blank

Раздел динамики. Три закона Ньютона. Закон всемирного тяготения. Подробный разбор тем с примерами задач ЕГЭ по физике

В настоящее время ЕГЭ по физике проходит в виде решения задач. Задание, содержащиеся в КИМах определяются согласно кодификатору элементов содержания и требований к подготовке выпускников к проведению ЕГЭ.
Для успешной подготовки к ЕГЭ, в этой статье рассмотрена физика, а именно раздел динамики, включая формулы для подготовки к ЕГЭ, статья охватывает следующие темы:
— Первый закон И. Ньютона;
— Второй закон И. Ньютона;
— Третий закон И. Ньютона;
— Закон всемирного тяготения;
— Сила упругости. Закон Гука.
Приступим к изучению тем и примеров решения задач.
В динамике выделяют три закона открытых И. Ньютоном, они позволяют определить движение для любой системы.
Первый закон Ньютона

blank


Первый закон открыт в конце 17 века. Закон звучит следующим образом: существуют инерциальные системы отсчёта, в которых тела движутся равномерно и прямо по линии, если на них не оказывают влияние другие силы.
Закон инерции: в случае, когда на тело не оказывают влияния внешние воздействий, то у данного тела сохраняется состояние покоя. Это значит, что все тела могут оставаться в первоначальном состоянии, то есть если тело находится в движении, то оно будет в таком же состоянии. Если оно неподвижно, то продолжает стоять без изменений, пока не появится сила, заставляющая его двигаться.
Инерциальной системой отсчёта называют систему, находящуюся в состоянии движении или покое.
Неинерциальной системой называют движущуюся с ускорением систему.
Инерциальными считаются системы, находящиеся в состоянии покоя или движения, при этом, движение должно быть равномерным и прямолинейным.
Неинерциальными считаются системы, имеющие ускорение.
Существует также гелиоцентрическая модель отсчёта, в ней начало координат совмещено с солнцем.
Первый закон Ньютона не содержит формул, поэтому рассмотрим примеры:
— Наиболее популярным объяснением является резкое торможение. Тело движется в направлении автомобиля, поэтому при резком торможении автомобиль сильно дёргается. Если же автомобиль плавно затормозит, соответственно, его движение будет нерезким;
— Движение наверх и вниз. Американские горки поднимаются наверх за счёт накопленной потенциальной энергии при крутом спуске.
Второй закон Ньютона

blank


Второй закон открыт около 1666 года, он гласит: В инерциальных системах отсчёта ускорение, приобретаемое материальной точкой, является пропорциональным вызывающим его силам. Силы для ускорения предмета зависят от его массы.
Ньютон нашёл общее между ускорением и силой, F– сила, действующая на тело, масса – m, ускорение –a.
Важно помнить о том, что:
— Этот закон называют основополагающим в разделе динамики;
— Тело подразумевает точку, её движение находят в инерциальной системе отсчёта.
Формула второго закона: ma = F, F = ma.
Пример. При попытке пнуть мяч, мы выбираем направление, в котором он должен полететь. Чем больше силы мы вкладываем в пинок, тем дальше он будет лететь.
Рассмотрим ещё один пример – толкать автомобиль. Таким образом, если толкать автомобиль в два раза сильнее, то он даст в два раза больше ускорения.
Рассмотрим примеры решения задач:
1. Тело движется по прямолинейному направлению с силой, которая равна 10H. Зависимость тела от времени представляет собой: х = 3 – 2t + t^2.
Найти: массу (M).
Решение: Сначала следует найти ускорение, далее – найти массу. Применяем следующие формулы:
х = 3 – 2t + t^2
v = dx / dt
a = dv / dt
v = -2 + 2t
a = 2м / с^2
Теперь нужно подставить значения, используя формулу второго закона.
M = 10 / 2 = 5 кг.
Ответ: 5 килограмм.
2. Велосипедист спускается с горки с ускорением 0,6 м / с^2. Общая масса составляет 50 кг.
Найти: F
Решение:
а = 0,6 м/с^2
m = 50 кг.
Помним формулу второго закона: F = mа. Далее подставляет известные значения.
F = 50 кг * 0,6 = 30 H.
Ответ: F = 30 H.
Третий закон Ньютона

