Нам осталось еще рассмотреть случай, когда груз вместе с весами совершает свободное падение, т. е. когда весы просто выпускают из рук (рис. 129). Опыт показывает, что во время свободного падения стрелка весов устанавливается на пуле: вес оказывается равным нулю. И это понятно. Ведь когда груз падает под действием притяження к Земле, пружина весов «сама следует за ним» (см. рис. 129). Поэтому она не деформируется. Но если пружина не деформируется, то на прикрепленный к ней груз никакая сила с ее стороны не действует. Груз поэтому тоже не деформирован и тоже не действует на пружину. Груз стал невесомым.
То, что при свободном падении вес тела равен нулю, прямо следует из формулы
При свободном падении тела Следовательно,
При этом условии спора с телом не взаимодействует.
Причина невесомости заключается в том, что сила всемирного тяготения сообщает телу и его опоре одинаковые ускорения. Поэтому всякое тело, которое двиштся только под действием сил всемирного тяготения, находится в состоянии невесомости.
Именно в таких условиях и находится свободно падающее тело.
Этот удивительный факт иллюстрируется следующим интересным опытом (рис, 130). На штативе укреплен блок, через который переброшена нить. На конце этой нити подвешена чашка с двумя грузами достаточно большой массы. Верхний груз плотно прилегает к нижнему. Другой конец нити прикреплен к штативу. Между грузами помещена полоска тонкой бумаги. Свободный ее конец держат неподвижно в руке. Если груз опускать медленно, то бумага, натягиваясь, разорвется, потому что на зажатый конец полоски действует сила трения покоя. Теперь заменим полоску бумаги новой и повторим опыт таким образом, чтобы груз свободно падал. При падении груза полоска бумаги остается в руках неразорванной. Значит, при падении грузы не давили друг на друга и сила трения покоя была равна нулю. Это и доказывает, что грузы при свободном падении находятся в состоянии невесомости.
Упражнение 31
1. Находится ли в состоянии невесомости тело, брошенное вертикально вверх? Трением в воздухе пренебречь.
2. К рамке, которая может скользить по двум направляющим стержням (рис. 131), подвешены на двух одинаковых пружинах различные грузы Если пережечь нить, с помощью которой укреплена рамка, то рамка будет свободно падать (трение мало, и им можно пренебречь) и при этом деформации пружин исчезнут. Объясните, почему исчезают деформации пружин при свободном падении рамки.
Вводный контроль по физике 8кл ВАРИАНТ № 2 Дополните предложение одним словом: 1.Физическая величина, которая характеризует инертность тела, называется ____________________ 2. Силу, с которой Земля притягивает к себе тела, называют ____________________ 3.Сила,которая препятствует движению, называется_______________________________________ 4.Прибор для измерения длины____________________ 5. Колесо с желобом, укрепленное в обойме – это___________ 6.Прибор для измерения давления_________________ ТЕСТ 1.Мелчайшие частицы, из которых состоят вещества, называются: а) молекулами, б)микрочастицами, в)крупинками. 2.Замедлить диффузию можно, если: а) охладить тела, б) нагреть, в) переставить с одного стола на другой. 3.Какие общие свойства характерны для твердых тел: а)имеют свою форму и объем, б) легко сжимаются, в)практически не сжимаемы. 4.По какой формуле можно рассчитать объем тела? a)F=mg. b) p=m:v. d) V=S:t e) V=abc 5.Какая сила заставляет падать все тела на Землю? а) сила трения, б) сила упругости, в)сила тяжести, г) вес тела. 6. По какай формуле можно рассчитать силу тяжести? a) F=mg b) F=mgh. d) p=F:S e) V=S:t 7. Какова единица измерения давления? а) Па б) Н в)м/с г)кг 8. Кто из космонавтов первым полетел в космос? а) Гагарин б) Титов в)Терешкова г)Леонов. 9. По какай формуле можно рассчитать работу? a) F=pgh b) A=F S d) N=A:t
