Всем знакома детская задача о том, что тяжелее - 1 кг ваты или 1 кг железа. (слайд 1) Казалось бы, ответ очевиден - один килограмм ваты и один килограмм железа будут равноценны. Но не всё так однозначно…
Если говорить о массе ваты и железа как о произведении плотности этих веществ на единицу объёма, то, конечно, же, они одинаковы. Но массу определяют с помощью весов. В быту мы часто подменяем друг другом понятия «вес тела» и «масса тела». Но физический смысл данных величин абсолютно разный, вес и масса различаются и количественно, и качественно. И если сравнивать вес 1 кг ваты и 1 кг железа, то будут ли уравновешены весы?
Попробуем разобраться подробнее с этим вопросом. (слайд 2)
- Поставим следующие задачи сегодняшнего урока: (слайд 3)
- повторить понятие «Вес тела»;
- совершенствовать знания по данному понятию;
- рассмотреть разные ситуации возникновения и изменения веса тела.
Повторим известный нам из курса 7 класса факт: когда тело ставят на опору - деформируется не только опора, но и тело. В результате в опоре возникает сила упругости, приложенная к телу, а в теле возникает сила упругости, приложенная к опоре- вес тела. (слайд 4)
В учебнике школьного курса физики за 9 класс весом называют силу, с которой тело действует на опору или подвес.
Сразу возникают следующие вопросы: как же тогда рассчитать вес тела и связано ли его значение с направлением?
Для начала физическую разминку - вспомним всё о весе.
В первом задании нужно выбрать все верные утверждения. (слайд 5) Во втором задании назовите силы, отмеченные стрелочками. (слайд 6)
Теперь можно вернуться к вопросу о весе 1 кг ваты и 1 кг железа. Если воспользоваться рычажными весами, то можно обнаружить, что вес 1 кг ваты меньше, чем вес 1 кг железа! Как вы уже наверняка догадались - на взвешиваемые тела в воздухе действует не только сила тяжести, но и сила Архимеда. И хотя её действие в данном случае невелико, но тем не менее, вес, определяемый в данном случае разностью указанных сил, будет разным! Ведь у ваты плотность меньше, чем у железа. Следовательно, один килограмм ваты имеет больший объём по сравнению с объёмом одного килограмма железа. Тогда сила Архимеда, действующая и на вату, и на железо, для ваты больше. (слайд 7) Это означает, что вес 1 кг ваты меньше веса 1 кг железа! (слайд 8)
Но и то данный вывод можно считать однозначным при условии неподвижности опоры, то есть того, что весы находятся в покое, а не движутся, предположим, в разгоняющемся или тормозящем лифте.
То есть вес тела можно менять. А это значит, что разговор о весе нельзя считать законченным. Как вычислить значение веса с учетом его направления, когда тело:
- располагается на наклонной плоскости;
- покоится на вертикальной опоре;
- подвешено на растянутом тросе или прикреплено к кронштейну;
- движется с вертикальным ускорением?
Попытаемся ответить на эти вопросы.
Эпиграфом в поиске ответа на вопрос можно использовать строки, принадлежащие великому английскому физику Майклу Фарадею: (слайд 9)
«Как это удивительно - обнаружить, что все явления природы управляются небольшим числом сил!»
Для начала рассмотрим разные случаи проявления веса тела.
I. Вес покоящегося тела на различных опорах (слайд 10)
1. Покоящееся тело находится на горизонтальной опоре (слайд 11)
2. Покоящееся тело находится на наклонной плоскости (слайд 12)
На наклонной плоскости покоящееся тело весит столько же, сколько и на горизонтальной опоре. И это потому, что вес тела численно равен по величине не нормальной реакции тела на наклонной плоскости, а общей реакции, включающей силу трения покоя. Вес численно равен силе тяжести
Результат не поменяется даже в том случае, если плоскость станет вертикальной.
3. Покоящееся тело находится на вертикальной опоре (слайд 13)
В таком случае вес тела определяется силой трения покоя между вертикальной стенкой и телом. Если бы тело, прижатое к вертикальной стенке и покоящееся на ней, не весило, уже давно был бы придуман способ укладки вещевого мешка или чемодана, которые бы при одинаковом количестве упакованных предметов весили меньше. Но этот фокус не получается! Как бы ни был упакован вещевой мешок или чемодан, все предметы в нем будут весомы. И ни одни весы в мире не покажут уменьшения веса покоящегося тела на наклонной плоскости из-за увеличения угла наклонной плоскости.
4. Покоящееся тело находится на вертикальном подвесе (слайд 14)
5. Покоящееся тело подвешено к растянутым тросам (слайд 15)
6. Покоящееся тело подвешено на кронштейне (слайд 16)
Вывод: у покоящегося тела на любой опоре или подвесе вес тела сохраняется и численно равен силе тяжести.
II. Формула для расчета веса тела
Воспользуемся вторым законом Ньютона для определения веса тела, на которое действует несколько сил:
здесь сумма всех сил, кроме силы тяжести, взятая с обратным знаком, и есть вес тела, согласно третьему закону Ньютона:
Воспользуемся вторым законом Ньютона для определения веса тела, на которое действует несколько сил:
Тогда вес тела определяется:
(слайд 17)
Из этого определения следует:
- Вес тела - векторная величина;
- Вес возникает по двум причинам - гравитация и ускоренное движение, так как в формуле веса два слагаемых;
- Если ускорение
то значение веса определяется как 
;
- Когда на тело действует только сила тяжести (при свободном падении), то
то наступает состояние невесомости;
- Если тело движется с ускорением
, направленным вверх, то оно испытывает перегрузку. (слайд 18)
Проиллюстрируем сделанные выводы. (слайды 19-20)
А теперь выполним следующее задание: «Сопоставьте ситуацию со следствием этой ситуации» (слайд 21)
Мы уже знакомы с ситуациями сохранения веса тела, находящегося в покое на горизонтальной поверхности или движущегося равномерно по горизонтали, а также изменения веса при ускоренном движении по вертикали. Но, зная формулу определения веса и следствия данного определения, достаточно легко определить любую ситуацию проявления и изменения веса.
III. Перегрузка при наличии ускорения тела по горизонтали (слайд 22)
Может ли вес тела меняться при горизонтальном разгоне или торможении?
Рассмотрим данный вопрос на примере решения задачи №61.40 («Задачи по физике для основной школы» Л.Э.Генденштейн…):
Какую перегрузку испытывает водитель, если автомобиль с места набирает скорость 180 км/ч за 10 с? (слайд 23)
Согласно формуле, определяющий вес, получился результат, соответствующий возникновению перегрузки для водителя разгоняющегося по горизонтальной дороге автомобиля.
Вопросы о понятии «вес тела» достаточно сложны, мы с вами сегодня попытались ответить на часть из них. Этот материал будет вам необходим для дальнейшего формирования данного понятия. Спасибо за внимание! (слайды 24-25)