Урок физики по теме «Сила трения» — готовый план урока по физике

Подготовили для учителей физики план урока по теме «Сила трения».

Цели урока:

1. Дать определение трению и выяснить природу его возникновения.
2. Вспомнить формулировку третьего закона Ньютона.
3. Дать определение силы трения.
4. Изучить причины и виды трения.
5. Выявить природу силы трения.
6. Экспериментально установить, от чего зависит сила трения.
7. Приобрести навыки для решения динамических задач с силой трения.

Содержание:

1. Изучение нового материала
2. Закрепление материала (решение задач)
3. Эксперимент
4. Подведение итогов урока

1. Изучение нового материала

Определение

Трение — это один из видов взаимодействия тел. Оно возникает при соприкосновении двух тел, движущихся (или пытающихся двигаться) одно относительно другого. Как и все другие взаимодействия, трение подчиняется третьему закону Ньютона.

Сила трения имеет такую же природу, что и сила упругости. 

Дело в том, что сила трения и сила упругости возникают вследствие взаимодействия между атомами и молекулами соприкасающихся тел. Сила трения при этом напрямую зависит от наличия неровностей и шероховатостей у поверхностей соприкасающихся тел. Идеально гладких и ровных поверхностей не существует. Поэтому при движении одной поверхности вдоль другой, выпуклости первой будут натыкаться на выпуклости другой, проваливаться в вогнутости и снова упираться в выпуклости.

Возникновение равных по величине и противоположных по направлению микросил упругости, складывающихся затем в общую силу трения.

Атомы и молекулы соприкасающихся тел оказываются настолько близко друг другу, что можно говорить об электрических взаимодействиях между отрицательными и положительными ионами, электронами и ядрами атомов. При движении электрических частиц возникает еще и магнитное взаимодействие. Поэтому природа возникновения трения — электромагнитная, а сила трения относится к семейству электромагнитных сил.

Силами сухого трения называют силы, возникающие при соприкосновении двух твердых тел при отсутствии между ними жидкой или газообразной прослойки. Они всегда направлены по касательной к соприкасающимся поверхностям.

Сухое трение, возникающее при относительном покое тел, называют трением покоя. Сила трения покоя всегда равна по величине внешней силе и направлена в противоположную сторону. Два главных вида силы трения — это сила трения покоя и сила трения скольжения.

Рассмотрим тело, лежащее на горизонтальной поверхности.

На тело действуют: сила тяжести (направленная вертикально вниз) и сила нормальной реакции опоры (направленная вертикально вверх).

Представим, что на тело начали действовать с силой , направленной горизонтально параллельно поверхности. Тело некоторое время будет оставаться в состоянии покоя. Это связано с тем, что одновременно с прикладываемой силой F возникнет равная ей по величине сила трения покоя , направленная в противоположную сторону.

Сила трения покоя не может превышать некоторого максимального значения .

Если прикладываемая сила станет равной этому максимальному значению, то произойдет взаимное проскальзывание тел. Силу трения в этом случае называют силой трения скольжения.

Формулы

Опыт показывает, что сила трения скольжения пропорциональна силе нормального давления тела на опору, а следовательно, и силе реакции опоры: .

Коэффициент пропорциональности называют коэффициентом трения скольжения. Коэффициент трения — безразмерная величина. Он зависит от материалов соприкасающихся поверхностей и от качества обработки их поверхностей. Конечно, можно попробовать собрать такие таблицы, в которых бы были указаны материалы и коэффициенты трения между ними, например: металл и стекло, асфальт и дерево. Но все же это будет не совсем достоверная информация, и в каждом конкретном случае следует определять коэффициент трения экспериментально.

