9кл_ Простые механизмы. Рычаг

Тема урока: Простые механизмы. Рычаг. Условие равновесия рычага

Дайте мне точку опоры, и я переверну Землю!

Архимед

Цели урока:

1. Образовательные – обеспечить усвоение учащимися понятия простого механизма, принципа действия рычага и условия равновесия рычага, используя проблемно-исследовательскую технологию, показать связь изученного материала с жизнью проверить умение применять полученные знания для решения практических задач.

2. Развивающие –  развитие таких мыслительных операций как анализ, сопоставление, сравнение, умение выделять главное, существенное в изучаемом материале. Развивать логически излагать свои мысли; развивать эмоции учащихся, создавая на уроке ситуации занимательности; формировать потребность в дополнительном, после учебном познавательном труде; способствовать обогащению словарного запаса, прививать культуру умственного труда;

3. Воспитательные – приучать детей к аккуратному ведению записей в тетради, к доброжелательному общению, взаимопомощи, к самоконтролю; воспитывать чувство сопереживания за товарищей, формировать познавательный интерес к физике.

Тип урока: урок изучения нового материала.

Общие методы обучения: эвристический.

Оборудование: компьютер, мультимедийный проектор, экран, линейка, набор грузов, стакан, ножницы, кусачки, клещи, пассатижи, гаечный ключ, кусачки, открывалка для бутылок, лабораторные рычажные весы.

План урока

1. Организационный момент

2. Актуализация опорных знаний.

3. Освоение нового материала.

4. Закрепление и первичная проверка материала

5. Домашнее задание

Ход урока

1. Этап начальной организации урока.

Задача: подготовить учащихся к работе на уроке.

Содержание: взаимное приветствие учителя и учащихся, определить отсутствующих, проверить готовность учащихся к уроку, организовать внимание учащихся, проверить готовность оборудования.

2. Актуализация опорных знаний.

Задача: повторение изученного ранее материала.

Фронтальный опрос (окончить фразу по цепочке ):

1. Работа – это физическая величина, равная произведению силы на ….(путь)

2. Работа обозначается буквой…

3. Единица измерения механической работы в СИ называется…(джоуль)

4. Работа может быть … и … (положительной, отрицательной)

5. Когда тело движется горизонтально, то работа сила тяжести …(равна нулю)

6. Гиря неподвижно висит на проволоке, механическая работа при этом… (не совершается)

7. Мощность – это величина, равная отношению… (работы ко времени)

8. Мощность обозначается буквой …

9. Ватт – единица измерения мощности в СИ равна отношению…( джоуля к секунде)

10. Чем большая работа совершается за единицу времени, тем мощность….(больше)

3. Этап изучения нового материала.

Задача: обеспечить усвоение учащимися понятия простого механизма, принципа действия рычага и условия равновесия рычага, используя проблемно-исследовательскую технологию, показать связь изученного материала с жизнью.

Содержание.

Тема урока – «Простые механизмы. Рычаг. Условие равновесия рычага».

Наверное, многие из вас до сего дня считали, что механизм – это что-то большое и грохочущее, однако сегодня на уроке вы сами убедитесь, что некоторые механизмы совсем невелики и довольно просты, некоторыми из них вы пользуетесь ежедневно! И все они, независимо от размера, облегчают работу человека.

Каждому из вас хоть раз в жизни приходилось набирать воду из колодца, или копать ямку, или же забивать гвоздь, закручивать гайку – всё это мы можем назвать работой. При совершении такой работы вы постоянно используете разнообразные инструменты (молоток, плоскогубцы, гаечный ключ, лопата и т.д.). Эти инструменты можно назвать механизмами. Они служат для того, чтобы преобразовывать прилагаемую вами силу в большую силу. Без этих инструментов, зачастую даже самый сильный человек опускает руки, ну, например, попробуйте вбить гвоздь без молотка или вкрутить саморез, не используя отвёртку.

Простые механизмы - это устрой­ства, с по­мо­щью ко­то­рых ра­бо­та со­вер­ша­ет­ся толь­ко за счет ме­ха­ни­че­ской энер­гии, и которые позволяют получить выигрыш в силе.

Рассмотрим, какие механизмы относятся к простым, и для чего они нам нужны. Для ответа на этот вопрос, рассмотрим простой пример – рис.120!

Пусть необходимо поднять груз на некоторую высоту. Для этого можно воспользоваться одним из шести простых механизмов.

а) Рычаг – твёрдое тело, которое может вращаться вокруг неподвижной опоры;

б) Блок - колесо с жёлобом по окружности, вращающееся вокруг своей оси;

в) Винт – простейший механизм. Резьба винта, в сущности, представляет собой другой простейший механизм – наклонную плоскость, многократно обернутую вокруг цилиндра.

