Урок по теме "Сила и импульс"

Цели: Сформировать понятия импульса тела, импульса силы, изучить закон изменения импульса тела, научить применять его для решения задач.

I. Повторение
Проверка домашнего задания.

II. Изучение нового материала
Рассказ учителя, беседа. Записи в тетрадь. Разбор жизненных ситуаций, связанных с использованием понятия импульса тела

III. Закрепление
Решение задач. Устный опрос.

IV. Подведение итогов
Записать домашнее задание. Ответить на вопросы в учебнике.

I. Проверка выполнения домашнего задания

Учитель: Какие задания вызвали у вас наибольшее затруднение? Как вы решали задачу №146? (задачник автор А.П.Рымкевич)

Ученик: Используя формулу кинематики a=(v-v₀)/t нашли ускорение тела. Затем по II закону Ньютона вычисляем силу F=ma.

Учитель: А кто решил эту задачу в общем виде? Запишите в тетрадь конечную формулу.

Ученик: записывает на доске формулу F = m (v-v₀)/t.

Учитель: Преобразуем формулу из домашней задачи №146 к виду

. Мы получили следствие из II Закона Ньютона. В правой части равенства вы видите изменение величины, которая равна произведению m на v. Эту величину называют ИМПУЛЬС ТЕЛА. Где же используют это понятие?

Для решения задач механики используют законы динамики, в том случае, если известна сила. Но в некоторых случаях силу найти очень сложно, например при столкновениях тел. Например автомобилей, вагонов, бильярдных шаров. Возникают силы упругости при очень сложных деформациях, да и время действия этих сил слишком мало. Оценить эти силы можно с помощью уравнения*, используя понятие импульса тела.

Записываем тему урока.

Записать под диктовку:

Произведение массы тела на его скорость называют импульсом тела и обозначают импульс тела, величина векторная. Направлен в сторону скорости тела измеряется импульс тела в кг м/с.

начальный импульс; D– изменение импульса тела. ∆

В левой части равенства получилась величина, равная произведению силы на время ее действия – импульс силы, величина векторная, направлен в сторону действия силы, измеряется в Н·с.

Формула * – закон изменения импульса тела. Кто сможет его сформулировать?

Ученик: Импульс силы равен изменению импульса тела. = ∆, или = m∆.

Учитель: Столкновения играют важную роль в природе: бомбардировка стенок сосуда молекулами газа, рассеяние частиц на ядрах атомов, а также в жизни человека. Как научиться управлять ими и обеспечить безопасность себе и своим близким?

При столкновении тел происходим обмен импульсами, перераспределение импульса между взаимодействующими телами. По изменению импульса тела можно судить о средней силе, действующие на тело в процессе удара.

Применим закон изменения импульса к задачам о столкновениях, сопровождающих человека.

(тексты заданий выданы перед уроком, дети читают отрывки из научных текстов с последующим их обсуждением)

Задание 1.
Например , прыжки можно рассматривать как столкновения человека с опорой (землей). В этот момент за короткое время происходит значительное изменение его импульса, причем развиваются огромные силы, способные причинить ущерб здоровью. Рассмотрим прыжок , человека массой 70 кг с небольшой высоты (1,25м). Скорость в процессе приземления изменяется всего на 5м/с, но это происходит примерно за 0,01 с, поэтому средняя сила взаимодействия с землей составляет? Сравните ее с силой тяжести, действующей на этого человека.

Ученик (записывает краткое решение на доске и комментирует): Среднюю силу взаимодействия с землей можно рассчитать, используя закон изменения импульса: F_ср.=m_∆v/t, F_ср.=(70кг·5м/с)/0,01с=35000Н=35кН. Сила тяжести, действующая на человека массой 70кг равна всего 700Н, т.е. в 50раз меньше.

