Физика 10 класс силы в природе: Презентация по физике «Силы в природе » 10 класс

Содержание

Силы в природе

Прежде
чем изучать взаимодействие тел, необходимо задаться вопросом: какие вообще
существуют виды взаимодействий? Какие существуют силы в природе?

Мы
познакомимся с фундаментальными типами взаимодействий, а также с актуальными на
сегодняшний день теориями о некоторых видах взаимодействий. В настоящее время,
в физике разделяют всего четыре типа фундаментальных сил.

Итак,
первый вид сил или первый вид взаимодействия вам хорошо знаком — это гравитационное
взаимодействие
. В общем и целом, можно сказать, что гравитационные силы
действуют между всеми телами, и все тела притягиваются друг к другу.
Как
правило, гравитационными силами можно пренебречь, если речь не идет об огромных
телах, таких как небесные тела (то есть планеты, звезды и так далее).

Второй
тип взаимодействия вам тоже хорошо знаком — это электромагнитные силы.
Эти силы действуют между всеми частицами, имеющими заряд электрические заряды.
Электромагнитные силы, как и гравитационные, тоже имеют обширную сферу
действия. Электромагнитное взаимодействие проявляется в любых живых организмах
и в любых состояниях вещества.

Существует
также, так называемое «сильное взаимодействие» — это проявление ядерных
сил, с которыми вы уже немного познакомились, изучая курс физики девятого
класса. Эти силы очень кратковременные. Конечно же, область действия ядерных
сил не распространяется за пределы атомных ядер. Несмотря на это, ядерные силы
очень важны. Именно исходя из знаний о сильном взаимодействии, люди смогли
развить такую отрасль, как ядерная энергетика. Разумеется, есть и не самая
полезная сторона: например, изобретение ядерного оружия.

Наконец,
существует так называемое «слабое взаимодействие» — это взаимодействие,
которое вызывает взаимные превращения элементарных частиц. Именно слабое
взаимодействие определяет радиоактивный распад и термоядерные реакции. Таким
образом, существует четыре типа фундаментальных взаимодействий: гравитационное,
электромагнитное, сильное и слабое
(последние два вида взаимодействий
относятся к ядерным взаимодействиям).

Гравитационное
взаимодействие считается самым слабым из всех типов взаимодействий. Однако, оно
представляет наибольший интерес на сегодняшний день. До недавнего времени не
было известно, какая частица отвечает за массу. Менее двух лет назад,
эксперименты, проводимые на большом адронном коллайдере подтвердили
существование бозона Хиггса. Именно эта частица отвечает за массу тел,
а, следовательно, за гравитационное взаимодействие. Существует также
гипотечиская частица, которая называется гравитоном, и, согласно одной
из гипотез, она является переносчиком гравитационного взаимодействия.

Еще
задолго до открытия элементарных частиц, человечество достаточно хорошо изучило
гравитационное взаимодействие небесных тел. Но сегодня, ученые все больше
убеждаются, что описание гравитационных взаимодействий на микроскопическом
уровне не может быть выполнено с помощью классической теории гравитации,
подобно тому, как не все процессы описываются с помощью классической механики
Ньютона. Описать гравитационное взаимодействие на микроскопическом уровне уже
давно пробуют с помощью квантовой теории гравитации, но она ещё до конца не
разработана.

Основными
направлениями, пытающимися построить квантовую теорию гравитации, являются две
теории: это петлевая квантовая гравитация и теория струн.

Петлевая
гравитация отстаивает дискретную структуру пространства и времени. То есть, согласно
петлевой гравитации, пространство состоит из мельчайших частичек (которые
называются квантовыми ячейками).
Эти ячейки соединены друг с другом
определенным образом, при котором на микроскопическом уровне, они создают
дискретную структуру пространства, а на больших масштабах переходят в гладкую
непрерывную структуру.

Теория
струн гласит, что пространство и время неделимо, и пронизано некими струнами, с
помощью которых и происходят все взаимодействия в так называемом, пространственно-временном
континуме.
Более подробно с такими понятиями вы познакомитесь
при изучении теории относительности. На сегодняшний день нет известного
человечеству способа проверить хотя бы одну из этих теорий. Вполне возможно,
что и та, и другая теория является правильной. Ведь то же самое произошло при
изучении природы света: долгое время ученые спорили о том, что же такое свет:
электромагнитная волна или поток фотонов? В итоге, приняли
корпускулярно-волновой дуализм, который говорит о том, что свет можно
рассматривать и как поток частиц, и как волну.

