Badanie zależności siły tarcia od siły nacisku, Ćwiczenia z Fizyka

Pobierz Badanie zależności siły tarcia od siły nacisku i więcej Ćwiczenia w PDF z Fizyka tylko na Docsity!

Badanie zależności siły tarcia od siły nacisku

Wprowadzenie Przeczytaj Wirtualne laboratorium WL-I Sprawdź się Dla nauczyciela

Czy to nie ciekawe?

Gdybym zapytała Cię, czy znasz siłę tarcia, to zapewne dostałabym odpowiedź pozytywną. Spotykasz ją w codziennych sytuacjach, dzięki niej możesz poruszać się, pisać długopisem na kartce papieru, czy przesuwać książki po blacie biurka. Od jakich czynników zależy ta, tak powszechna, siła? O jednym z nich – o sile nacisku - będzie mowa w tym e‐materiale.

Twoje cele

dowiesz się, jak mierzyć siłę tarcia; wykonując doświadczenie w wirtualnym laboratorium, sprawdzisz czy wartość siły nacisku wpływa na wartość siły tarcia.; przeanalizujesz i zinterpretujesz wyniki wykonywanego doświadczenia; zastosujesz zdobytą wiedzę w rozwiązywaniu praktycznych zadań.

Badanie zależności siły tarcia od siły nacisku

Rys. 2. Klocek porusza się ruchem jednostajnym pod wpływem siły oraz siły tarcia , gdy.

Jeśli użyjemy większej siły niż siła tarcia, to klocek będzie poruszał się ruchem przyspieszonym (Rys. 3.).

Rys. 3. JeśliF >T, klocek porusza się ruchem przyspieszonym.

Badając siłę tarcia zdajemy sobie sprawę, że może na nią mieć wpływ kilka różnych czynników. Wymieńmy trzy: rodzaj stykających się powierzchni, ich wielkość i siła nacisku. Badanie tego rodzaju problemu musi przebiegać w ten sposób, że zmienia się w doświadczeniu tylko jeden czynnik, nie zmieniając pozostałych. Dlatego będziemy badać wpływ siły nacisku na siłę tarcia pomiędzy ustalonymi powierzchniami. W tym doświadczeniu klocek przemieszcza się po poziomej powierzchni, więc wartość siły nacisku jest równa ciężarowi klocka. Siła tarcia ma kierunek styczny do powierzchni i jednocześnie prostopadły do siły nacisku (Rys. 4.).

F

T

→ T = -

→ F

Rys. 4. Na klocek działa siła ciężkości. Jej skutkiem jest siła nacisku klocka na powierzchnię. Siła tarcia działa stycznie do powierzchni.

Istota siły tarcia polega na tym, że powierzchnie nie są doskonale gładkie. Gdyby powiększyć obraz powierzchni, nierówności stałyby się widoczne (Rys. 5.).

Rys. 5. Powiększona struktura stykających się powierzchni.

Można sobie wyobrazić, że jeśli powierzchnie zostaną mocniej dociśnięte, to trudniej będzie pokonać wszystkie nierówności, wszystkie „zadziorki”. Konsekwencją tego rozumowania jest hipoteza, którą można sformułować następująco:

wartość siły tarcia jest tym większa im większa jest wartość siły nacisku.

Tę hipotezę możesz zweryfikować doświadczalnie, jeśli w pracowni dysponujesz siłomierzem i kilkoma jednakowymi klockami. W doświadczeniu będziesz zwiększać siłę nacisku klocka na podłoże, stawiając kolejne klocki jeden na drugim, za każdym razem mierząc siłę tarcia w sposób, jaki był podany wyżej. Wyniki obarczone będą niepewnością

P

N

T

Wirtualne laboratorium WL-I

Badanie zależności siły tarciaT od siły naciskuN

W celu przeprowadzenia doświadczenia wybierz liczbę jednakowych klocków w stosie oraz nominalną wartość siły przyłożonej do klocka dolnego, stykającego się z podłożem. Uruchom pomiar przyciskiem START. Obserwuj zachowanie układu; po pomiarze odczytaj wartość siły z siłomierza. Odczytuj i interpretuj wpisy, które pojawiają się w tabeli.

