О том, что рычаги, блоки и прессы позволяют получить выигрыш в силе, вы уже знаете. Однако «даром» ли дается такой выигрыш? Взгляните на рисунок. На нем ясно видно, что при пользовании рычагом более длинный его конец проходит больший путь. Таким образом, получив выигрыш в силе, мы получаем проигрыш в расстоянии. Это значит, что, поднимая маленькой силой груз большого веса, мы вынуждены совершать большое перемещение.
Еще древним было известно правило, применимое не только к рычагу, но и ко всем механизмам: во сколько раз механизм дает выигрыш в силе, во столько же раз получается проигрыш в расстоянии. Этот закон получил название «золотого правила» механики.
Проиллюстрируем его теперь на примере подвижного блока. Постараемся теперь подтвердить его не только с качественной стороны, но и с количественной. Для этого проделаем опыт. Пусть, например, мы имеем груз весом 10 Н. Прикрепим его к крючку подвижного блока и начнем поднимать вверх. Поскольку блок является подвижным, то он даст нам выигрыш в силе в 2 раза, то есть динамометр, прикрепленный к нити, покажет не 10 Н, а лишь 5 Н. Допустим, мы хотим поднять груз на высоту 4 метра (скажем, в окно второго этажа). Проделывая это действие, мы обнаружим, что втянули в окно не 4, а целых 8 метров веревки. Итак, выиграв в силе в два раза, мы во столько же раз проиграли в расстоянии.
«Золотое правило» механики применимо не только к механизмам, состоящим из твердых тел. В предыдущем параграфе мы рассмотрели жидконаполненный механизм — гидравлический пресс.
Сделаем одно важное наблюдение. Взгляните на рисунок. Опуская рукоятку малого поршня на некоторую высоту, мы обнаружим, что большой поршень поднимается на меньшую высоту. То есть, получив выигрыш в силе, мы получаем проигрыш в расстоянии.
Если опыт с прессом поставить так, чтобы силы, действующие на поршни, и перемещения поршней можно было бы измерять, то мы получим и количественный вывод: малый поршень сдвигается на расстояние во столько раз большее, чем сдвигается большой поршень, во сколько раз сила, действующая на больший поршень, больше силы, действующей на меньший.
Последнее равенство значит, что работа, совершаемая малой силой, равна работе, совершаемой большой силой. Этот вывод применим не только к прессу, но и к любому другому механизму, если не при-нимать во внимание трение. Поэтому, обобщая, мы скажем: использование любого механизма не позволяет получать выигрыша в работе; то есть КПД никакого механизма не может быть более 100%.
Знаете ли вы, что такое блок? Это такая круглая штуковина с крюком, при помощи которой на стройках поднимают грузы на высоту.
Похоже на рычаг? Едва ли. Однако, блок тоже является простым механизмом. Более того, можно говорить о применимости закона равновесия рычага к блоку. Как это возможно? Давайте разберемся.
Блок представляет собой устройство, которое состоит из колеса с желобом, по которому пропускают, трос, веревку или цепь, а также прикрепленной к оси колеса обоймы с крюком. Блок может быть неподвижным и подвижным. У неподвижного блока ось закреплена, и она не двигается при подъеме или опускании груза. Неподвижный блок помогает изменить направление действия силы. Перекинув через такой блок, подвешенный вверху, веревку, мы можем, поднимать груз вверх, сами при этом находясь внизу. Однако выигрыша в силе применение неподвижного блока нам не дает. Мы можем представить блок в виде рычага, вращающегося вокруг неподвижной опоры - оси блока. Тогда радиус блока будет равен плечам, приложенных с двух сторон сил, - силы тяги нашей веревки с грузом с одной стороны и силы тяжести груза с другой. Плечи будут равны, соответственно, выигрыша в силе нет.
Иначе обстоит дело с подвижным блоком. Подвижный блок перемещается вместе с грузом, он как бы лежит на веревке. В таком случае точка опоры в каждый момент времени будет находиться в месте соприкосновения блока с веревкой с одной стороны, воздействие груза будет приложено к центру блока, где он и крепится на оси, а сила тяги будет приложена в месте соприкосновения с веревкой с другой стороны блока. То есть плечом веса тела будет радиус блока, а плечом силы нашей тяги - диаметр. Диаметр, как известно, в два раза больше радиуса, соответственно, плечи различаются по длине в два раза, и выигрыш в силе, получаемый с помощью подвижного блока, равен двум. На практике применяют комбинацию неподвижного блока с подвижным. Закрепленный вверху неподвижный блок не дает выигрыша в силе, однако помогает поднимать груз, стоя внизу. А подвижный блок, перемещаясь вместе с грузом, увеличивает прикладываемую силу вдвое, помогая поднимать большие грузы на высоту.