Электромагнитное
взаимодействие отличается тем, что заметно проявляется как макроскопическом
уровне, так и на микроскопическом.

Именно
это взаимодействие обуславливает изменения агрегатного состояния вещества и
химические превращения. Также, электромагнитное взаимодействие может определять
ряд физических свойств тела. Например, физический размер атома задан через электрическую
постоянную и заряд электрона.

Электромагнитные
поля играют огромную роль в жизни небесных тел, в частности, нашей планеты
Земля. Как вы знаете, Земля обладает магнитным полем, которое, например,
защищает нас от солнечного ветра.

Пожалуй,
электромагнитные явления наиболее изучены, среди остальных типов
фундаментальных явлений. Эти явления мы подробно будем изучать немного позже.

А
сейчас давайте рассмотрим сильные и слабые взаимодействия. Сильные
взаимодействия происходят внутри ядер атомов. На таких маленьких расстояниях
(то есть порядка 10–15 м), величина сильного взаимодействия между
нуклонами становится несоизмеримой, по сравнению с электромагнитным взаимодействием,
не говоря уже о гравитационном.

Напомним,
что нуклонами называются частицы внутри ядра: протоны и нейтроны. До открытия
ядерных сил, ученые долго не могли понять, как ядра атомов остаются
стабильными, если протоны, имеющие положительные заряд, должны отталкиваться в
результате электромагнитного взаимодействия. Ответ мог быть только один:
ядерное взаимодействие значительно сильнее электромагнитного на таких маленьких
расстояниях. Именно поэтому, ядерная энергетика получила такое развитие в
современном мире: при разрушении ядерных связей выделяется огромное количество
энергии. Кроме того, несколько нестабильных нейтронов способны создать цепную
реакцию, которая в итоге выльется в колоссальный выброс энергии. Такие реакции
называются неуправляемыми ядерными реакциями и используются в военных целях.
Разумеется, подобные испытания наносят огромный вред экологии, но есть и
полезное применение ядерной физики. Со временем люди научились управлять
ядерными реакциями с целью получения полезной энергии. Установки, в которых
проходят контролируемые ядерные реакции, называются ядерными реакторами.

Несмотря
на то, что человечество с успехом изучило некоторые стороны сильного
взаимодействия, чёткой теории о сильном взаимодействии нет. На данный момент,
развивающейся и основной теорией, описывающей сильное взаимодействие, является квантовая
хромодинамика
. Фундаментальная природа сильных взаимодействий в общем и
целом понятна, но сопутствующие математические расчеты крайне сложны. Более
подробно вы сможете изучить сильное взаимодействие позже.

И,
наконец, слабое взаимодействие. Слабые взаимодействия проявляются на еще
меньшем расстоянии (порядка 10–18 м). В этом взаимодействии
участвуют все фундаментальные лептоны и кварки. Но самое главное, что слабое
взаимодействие является единственным, в котором участвуют нейтрино.

Дело
в том, что масса и размер нейтрино крайне малы, и нейтрино является
электрически нейтральным. Таким образом, эти частицы обладают огромной проникающей
способностью: например, через 1 см2 поверхности Земли проходит
порядка 60 000 000 000 нейтрино, испущенных Солнцем. Именно
слабым взаимодействием обусловлены термоядерные реакции, происходящие внутри
звезд. На Солнце происходит так называемый водородный цикл, в результате
которого и выделяется столь огромная энергия в течение миллиардов лет.

В
этом цикле помимо двух нейтрино, также испускаются и два позитрона. Напомним,
что позитрон является античастицой — частицей, «противоположной» электрону.
Различные частицы в результате слабого взаимодействия могут обмениваться
массами, энергией и электрическим зарядом. Это приводит к тому, что частицы
превращаются друг в друга.

Также,
как и было сказано в начале, слабое взаимодействие обуславливает радиоактивный
распад, с которым вы познакомились в девятом классе. Именно слабое
взаимодействие помогло объяснить β-распад. Напомним, что β-распад
характеризуется испусканием электрона и антинейтрино из ядра. При этом, один из
нейтронов превращается в протон.

Возникает
вопрос: откуда электрон и антинейтрино взялись внутри ядра? Только теория
слабого взаимодействия помогла понять, что электрон и антинейтрино не
находились внутри ядра, а родились в процессе β-распада.

