Сила трения. Коэффициент трения скольжения. Сила сопротивления в жидкостях и газах
- Знать определения силы трения покоя, силы трения скольжения и силы сопротивления среды.
- Уметь определять направление силы трения и силы сопротивления относительно скорости движения.
- Уметь применять формулу $F_{тр}=\mu N$ для горизонтальной опоры и объяснять физический смысл коэффициента трения.
- Уметь определять коэффициент трения по результатам измерений и оценивать влияние нормальной реакции опоры.
- Уметь качественно объяснять зависимость силы сопротивления в жидкостях и газах от скорости, формы тела и свойств среды.
- Распределяют роли экспериментатора, регистратора, аналитика и докладчика.
- Формулируют вопросы к гипотезе другой группы и корректно обосновывают собственную позицию.
- Используют физические термины в устном объяснении и письменном выводе.
- Согласуют общий вывод при наличии различающихся результатов.
- Представляют результаты кратко, структурированно и с опорой на данные.
Ход урока
1. Организационный момент и мотивация
Цель этапа: включить учащихся в исследовательскую деятельность и связать тему с реальными задачами.
Содержание этапа |
|---|
Организационный момент и мотивация: проверка готовности, распределение ролей. Постановка проблемных вопросов о движении автомобиля на льду, скольжении лыж и замедлении парашюта. Формулировка гипотез о трении и сопротивлении среды. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Мы увидели, что трение может помогать движению и мешать ему, а сопротивление среды проявляется иначе. Теперь выясним, от чего зависит сила трения скольжения и как это проверить измерением."
2. Актуализация знаний
Цель этапа: восстановить знания о силах, векторах и втором законе Ньютона, необходимые для вывода модели трения.
Содержание этапа |
|---|
Актуализация: силы, действующие на брусок на горизонтальной опоре: сила тяжести, реакция опоры и сила трения. При отсутствии вертикального ускорения $N=mg$. Увеличение массы приводит к увеличению реакции опоры и силы трения. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Мы вспомнили, что на горизонтальной опоре $N=mg$, а силы определяются взаимодействиями. Теперь проверим экспериментально, как именно связаны сила трения и реакция опоры."
3. Постановка проблемы и целеполагание
Цель этапа: сформулировать исследовательский вопрос, гипотезу и план открытия нового знания.
Содержание этапа |
|---|
Исследовательский вопрос: как сила трения скольжения зависит от реакции опоры? Независимая величина — $N$, измеряемая величина — $F_{тр}$. Гипотеза: при неизменных поверхностях сила трения скольжения прямо пропорциональна реакции опоры. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Вопрос поставлен, переменные определены, гипотеза сформулирована. Переходим к эксперименту и попробуем самостоятельно открыть физическую закономерность."
4. Открытие нового знания. Исследовательский эксперимент
Цель этапа: экспериментально установить зависимость силы трения скольжения от реакции опоры и определить коэффициент трения.
Содержание этапа |
|---|
Эксперимент: измерение силы трения динамометром при равномерном движении бруска. Опыты проводят без груза, с одним и с двумя грузами. Для каждого опыта вычисляют $N=mg$ и отношение $F_{тр}/N$, затем строят график зависимости $F_{тр}(N)$. Коэффициент наклона графика соответствует коэффициенту трения. |
Запись в тетрадях
Учащиеся записывают: «Сила трения скольжения направлена против относительной скорости соприкасающихся поверхностей. При сухом скольжении $F_{тр}=\mu N$, где $\mu$ — коэффициент трения скольжения. Коэффициент зависит от материалов и состояния поверхностей, но не зависит от площади контакта в простой модели. Для горизонтальной опоры $N=mg$.»
Эталон решения
Если брусок массой $m=0{,}5$ кг движется равномерно по горизонтальной поверхности и динамометр показывает $F_{тр}=2$ Н, то $N=mg=0{,}5\cdot10=5$ Н. Коэффициент трения: $\mu=F_{тр}/N=2/5=0{,}4$. Следовательно, экспериментальная оценка коэффициента равна $0{,}4$. При добавлении груза и увеличении $N$ сила трения должна увеличиться примерно пропорционально.
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Эксперимент подтвердил нашу гипотезу: при неизменных поверхностях сила трения приблизительно пропорциональна реакции опоры. Отношение этих величин мы назвали коэффициентом трения. Теперь закрепим модель на конкретных задачах и сравним её с сопротивлением среды."
Посмотрите план целиком
Зарегистрируйтесь — и откройте план урока по этой теме полностью: цели, ход урока и рефлексия по ФГОС.
5. Первичное закрепление и сравнение моделей
Цель этапа: применить формулу силы трения и выделить особенности сопротивления жидкостей и газов.
Содержание этапа |
|---|
Закрепление: решение задачи на вычисление силы трения по формуле $F_{тр}=\mu N$. Сравнение сухого трения с сопротивлением среды. Сила сопротивления направлена против скорости и зависит от скорости, формы тела, площади поперечного сечения и свойств среды. Обтекаемая форма уменьшает сопротивление. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Для сухого скольжения мы используем модель $F_{тр}=\mu N$, а для жидкостей и газов важна скорость движения и форма тела. Проверим теперь, насколько самостоятельно каждый из вас умеет применять эти идеи."