10.тело совершает механическую работу,когда а) оно движется, б) на него сила, в)на него действует сила и он ТЕСТЫ ПО ФИЗИКЕ 8кл. ТЕСТ 1 Тепловое движение. Температура. 1. Диффузия происходит быстрее, если а) движение молекул замедляется б) движение молекул прекращается в) скорость движение молекул увеличивается 2. Чем теплая вода отличается от холодной? а) скорость движение молекул б) строением молекул в) прозрачностью 3.Какое из явлений относится к тепловым? а) вращение Земли вокруг Солнца б) радуга в) таяние снега 4. По какой траектории движутся молекулы газов? а) по прямолинейной б) по криволинейной в) по ломаной 5.В каких телах молекулы могут колебаться, вращаться, перемещаться относительно друг друга? а) в газах б) в жидкостях в) в твердых телах 6. Температура тела связана а) с кинетической энергией тела б) с потенциальной энергией тела в) со средней кинетической энергией молекул
ТЕСТ №2 Внутренняя энергия 1.Кинетическая энергия тела зависит а) только от массы тела б) только от скорости тела в) от массы и от скорости тела 2.При падении выпущенного из рук тела а) происходит переход потенциальной энергии в кинетическую б) происходит переход кинетической энергии в потенциальную в) .кинетическая и потенциальная энергии не меняются 3.Механическая энергия куска пластилина, упавшего на пол, а) не изменится б) бесследно исчезнет в) превратится в другую форму энергии 4.Какая энергия называется внутренней энергией тела? а) энергия движения тела б) энергия взаимодействия частей тела в) кинетическая и потенциальная энергии частей тела 5. Внутренняя энергия тела зависит а) от скорости движения тела б) от температуры тела и его состояния (твердое, жидкое, газообразное) в) от положения тела относительно других тел 6.Может ли тело не иметь внутренней энергии? а) может, если тело имеет очень низкую температуру б) может, если тело не имеет механической энергии в) не может ни при каких условиях Литература: СЫПЧЕНКО Г.В. ФИЗИКА тесты 8кл Саратов: Лицей,2012.80с Интернетресурс
Вводный контроль по физике 8кл
ВАРИАНТ № 2
Дополните предложение одним словом:
1.Физическая величина, которая характеризует инертность тела, называется ____________________
2. Силу, с которой Земля притягивает к себе тела, называют
____________________
3.Сила,которая препятствует движению, называется _______________________________________
4.Прибор для измерения длины____________________
5. Колесо с желобом, укрепленное в обойме - это___________
6.Прибор для измерения давления_________________
ТЕСТ
1.Мелчайшие частицы, из которых состоят вещества, называются: а) молекулами, б)микрочастицами, в)крупинками.
2.Замедлить диффузию можно, если: а) охладить тела, б) нагреть, в) переставить с одного стола на другой.
3.Какие общие свойства характерны для твердых тел: а)имеют свою форму и объем, б) легко сжимаются, в)практически не сжимаемы.
4.По какой формуле можно рассчитать объем тела? a ) F = mg . b ) p = m : v . d ) V = S : t e ) V = abc
5.Какая сила заставляет падать все тела на Землю? а) сила трения, б) сила упругости, в)сила тяжести, г) вес тела.
6. По какай формуле можно рассчитать силу тяжести? a ) F = mg b ) F = mgh . d ) p = F : S e ) V = S : t
7. Какова единица измерения давления? а) Па б) Н в)м/с г)кг
8. Кто из космонавтов первым полетел в космос? а) Гагарин б) Титов в)Терешкова г)Леонов.
9. По какай формуле можно рассчитать работу? a ) F = pgh b ) A = F S d ) N = A : t
10.тело совершает механическую работу,когда а) оно движется, б) на него сила, в)на него действует сила и он
ТЕСТЫ ПО ФИЗИКЕ 8кл.
ТЕСТ 1 Тепловое движение. Температура.
1. Диффузия происходит быстрее, если а) движение молекул замедляется б) движение молекул прекращается в) скорость движение молекул увеличивается
2. Чем теплая вода отличается от холодной?
а) скорость движение молекул
б) строением молекул
в) прозрачностью
3.Какое из явлений относится к тепловым?
а) вращение Земли вокруг Солнца
б) радуга
в) таяние снега
4. По какой траектории движутся молекулы газов?
а) по прямолинейной
б) по криволинейной
в) по ломаной
5.В каких телах молекулы могут колебаться, вращаться, перемещаться относительно друг друга?