Силы в природе «Задание по физике»

Слайды и текст этой онлайн презентации

Слайд 1

Силы в природе Задание по физике : Разобрать материал, предложенный в презентации; оформить конспект в тетради

Слайд 2

Виды взаимодействия Сила всемирного тяготения Сила тяжести Вес тела Сила упругости Сила трения Сила Архимеда

Слайд 3

Гравитационное возникает между всеми телами в соответствии с законом всемирного тяготения; между телами или частицами, обладающими электрическими зарядами; существует между частицами, из которых состоят ядра атомов; характеризует процессы превращения элементарных частиц. 1. Электромагнитное 2. Сильное 3. Слабое 4. 4 типа взаимодействия:

Слайд 4

взаимодействие радиус действия, м Относительная интенсивность Гравитационное Электромагнитное Сильное Слабое 10 — 17 10 — 15 1 10 — 2 10 10 — 16 — 40

Слайд 5

Взаимное притяжение между всеми телами во Вселенной называется всемирным тяготением. Примеры проявления: Закон всемирного тяготения

Слайд 6

Примеры проявления: 2. Луна вокруг Земли 3. Планеты вокруг Солнца. 1. Падение тел на землю. 4. Приливы и отливы.

Слайд 7

Исаак Ньютон « Не знаю, чем я могу показаться миру, но сам себе я кажусь только мальчиком, играющим на морском берегу и развлекающийся тем, что от поры до времени отыскиваю камушек более увесистый, чем обыкновенный, или красивую раковину, в то время как великий океан истины расстилается передо мной неисследованным».

Слайд 8

m 1 m 2 r F G m 1 m 2 r 2 F 1 F 2 G 6,67 10 Н м / кг – гравитационная постоянная -11 2 2 Тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной массе каждого из них и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними:

Слайд 9

О п ы т К а в е н д и ш а

Слайд 10

Границы применимости закона всемирного тяготения Тела имеют шарообразную форму. Тела являются материальными точками. 1. Одно тело – шар большой массы и размера, другое – тело произвольной формы. 3. 2. r m 1 m 2 r m 1 m 2 r m 1 m 2

Слайд 11

F УПР Сила, возникающая в результате деформации тела и направленная в сторону, противоположную перемещениям частиц тела при деформации, называется силой упругости. х 2 х 1 х F УПР

Слайд 12

Закон Гука: Сила упругости, возникающая при деформации тела, пропорциональна удлинению тела и направлена в сторону, противоположную направлению перемещений частиц тела при деформации. F k х упр. k– жёсткость тела; х х — х — удлинение тела. 1 2 Закон Гука справедлив при малых деформациях.

Слайд 13

F тр V Сила трения. При соприкосновении одного тела с другим телом возникает взаимодействие, препятствующее их относительному движению, которое называют трением.

Слайд 14

Причины трения. Шероховатость поверхностей соприкасающихся тел. Взаимное притяжение молекул соприкасающихся тел. 2. 1.

Слайд 15

Виды силы трения: 1. Трение покоя. 2. Трение качения. 3. Трение скольжения.

Слайд 16

F тр . N — коэффициент трения N – сила реакции опоры F тр. N mg V

Слайд 17

Силу трения увеличивают: песок, протектор, шипы, рукавицы. уменьшают: шлифовка, смазка, подшипники.

Слайд 18

mg mg

Слайд 19

Сила, с которой Земля притягивает к себе тело, называется силой тяжести . О mg mg ( к центру Земли) Земля

Слайд 20

1. М – масса Земли, m – масса тела над Землёй, R – радиус Земли. F G m 2 М R F mg 2. g – ускорение свободного падения. Формулы:

Слайд 21

g зависит: от высоты над Землёй 2. от географической широты; 3. от пород земной коры; 4. от формы Земли полюс – 9,8 м/с, экватор – 9,78м/с 2 2 G М 2 (R h) g

Слайд 22

F А На тело, погружённое в жидкость или газ, действует выталкивающая (архимедова) сила, направленная противоположно силе тяжести. mg

Слайд 23

Закон Архимеда. На тело, погружённое в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, направленная вертикально вверх и равная по модулю весу жидкости или газа, вытесненного телом.

Слайд 24

формулы: ρ g V т ж A F P — P Вод . Возд . A F 1. 2.

Слайд 25

Условия плавания тел. F a mg или ρ ж ρ т, тело тонет; 1. F a mg или ρ ж ρ т, тело всплывает; F a mg или ρ ж ρ т, тело плавает внутри жидкости. 2. 3.

