок и пыль увеличивают трение между деталями, и, значит, увеличивают износ.)
6. Что будет, если между тормозной колодкой и тормозным барабаном автомобиля попадет масло? Ответ объясните. (Это вызовет уменьшение трения между ними и ухудшает работу тормозов, что приведет к удлинению тормозного пути.)
7. Зачем между “листами” автомобильной рессоры вводят графит? (Графит уменьшает трение, возникающее между “листами” рессоры, что улучшает ее пружинящее действие.)

Если позволяет время, желательно разобрать с ребятами следующие ситуации:

1) Рассмотрение случая, когда без действия сил трения движение не могло бы возникнуть (движение автомобиля).

2) В чем физическая причина гибели “Челюскина”. Льды унесли “Челюскин” далеко на север и раздавили в феврале 1934 г. Проецируется рис. 4. Двухмесячные героическое пребывание челюскинцев на льдине и спасение их героями-летчиками сохранилось в памяти.
Вот описание самой катастрофы:

“Крепкий металл корпуса сдал не сразу, – сообщал по радио начальник экспедиции О.Ю.Шмидт. Льдина вдавливалась в борт, листы обшивки пучились, изгибались наружу. С треском летели заклепки. В одно мгновение левый борт парохода был оторван от носового трюма до кормового конца палубы…”

Коэффициент трения новой стальной судовой обшивки о лед равен 0,2. Сила давления льда Р разлагается на две силы: R, перпендикулярную к борту, и F, направленную по касательной к борту. Угол – это угол наклона борта к вертикали. Q – это сила трения льда о борт. Сила трения льда о борт равна Q = 0,2 R. Если Q < F, лед скользит вдоль борта, не успевая причинить судну вред. Если Q > F, трение мешает скольжению льдины, и лед при продолжительном напоре может смять и продавить борт. При сооружении судов, предназначенных для плавания во льдах, необходимо придавать бортам их надлежащий уклон, а именно не менее 11 ⁰ .

Рис. 4

V. Творческие экспериментальные задания

Задание 1. Определение коэффициента трения скольжения керамического магнита по металлическому листу и силу магнитного притяжения между ними.

Оборудование: керамический магнит, металлический лист- экран из набора по оптике, динамометр, нить.

Указания к работе.

А. Положите керамический магнит на горизонтально расположенный металлический экран и потяните его динамометром так, чтобы он двигался равномерно. Изобразите силы, действующие в данной ситуации. Помним, что при равномерном движении F_упр = F _тр. Составьте систему уравнений. Силу магнитного взаимодействия F_м
Б. Повторите опыт с керамическим магнитом, расположив его под металлическим экраном. Изобразите действующие в этом случае силы. Составьте систему уравнений.
Г. Полезно для проверки сделать контрольный опыт: горизонтально потяните с помощью динамометра магнит, приложенный к металлическому экрану, расположенному в вертикальном положений. Показания динамометра F_{упр 3} = F _м из этого выражения вычислить .

Задание 2. Определение коэффициента трения скольжения материала по дереву, имея сделанный из этого материала шар и две линейки.

Оборудование: стальной шар, две деревянные линейки.

Указания к работе.

При решении используется правило сложения сил.

А. Сложите из линеек двугранный угол и поместите в его вершину стальной шар. Начните осторожно “выдавливать” шар и делайте это до тех пор, пока он не остановится.
Б. Сделайте чертеж и изобразите силы, действующие в момент остановки.
В. Все силы мысленно перенести по своим линиям действия в центр шара О. F₁ – равнодействующая двух сил нормального давления, F₂ – равнодействующая двух сил трения. При условии покоя шара F₁ = F₂
Г. Раскрыть это равенство и выразить , где а – расстояние от вершины угла до точки касания шара, R – радиус шара.

Задание 3. Определение коэффициента трения по “заклиниванию” стержня.

Оборудование: карандаш и линейка.

Указания.

А. Поставьте карандаш заостренным концом на стол наклонно и слегка давите пальцем на верхний конец; наклоняйте карандаш. Измерьте угол, при котором начинается скольжение карандаша по поверхности стола. Сделайте чертеж, изобразите силы.
Б. Составьте систему уравнений и определите коэффициент трения.

Подведение итогов урока. Домашнее задание.