Jeśli ruch klocka będzie jednostajny, to znaczy, że wartości sił i są jednakowe. Jeśli będzie większa, to klocek będzie poruszał się ruchem przyspieszonym. Jeśli będzie mniejsza od siły tarcia, to klocek nie ruszy z miejsca.

Siła nacisku pomiędzy dolnym klockiem a powierzchnią podłoża jest równa, co do wartości, ciężarowi całego stosu klocków.

Jeśli dysponujesz wynikami, które pozwalają określić siłę tarcia dla pięciu różnych stosów klocków, to przejdź do analizy wyników eksperymentu - wykonaj poniższe polecenia. W przeciwnym razie, uzupełnij swoje wyniki.

F

F

F T

Polecenie 1

a) skopiuj tabelę wyników do zeszytu lub do arkusza kalkulacyjnego;

b) wyeliminuj te wyniki, które nie pozwalają określić wartości siły tarcia na podstawie wartości siły ;

c) uzupełnij tabelę o kolumnę przedstawiającą wyrazić wartość siły nacisku stosu klocków na powierzchnię;

d) sporządź wykres zależności wartości siły tarcia od siły nacisku;

e) rozważ celowość naniesienia na wykres odcinków niepewności pomiaru siły tarcia ;

f) ustal charakter zależności.

Polecenie 2

Zweryfikuj postawioną hipotezę. Wskaż najbardziej trafny wniosek, jaki możesz wyciągnąć z doświadczenia.

Wartość siły tarcia jest:

odwrotnie proporcjonalna do wartości siły nacisku odwrotnie proporcjonalna do kwadratu wartości siły nacisku wprost proporcjonalna do wartości siły nacisku wprost proporcjonalna do kwadratu wartości siły nacisku

T

F

N

Δ T

T ( N )

Ćwiczenie 1

Zależność wartości siły tarcia od wartości siły nacisku przedstawia wykres:

Wykres A Na wykresie oś pionowa T i oś pozioma N - linia czerwona prosta punkt początkowy ma w punkcie 0 i skierowana jest ukośnie do góry. Wykres B Na wykresie oś pionowa T i oś pozioma N - linia czerwona prosta pozioma, punkt początkowy ma na osi pionowej T. Wykres C Na wykresie oś pionowa T i oś pozioma N - linia czerwona jest łukiem który punkt początkowy ma na osi pionowej T nad początkiem układu współrzędnych (punkt 0) i skierowana jest do góry.

T

N

T

N

T N

T

N

Ćwiczenie 2

Książkę o masie m=0,2kg przesunięto używając siły T=0,196N. Oblicz współczynnik tarcia poślizgowego.

Odpowiedź: f = ............

Ćwiczenie 5

Tata ciągnął sanki ze stałą prędkością z dwójką dzieci. W pewnej chwili poczuł, że znacznie lżej mu się idzie, bo musi ciągnąć sanki z mniejszą siłą niż do tej pory. Co mogło być przyczyną?

wjechał na śnieg o większym współczynniku tarcia zgubił jedno dziecko wjechał na zlodowaciały fragment ścieżki ktoś się dosiadł do sanek ktoś zaczął popychać sanki (np. mama)

Ćwiczenie 6

Tata, który ciągnął sanki z dwójką dzieci, nagle poczuł, że musi działać mniejszą siłą, by utrzymać ruch jednostajny. Taka sytuacja mogła być wynikiem którejkolwiek z przyczyn wymienionych niżej, oznaczonych cyframi arabskim. Jednocześnie przyczyny tej zmiany zostały wyrażone w języku fizyki i oznaczone dużymi literami. Spróbuj te dwie kategorie połączyć w pary.

B. zmniejszenie wartości współczynnika tarcia, A. zmniejszenie wartości siły nacisku, C. dodatkowa siła o kierunku i zwrocie zgodnym z kierunkiem i zwrotem siły taty

1. wypadnięcie z sanek jednego dziecka
2. pomoc mamy popychającej sanki
3. zlodowaciały fragment ścieżki

Ćwiczenie 7

Próbujesz przesunąć ciężar po poziomym podłożu i nie możesz tego zrobić, bo „nie masz siły”. Czy w świetle praw fizyki możesz tę sytuację opisać zależnością > , gdzie – wartość siły Twoich mięśni, – wartość siły tarcia?