Слайд 26

Сила, с которой тело действует на опору или подвес, называется весом тела. Р Р

Слайд 27

1. Если тело находится в покое или движется прямолинейно и равномерно, то P mg Fтяж 2. Если тело движется с ускорением, то P m (g a), P mg или P mg. 3. Невесомость (a g), P 0 n перегрузка.

презентация ля 10 класса «силы в природе» | Презентация к уроку (естествознание, 10 класс) по теме:

Слайд 1

Силы в природе Материал для 10 класса

Слайд 2

Фундаментальные взаимодействия : 1.Гравитационное 2.Электромагнитное 3.Сильное 4.Слабое

Слайд 3

В механике рассматривают 3 вида сил: Силы всемирного тяготения, силы упругости и силы трения.

Слайд 4

Помни! Мерой взаимодействия тел является сила — величина,характеризующаяся модулем , направлением и точкой приложения. Сила-вектор!

Слайд 5

Все силы можно разделить на два основных типа: силы, действующие при непосредственном соприкосновении , и силы, которые действуют независимо от того, соприкасаются тела или нет, т. е. силы, которые могут действовать на расстоянии .

Слайд 6

Силы всемирного тяготения , действующие между предметами нашей обыденной жизни, ничтожны по сравнению с остальными силами, действующими между ними.

Слайд 7

Кроме сил тяготения, на расстоянии действуют также магнитные и электрические силы

Слайд 8

Причина возникновения силы упругости является взаимодействие молекул тела.

Слайд 9

Силы упругости возникают при любой деформации.

Слайд 10

Сила трения Явление электромагнитного взаимодействия двух тел При соприкосновении тел Препятствует взаимному перемещению Контактная сила

Слайд 11

Виды трения 1.Внешнее( трение покоя, трение скольжения, трение качения) 2.Внутреннее(между слоями жидкости или газа) 3.Сопротивление движению твердого тела в жидкости или газе

Слайд 12

Наиболее характерная черта сил трения та, что они препятствуют движению каждого из соприкасающихся тел относительно другого или препятствуют самому возникновению этого движения

Слайд 13

Повседневный опыт учит нас, что жидкости действуют с известными силами на поверхность твердых тел, соприкасающихся с ними. Эти силы мы называем силами давления жидкости.

Слайд 14

Сила Ампера

Слайд 15

Вопросы: 1. Зависит ли сила тяжести,действующая на вашу книгу, от массы Земли?

Слайд 16

2.Как доказать на опыте наличие взаимного притяжения Земли и ручки на вашем столе?

Слайд 17

3.Можно ли рассчитать массу Солнца

Слайд 18

4.Какой физический смысл имеет G ?

Слайд 19

Назовите силы и укажите их природу

Слайд 20

Какие силы контактные,а какие полевые?

Презентация «Силы в природе, закон всемирного тяготения». | Презентация к уроку по физике (10 класс) на тему:

Слайд 1

Силы в механике

Слайд 2

Четыре типа сил. Гравитационные силы. Электромагнитные силы. Ядерные силы. Слабые взаимодействия.

Слайд 3

Гравитационные силы. Эти силы действуют между всеми телами – все тела притягиваются друг к другу. Но это притяжение существенно, только если хотя бы одно из взаимодействующих тел так же велика, как Земля или Луна. В нормальных условиях эти силы ничтожно малы.

Слайд 4

Электромагнитные силы. Эти силы действуют между частицами, имеющими электрические заряды. Сфера их действия достаточно обширна и разнообразна. Эти силы являются главными в атомах, молекулах, твердых, жидких и газообразных телах, живых организмах.

Слайд 5

Ядерные силы. Область действия ядерных сил очень ограничена, они заметны только внутри атомных ядер.

Слайд 6

Слабые взаимодействия. Эти силы вызывают взаимные превращения элементарных частиц, определяют радиоактивный распад ядер, реакции термоядерного синтеза.

Слайд 7

В механике рассматриваются только гравитационные и электромагнитные взаимодействия. Гравитационные взаимодействия. Сила тяжести Сила всемирного тяготения. Электромагнитные силы. Сила упругости Сила трения

Слайд 8

Сила тяжести. Сила тяжести — сила, с которой Земля действует на некоторое тело. F т =m*g g=9.8 м/с 2 – ускорение свободного падения. Сила тяжести , действующая на данное тело вблизи Земли может считаться постоянной лишь на определенной высоте у поверхности Земли. Если тело перенести на другую высоту, меняется g и меняется сила тяжести. F т

Слайд 9

Закон всемирного тяготения. «Причина, вызывающая падения камня на Землю, движение Луны вокруг Земли и планет вокруг Солнца, одна и та же». Исаак Ньютон

Слайд 10

Как был открыт закон всемирного тяготения? Ньютон предположил, что ряд явлений, казалось бы, не имеющих ничего общего (падение тел на Землю, обращение планет вокруг Солнца, движение Луны вокруг Земли, приливы и отливы и т. д.), вызваны одной причиной. Окинув единым мысленным взором «земное» и «небесное», Ньютон предположил, что существует единый закон всемирного тяготения, которому подвластны все тела во Вселенной — от яблок до планет!