а) в газах
б) в жидкостях
в) в твердых телах
6. Температура тела связана
а) с кинетической энергией тела
б) с потенциальной энергией тела
в) со средней кинетической энергией молекул
ТЕСТ №2 Внутренняя энергия
1.Кинетическая энергия тела зависит а) только от массы тела б) только от скорости тела в) от массы и от скорости тела
2.При падении выпущенного из рук тела а) происходит переход потенциальной энергии в кинетическую б) происходит переход кинетической энергии в потенциальную в) .кинетическая и потенциальная энергии не меняются
3.Механическая энергия куска пластилина, упавшего на пол, а) не изменится б) бесследно исчезнет в) превратится в другую форму энергии
4.Какая энергия называется внутренней энергией тела? а) энергия движения тела б) энергия взаимодействия частей тела в) кинетическая и потенциальная энергии частей тела
5. Внутренняя энергия тела зависит а) от скорости движения тела б) от температуры тела и его состояния (твердое, жидкое, газообразное) в) от положения тела относительно других тел
6.Может ли тело не иметь внутренней энергии? а) может, если тело имеет очень низкую температуру б) может, если тело не имеет механической энергии в) не может ни при каких условиях
Литература: СЫПЧЕНКО Г.В.
ФИЗИКА тесты 8кл Саратов: Лицей,2012.-80с
Интернет-ресурс
1. Вам хорошо известно, что тела падают на землю, если они не удерживаются опорой, нитью подвеса, рукой и т. п. При падении тела его скорость увеличивается, т. е. падение тел является ускоренным движением.
Если одновременно выпустить из рук с некоторой высоты одинакового размера металлический и бумажный кружки и наблюдать за их движением, то мы заметим, что металлический кружок упадет на землю раньше бумажного. Можно предположить, что время падения тел зависит от их массы. Чтобы в этом убедиться, возьмем два одинаковых листа бумаги, один из них скомкаем и одновременно отпустим их из рук. Скомканный лист бумаги упадет на землю раньше. Следовательно, разное время падения не связано с массой тел.
Очевидно, что скомканный лист бумаги и гладкий испытывают при падении разное сопротивление воздуха. Подтвердить это предположение можно экспериментально.
Возьмем толстостенную трубку, один конец которой запаян, а другой снабжен краном. В трубку вложены дробинка, кусочек пробки и птичье перышко (рис. 33). Если быстро перевернуть трубку, то эти тела упадут на ее дно. Можно заметить, что дробинка упадет раньше всех, а перышко - позже всех тел. Если теперь откачать из трубки воздух и, закрыв кран, вновь ее перевернуть, то все три тела достигнут дна трубки одновременно, несмотря на то, что они имеют разную форму и массу. Следовательно, все тела в безвоздушном пространстве (в вакууме) падают с одинаковым ускорением, которое называют ускорением свободного падения .
Падение тел в безвоздушном пространстве называют свободным падением.
2. Свободное падение тел - движение равноускоренное.
Ускорение свободного падения направлено всегда к центру Земли и имеет одинаковое для всех тел значение при их одинаковом начальном положении относительно поверхности Земли.
Действительно, как вам уже известно, модуль перемещения тела при равноускоренном движении без начальной скорости вычисляется по формуле: s = . Из описанного выше опыта следует, что дробинка, кусочек пробки и птичье перышко за одинаковые промежутки времени совершают одинаковые перемещения, поэтому все они движутся с одинаковым ускорением.
Тело, брошенное вертикально вверх, тоже движется равноускоренно с ускорением свободного падения. В этом случае векторы скорости и ускорения тела направлены в противоположные стороны, а модуль скорости с течением времени уменьшается.
3. Ускорение свободного падения обозначают буквой g . Как вам известно из курса физики 7 класса, ускорение свободного падения зависит от географической широты местности. На широте Москвы вблизи поверхности Земли оно равно 9,81 м/с 2 . При решении задач, если не требуется высокая точность результата, принимают g = 10 м/с 2 .
Ускорение свободного падения зависит от высоты тела над поверхностью Земли. Чем выше поднято тело, тем слабее оно притягивается к Земле и тем меньше ускорение свободного падения. Например, для пассажирских самолетов, максимальная высота подъема которых над уровнем моря составляет примерно 10 км, ускорение свободного падения на этой высоте равно 9,78 м/с 2 . Для высот, на которых летают современные истребители характерно более существенное уменьшение ускорения свободного падения. Так, на высоте 18 км оно равно 9,72 м/ с 2 .