Как теперь объяснить физический смысл коэффициента трения? На самом деле просто. Вспомним про тело, которое лежало на горизонтальной поверхности в начале урока. Это тело действовало на горизонтальную опору силой веса P, а опора действовала на тело силой нормальной реакции опоры . При равномерном скольжении тела по горизонтальной поверхности под действием силы , на тело действует максимальная сила трения 

Исходя из этой формулы, становится понятно, что коэффициент трения показывает, во сколько раз данное тело по данной поверхности легче тянуть, чем просто поднять:

Закон Кулона-Амонтона. Сила трения покоя не может превышать максимального значения . Если внешняя сила F больше возникает относительное проскальзывание. В этом случае силу трения называют силой трения скольжения. Она всегда направлена в сторону, противоположную направлению движения и (строго говоря) зависит от относительной скорости тел. Однако во многих случаях приближенно силу трения скольжения можно считать не зависящей от величины относительной скорости тел и равной максимальной силе трения покоя.

Рассмотрим роль силы трения в динамических задачах.

Вам могут пригодиться и другие планы уроков по физике:

2.

Закрепление материала (решение задач)

Задача 1

На шероховатой наклонной плоскости покоится брусок массой m. Угол наклона плоскости к горизонту равен а. Коэффициент трения бруска о наклонную плоскость равен . Чему равна величина сила трения, действующая на брусок? Укажите все силы, действующие на брусок. Определите, чему равны сила трения и сила нормальной реакции опоры. 

Решение

Правильное расположение сил, действующих на брусок такое:

1. Сила тяжести направлена вертикально вниз и приложена к центру тяжести бруска.
2. Сила трения покоя направлена вдоль наклонной поверхности вверх.
3. Сила нормальной реакции опоры направлена перпендикулярно поклонной поверхности. Ее точка приложения расположена в месте пересечения линии действия силы трения и лини действия силы тяжести (по теореме о трех непараллельных).

Это абсолютно правильное расположение сил, но в задачах динамики тело, движение которого исследуется, можно считать материальной точкой. Поэтому расположение сил удобно сделать другим, а именно: все силы выходят из одной точки.

Теперь силы рисуются таким образом, чтобы их векторная сумма была равна нулю. И это легко проверить, проводя линии действия сил и достраивая параллелограмм на векторах силы тяжести и силе нормальной реакции опоры.

Теперь, заметив два подобных треугольника (зеленый и красный), записываем: N=mg cos cos а, F_тр=mg sin sin а.

Задача 2

На шероховатой наклонной плоскости вниз скользит брусок массой m. Угол наклона плоскости к горизонту равен а. Коэффициент трения бруска о наклонную плоскость равен . Чему равна величина сила трения, действующая на брусок?

Подсказка к решению

Теперь мы имеем не силу трения покоя, которая была равна в предыдущей задаче равнодействующей силы тяжести и силы нормальной реакции опоры, а силу трения скольжения, которая по закону Кулона-Амонтона равна F_{тр max}=μ∙N . С учетом того, что из подобия тех же самых треугольников N=mg cos cos а, получим выражение силы трения скольжения:

3.

Эксперимент

Проведем эксперимент по определению коэффициента трения между двумя поверхностями.

Оборудование:

1. деревянная линейка;
2. брусок с крючком;
3. два цилиндрических грузика массой 50 гр каждый;
4. школьный динамометр.

Ход эксперимента:

1. Возьмем два грузика и определим их общий вес P.
2. Положим линейку на стол, а брусок на край линейки. 
3. Установим два груза на брусок.
4. Прикрепим динамометр к бруску и начнем тянуть брусок за динамометр так, чтобы брусок двигался равномерно. Запишем показания динамометра F .
5. Определим коэффициент трения по формуле .

Объяснение эксперимента:

Очень важно в ходе эксперимента обеспечить равномерное скольжение бруска по линейке. Этого можно добиться, если нагрузить брусок грузиками. Иначе движения бруска получаются прерывистыми, и равномерность движения не обеспечивается.

Равномерность движения важна по той причине, что при равномерном движении можно говорить о выполнении первого закона Ньютона, то есть о том, что сумма всех сил, действующих на брусок, будет равна нулю. Особенно нас интересует, чтобы равными были сила трения F_{тр max} и сила, прикладываемая к динамометру F.

4.