Слайд 11

Закон всемирного тяготения. «Два любых тела притягиваются друг к другу с силой, модуль которой прямо пропорционален произведению их масс и обратно пропорционален квадрату расстояния между ними, где m 1 и m 2 – массы взаимодействующих тел, r – расстояние между телами, G – коэффициент пропорциональности, одинаковый для всех тел в природе и называемый постоянной всемирного тяготения, или гравитационной постоянной» .

Слайд 12

Эксперимент Генри Кавендиша по определению гравитационной постоянной. Английский физик Генри Кавендиш определил, насколько велика сила притяжения между двумя объектами. В результате была достаточно точно определена гравитационная постоянная, что позволило Кавендишу впервые определить массу Земли.

Слайд 14

G – гравитационная постоянная, она численно равна силе гравитационного притяжения двух тел массой по 1 кг, находящихся на расстоянии 1 м одно от другого. G=6,67  10 -11 Н  м 2 /кг 2 Сила взаимного притяжения тел всегда направлена вдоль прямой, соединяющей эти тела.

Слайд 15

Закон всемирного тяготения имеет определенные границы применимости; он применим для: материальных точек; тел, имеющих форму шара; шара большого радиуса, взаимодействующего с телами, размеры которых много меньше размеров шара.

Слайд 16

Спасибо за внимание. Презентацию подготовила Пшеленская С.В.

Обобщающий урок «Силы в природе»


Обобщающий урок по теме «Силы в природе»


 


Тема урока: «Силы в природе»


Цель урока:


  • Образовательная:  Повторить и обобщить знания полученные учащимися при изучении темы «Силы в природе»;

  • Развивающая:  Формировать умение применять знания на практике, развивать умения объяснять физические явления в природе, технике и быту;

  • Воспитательная : Прививать интерес к чтению дополнительной литературы; Формировать умение работать в соревновательном режиме.


Задачи урока:


  • Предметные (учебные)


—  обеспечить деятельность по проверке и систематизации знаний по теме « Силы в природе»;


— обеспечить применение знаний и способов действий в различных практических ситуациях.


  • Метапредметные


— начать осваивать способы решения проблемных и творческих задач;


— заложить основы формирования научного мировоззрения;


— вести предметный диалог, учиться вырабатывать умение классифицировать явления, свойства и т.д.;


— освоить начальные формы познавательной  рефлексии;


-развивать навыки контроля и самоконтроля;


— начать формирование интеллектуальной, исследовательской и информационной культуры;


— начать формирование личностно- смыслового отношения к предмету;


— учиться взаимодействовать с другими, правильно дискутировать, грамотно отстаивать свою точку зрения.


 


 


Тип урока: урок обобщения и систематизации знаний


Вид урока:  урок – путешествие .


Технология: игровая, информационно-коммуникативная, здоровьесберегающая, элементы кейсовой технологии, исследовательская.


Место урока:  заключительный урок по теме «Взаимодействие тел».


Оборудование: мультимедийный проектор, экран, индивидуальные карточки с заданиями.          физическое оборудование и материалы для экспериментов в группах .


 


 Подготовительный этап


Класс заранее разбивается на  группы. Каждая группа готовит сообщение об одной из сил и её связи с экологией.


 


 


 


 


 


 


 


ХОД УРОКА


1.Организационный этап.


Добрый день, уважаемые гости и ребята! Если день начинается с улыбки, то можно надеяться, что он пройдет удачно. Давайте сегоднейшее занятие проведем с улыбкой.


Ребята!     Посмотрите на рядом сидящего соседа по парте. Глядя в глаза соседу,  скажите  ему несколько добрых слов, за что-то похвалите, а сосед в свою очередь должен кивнуть  головой и  сказать: «Спасибо, мне очень приятно!» Затем он дарит комплимент своему соседу. 


             И мне очень приятно с вами работать.