Еще меньшее значение ускорение свободного падения имеет на высотах, где расположены орбиты искусственных спутников Земли и космических станций. Так, максимальная высота первого искусственного спутника Земли относительно уровня моря составляла 947 км. Ускорение свободного падения на этой высоте равно 7,41 м/с 2 .
4 * . Свободное падение изучал итальянский ученый, один из основоположников классической механики, Галилео Галилей (1564-1642) в конце XVI в. Он ронял с Пизанской башни одновременно шар массой примерно 200 г и тело массой 40 кг, имеющее сигарообразную форму. Вопреки существовавшему в то время мнению, тела достигали поверхности Земли почти одновременно. Шар отставал всего на несколько сантиметров. У Галилея не было точных приборов для измерения времени, он использовал песочные часы, поэтому значение ускорения свободного падения было измерено им с большой погрешностью. В частности, в своей работе «Диалог о двух главнейших системах мира - птолемеевой и коперниковой» Галилей утверждал, что тела падали с высоты 60 мв течение 5 с и, исходя из этих данных, получил значение ускорения свободного падения почти в 2 раза меньше полученного в настоящее время.
Чтобы повысить точность эксперимента по изучению равноускоренного движения и свободного падения, в частности, Галилей исследовал скольжение шаров с наклонной плоскости. Он экспериментально установил пропорциональность пройденного шаром пути квадрату времени и закон отношения путей, проходимых им за последовательные равные промежутки времени.
5. Пример решения задачи
Два тела одновременно начинают двигаться: одно вертикально вверх со скоростью 20 м/с, другое вертикально вниз с высоты 60 м без начальной скорости. Определите время и координату места встречи тел.
|
Дано : |
Решение |
|
v 01 = 20 м/с v 02 = 0 h = 60 м g = 10 м/с 2 |
Систему отсчета свяжем с Землей. За начало отсчета координаты примем точку, из которой с поверхности Земли бросили первое тело, ось OY направим вверх, за начало отсчета времени примем момент бросания тел (рис.34). |
|
t ? y ? |
Запишем уравнение движения в проекциях на ось OY :
y = y 0 + v 0y t + .
Для первого тела это уравнение имеет вид:
y 1 = y 01 + v 01y t + .
Учитывая, что y 01 = 0; v 01y = v 01 ; g y = –g , получим
y 1 = v 01 t – .
Уравнение движения второго тела:
y 2 = y 02 + v 02y t + .
Поскольку y 02 = h ; v 02y = 0; g y = –g , то
y 2 = h – .
В момент встречи тел их координата будет одинаковой: y 1 = y 2 = y . Тогда v 01 t –= h – ; v 01 t = h .
Отсюда время встречи тел t = ;
t == 3 с.
Координату места встречи тел найдем из уравнения движения первого тела.
y = 20 м/с 3 с –= 15 м.
Ответ: t = 3 с; y = 15 м.
Вопросы для самопроверки
1. Какое движение называют свободным падением?
2. К какому виду механического движения относится свободное падение?
3. Как экспериментально доказать, что ускорение свободного падения одинаково для всех тел в данной точке пространства?
4. От чего зависит ускорение свободного падения?
Задание 8
1. Мяч падает на землю с высоты 20 м с начальной скоростью, равной нулю. Через какое время он достигнет поверхности Земли? Какую скорость приобретет мяч к моменту удара о поверхность Земли? На какой высоте относительно Земли будет находиться мяч через 1 с после начала падения? Какую скорость он будет иметь в этот момент времени? Сопротивлением воздуха пренебречь.
2. По данным задачи 1 постройте графики зависимостипроекции скорости на ось Y и модуля скорости мяча от времени, если ось Y направлена: а) вертикально вниз; б) вертикально вверх.
3. На какой высоте относительно поверхности Земли встретятся два мяча, если один брошен вертикально вверх со скоростью 10 м/с, а другой падает с высоты 10 м без начальной скорости? Мячи начинают движение одновременно. Какую скорость относительно Земли будут иметь мячи на этой высоте? Сопротивлением воздуха пренебречь. Постройте графики зависимости координаты каждого мяча от времени и определите по графику время и координату места их встречи * .
