Деформация и силы упругости

Слайд 1. Деформация и силы упругости. Закон Гука

Физика, 10 класс. Изучение основ механических свойств тел

Слайд 2. Что такое деформация?

Деформация — это изменение формы или размеров тела под действием внешних сил. На микроуровне это означает изменение взаимного расположения атомов или молекул, из которых состоит тело.

В повседневной жизни мы видим деформацию повсюду: от сжатия губки для мытья посуды до прогиба моста под тяжестью автомобиля.

Слайд 3. Виды и классификация деформаций

Слайд 4. Основные виды деформаций

Растяжение — увеличение длины при действии сил вдоль оси.

Сжатие — уменьшение длины под действием внешнего давления.

Сдвиг — смещение слоев тела друг относительно друга.

Кручение — возникает при повороте поперечных сечений тела.

Изгиб — комбинация растяжения и сжатия в разных частях тела.

Слайд 5. Упругость против пластичности

Полностью исчезает после прекращения действия внешних сил. Тело возвращает свою первоначальную форму. Пример: пружина, резиновый жгут.

Сохраняется после снятия нагрузки. Тело не возвращается к исходным размерам. Пример: пластилин, мокрая глина, мягкий свинец.

Слайд 6. График зависимости силы упругости от удлинения

Слайд 7. Закон Гука

При малых деформациях сила упругости, возникающая в теле, прямо пропорциональна его удлинению:

$F_{\text{упр}}=-kx$

Здесь $x$ — изменение длины тела (удлинение), а $k$ — коэффициент пропорциональности, называемый жесткостью.

Слайд 8. От чего зависит жесткость $k$?

Материал тела: сталь гораздо жестче резины при одинаковых размерах.

Геометрические размеры: толстая проволока жестче тонкой.

Форма тела: длинная пружина имеет меньшую жесткость, чем короткая из того же материала.

Единица измерения в СИ: $[k]=\text{Н/м}$ (Ньютон на метр).

Слайд 9. Модуль упругости (Юнга) материалов

Слайд 10. Сила упругости в технике и быту

Амортизаторы и рессоры автомобилей гасят удары, превращая энергию толчков в упругую деформацию.

Динамометры используют растяжение пружины для точного измерения веса и силы.

Луки для стрельбы, батуты и шесты для прыжков работают на накоплении энергии упругости.

Слайд 11. Границы применимости закона

Предел упругости — это максимальное напряжение, при котором деформация еще остается упругой. Если нагрузку увеличить, тело начнет деформироваться пластически.

Предел прочности — значение нагрузки, при котором происходит разрушение материала. Закон Гука перестает работать задолго до разрушения.

Слайд 12. Анализ экспериментальных данных

Мы фиксируем вес подвешенных грузов $P=mg$ и измеряем соответствующее удлинение пружины $\Delta x$. Данные заносятся в таблицу для выявления зависимости между приложенной силой и деформацией.

По результатам строится точечная диаграмма в осях $(F,\Delta x)$. Проведение прямой через начало координат подтверждает линейный характер зависимости, характерный для упругой деформации.

Коэффициент жёсткости $k$ определяется через отношение силы к удлинению: $k=\frac{F}{\Delta x}$. На графике это соответствует тангенсу угла наклона прямой к оси абсцисс.

Инструментальная погрешность линейки и весов влияет на разброс точек. Вопрос для обсуждения: почему при слишком больших нагрузках закон Гука перестаёт выполняться и график искривляется?

Слайд 13. Вопросы для обсуждения

Почему при сильном растяжении пружина может не вернуться в исходное состояние?

Как изменится жесткость пружины, если ее разрезать на две равные части?

Почему стальной трос сплетают из множества тонких проволок, а не делают из одного толстого стержня?

Где в теле человека проявляются силы упругости?

Слайд 14. Подведем итоги

Деформация — это изменение формы или размеров тела.

Сила упругости направлена против деформации и стремится вернуть тело в исходное состояние.

Закон Гука $F_{\text{упр}}=-kx$ справедлив только для малых упругих деформаций.

Жесткость $k$ зависит от материала, формы и размеров тела.

При превышении предела упругости деформация становится пластической.