 


Главная задача – быть внимательными, активными, находчивыми, а главное – трудолюбивыми. Показывать, что мы знаем и как умеем работать. 


 


2. Этап актуализации знаний и целеполагания


  1.            Попробуйте угадать, о чём пойдёт речь на  уроке:


    • Она имеется у всех здоровых людей. У мужчин её больше, у женщин и детей – меньше. Её совсем мало у больных. Она не вещь и не сохраняется;

    • Она имеет направление;

    • «Давай поборемся», — говорят те, у кого её много.


(учащиеся отгадывают, о какой физической величине идёт речь) (Сила)


Правильно. Это слово в обыденной речи имеет много значений. О вас можно сказать: «Примутся за дело с новыми силами», «Будете сражаться изо всех сил». А что говорят о слабом человеке? «Силёнок не хватит», а о сильном- «Ну и силища». Говорят ещё о силе привычки и о творческих силах, о силе воли.  (Презентация : О силе природы и страны)


1.Сила леса – сила травы


2.сила света – сила воды


3.сила красоты – сила духа


4.сила сердца – сила добра


5. сила традиций – сила народа


6. сила страны – сила России.


Конечно, вы догадались о чем мы сегодня будем говорить? (ответы детей)


Итак, тема урока : Силы в природе.


На столах лежат стопка книг,перевязанная ленточкой. Что ЭТО?  (ответы детей)


— А наша сила в чем?  (Ответ : в знаниях)


Я предлагаю девизом нашего урока взять слова: «Вся сила — в знаниях!»   (слайд)


Так давайте поставим цели для себя на этот урок! (возможные ответы: повторить все силы; учится применять на практике;  объяснять физические явления)


 


Вы молодцы, ребята! Именно эти цели мы и поставим на сегодняшний урок.


Откройте тетради и запишите число тему урока


Создание игровой ситуации. 


Сегодня, ребята, мы совершим с вами увлекательное и познавательное путешествие в страну сил. Что-то в этом мире вам хорошо знакомо, а  о чем-то вы услышите впервые. А поедем мы в путешествие в группах (по 5 человек). (С группами лучше определится заранее). А поможет нам в этом карта, которую вы видите на доске. Каждый член группы  получает оценочный  лист нашего путешествия.


Результаты вашей работы в баллах будем фиксировать в  оценочных  листах   (они у вас лежат у каждого на столе), а в конце урока подведем итоги. Внесите данные члена группы в ваш лист самооценки.


3.Мотивационный этап


Прежде чем отправиться в путешествие нужно хорошо подготовиться, поэтому проведем разминку.


Отправляясь в дорогу, нужно собрать необходимые вещи –знания.


1.Неожиданное и интересное можно найти даже в обыденном.


 – Многие помнят историю об Исааке Ньютоне и упавшем  яблоке. Это яблоко должно было стать знаменитым, так как с него началась история развития механики.


— Может быть это шутка, однако наблюдательность Ньютона, как отмечали его современники, позволяла ему видеть необычное и важное там, где другие проходили мимо.


— А насколько наблюдательны и внимательны вы? Давайте ,ребята, проверим.


 


Каждой из групп предлагается кейс . Давайте обсудим вопросы находящие в кейсе. (Приложение, задание №1)


Кейсы


Кейс  №1.


 Прочитайте текст


Эта сила  принимает участие ( и при  том весьма существенное) там, где мы о ней даже  не подозреваем. Французский физик Гильом писал: «Всем нам приходилось выходить в гололедицу: сколько усилий требовалось, чтобы удерживаться от падения, сколько смешных движений нам приходилось проделывать, чтобы устоять… Инженерам стремятся  устранять его в машинах – и хорошо делают… Во всех прочих случаях мы должны быть ей благодарны: ее присутствие дает нам возможность ходить, сидеть и работать без опасения, что книги и чернильницы упадут на пол….Если эту силу устранить, тогда никакие тела, будь они величиной с каменную глыбу или малы, как песчинки, никогда не удержаться один на другом…»


            Вопросы к кейсу.


  1. О какой силе в нем идет речь? Почему?

  2. Трение может быть полезным?


 


 


Кейс №2


Прочитайте текст


 


Вопрос о том, почему Луна не падает на Землю, интересовал Ньютона. Ответом было открытие самого важного закона. Нельзя забывать, что любое тело притягивается не только Землей, но и любыми другими телами, в том числе Луной, Солнцем. Благодаря этой силе облик нашей планеты непрерывно изменяется. Сходят с гор лавины, оползни и сели, движутся ледники, обрушиваются водопады.  Все живые существа на Земле чувствуют ее притяжение. Растения также «чувствуют» действие и направление этой силы, из-за чего главный корень растет вниз, к центру Земли, а стебель – вверх..


