Опорные конспекты по физике 9 класс
методическая разработка по физике (9 класс) на тему

На тело, погруженное в жидкость или газ, действуют силы, распределенные по поверхности тела. Давление – это физическая величина, равная отношению силы, действующей перпендикулярно поверхности, к площади этой поверхности:

В СИ давление измеряется в паскалях (Па). Часто используются внесистемные единицы давления:

Атмосферное давление обусловлено весом воздушного столба. Атмосферное давление, равное давлению столба ртути высотой 760 мм при температуре 0 ºC, называется нормальным атмосферным давлением и обозначается p0.

Закон Паскаля. Внешнее давление, оказываемое на жидкость или газ, передается во всех направлениях одинаково и не зависит от ориентации площадки, на которую оно действует.

Давление, обусловленное весом жидкости, (гидростатическое давление) зависит от глубины:

Закон сообщающихся сосудов. Если в открытые сообщающиеся сосуды налита одна и та же жидкость, ее уровень во всех сосудах будет одинаков.

Из-за разности давлений в жидкости на разных уровнях возникает выталкивающая (архимедова) сила:

Здесь ρж – плотность жидкости, V – объем погруженной части тела. Другими словами, в жидкости тело теряет в весе столько, сколько весит вытесненная им жидкость. Из закона Архимеда следует, что тело будет выталкиваться из жидкости на ее поверхность, только если его плотность ρ < ρж.

Законы Ньютона

Первый закон Ньютона. Если на тело не действуют силы или их действие скомпенсировано, то данное тело находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения.

Свойство тел сохранять свою скорость при отсутствии действия на него других тел называется инерцией. Масса тела – количественная мера его инертности. В СИ она измеряется в килограммах.

Системы отсчета, в которых выполняется первый закон Ньютона, называются инерциальными. Системы отсчета, движущиеся относительно инерциальных с ускорением, называются неинерциальными.

Сила – количественная мера взаимодействия тел. Сила – векторная величина и измеряется в ньютонах (Н). Сила, которая производит на тело такое же действие, как несколько одновременно действующих сил, называется равнодействующей этих сил.

Второй закон Ньютона. Ускорение тела прямо пропорционально равнодействующей сил, приложенных к телу, и обратно пропорционально его массе:

Если два тела взаимодействуют друг с другом, то ускорения этих тел обратно пропорциональны их массам.

Третий закон Ньютона. Силы, с которыми тела взаимодействуют друг с другом, равны по модулю и направлены вдоль одной прямой в противоположные стороны.

Законы сохранения в механике

Импульсом тела (или количеством движения) называют векторную величину, равную произведению массы тела m на его скорость

Импульсом силы называют произведение силы на время ее действия Изменение импульса тела равно импульсу силы или:

Это второй закон Ньютона в импульсном представлении.

Закон сохранения импульса. В замкнутой системе векторная сумма импульсов всех тел, входящих в систему, остается постоянной при любых взаимодействиях тел этой системы между собой:

Импульс может сохраняться и в незамкнутой системе. Это происходит в том случае, если равнодействующая всех внешних сил равна нулю, либо время действия этих сил пренебрежимо мало.

Абсолютно упругим ударом называется столкновение двух тел, при котором сохраняется механическая энергия системы тел:

Если же удар неупругий, то механическая энергия полностью или частично переходит во внутреннюю энергию сталкивающихся тел.

Следует подчеркнуть, что в обоих случаях выполняется закон сохранения импульса.

Закон сохранения механической энергии выполняется в любой замкнутой системе, в которой между телами действуют только консервативные силы: в замкнутой системе сумма кинетической и потенциальной энергии тел остается неизменной:

Если же в системе имеются диссипативные силы, то часть механической энергии переходит в тепло:

Механические волны

Если в каком-нибудь месте твердой, жидкой или газообразной среды возбуждены колебания частиц, то вследствие взаимодействия атомов и молекул среды колебания начинают передаваться от одной точки к другой с конечной скоростью. Процесс распространения колебаний в среде называется волной.

Если T – период волны, а υ – скорость ее распространения, то длина волны:

где – частота волнового процесса.

Упругие волны, вызывающие у человека слуховые ощущения, называются звуковыми волнами или просто звуком. Диапазон звуковых частот лежит в пределах от 20 Гц до 20 кГц. Волны с частотой ниже 20 Гц называются инфразвуком, с частотой выше 20 кГц – ультразвуком. Наличие какой-либо упругой среды для передачи звука обязательно.

Громкость звука зависит от потока энергии или интенсивности звуковой волны.

Звуковое давление зависит от амплитуды колебаний давления в звуковой волне. Порог слышимости соответствует значению давления порядка 10–10 атм ≈ 10–5 Па. Болевой порог соответствует значению давления порядка 10–4 атм ≈ 10 Па.

Высота звука (тона) определяется частотой колебаний. Диапазон низкого мужского голоса (баса) – приблизительно от 80 до 400 Гц. Диапазон высокого женского голоса (сопрано) – от 250 до 1050 Гц

Механические колебания

Колебания – это движения или процессы, которые характеризуются определенной повторяемостью во времени.

Период колебаний T – интервал времени, в течение которого происходит одно полное колебание.

Частота колебаний ν – число полных колебаний в единицу времени. В системе СИ выражается в герцах (Гц).

Период и частота колебаний связаны соотношением:

Циклическая частота ω = 2πν. Она связана с периодом отношением:

Гармонические колебания – это колебания, при которых колеблющаяся величина, например смещение груза на пружине от положения равновесия, изменяется по закону синуса или косинуса:

где x0 – амплитуда, ω – циклическая частота, φ0 – начальная фаза колебания.