Возникает вопрос: а дают ли применяемые устройства выигрыш в работе? Работа есть произведение пройденного пути на приложенную силу. Рассмотрим рычаг с плечами, различающимися в два раза по длине плеча. Этот рычаг даст нам выигрыш в силе в два раза, однако, в два раза большее плечо при этом пройдет в два раза больший путь. То есть, несмотря на выигрыш в силе, совершенная работа будет одинакова. В этом и заключается равенство работ при использовании простых механизмов: во сколько раз мы имеем выигрыш в силе, во столько раз, мы проигрываем в расстоянии. Это правило называется золотым правилом механики , и оно применимо абсолютно ко всем простым механизмам. Поэтому простые механизмы облегчают труд человека, но не уменьшают совершаемую им работу. Они просто помогают переводить одни виды усилий в другие, более удобные в конкретной ситуации.
Учитель: Добрынкина О.А.Предмет: физика Класс 7
УМК: Перышкин А.В. Физика-7- М, Дрофа, 2017 год
Тема урока: «Золотое правило механики».
Раздел: «Работа и мощность.Энергия»
Форма работы обучающихся: фронтальная, индивидуальная, работа в группах .
Тип урока: урок изучения нового материала, урок исследование.
Методы обучения: эвристический, объяснительно-иллюстративный, проблемный, практические задания, решение качественной задачи физического содержания.
Цель урока: развивать навыки проведения экспериментов, воспитывать чувство коллективизма, умение работы в группе.
Задачи урока:
образовательные: лабораторным путем выяснить золотое правило механики, опираясь на понятия о работе, силе, весе тела; сформировать умения объяснять причинно – следственные связи проявления золотого правила механики; установить экспериментально соотношение между нитью натяжения и рычагом;
Обобщить и систематизировать знания учащихся о золотом правиле механики
развивающие: создать условия для выполнения практических заданий. Развить творческие способности учащихся; продолжить формировать умение проводить опыты и делать выводы; развивать умения наблюдать, анализировать, сопоставлять, обобщать и систематизировать предлагаемую информацию, давать полный развернутый ответ.
воспитательные: пробуждать интерес к учебному предмету на основе межпредметных связей с литературой, математикой, географией, желание самостоятельной деятельности на уроке с целью получения новых знаний и их применения. Формирование активной жизненной позиции, чувства коллективизма и взаимопомощи, ответственность каждого за конечные результаты.
Формирование УУД:
предметные:
понять смысл «золотого правила механики»;
овладеть опытом исследовательской деятельности в процессе самостоятельного изучение «золотого правила механики» при работе в группе.
использование для познания окружающего мира различных методов (наблюдение, эксперимент);
личностные:
стимулировать способность иметь собственные мнения;
понимание значения сотрудничества с учителем, с одноклассниками, готовности к взаимодействию и взаимопониманию;
самостоятельно приобретать новые знания и практические умения.
Метапредметные:
Регулятивные:
постановка целей, планирование, самоконтроль и оценка результатов своей деятельности;
формирование умений работать в группе, представлять и отстаивать свои взгляды и убеждения, вести дискуссию;
Осознанное определение сферы своих интересов и возможностей.
Владение умениями совместной деятельности: согласование и координация деятельности с другими ее участниками; объективное оценивание своего вклада в решение общих задач коллектива.
Познавательные:
Исследовать несложные практические ситуации, выдвигать предположения, понимать необходимость их проверки на практике;
Умение различать факт, мнение, доказательство, гипотезу.
Информационно – коммуникативные:
Отражать в устной форме результаты своей деятельности;
Развитие монологической и диалогической речи, умения выражать свои мысли и способности выслушивать собеседника, понимать его точку зрения, признавать право другого человека на иное мнение;
Форма организации учебной деятельности обучающихся: фронтальная, индивидуальная, работа в группах.
Применяемые технологии: технология проблемного обучения, ИКТ, здоровье сберегающие технологии.
Планируемые результаты:
Предметные: знать «золотое правило механики», подвижный и неподвижный блок, соотношение сил, действующих на блок
Уметь: экспериментально выяснить «золотое правило механики».