                    Вопросы к кейсу.


  1. О какой силе в нем идет речь?Почему?

  2. Как влияет она на растения?


 


Кейс №3


Прочитайте текст


 


В земных условиях все покоящиеся тела немного деформированы по сравнению со свободным состоянием потому, что каждая частица любого тела испытывает действие силы тяжести. Кирпичи, из которых построены здания, опоры мостов, тросы и канаты, которые удерживают грузы, стержни, нити, пружины – все они при деформации проявляют схожие свойства. Конечно, у большинства тел результат внешнего воздействия наблюдать непросто, но знать их величину очень важно, особенно, например, в строительстве. Если бы не существовало возможностей у тел восстанавливать свои размеры и форму, весь наш мир был бы деформирован и перекошен. Ни одного ровного фундамента здания, ни одного горизонтального потолка, ни одного ровного стола, который бы прогнулся и не восстановился даже от действия тонкой тетради или книги. Спасибо силе, восстанавливающей наш деформированный мир!


                Вопросы к кейсу.


  1. О какой силе в нем идет речь? Почему?

  2. Когда возникает эта сила?


 


Обсуждение в группах


 


— Ребята? Чья группа хочет, поделиться своей точкой зрения? (Представители групп по желанию представляют свою точку зрения, отвечая на вопросы кейса)


Оените сои действия, выставите баллы за работу с кейсом. Максимальное количество баллов -2


2.  — Молодцы! На сегодняшний урок вы пришли с определённым багажом знаний. Давайте освежим ваши знания необходимые нам на уроке.


Вот у нас, на доске шкаф с буквами, обозначающими физические величины. Вы должны собрать из них как можно больше формул, относящихся к теме сегодняшнего урока. (Каждый участник группы записывают формулы в тетрадь)  Кто быстрее?


µ; g;k;m;x;ρ;V;Fупр;Fтяж; P; Fтр;N.


По одному представителю группы поочередно выходят к доске и записывают формулы и поясняют ее.               


Критерии оценивания:  За каждую составленную формулу учащиеся ставят – 1 балл


 


Молодцы! Вы готовы к решению поставленных целей. Вперёд к поиску новых знаний!


 


3.Пок амы  едем до первой останвки, предлагаю поиграть в     игру «Угадай силу»


Действия сил разнообразны. Но все равно, как бы не маскировались они,  как бы не скрывались за разными ситуациями, пытливый и вооруженный знаниями ум разглядит их.


 


    -Каждая группа получают кейсы с набором карточек с примерами физических явлений . Карточки раздаются участникам группы, им необходимо расставить эти карточки в нужную колонку.  (приложение , задание №2)


 На доске макет таблицы,  дети поочереди называют физическое явление и определяют вид силы. Выходят к доске и прикрепляют карточку в нужную колонку.


 


Критерии оценивания: За каждую правильно поставленную карточку  учащиеся ставят – 1 балл




Сила упругости


Сила тяжести


Сила трения


  • Груз подвешен на резиновом шнуре

  • Предмет вылепленный из глины

  • Футбольный мяч после удара

  • Буксировочный трос на котором тянут автомобиль

  • Линейку которую положили  на два брусочка,а сверху поставили груз.


 


 


  • Капли дождя падают на Землю

  • Человек споткнулся и упал

  • Стоит стол

  • Падающий кирпич с десятого этажа

  • Яблоко, сорвавшееся с дерева


 


  • Санки  катятся по траве

  • Колесо катится по дороге

  • Камень лежит на склоне гор

  • Торможение автомобиля

  • Сгорание метеора в атмосфере

  • Тащить мешок с песком по земле


 


 


4. Этап обобщения и применения знаний.


  1. А вот и первая наша остановка- Сила тяжести.


Что же ждет нас на этой остановке? О местных достопримечательностях расскажет нам гид. (Представитель из первой группы рассказывает приготовленное заранее сообщение о силе тяжести).


Сообщение: Сила- мера взаимодействия тел между собой. Сила тяжести— сила, с которой Земля притягивает к себе тела. Например, падение мяча, подброшенного вверх, падение капель дождя. Если тело движется только под действием силы тяжести, то оно свободно падает. Сила тяжести зависит от массы тела и рассчитывается по формуле F=mg. Измеряется сила тяжести в ньютонах. Сила тяжести имеет большое значение. Благодаря силе тяжести облик нашей планеты непрерывно изменяется: сходят с гор лавины, образуются водопады и т.д. Все живые существа чувствуют притяжение Земли.