Ускорение при гармонических колебаниях всегда направлено в сторону, противоположную смещению; максимальное ускорение равно по модулю

В качестве примеров свободных колебаний можно привести пружинный и математический маятники. Пружинный (гармонический) маятник – груз массы m, прикрепленный к пружине жесткости k, второй конец которой закреплен неподвижно. Циклическая частота колебаний груза равна:

а период:

Математический маятник – тело небольших размеров, подвешенное на тонкой нерастяжимой невесомой нити длиной l. Циклическая частота математического маятника равна:

а период колебаний:

В реальных условиях любая механическая система находится под действием сил трения (сопротивления). При этом часть механической энергии превращается во внутреннюю энергию теплового движения, и колебания становятся затухающими.

Вынужденные колебания – колебания, возникающие под действием внешней периодически изменяющейся силы. Частота вынужденных колебаний равна частоте изменения внешней силы.

Если частота ν внешней силы совпадет с частотой свободных колебаний системы, то амплитуда колебаний резко возрастает. Это явление называется резонансом. В колебательных системах с затуханием значение резонансной частоты смещается в сторону более низких частот (рис. 7).

Автоколебания – это незатухающие свободные колебания, поддерживаемые за счет периодической подкачки энергии от какого-либо источника внешней силы. Примером автоколебательной системы могут служить механические часы.

Работа и энергия

Работой A, совершенной постоянной силой F, называется скалярное произведение векторов силы и перемещения:

где α – угол между векторами силы и перемещения. Единицей работы в системе СИ является джоуль (Дж).

Если к телу приложено несколько сил, то общая работа равна алгебраической сумме работ, совершаемых отдельными силами, и при поступательном движении тела равна работе равнодействующей силы.

Мощность N – это отношение работы A к промежутку времени t, в течение которого она совершается:

В системе СИ единица мощности называется ватт (Вт).

Вид энергии, определяющейся взаимным расположением тел, называется потенциальной энергией. Понятие потенциальной энергии можно ввести только для сил, работа которых не зависит от траектории движения тела и определяется только начальным и конечным положениями тела. Такие силы называются консервативными, к ним относятся, например, сила тяжести и сила Кулона.

Потенциальная энергия определяется с точностью до константы. Физический смысл имеет изменение потенциальной энергии.

Теорема о потенциальной энергии. Работа, совершаемая консервативными силами, равна изменению потенциальной энергии тела, взятому с противоположным знаком:

Потенциальная энергия тела в поле тяжести равна:

Потенциальная энергия деформированной пружины равна:

Кинетическая энергия – это энергия, которой обладают тела вследствие своего движения:

Теорема о кинетической энергии. Работа равнодействующей всех сил, приложенных к телу, равна изменению его кинетической энергии:

Силы в механике

В механике обычно имеют дело с тремя основными видами сил: силой тяжести, силой упругости и силой трения.

Закон всемирного тяготения. Все тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной их массам и обратно пропорциональной квадрату расстояния r между ними:

где G = 6,67∙10–11 м3/кг∙с2 – гравитационная постоянная.

Закон всемирного тяготения справедлив для точечных, а также сферически симметричных тел. Приближенно он выполняется для любых тел, если расстояние между ними значительно больше их размеров.

Одним из проявлений закона всемирного тяготения является сила тяжести. Сила тяжести направлена к центру Земли и на поверхности Земли равна:

где ускорение свободного падения Здесь масса Земли равна а ее радиус

Вблизи поверхности Земли ускорение свободного падения равно g = 9,8 м/с2.

Сила, с которой тело действует на горизонтальную опору или подвес, называется весом тела По третьему закону Ньютона с той же по модулю силой опора или подвес действует на тело; эта сила называется реакцией опоры При неподвижной опоре или подвесе эта сила равна силе тяжести Следует помнить, что эти силы приложены к разным телам (рис. 3).

Если опора или подвес двигается с некоторым ускорением, то сила давления со стороны тела (то есть вес тела) изменяется.

В частности, если опора движется с ускорением направленным против силы тяжести, то вес тела обращается в нуль. Такое состояние называют невесомостью. Состояние невесомости испытывает космонавт в космическом корабле.

Изменение формы или размеров тела называется деформацией. Деформации бывают упругими и пластичными. При упругих деформациях тело восстанавливает свою форму и размеры после прекращения действия силы, при пластичных – нет. При упругих деформациях справедлив закон Гука: величина деформации пропорциональна вызывающей ее силе:

Коэффициент k называется жесткостью.

Силы, действующие между поверхностями соприкасающихся твердых тел, называются силами сухого трения. Они всегда направлены по касательной к соприкасающимся поверхностям.

Сила трения покоя – величина непостоянная, она растет по модулю вместе с внешней силой от нуля до некоторого максимального значения Fтр max. Сила трения покоя равна по модулю и противоположна по направлению проекции внешней силы, направленной параллельно поверхности соприкосновения его с другим телом.

Если внешняя сила больше Fтр max, то возникает движение. Силу трения в этом случае называют силой трения скольжения. Экспериментально доказано, что сила трения скольжения пропорциональна реакции опоры:

Коэффициент трения μ зависит от материалов, из которых изготовлены соприкасающиеся тела, и не зависит от размеров соприкасающихся поверхностей.

Сила трения скольжения всегда направлена против относительного движения тела.

При движении в жидкости или газе возникает сила вязкого трения. При вязком трении нет трения покоя. Сила вязкого трения значительно меньше силы сухого трения и также направлена в сторону, противоположную относительной скорости тела. Зависимость от модуля скорости может быть линейной F = –βυ или квадратичной F = –αυ2.