Подведение итогов урока

1. Сила трения бывает двух (на самом деле трех) видов – сила трения покоя и сила трения скольжения (силу трения качения мы сейчас не рассматривали). Это два основных вида!
2. Эти силы связываются законом Кулона-Амонтона.
3. Сформулировали физический смысл коэффициента трения, выяснили, от чего зависит сила трения и какова ее природа.
4. Рассмотрели два типа динамических задач с силой трения.

Советуем преподавателям физики заглянуть и в эти статьи:

Силы в природе — что это, определение и ответ

Динамика — раздел механики, изучающий законы и причины, вызывающие движение тела, т. е. движение материальных тел под действием приложенных к ним сил. В механике имеют дело с тремя типами сил: силы тяготения, силы упругости и силы трения. Сила измеряется в ньютонах [Н].

Сила тяжести — это сила, с которой планета притягивает к себе тела, находящиеся на поверхности или вблизи неё. Сила тяжести направлена к центру планеты (вниз) и равна произведению массы тела m на ускорение свободного падения g:

\(F_{тяжести} = mg\)

F_{тяжести} — сила тяжести, [Н];

m — масса тела, [кг];

g — ускорение свободного падения, [Н/кг] или [м/c²].

Данная сила действует на любой объект, обладающий массой, и мы постоянно ощущаем действие этой силы на себе. Ускорение свободного падения не зависит от массы тела, вблизи Земли g ≈ 10м/c².

Например, на человека массой 60 кг действует сила тяжести, равная 600 Н.

Вес тела — это сила, с которой тело действует на опору или растягивает подвес. В свою очередь со стороны опоры на тело действует сила реакции опоры. Сила реакции опоры равна по модулю весу тела и противоположна по направлению. Подвес действует на тело с силой натяжения подвеса, равной по модулю весу тела и противоположной по направлению.

\(\overrightarrow{P}\) — вес тела [Н]

\(\overrightarrow{Т}\) — сила натяжения подвеса [Н]

\(\overrightarrow{N}\) — сила реакции опоры [Н]

Если тело не касается опоры или подвеса, то его вес сила реакции опоры равны нулю.

Сила упругости — это сила, которая возникает внутри тела при деформации и стремится вернуть тело в исходное состояние. Деформацией называется изменение формы или размеров тела. При упругих деформациях тело восстанавливает свою форму и размер после прекращения действия деформирующей силы. Согласно закону Гука, деформация Δх, возникающая в упругом теле (пружине, стержне, и т. п.), пропорциональна приложенной к этому телу силе \(\overrightarrow{F_{внеш}}\):

F_внеш = kΔx. Коэффициент k называется жесткостью тела и измеряется в Н/м.

Сила упругости равна по модулю деформирующей силе и направлена в противоположную сторону:

\(\overrightarrow{F_{упр}} = — \overrightarrow{F_{внеш}}\)

Таким образом, сила упругости вычисляется по формуле: F_упр = kΔx.

При параллельном соединении двух пружин с коэффициентами жесткостей k₁ и k₂, жесткость системы равна сумме жесткостей k = k₁ + k₂. При последовательном соединении обратная общая жесткость системы равна сумме обратных жесткостей каждой из пружин:\(\frac{1}{k} = \frac{1}{k_{1}} + \frac{1}{k_{2}}\).

Сила трения — это сила, возникающая при соприкосновении двух тел и препятствующая их относительному движению. Сила трения направлена в сторону, противоположную направлению движения или направлению предполагаемого движения. Причиной возникновения трения является шероховатость трущихся поверхностей и взаимодействие молекул этих поверхностей.

Если попробовать сдвинуть с места шкаф, то он будет оставаться в покое до тех пор, пока приложенная сила не достигнет определенного значения. Между шкафом и поверхностью пола возникает сила трения покоя F_{тр.покоя}, равная по модулю и противоположная направлению приложенной силы F:

\(\overrightarrow{F_{тр.покоя}} = — \overrightarrow{F}\)

С ростом приложенной силы, будет расти и сила трения покоя. Шкаф останется на месте до тех пор, пока приложенная сила не превысит максимально возможное значение силы трения покоя F_{тр. max}, и уже после этого начнется движение.