Личностные : удовлетворенность от работы на уроке, навыки сотрудничества в разных ситуациях, умение не создавать конфликтов и находить выходы из спорных ситуаций.
Метапредметные : литература, математика, история
Основные понятия: работа, сила, механизм, рычаг, условия, золотое правило механики.
Оборудование:
* лабораторные сосуды с пресной и морской водой; набор тел разной плотности; клубень картофеля; кусочек пластилина и лодочка из пластилина.
* компьютер, проектор, виртуальная лаборатория.
*компьютерная презентация урока в программе Smart «Золотое правило механики»,таблица.
Структура урока:
Организационный этап. 2мин.
Актуализация знаний. 5 мин.
Формирование темы урока, постановка целей 3 мин.
Изучение новой темы. 10 мин.
Первичное закрепление материала. 3 мин.
Итоги урока. 3 мин.
Домашнее задание 2 мин.
Рефлексия. 2 мин.
Ход урока
Этап организационный
Организация начала урока. Приветствие, выявление отсутствующих, проверка готовности учащихся к уроку, готовность наглядных пособий.
Учитель: Здравствуйте!
Дорогие семиклассники!
Я очень рада
Войти в приветливый ваш класс
И для меня уже награда
Вниманье ваших умных глаз.
Я знаю: каждый в классе гений,
Но без труда талант не впрок
Из ваших знаний и умений
Мы вместе сочиним урок.
2. Этап актуализации знаний
Учитель. Мы продолжаем осваивать таинственную, загадочную страну под названием Физика. Что изучает физика?
Ученик. Физика – наука о природе.
Учитель. Да, человек издавна пытался объяснить необъяснимое, увидеть невидимое, услышать неслышимое. Оглядываясь вокруг себя, он размышлял о природе и пытался решить загадки, которые она перед ним ставила.
Учитель: сегодня, как и на других уроках физики, вы будете выступать теоретиками, исследователями, практиками. Сегодня мы должны будем разгадать еще одну из тайн природы. Но для этого вам будут необходимы знания, полученные на прежних уроках.
Учитель: Для начала я предлагаю вам побыть немного теоретиками и вспомнить формулы изученные на прежних уроках физики. соберите пожалуйста формулы представленные на интерактивной доске.
A=F*h, A=mgh, F1/F2=l2/l1, M=F*l
(закрепить формулы на доске)
Мы вспомнили, с вами формулы они нам еще пригодятся, а теперь я предлагаю вам решить кроссворд,
Действие одного тела на другое.(сила)
Величина прямо пропорциональная приложенной силе и пройденному пути (работа)
Как называются, движения связаны с изменением положения тел относительно друг друга (механические)
Как называются приспособление, служащее для преобразования силы(механизм)
Величина описывающая отношение работы ко времени, за которое она была совершена?(мощность)
Как называется блок ось которого закреплена и при подъеме грузов он не поднимается и не опускается? (неподвижный)
Как называется физическая величина равная отношению силы, действующей перпендикулярно площади поверхности.(давление)
Давление Учитель: Ребята посмотрите, какое ключевое слово у нас получилось?
Ученик: Архимед
Фото Архимеда
Учитель: Кто такой АРХИМЕД? Какие его открытия вы уже изучили?
Ученики: Сила тяжести, архимедова сила
Архимед сказал:
«Дайте мне точку опоры, и я подниму Землю»
Но доказал это древнегреческий ученый Герон Александрийский, живший в I веке н.э, хотя легенда приписывает это Архимеду.
3.Этап актуализация знаний. 1 мин.
У:Ребята теперь, внимательно посмотрите на экран. Что вы видите на картинках?
Как вы думаете, к какому историческому промежутку времени относятся события, изображенные на картинках?
У: А на этих фотографиях, по- вашему, какое время? Что на них изображено? А как вы думаете, что объединяет эти два кадра?
У: Действительно, простые механизмы применялись в древности, и нашли широкое применение наше время.
Как вы думаете если простые механизмы применяют для получения выигрыша в силе, давайте подумаем, а не дают ли простые механизмы выигрыша в работе?
ОТВЕТЫ УЧАЩИХСЯ
Учитель: Сегодня мы с вами постараемся ответить на эти вопросы.
4. Формирование темы урока, постановка целей 2 мин.
Учитель: Давайте откроем тетради запишем тему нашего урока «Золотое правило механики».Ребята каковы цели нашего урока?