Tak, bo dysponuję zbyt małą siłą, aby zrównoważyć większą. Nie, bo oznaczałoby to istnienie niezrównoważonej siły zgodnej ze zwrotem siły tarcia. Ciało poruszałby się pod jej działaniem z przyspieszeniem.

Ćwiczenie 8

Wykres przedstawia zależność wartości siły tarcia od siły nacisku, uzyskaną w wyniku pomiaru przez grupę uczniów. Obie wielkości wyrażone są w niutonach. Wskaż najbardziej trafny komentarz do tego wykresu.

Wykres jest poprawny; żadna jego cecha nie budzi wątpliwości. Wykres wskazuje, że podczas zmiany siły nacisku w okolicach wartości 4 niutony, doszło do niekontrolowanej zmiany warunków doświadczenia. Wykres jest poprawny. Dla sił nacisku poniżej 4 niutonów, współczynnik tarcia , zaś dla sił nacisku powyżej 4 niutonów, współczynnik tarcia. Wykres prawidłowo przedstawia obszar wartości sił nacisku poniżej 4 niutonów: zależność jest w tym obszarze proporcjonalna. Ciąg dalszy jest niepoprawny, gdyż zależność nie jest proporcjonalna.

Zależność wartości siły tarcia od wartości siły nacisku

0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

T

N

T F F

T

f = 0,1 N f = 0,05 N

T ( N )

T ( N )

Cele operacyjne:

Uczeń:

1. mierzy siłę tarcia.
2. uzasadnia hipotezę, wykonując doświadczenie w realnym lub wirtualnym laboratorium, że wartość siły nacisku decyduje o wartości siły tarcia.
3. analizuje i interpretuje wyniki wykonywanego doświadczenia.
4. stosuje zdobytą wiedzę w rozwiązywaniu praktycznych zadań.

Strategie nauczania: Nauczanie wyprzedzające, odwrócona klasa.

Metody nauczania:

Metoda aktywizująca- uczniowie w grupach wykonują doświadczenia.

Formy zajęć: Praca w grupach oraz podsumowanie - całą klasą.

Środki dydaktyczne: Siłomierze, klocki o jednakowej masie i kształcie.

Materiały pomocnicze:

PRZEBIEG LEKCJI

Faza wprowadzająca:

Uczniowie na lekcji poprzedzającej mieli zadane przeanalizować treść niniejszego e‐materiału, przez co zapoznali się z metodą badania siły tarcia. Wstępna faza lekcji polega na sprawdzeniu, czy wykonali zadanie. Nauczyciel zadaje pytania: W jaki sposób korzystając z siłomierza wyznaczysz wartość siły tarcia i siły nacisku? Które z zasad dynamiki opisują ruch klocka po płaszczyźnie?

Faza realizacyjna:

Uczniowie w dyskusji z nauczycielem decydują, w jaki sposób wykonać doświadczenie: wybierają klocki oraz siłomierze o zakresach odpowiednich do ciężaru klocków. Opisują przebieg doświadczenia w zeszytach, notują w zeszytach wyniki pomiarów. Korzystając z wybranych poleceń zawartych w wirtualnym laboratorium i korzystając z pomiarów wykonanych w klasie, uczniowie oceniają wyniki w świetle dokładności siłomierza użytego w eksperymencie. Posługując się programem Excel wykonują też wykres zależności siły tarcia od siły nacisku.

Faza podsumowująca:

Każdy z zespołów przestawia wyniki swojego eksperymentu. Nauczyciel ocenia pracę na lekcji grup wykonujących eksperymenty i poszczególnych uczniów.

Praca domowa:

Uczniowie na podstawie wykresów zrobionych na lekcji mają za zadanie wyznaczyć współczynnik tarcia.

Wskazówki metodyczne opisujące różne zastosowania danego multimedium:

Jeśli nauczyciel nie dysponuje pracownią, to wirtualne laboratorium może być podstawą przeprowadzenia tematu, zastępując realnie wykonywane doświadczenie. Może być ono wykorzystane na podsumowanie lekcji lub jako praca domowa zadana przed lekcją.