- Задача 1. Брусок массой 5 кг равномерно тянут по горизонтальной поверхности. Коэффициент трения скольжения равен 0,3. Найдите силу трения. Примите $g=10$ Н/кг.
- Задача 2. При равномерном движении бруска динамометр показывает силу 4 Н. Масса бруска 2 кг. Найдите коэффициент трения скольжения.
- Задача 3. Брусок массой 4 кг тянут по горизонтальной поверхности силой 12 Н. Коэффициент трения равен 0,2. Определите равнодействующую сил и ускорение бруска.
- Задача 4. Как изменится сила трения скольжения, если массу бруска увеличить в 3 раза? Ответ обоснуйте формулой.
- Задача 5. Объясните, почему при увеличении скорости автомобиля возрастает сопротивление воздуха и зачем автомобилю придают обтекаемую форму.
- Задача 6. Ящик массой 10 кг перемещают по горизонтальному полу. Коэффициент трения скольжения равен 0,25. Какую горизонтальную силу нужно приложить, чтобы ящик двигался равномерно?
- Задача 7. При движении бруска сила трения равна 6 Н, а нормальная реакция опоры — 24 Н. Найдите коэффициент трения скольжения.
- Задача 8. Брусок массой 2 кг тянут горизонтальной силой 8 Н. Коэффициент трения равен 0,3. Найдите ускорение бруска. Примите $g=10$ Н/кг.
- Задача 9. Сравните силу сопротивления воздуха у двух тел одинаковой массы: у одного поверхность гладкая и обтекаемая, у другого — плоская. Какое тело испытывает меньшее сопротивление при одинаковой скорости? Объясните ответ.
- Задача 10. Велосипедист увеличил скорость движения в два раза. Как качественно изменится сила сопротивления воздуха? От каких факторов зависит точный результат?
6. Самостоятельная работа с самопроверкой
Цель этапа: проверить индивидуальное понимание формул, направлений сил и различий между видами сопротивления.
Содержание этапа |
|---|
Самостоятельная работа: базовый вариант — вычисление силы трения; повышенный вариант — вычисление коэффициента трения и анализ изменения силы трения при удвоении массы; дополнительный вопрос — причина роста сопротивления воздуха с увеличением скорости. Самопроверка по формулам $N=mg$, $F_{тр}=\mu N$, $\mu=F_{тр}/N$. |
Эталон решения
Для тела массой $4$ кг: $N=mg=4\cdot10=40$ Н; $F_{тр}=\mu N=0{,}25\cdot40=10$ Н. Для второго задания: $\mu=F_{тр}/N=5/20=0{,}25$. При удвоении массы $N$ и сила трения увеличатся в два раза, если поверхность и коэффициент трения не изменяются.
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Вы проверили себя по основным формулам и увидели, что физический ответ состоит не только из числа. Важно назвать модель, направление силы и условия её применимости. Завершим урок фиксацией главных выводов и личной оценкой результата."
7. Рефлексия и домашнее задание
Цель этапа: обобщить новое знание, выявить затруднения и определить дальнейшую учебную задачу.
Содержание этапа |
|---|
Рефлексия и домашнее задание: фиксация усвоенных знаний и затруднений. Билет на выход: формула коэффициента трения, отличие сопротивления среды от сухого трения, способ уменьшения сопротивления воздуха. Домашнее задание — базовый, средний или продвинутый уровень. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Сегодня вы самостоятельно установили закон для силы трения скольжения, определили смысл коэффициента трения и отличили сухое трение от сопротивления среды. Ваши экспериментальные данные стали основанием для физической модели."
Домашнее задание
Уровень | Что задать | Зачем |
|---|---|---|
Базовый (обязательный) | Решить 4 задачи на вычисление силы трения и коэффициента трения для тела на горизонтальной поверхности; в каждой задаче записать схему сил, формулу и единицы измерения. | Закрепляет алгоритм применения $N=mg$, $F_{тр}=\mu N$, $\mu=F_{тр}/N$; при проверке обратить внимание на направления сил и единицы. |
Средний (повышающий) | Решить 2 задачи, в которых изменяется масса тела или коэффициент трения, и составить краткое сравнение сухого трения с сопротивлением воды и воздуха. | Формирует умение анализировать изменение параметров и переносить модель на реальные ситуации; проверить обоснованность выводов. |
Продвинутый (дополнительный) | Подготовить мини-исследование: сравнить два способа уменьшения или увеличения трения либо сопротивления среды, привести физическое объяснение и оценить возможное практическое ограничение каждого способа. | Развивает исследовательское и инженерное мышление; при проверке оценить связь примера с физической моделью, аргументацию и самостоятельность вывода. |
Контрольные вопросы перед выходом: «Как направлена сила трения? Что показывает коэффициент трения? Как по экспериментальным данным найти $\mu$? Почему при увеличении скорости сопротивление среды обычно возрастает? Назовите один пример, когда трение полезно, и один пример, когда его необходимо уменьшить».