Учитель: Выяснить золотое правило механики
Учитель: развивать навыки проведения экспериментов
Учитель: воспитывать чувство коллективизма, умение работы в группе.
Учитель: Итак ребята тема определена цели поставлены. Начинаем шагать к нашей цели по следам Архимеда. А вы знаете,как Архимед пришел к своему открытию?
Ученик опыты.
Учитель:Вот и мы свами попробуем сейчас провести опыт для выяснения золотого правила механики
У каждой группы на столе находится оборудование и карточки с заданием. Не теряя ни минуты, выполняем задание в парах, помогая друг другу. Выполнив задание, мы сможем ответить на главный вопрос.
Задание для практиков:
Первое практическое задание.
Проверьте на практике, дает ли наклонная плоскость выигрыш в работе?
Для этого:
Определите с помощью динамометра вес груза Р.
Измерьте высоту наклонной плоскости h с помощью измерительной ленты.
Найдите работу по подъему тела по вертикали. (А 1 = Р* h )
Определите с помощью динамометра силу F , которую нужно приложить, чтобы поднять груз по наклонной плоскости.
Определите длину l наклонной плоскости с помощью измерительной ленты.
Найдите работу по подъему груза по наклонной плоскости (А 2 = F* l)
Заполните таблицу:
Высота наклонной плоскости, h
Работа, А 1
Приложенная сила, F
Длина наклонной плоскости, l
Работа, А 2
Сделайте вывод, ответив на вопрос: Дает ли наклонная плоскость выигрыш в работе?
Учитель: Вывод: Наклонная плоскость не дает выигрыша в работе.
Второе практическое задание.
Проверьте на практике, дает ли выигрыш в работе неподвижный блок.
Поднимите с помощью неподвижного блока груз весом 1Н на максимально возможную высоту.
l вытянутой нити. (На нити можно ставить метку)
(А 1 = Р* l)
Прикрепите к нити динамометр, поднимая груз, определите приложенную силу F
Определите с помощью линейки длину l 1 вытянутой нити.
Вычислите совершенную работу. (А 2 = F * l 1 )
Повторите опыт с двумя грузами.
Заполните таблицу:
Сравните полученные результаты, сделайте выводы: дает ли выигрыш в работе неподвижный блок?
Вывод: Неподвижный блок не дает выигрыш в работе неподвижный блок. Получая выигрыш в силе проигрываем в пути.
Третье практическое задание.
КАРТОЧКА 2
Цель: выяснить, дает ли выигрыш в работе рычаг.
Оборудование: штатив, муфта, рычаг, 2 крючка, 3 груза массой по 100 г, динамометр, измерительная лента.
Порядок выполнения работы:
1. Уравновесьте рычаг в горизонтальном положении.
2. Измрьте вес двух грузов F 1 с помощью динамометра. Запишите F 1 = ___ Н.
2. Подвесьте на левое плечо рычага на расстоянии 6 см от оси вращения два груза весом F 1 (рисунок 1).
3. Уравновесьте рычаг, подвесив на правое плечо рычага один груз. Запишите силу, с которой один груз действует на правое плечо рычага F 2 = ___ Н.
4. Измерьте расстояние h от поверхности стола до точки приложения сил. Запишите
h = ____ см = ______ м.
5. Отклоните рычаг на некоторый угол от вертикальной плоскости (рисунок 2).
6. Измерьте пути, пройенные точками приложения сил F 1 и F 2 как разность расстояний от поверхности стола после и до отклонения рычага:
s 1 = h 1 – h = ____ см - ____ см = ____ см = _______ м ;
s 2 = h – h 2 = _____ см - ____ см = ____ см = _____ м .
7. Вычислите работу, совершенную силой тяжести двух грузов А 1 . Запишите А 1 = _____Дж.
8. Вычислите работу, совершенную силой тяжести одгого груза А 2 . Запишите А 2 = ______ж.
9. Заполните таблицу.
F 1 ,s 1 , м
Сила F 2 , Н
Путь, пройденный точкой приложения силы F 2 ,
s 2 , м
Работа силы F 1 ,
Работа силы F 2 ,
10. Ответьте на вопросы:
Дает ли выигрыш в силе простой механизм?
Дает ли выигрыш в пути простой механизм?
Дает ли выигрыш в работе простой механизм?
11. Сделайте вывод.