г) Клин;

д) Ворот – это два колеса, соединенные вместе и вращающиеся вокруг одной оси, например, колодезный ворот с ручкой;

е) Наклонная плоскость (применяется для перемещения тяжелых предметов на более высокий уровень без их непосредственного поднятия - это пандусы, эскалаторы, обычные лестницы и конвейеры). Чем меньше угол наклона, тем легче выполнить работу по подъему груза на высоту.

Во всех шести случаях действие силы приведет к подъему тела. Важно! Сила во всех случаях меньше веса поднимаемого тела. Значит, использование простых механизмов позволяет получить выигрыш в силе.

Если посетить любое современное производство, то можно увидеть, как работают машины. Они, как разумные существа, прессуют, гнут, режут большие металлические листы, считают и сортируют, взвешивают и упаковывают различные изделия.

Однако если рассмотреть любое устройство такой сложной конструкции, то можно заметить, что ее механическая составляющая представлена сочетаниями всего шести видов простых механизмов — рычагов, блоков, винтов, клиньев, воротов и наклонных плоскостей.

Нередко можно наблюдать, как тяжёлый груз поднимают или перемещает с места на место с помощью деревянного или металлического стержня. Если подсунуть под тяжёлый предмет конец лома, положенного на брусок, то легким нажатием на его свободный конец можно сдвинуть груз с места

Но простые механизмы служат не только для подъема тела. Их используют, когда режут ножницами бумагу или ткань, колют дрова, гребут веслами и т. д. Более того, эти механизмы есть и в теле человека.

К простым механизмам относятся топор, лопата, ножницы, мясорубка и многое другое.

Обратите внимание на эпиграф к нашей теме -“Дайте мне точку опоры, и я сдвину Землю”. По преданию, эти гордые слова принадлежат греческому ученому Архимеду, жившему больше двух тысяч лет назад и сделавшему немало выдающихся изобретений и открытий. Неужели Архимед считал себя таким силачом? Нет, он не отличался от других людей здоровьем и силой. Но он открыл закон рычага, о котором мы сейчас будем говорить.

Каждому известно, что тяжелый предмет можно сдвинуть с места при помощи длинной и прочной палки – рычага.

Рычаг – это любое твердое тело, которое может поворачиваться относительно неподвижной оси или опоры.

Ещё до н.э. люди начали применять рычаги в строительном деле. Например, при постройке пирамид в Египте невозможно было бы обойтись без использования рычага для подъёма тяжестей.

• Рычаг I рода - рычаг, ось вращения которого расположена между точками приложения сил, а сами силы направлены в одну сторону - ножницы, коромысло равноплечих весов, консервный нож, лопата, весло;

• Рычаг II рода - рычаг, ось вращения которого расположена по одну сторону от точек приложения сил, а сами силы направлены п ротивоположно друг другу (ось вращения на конце) - гаечные ключи, дверь, тачка, орехокол.

При этом в рычагах I рода, направления приложенных сил совпадают, а в рычагах II рода силы направлены в противоположные стороны.

Как видите, рычаг – это не обязательно длинный и тонкий предмет. Например, рычагом является любое колесо, так как оно может вращаться вокруг оси.

Рассмотрим рычаг более подробно.

Демонстрация рычага I рода (или видеофрагмент)

Оборудование: линейка, грузы, стакан.

Возьмем в качестве рычага ровную деревянную перекладину. После уравновешивания перекладины мы получили рабочую модель рычага I рода, который можно использовать для получения выигрыша в силе.

Единственная неподвижная точка рычага – точка опоры О.

Стороны перекладины по бокам от точки опоры называются плечами рычага.

При каких условиях рычаг находится в равновесии?

Очевидно, для того чтобы рычаг оставался в равновесии, необходимо, чтобы с обеих сторон были приложены равные силы (кладем на рычаг слева и справа по 1 грузу).

Но мы так же можем уравновесить и разные силы. Например, для того, чтобы уравновесить 2 груза одним грузом, необходимо знать один секрет - нужно сделать плечо рычага более в 2 раза длинным. Таким образом, теоретически, даже Моська может уравновесить Слона! Для этого необходимо лишь поместить её на большее плечо рычага, а Слона установить на меньшее.

Почему же неравные силы, которые приложены к рычагу, удерживают его в равновесии?

Все потому, что результат действия силы на рычаг зависит не только от ее величины и ее направления, но и от того, на каком расстоянии от оси вращения (точки опоры) эта сила приложена.

Плечо силы – кратчайшее расстояние (перепендикуляр) от точки опоры до прямой, вдоль которой действует сила (линия действия силы это прямая, проходящая через вектор силы).

Рассмотрим схему данного опыта.

F₁ и F_{2 –} силы, действующие на рычаг (в данном случае – вес грузов) , Н;

l₁ и l₂ - плечи сил F₁ и F₂, м.