Сила трения скольжения равна максимальной силе трения покоя и пропорциональна силе реакции опоры N между трущимися поверхностями: F_тр = F_тр.max = μN. Сила реакции опоры N равна по модулю силе нормального давления P со стороны тела на опору. Значит, силу трения можно вычислять по формуле F_тр= μP. Коэффициент трения μ определяется материалами соприкасающихся тел. Сила трения скольжения не зависит от площади соприкосновения.

На тело, погруженное в жидкость или газ, действует выталкивающая сила. Данная сила называется силой Архимеда, направлена вверх и вычисляется по формуле: F_A = ρgV. Здесь ρ — плотность тела, g — ускорение свободного падения, V — объем погруженной части тела.

Условия плавания тел:

\(F_{тяжести} > F_{А}\) — тело тонет

\(F_{тяжести} = F_{А}\) — тело плавает

\(F_{тяжести} < F_{А}\) — тело всплывает до тех пор, пока не начинает плавать

Условия плавания тел определяются соотношением между плотностью тела и плотностью жидкости:

ρ_тела > ρ_{жидкости} — тело тонет

ρ_тела = ρ_{жидкости} — тело плавает

ρ_тела < ρ_{жидкости} — тело всплывает до тех пор, пока не начнет плавать.

Если плотность тела меньше плотности жидкости, то объем погруженной части тела вычисляется по формуле:

\(V_{погруж} = V_{тела}\frac{\rho_{тела}}{\rho_{жидкости}}\)

Сила сопротивления возникает при движении тела в жидкости или газе. Она направлена противоположно скорости движения тела относительно среды и тормозит движение тела.

Величина силы сопротивления зависит от размеров, формы, состояния поверхности, скорости относительно среды и от свойств среды.

Частный случай силы реакции опоры, сила натяжения нити \(\overrightarrow{Т}\) точно также численно равна весу тела. При этом ее направление, как и у силы упругости пружины всегда против деформации — то есть от концов нити к ее центру.

Важно особенностью нити является равенство сил натяжения на ее концах, а в случае с нерастяжимой нитью — передача модуля ускорения от одного конца к другому (в задачах — от одного тела к другому, связанному с первым). При этом не обязательно должны совпадать направления ускорений тел, но обязательно совпадают модули.

Формула трения — объяснение, типы, проблемы и часто задаваемые вопросы

Трение можно определить как силу, оказывающую сопротивление двум поверхностям, движущимся друг против друга. Это в основном связано с межмолекулярным или IM притяжением, которое возникает между частицами двух соприкасающихся поверхностей. Существуют различные виды этой силы: статическая, скользящая, катящаяся и текучая. Давайте разберемся в этом подробно.

Статическое трение возникает, когда объект начинает двигаться, что означает, что для возникновения такого трения объект должен преодолеть трение статической силы и начать движение. Трение скольжения возникает, когда объект движется по поверхности другого объекта. Это называется «слайд». Это приводит к противодействию движению или скольжению двух объектов. Кроме того, трение качения возникает, когда объект катится по другой поверхности или объекту. Наконец, жидкостное трение возникает, когда жидкость оказывает силу трения на объект. Это может быть либо воздушное трение, когда среда движения — воздух, либо вязкое трение, когда средой является вода.

Есть несколько переменных, от которых зависит трение. Первый – это нормальная сила или . Это сила между соседними поверхностями, которые скользят друг относительно друга. Во-вторых, это зависит от коэффициента трения, который обозначается µ. Это дает нам природу поверхностей, которые скользят друг относительно друга.

 

Что такое формула трения?

Сила трения – это сила сопротивления, которая препятствует скольжению твердых поверхностей, слоев жидкости и элементов материала относительно друг друга в одном и том же направлении. Трение между двумя поверхностями преобразует кинетическую энергию в тепловую энергию или работу в тепло, поскольку они смещаются друг относительно друга. Трение полезно и необходимо для обеспечения сцепления и облегчения движения по земле. Для ускорения, замедления и изменения направления большинство наземных транспортных средств зависят от трения. Внезапный отказ тяги может привести к потере управления и аварии.