Общий вывод: Золотое правило механики: «Во сколько раз выигрываем в силе, во столько раз проигрываем в пути»
Физкультминутка
Ребята а сейчас я вам предлагаю не просто отдохнуть, но и закрепить изученный материал. Если у вас выигрыш в силе или пути вы встаете иначе
1. увеличили силу на 5Н
2. Уменьшили высоту
3.уменьшили путь
4.Увеличили массу
5.увеличили скорость
6. Уменьшили силу на 3Н
Учитель: Сейчас ребята мы побудем с вами немного теоретиками и решим следующие задачи.
Задача № 1.
Груз весом 245 Н, равномерно подняли на высоту 6 см с помощью рычага, при этом к другому концу рычага была приложена сила 50 Н, точка приложения этой силы опустилась на 30 см. Найдите работу сил, приложенных к концам рычага, сделайте сравнение.
Решение: полезная работа
А1=mg*h1
полная работа
А2=F*h2
Задача № 2.
Ведро с песком, массой 24,5 кг, поднимают при помощи неподвижного блока на высоту 10 метров. Действуя на веревку силой 250 Н, ее вытянули на 9,8 метра.
Найдите работу каждой силы, сделайте сравнение.
Решение:
Ап=mgh=24,5*10*10=2450Дж Аз=Fh=250*10=2500Дж
Молодцы
Ребята скажите а теперь мы можем ответить на вопрос который ставили на начало урока?
Домашнее задание, п.62. Провести мини исследование на тему: «Золотое правило» механики применимо к гидравлической машине или нет?
Выставление оценок за урок.
Рефлексия.
Ребята скажите, вам понравилось работать всем вместе в группе?
Пожмите друг другу руки и скажите спасибо
Ребята перед вами звания моряков. Выберите тот ранг, который нам укажет, на сколько вам понравился урок и усвоили ли вы данную тему урока.
Ребята большое вам спасибо за урок, мне очень понравилось с вами сегодня работать.
Работа и энергия Механическая работа и мощностьЧто такое работа и мощность с точки зрения физики? Как их рассчитать? В чем сходство и отличия понятий «работа» и «мощность» в жизни и в физике?Простые механизмы Что такое «золотое правило» механики? Есть ли «золотые правила» в жизни? Какие механизмы используют для облегчения труда? Как посчитать коэффициент полезного действия?Энергия В чем сходство и отличия физического понятия «механическая энергия» и общежитейского понятия «энергия» ? Какие существуют виды механической энергии? Какие примеры превращения одного вида энергии в другой вы знаете?
Механическая работа и мощность1. Механическая работа = произведение силы на путь.
2. Механическая работа может совершаться только в том случае, когда тело движется под действием силы, причем сила должна либо способствовать движению, либо препятствовать ему.
Работа положительна, когда сила направлена в сторону движения тела. В противном случае - работа отрицательна.
3. Мощность - это быстрота совершения работы.
Мощность показывает, какая работа совершается в единицу времени.
Простые механизмы 4. "Золотое правило" механики: если при совершении работы получают выигрыш в силе в несколько раз, то во столько же раз проигрывают в расстоянии.
Механизмы (рычаг, ворот, наклонная плоскость) – приспособления, позволяющие преобразовывать силу.
5. Рычаг – твердое тело, имеющее ось вращения.
Правило равновесия рычага таково: рычаг находится в равновесии в том случае, когда момент силы, вращающей его по часовой стрелке, равен моменту силы, вращающей рычаг против часовой стрелки.
Плечо силы = расстояние от оси вращения до прямой, вдоль которой действует сила.
Момент силы = произведение силы на ее плечо.
6. Блок – это колесо с желобом, в который пропущен трос (цепь, ремень, веревка) .
Неподвижный блок лишь изменяет направление действия силы, в то время как подвижный еще дает выигрыш в силе в два раза.
7. Коэффициент полезного действия (КПД) = отношение полезной работы к полной.
При использовании механизма совершенная полная работа всегда больше, чем полезная. Иными словами, КПД всегда меньше 100%.
Энергия 8. Энергия - это способность совершать работу.
Чем больше энергия тела, тем большую работу оно может совершить.При совершении работы энергия тела уменьшается.
9. Кинетическая энергия - это энергия движения тела или системы тел.
Чем больше масса и чем больше скорость данного тела, тем больше его кинетическая энергия.
10. Потенциальная энергия - это энергия взаимодействия тел (или частей одного тела) в зависимости от их взаимного расположения.
Потенциальная энергия тела массы m, поднятого на высоту h, равна произведению mgh.
11. Механическая энергия может переходить из одного вида в другой.