На рычаг действуют еще две силы — сила тяжести рычага и сила упругости опоры. Как видно из рисунка, плечи этих сил равны нулю, поэтому на равновесие рычага они не влияют.

Сравним силы F₁ и F₂ и их плечи l₁ и l₂. Сила F₂ в два раза меньше силы F₁, а плечо силы F₂ в два раза больше плеча силы F₁. Т.е., чем больше плечо, тем меньше сила, с помощью которой можно поднять груз, лежащий на противоположной от опоры части рычага. Математически это можно записать в виде пропорции:

- условие равновесия рычага: рычаг находится в равновесии тогда, когда силы, действующие на него, обратно пропорциональны плечам этих сил.

Что произойдет, если плечо силы F₂ увеличить, скажем, в 5 или 25 раз? (сила уменьшилась бы в 5 или 25 раз).

Вывод: выигрыш в силе, который способен дать конкретный рычаг, напрямую зависит от длин его плеч, мы можем получить выигрыш в силе во столько раз, во сколько раз большее плечо рычага длиннее его меньшего плеча.

 Сразу отметим, что все выводы, которые сделаны нами для рычага первого рода, справедливы и для рычага второго рода.

 Рычаг используется для получения большего усилия на коротком плече с помощью меньшего усилия на длинном плече (или для получения большего перемещения на длинном плече с помощью меньшего перемещения на коротком плече).

Из правила рычага сле­ду­ет:

Сила F₂  при оси О будет иметь мо­мент, ко­то­рый будет вра­щать тело по ча­со­вой стрел­ке. Сила F₁  при оси О будет иметь мо­мент, ко­то­рый будет вра­щать тело про­тив ча­со­вой стрел­ки. Из этого мы по­лу­ча­ем

пра­ви­ло мо­мен­тов сил : для того чтобы рычаг был в рав­но­ве­сии, нужно, чтобы мо­мент силы, дей­ству­ю­щей по ча­со­вой стрел­ке, был равен мо­мен­ту дей­ству­ю­щей силы про­тив ча­со­вой стрел­ки.

Вы­иг­рыш в силе можно по­лу­чить огром­ный, мы огра­ни­че­ны разве что дли­ной ры­ча­га и его проч­но­стью.

Задача. Рас­счи­та­ем, какой длины дол­жен быть рычаг, чтобы с его по­мо­щью хруп­кая де­вуш­ка мас­сой 50 кг смог­ла при­под­нять ав­то­мо­биль мас­сой 1500 кг, на­да­вив на рычаг всем своим весом. Точку опоры ры­ча­га раз­ме­стим так, чтобы ко­рот­кое плечо ры­ча­га было равно 1 м.

Н а примере этой задачи мы с вами увидели, что с помощью рычага мы можем совершить такую работу, которую без него никогда бы не выполнили.

С помощью рычага можно было бы сдвинуть Землю, о чем и говорил Архимед ( эпиграф!). Единственное, что нет точки опоры, на которое могло бы опереться плечо, ведь масса Земли равна 6*10²⁴ кг, да и рычаг потребовался бы неимоверно длинный.

К ак-то все очень хорошо получается, не правда ли? Мы можем почти неограниченно уменьшать силу для выполнения работы. Должен же быть в чем-то подвох, иначе с рычагом наши возможности были бы безграничными? Дело вот в чем – когда мы используем рычаг, мы прикладываем меньшую силу, но при этом совершаем большее перемещение. Мы пе­ре­дви­ну­ли че­ре­нок ло­па­ты на вы­тя­ну­тую руку, но под­ня­ли землю всего на несколь­ко сан­ти­мет­ров.

Чем мень­шую силу мы при­кла­ды­ва­ем, тем боль­шее пе­ре­ме­ще­ние со­вер­ша­ем. А про­из­ве­де­ние силы на пе­ре­ме­ще­ние, то есть ра­бо­та, оста­ет­ся по­сто­ян­ным. То есть рычаг дает вы­иг­рыш в силе, но про­иг­рыш в пе­ре­ме­ще­нии, или на­о­бо­рот.

Иными словами, простые механизмы не дают выигрыш в работе.

Ар­хи­мед, если бы всё-та­ки нашел точку опоры, за всю свою жизнь не успел бы по­вер­нуть свой рычаг так, чтобы сдви­нуть Землю, рычаг пришлось бы двигать в течение нескольких десятков миллионов лет со скоростью 1 см в минуту.

4. Первичное закрепление нового материала и домашнее задание.

Задача 1. На одном конце линейки длиной 100 см подвешена гиря массой 500 г. Посередине линейки снизу находится опора, относительно которой линейка может свободно поворачиваться. Где надо подвесить второй груз массой 750 г, чтобы линейка находилась в равновесии?