 

Типы трения

Существует четыре типа трения: 

   

Статическое трение

Между неподвижным объектом и поверхностью, на которой он стоит, возникает статическое трение.

Трение скольжения

Когда два предмета скользят друг относительно друга, возникает трение скольжения.

Трение качения

Сила сопротивления, замедляющая движение движущегося шарика или колеса, называется трением качения. Его часто называют сопротивлением качению.

       

Жидкостное трение 

Трение, возникающее между слоями жидкости, когда они движутся друг относительно друга, известно как жидкостное трение.

  

Формула силы трения

Рассмотрим твердый блок, покоящийся на горизонтальной поверхности. Когда к блоку приложена сила «P», блок не движется вдоль приложенной силы. Это связано с тем, что сила трения

больше, чем приложенная сила, которая уравновешивает твердый блок. Здесь сила трения также увеличивается соответственно, когда увеличивается приложенная сила. Как только приложенная сила превысит силу трения. Твердый блок скользит по горизонтальной поверхности. Эта сила, когда тело начинает двигаться, называется предельным трением.

Это трение называется статическим трением, потому что одно тело скользит по другому, которое неподвижно.

Чтобы вывести формулу силы трения покоя, мы должны рассмотреть все силы, действующие на тело.

 

Уравнение трения покоя или формула коэффициента трения или уравнение силы трения задается следующим образом

Здесь сила трения покоя прямо пропорциональна нормальной силе, действующей на тело.

Ф α Н

F = мкН

 

Где F — максимальная сила трения покоя.

Н — нормальная сила, равная произведению массы тела на ускорение свободного падения.

N = мг

μ — коэффициент трения.

 

Формула трения качения

Рассмотрим шар, помещенный на плоскую горизонтальную поверхность. Когда мяч движется вперед, сила трения о землю заставляет мяч останавливаться. Это трение известно как трение качения.

Формула трения качения или формула коэффициента трения для качения представлена ​​следующим образом:

F = Crr N

 

Где F — сила сопротивления качению.

Crr — безразмерный коэффициент сопротивления качению или коэффициент трения качения

(CRF).

Н — нормальная сила, то есть сила, перпендикулярная поверхности, по которой катится мяч.

 

Формула силы трения для наклонной плоскости

Рассмотрим массу m, лежащую на наклонной плоскости. Если масса движется вниз по плоскости, сила трения F будет действовать вверх по плоскости.

 

Формула трения или уравнение коэффициента трения или формула угла трения дается следующим образом:

F = мкН

 

Где F = сила трения.

Н = нормальная сила, действующая на тело самолета из-за силы тяжести = мг Cos θ

μ = коэффициент

трение = тангенс θ

θ = Угол наклона плоскости над скольжением тела.

Оптимальное значение θ для статического трения может быть получено путем постоянного увеличения θ до тех пор, пока масса не начнет двигаться. Это называется предельным углом естественного откоса.

Задачи на формулу трения

1) Мальчик тянет тело массой 50 кг, покоящееся на плоской горизонтальной поверхности. Рассчитайте силу трения, если коэффициент трения равен 0,3.

Здесь дано, что масса тела m = 50 кг и коэффициент трения =0,3

Формула трения имеет вид × 9,81 = 5395,5

кгм/с2 = 5395,5

Н

2) Мальчик катает мяч по ровной горизонтальной поверхности. Масса мяча 10 кг, коэффициент трения качения 0,2. Рассчитать силу сопротивления качению.

Здесь

масса мяча равна m = 10 кг

Коэффициент трения качения, Crr = 0,2

Сила сопротивления качению определяется по формуле

 F = Crr N

Здесь N — нормальная сила N = mg

Здесь g — ускорение

свободного падения = 9,81 м/с2

N = 10 × 9,81 = 98,1 кгм/с2 = 98,1 Н.