4 * . Вычислите ускорение свободного падения, используя данные, полученные Галилеем.
5. Постройте графики зависимости проекции скорости тел от времени по данным задачи, рассмотренной в § 8 * . Постройте по этим данным графики зависимости координаты каждого тела от времени и графически определите время и координату места встречи тел.
Свободное падение тел – это падение тел на Землю в вакууме при отсутствии помех. под действием силы тяжести при отсутствии сопротивления воздуха можно считать свободным падением. Например, в свободном падении находится спортсмен, прыгающий в воду с вышки или мяч, выпущенный из руки.
В 1583 году итальянский учёный Галилео Галилей (1564-1642) установил, что при отсутствии сопротивления воздуха все тела, независимо от их массы, падают на землю с одинаковым g , которое направлено вертикально вниз. Это ускорение называется ускорение свободного падения . При свободном падении тела с небольшой высоты h от поверхности Земли (причём h намного меньше радиуса Земли R З , где радиус Земли R З ~ 6000 км ) сила притяжения остаётся практически постоянной, поэтому ускорение свободного падения также остаётся постоянным.
Это заключение подтверждает опыт с падением тел в стеклянной трубке, из которой выкачан воздух (рис. 1.24). Кусочек свинца, лёгкое пёрышко и дробинка достигают дна трубки одновременно. Следовательно, они падают с одинаковым ускорением.
Свободное падение можно рассматривать как частный случай равноускоренного движения. Ускорение свободного падения зависит от высоты над уровнем моря и от географической широты места. Оно изменяется примерно от 9,83 м/с 2 на полюсе и до 9,78 м/с 2 на экваторе. На широте Москвы ускорение свободного падения принимается равным g = 9,8 м/с 2 . Поэтому в большинстве случаев при решении задач по физике ускорение свободного падения принимается равным 9,8 м/с 2 .
Различие в значении ускорения объясняется суточным вращением Земли и формой Земли – Земля сплюснута у полюсов, поэтому полюсный радиус Земли меньше экваториального радиуса.
Рис. 1.24. Свободное падение тел.
Зависимость ускорения свободного падения от высоты над уровнем моря можно получить, применяя второй закон Ньютона и закон всемирного тяготения. Модуль ускорения свободного падения равен:
g = G(M /(R + h) 2)
где G – гравитационная постоянная (или постоянная всемирного тяготения), G = (6,673 ± 0,003)*10 -11 н*м 2 / кг 2 М – масса Земли, M = 5,9736*10 24 кг R – радиус Земли, средний радиус Земли R З.СР = 6371 км, h – высота тела над уровнем моря (над поверхностью Земли).
Из этого уравнения видно, что при подъёме тела ускорение свободного падения уменьшается. Это становится заметным при подъёме на высоту более 300 км.
В некоторых районах земного шара ускорение свободного падения может отличаться от значения ускорения на данной широте. Такие отклонения наблюдаются в местах, где имеются залежи полезных ископаемых.
Движение тел по вертикали (вверх или вниз) вблизи поверхности Земли без учёта сопротивления воздуха является прямолинейным равноускоренным движением. При описании такого движения выбирают координатную ось OY, направленную вверх или вниз. Независимо от направления оси OY вектор ускорения свободного падения направлен вертикально вниз.
Формулы для вычисления координат (или высот) и скоростей примут следующий вид.
Скорость тела в любой момент времени
v y = ± v oy ± g y t
Перемещение тела
s y = ± v oy t ± (g y t 2) / 2
Координаты тела (высота тела)
y = h = h 0 ± v oy t ± (g y t 2) / 2
Скорость тела в любой точке пути
v y 2 = v oy 2 + 2g y (h — h 0)
Если ось OY направлена вниз, то проекция ускорения свободного падения g y на эту ось положительна. Если ось OY направлена вверх, то проекция g y отрицательна. Например, мяч, подброшенный вертикально вверх, до верхней точки подъёма движется равнозамедленно, а его движение вниз будет равноускоренным.
Проекции начальной v oy и конечной v y скоростей положительны, если направление скоростей совпадает с направлением оси OY, и отрицательны, если направления оси OY и скоростей противоположны.