Задача 2. На концах легкого стержня длиной 32 см подвешены грузы массами 40 г и 120 г. Где нужно подпереть стержень, чтобы он находился в равновесии?

Вопросы для обсуждения:

1. В каких бытовых приборах и устройствах вы видели простые механизмы? ( Весы рычажные (рычаг), мясорубка (винт), ножницы (рычаг), нож (клин), топор (клин) ).

2. Что такое рычаг? Дайте определение.

3. Заполнить блок-схему:

1. В чем заключается правило рычага? Кто его открыл?

2. Чем отличается рычаг 1-го рода от рычага 2-го рода?

3. Приведите примеры применения рычагов (дверь, ореходавка, открывалка, колодезный ворот - рычагом в данном случае служит бревно, к которому прикреплена изогнутая рукоятка. Ось вращения этого рычага проходит сквозь это бревно, поэтому человек затрачивает меньше силы, вращая ручку колодца, так как большей силой будет та, которую цепь с ведром тянет вниз)

4. Закончите фразы:

• Твердое тело, свободно вращающееся вокруг закрепленной точки опоры, называется…(рычагом)

• Подвижный рычаг дает выигрыш в силе в … раза. (два)

• Рычаг находится в равновесии, если …(плечи действующих на него сил обратно пропорциональны значениям сил)

• Плечо силы – это…

• Сила измеряется в …

• Плечо силы измеряется в …

• Чтобы уменьшить приложенную силу, необходимо … плечо силы. (увеличить)

• К простым механизмам относятся…

• Простые механизмы нужны для…

• Ни один из простых механизмов не дает выигрыша в … (работе)

1. Рассмотрите рисунки. В каком случае груз нести легче? Почему?

2. Рассмотрите рисунки. В каком случае груз нести легче? Почему?

1. Разломите спичку пополам, получившиеся части снова разломите пополам и так продолжайте ломать спичку на все более маленькие кусочки. Почему маленькие кусочки труднее разламывать, чем большие?

2. Почему дверную ручку прикрепляют не к середине двери, а к краю, притом наиболее удаленному от оси вращения двери?

3. Как влияет положение груза на величину силы с которой надо удерживать палку в равновесии?

4. Длина меньшего плеча рычага 5 см, большего 30 см. На меньшее плечо действует сила 12 Н. Какую силу надо приложить к большему плечу, чтобы уравновесить рычаг?

5. На меньшее плечо рычага действует сила 300 Н, на большее – 20 Н. Длина меньшего плеча 5 см. Определите длину большего плеча. Сделайте рисунок

6. Длина меньшего плеча рычага 5 см, большего 30 см. На меньшее плечо действует сила 12 Н. Какую силу надо приложить к большему плечу, чтобы уравновесить рычаг? (Сделайте рисунок. Весом рычага пренебречь.)

7. При помощи кусачек перекусывают гвоздь. Расстояние от оси вращения кусачек до гвоздя 2 см, а до точки приложения силы руки 16 см. Рука сжимает кусачки с силой 200 Н. Определите силу, действующую на гвоздь.

8. Где нужно поместить опору, чтобы рычаг был в равновесии

1. Этап подведения итогов урока и домашнее задание.

Однажды по берегу моря вдвоем

Гулял Архимед с сиракузским царем.

А рядом триеру тащили на мель

И тут Архимед Гиерона спросил:

– Ты помнишь мой винт для подъема воды?

В Египте рабам я облегчил труды.

А знаешь, как людям помог бы рычаг

В труде непосильном. К примеру,

Оть я… вот эту триеру.

Стоит Гиерон, потирает висок:

– Ты втащишь триеру? Один? На песок?!

– Триеру на берег втащу я один.

Вот ты через месяц сюда приходи…

И я удивлю Сиракузы.

В назначенный срок собирается люд

Гиерон. Я вижу веревки и много колес, и я поражаюсь размеру,

Но даже Геракл, ухватившись за трос, не втащит на берег триеру…

И тут Архимед повернул колесо –

Триера послушно ползет на песок.

Гиерон. Не верю глазам! Столько силы в плечах?!

Архимед. Нет, царь! Эту силу умножил рычаг!

Взглянул Архимед: небо, горы и море кругом.

– Я землю бы мог повернуть рычагом,

Лишь дайте мне точку опоры.

Творческое задание:

1. Подготовить сообщения об использовании простых механизмов.

2. Подборка загадок, пословиц о простых механизмах

3. Рычаги в природе, быту и технике.

4. Фокусы или опыты на правило рычага

5. Домашний эксперимент: Положите под середину линейки карандаш так, чтобы линейка находилась в равновесии. Не меняя взаимного расположения линейки и карандаша, уравновесьте на полученном рычаге одну монету с одной стороны и стопку из трех таких же монет с другой стороны. Измерьте плечи приложенных (со стороны монет) сил и проверьте правило рычага.

12