blank


Третий закон открыли в 1725 году: действию F всегда есть противодействие, то есть взаимодействия двух дел равны и направлены по прямой в противоположные стороны. Формула: F12 = -F21.
Пример. Для строительства моста нужно высчитать нагрузку. Данную нагрузку можно узнать с помощью третьего закона. При этом, на мост давят держащие опоры, поэтому строительство ведётся по определённой схеме, которая рассчитывает большую выносливость.
Рассмотрим пример решения задачи: на стуле стоит портфель. На него действуют силы равные 500 H. Согласно третьему закону сверху на него действует та же сила, равная 500 H.
Следует, что F1 = F2. То есть, чем больше масса тела, тем меньше его ускорение.
Следует помнить о том, что третий закон применяется исключительно в инерциальных системах отсчёта.
Закон всемирного тяготения
В школьной программе изучение закона всемирного тяготения при подготовке к ЕГЭ является важной темой. Издавна люди смотрели на звёзды и понимали, что ими что-то движет. Но люди не догадывались, что притяжением управляет один закон. В 1687 году И. Ньютон открыл закон всемирного тяготения.
Согласно известной всем версии, Ньютон увидел падающее с дерева яблоко. Он стал размышлять о том, что на все тела действует некая определённая сила, которая позволяет им притягиваться к Земле.
Формула данного закона выглядит таким образом: F=G*(m1*m2)/r2. При этом, G – постоянная гравитации, равная 6,67408(31)•10−11. Это величина, которая воздействует на любой объект нашей планеты.
Позднее закон всемирного тяготения стали применять в астрономии и механике, так как с его помощью объясняется процесс движения различных тел. Любой объект будет находиться в невесомости, объясняется это тем, что объект находится в космосе и сила притяжения на него не действует.
Примером закона всемирного тяготения является запуск в космос спутника (это произошло в 1957 году). При этом, спутник постоянно находился в равном расстоянии над Землёй, это обусловлено тем, что наша планета притягивает одинаково в различных направлениях.
Рассмотрим несколько задач с применением данного закона:
1. На какой высоте над нашей планетой сила тяготения будет меньше в два раза, чем на Земле?
Решение: На поверхности планеты Fт = G(mM/R2), следует, что на высоте Fт = G(mM/(R+h)2). Согласно условию, Fт1/ Fт = 0,5. Далее, К2/(R+h) 2 = 0,5. Выходит, корень из двух, значит, 1,4.
Ответ: h = 0,4 R.
2. Найти силу притяжения двух книг массой по 600 гр., при условии, что находятся на расстоянии одного метра.
m1 = m2 = 600 гр.
R = 1.
G = 6,67 * 10^-11 H * m2 / кг2.
Найти: F
Решение: Используем формулу F = G (m1m2 / r2)
F = (6,67 * 10^-11 * 0,6 * 0,6) / 1^2 = 2,4 H
Ответ: 2,4 H.
Сила упругости. Закон Гука

blank


Закон Гука является основным в теории упругости. Немаловажное значение в процессе подготовки к сдаче ЕГЭ по физике имеет тема о силе упругости, открытая Робертом Гуком – английский учёный, данный закон открыл в 1660 году в возрасте двадцати пяти лет.
Закон гласит: сила упругости, которая возникает при растяжении или сжатии тела является пропорциональной значению по изменению длины тела.
Сила упругости – это сила, которая возникает при деформации тела, данная сила возвращает тело в его первоначальное состояние.
При деформации тело пытается вернуться в первоначальное состояние, это объясняется электромагнитным воздействием на молекулярном уровне.
Формула закона: пусть х – упругость тела, тогда Fx = -kx, k – жёсткость тела.
Жёсткость зависит от материала и размера тела, она составляет ньютон на метр (1Н / м). Чем больше жёсткость, тем меньше оно подвержено деформации под воздействием сил. Стоит помнить о том, что закон Гука достоверно применяют при упругой деформации, т.е. деформация должна быть малой. При большой деформации тела длина перестаёт быть прямо пропорциональной силе, а при сильной деформации тело разрушается.
Рассмотрим пример задачи: проволоку разрезали ровно пополам, её жёсткость составляет 90 H/m. Нужно найти жёсткость обеих проволок.
Решение: k = F/x.
Согласно условию задачи, жёсткость пропорциональна длине проволоки.
k1 = 2k = 180 H/m.
Ответ: 180 H/m.
Таким образом, мы рассмотрели одни из важных тем раздела динамики: три закона Исаака Ньютона, закон всемирного тяготения и силу упругости, закон Роберта Гука. Изучив данные материалы по теме и просмотрев примеры решения задач, вы сможете решить схожие задание на ЕГЭ по физике. 

Оставить Комментарий