Подставив значения, получим получить требуемую силу сопротивления качению

F = 0,2 × 98,1 = 19,62 Н

 

Заключение

Сила трения предотвращает скольжение или перекатывание одного твердого объекта по другому. Силы трения, такие как тяга, необходимая для ходьбы без падения, могут быть полезными, но они также создают значительное сопротивление движению. Около 20% мощности двигателя автомобиля используется для преодоления сил трения в движущихся частях. Силы притяжения, известные как адгезия, между областями контакта поверхностей, которые часто имеют микроскопическую неровность, как правило, являются основной причиной трения между металлами. Разрезание этих сварных соединений вызывает трение, как и неровности шероховатой поверхности, проникающие сквозь более мягкую поверхность.

Сила трения :: Учебники по физике

Сила трения возникает в результате взаимодействия поверхностей. Неровности в структуре материи вызывают силу трения. Эти неровности могут быть обнаружены в микроразмерах. Вы можете не увидеть каких-либо неровностей на поверхности материала, однако они есть. Сила трения всегда противоположна направлению движения и стремится уменьшить результирующую силу. Все материалы имеют свою собственную константу трения, другими словами, сила трения зависит от типа материалов. Другим фактором, влияющим на силу трения, является нормальная сила. Когда вы прикладываете силу к объекту, сила трения становится активной и сопротивляется силе, имеющей направление, противоположное вашей чистой силе.

По этой формуле можно рассчитать силу трения; Где µ — коэффициент трения, зависящий от типа материала. Fнорма – это реакция поверхности на предмет из-за его веса.

Ffriction≤ µ.m.g Мы принимаем этот вес как мг, однако, если объект находится на наклонной плоскости, то при расчете веса мы берем вертикальную составляющую массы.

Трение можно изучать по двум темам: трение покоя и трение скольжения. Поверхности применяют различную постоянную трения, когда объект находится в состоянии покоя и скользит. Интересно, что константа трения покоящихся объектов выше, чем константа трения скользящих тел. Сила трения скольжения рассчитывается с использованием µ и нормальной силы Fnorm, приложенной поверхностью к объекту.

Ffriction= µsliding.m.g скольжение

Сила трения существует и при отсутствии движения. Если два объекта соприкасаются, то можно говорить о силе трения, движения нет. При статической силе трения два объекта соприкасаются, однако движение отсутствует, другими словами, объект не скользит по поверхности.

Вы все испытываете статическое трение в повседневной жизни. Например, предположим, что вы толкаете огромную коробку, которая стоит на ковре, однако коробка не двигается. Статическое трение возникает, когда вы прикладываете силу к объекту. Величина статического трения равна силе трения, которую вы прикладываете, а направление противоположно направлению движения. Если вы увеличиваете приложенную силу до одной точки, трение покоя также увеличивается. Мы рассчитаем эту предельную точку по формуле, приведенной ниже.

Ffriction = µstatic.m.g static

Мы используем символ ≤ вместо =, поскольку трение покоя изменяется в зависимости от приложенной силы. Он имеет значение от 1 до предельного значения. Рассчитываем предельное значение по формуле, приведенной выше. Большую часть времени величина статического трения больше, чем величина трения скольжения для тех же поверхностей. Решаем некоторые задачи, связанные с трением и законом Ньютона.

Пример: К коробке весом 6 кг приложено усилие 50 Н.

Найдите ускорение ящика, если коэффициент трения равен 0,3. Свободная схема корпуса системы приведена выше. Из этой диаграммы находим нормальную силу поверхности и силу трения. Fнормаль=мг-Fy

Fнормаль=60Н-40Н=20Н

И сила трения;

Ffriction=µ.Fnormal=0,3.20N=6N

Суммарная сила от –Y до Y равна нулю, другими словами, коробка находится в равновесии в этом направлении. Однако в направлении –X +X результирующая сила не равна нулю, поэтому в этом направлении есть движение и ускорение.

Fnet=m.a

Fx-Friction=m.a

30N-6N=6kg.a

a=4 м/с²

Пример: Найдите ускорение системы. (µ=0,4, sin37º=0,6, cos37º=0,8 и g=10 м/с²) Fnet=m.a

F2x — Friction — T = m.a

F2.sin37º — µ.F2.cos37º — 10 = (5kg + 1kg).a

(50,0,6) — (0 ,4.