Учитель: Чтобы уменьшить силу удара, опытные прыгуны увеличивают время приземления в десятки раз. Для этого они сгибают ноги в коленях. Надевают мягкую обувь, делают мягким место приземления, (насыпают песок, настилают маты). Чтобы уменьшить силу удара при приеме мяча, вратари надевают особые перчатки и следят за тем, чтобы их рука могла двигаться назад, удлиняя тем самым промежуток времени, в течение которого мяч останавливается. Чтобы победить в состязании, бегунам или пловцам необходимо приобрести как можно большую скорость уже во время старта. В этом им также помогут знания теории удара. Пловец, например, во время старта способен оттолкнуться от края бассейна с силой 2,5 кН.

Учитель: Проблема безопасности человека при столкновениях актуальна не только для спортсменов и людей экстремальных профессий, но также для пешеходов на дорогах и автолюбителей. Рассмотрим следующую задачу

Задание 2.
Автомобиль массой 1500кг, движущийся со скоростью 12м/с (43 км/ч), врезается в стену и останавливается. Какова средняя сила удара? Время взаимодействия автомобиля со стеной составляет 0,05с. А если скорость больше в 2 раза?

Ученик: Записывает краткое решение на доске и комментирует. Аналогично предыдущей задаче среднюю силу удара найдем из закона изменения импульса тела. F_ср.=m_∆v/t, F_ср.=360кН. Если скорость автомобиля будет в два раза больше, т.е. почти 90км/ч, то средняя сила удара будет уже 720кН.

Учитель: На пассажира массой 100 кг, пристегнутого ремнями безопасности, приходится гораздо меньшая сила (24кН).

Задание 3.
Чтобы процесс столкновения был менее разрушительным для человека, корпус автомобиля делают деформируемым. Для чего это делаю? Выберите правильный вариант ответа.

1. Благодаря деформациям корпуса уменьшается масса автомобиля, что приводит к уменьшению средней силы удара.
2. Благодаря деформациям корпуса уменьшается время взаимодействия, что приводит к уменьшению средней силы удара.
3. Благодаря деформациям корпуса возрастает время взаимодействия, что уже приводит к уменьшению средней силы удара.

Ученик: Правильный ответ № 3.

Учитель: Подумайте и скажите, как еще можно увеличить время действия силы в момент аварии.

Ученик: Это время можно еще увеличить, если воспользоваться ремнями и подушками безопасности.

Учитель: Теперь вы, надеюсь, не забудете пристегнуться, когда соберетесь ехать в автомобиле.

Учитель: Рассмотрим теперь столкновения, происходящие в микромире.

Задание 4.
Молекула массой 4,65·10^-26кг ударяется и без потери скорости отскакивает от стенки сосуда. Найдете импульс силы, полученный стенкой, если молекула летит и отскакивает: а) перпендикулярно; б) * под углом 30° к стенке. Скорость молекулы равна 600м/с. (*этот случай следует разобрать с сильными учениками на дополнительных занятиях)

Обратите внимание на то, что при упругом соударении со стенкой молекула отскакивает от нее под тем же углом, под которым летит к ней. При этом модуль скорости молекулы остается без изменения v=v₀.

Ученик: К этой задаче нужно сделать пояснительный рисунок.

а) Направим ось x перпендикулярно стенке. При ударе скорость молекулы поменяет свое направление на противоположное. Используя закон изменения импульса тела, получаем, что на молекулу действует импульс силы

Ft = -mv-mv₀= -2 mv₀ Знак «минус» показывает, что сила, с которой стенка действует на молекулу, противоположна направлению скорости v₀. По третьему закону Ньютона молекула действует на стенку с такой же по модулю, но противоположно направленной силой. Модуль импульса которой равен 5,6·10^-23Н·с.

(*б) Запишем закон изменения импульса в проекциях на ось х:

F_хt = -m(v_х-v_0х)=m(vcosα+v₀cosα)=2mv₀cosα.

Стенка получает такой же по модулю импульс силы

Ft=2·4,65·10^-25кг·600м/с·0,5=2,8·10^-23Н·с.

§ 21 читать, выучить теорию по тетради, упр.20 письменно, №271.