 


А теперь   выполним исследования.С этого момента каждая группа — это исследовательская команда, которой предстоит провести исследование важного вопроса.


Экспериментальное задание№1: Вычислить какую силу тяжести оказывает ваша группа на пол.  Результаты исследования оформить в виде решения задачи в тетради.


Команды выполняют задания, самостоятельно распределяя роли внутри команды.


 


— Экспериментально-исследовательская работа команд закончилась. Подведём итоги: Какую силу тяжести оказывает ваша гуппа на пол?


 


Критерии оценивания: Кто в группе принимал активное участие по нахождении силы тяжести  – 1 балл(самооценивание)


 


Чтобы отправиться дальше в путешествие , нужно пройти испытание — найти «физические ошибки в рассказе».


(каждый учащийся самостоятельно работает по тексту и исправляет ошибки).


 


Примерный текст: Сила тяжести — это сила, с которой Земля отталкивает от себя тела. Она всегда направлена вертикально вверх. Сила тяжести зависит от объема тела или обратно пропорционально его массе. Земной шар немного сплюснут у полюсов. В связи с этим сила тяжести на полюсе немного меньше, чем на экваторе. Сила тяжести на вершине горы больше, чем у ее подножия.


 


 А теперь проведем самопроверку. Внимание на экран, проверьте себя.


 


Критерии оценивания: За каждую правильно найденную и исправленную ошибку  учащиеся ставят – 1 балл, максимальное количество 6 баллов.


 


Испытание пройдено, можно ехать дальше!


Чем заняться в дороге? Давайте разгадаем кроссворд?


Каждой группе раздается физический кроссворд, учащиеся работают в паре.


Приложение №3


 









 


1


 


 


 


 


 


 


 


2


 


 


 


 


 


 


 


3


 


 


 


 


 


 


 


 


 


 


 


4


 


 


 


 


 


 


 


 


 


5


 


 


 


6


 


 


 


 


1. Единица измерения силы. (ньютон)


2.Она меняется под действием силы. (скорость)


3.Сила величина векторная, а значит имеет ….. (направление0


4.Прибор для измерения силы. (динамометр)


5.Действие одного тела на другое. (сила)


6.То к чему приложена сила (все предметы в физике так называют) (тело)


 


Критерии оценивания: За каждую правильно  угаданное слово учащиеся получают  – 1 балл,  максимальное количество 6 баллов


Гимнастика для глаз.


Глазки видят все вокруг


Обведу я ими круг.


Глазком видеть все могу-


Где окно, а где кино.


Объведу я ими круг,


Погляжу на мир вокруг.


 


  1. Время прошло быстро и следующая остановка- Сила упругости. 


И что же интересного нас ждет здесь? . (Представитель из второй группы рассказывает приготовленное заранее сообщение о силе упругости) Выступление гида из 2  группы.


 


Сообщение: Сила упругости — это сила, возникающая в результате деформации и стремящаяся вернуть тело в исходное положение. Деформация- это изменение формы или размеров тела под действием внешних сил. Существуют деформации растяжения, сжатия, изгиба, кручения. Также упругие и пластические деформации. Сила упругости, возникающая при деформации растяжения или сжатия, пропорциональна удлинению пружины. Это отражено в законе Гука- Fупр. = kx, где k- коэффициент жесткости. Закон Гука выполняется только для упругих деформаций. Сила упругости измеряется в Ньютонах.


 


Чтобы отправиться далее, нужно решить несколько задач.


(Каждой группе раздаются индивидуальные задачи разной сложности. Обучающиеся в группе сами определяются с тем, какую задачу будут решать.)


 


  1. Жесткость пружины 200 Н/м. Определите силу упругости, действующею на пружину, если она при этом растягивается на 5 см. (1 б)

  2. Определите жесткость пружины динамометра, если под действием силы 80 Н она удлинилась на 5 см.(1 б)

  3. Жесткость прорезиненного жгута 7,2*104 Н/м. На какую длину растянется жгут, если на него действует сила 10 кН? (1 б)

  4. На тело действует сила тяжести 5 Н и сила упругости 2 Н. Определите равнодействующую этих сил. (2 б)

  5. Тело массой 300 г подвешено на пружине. Определите на сколько растянется пружина, если жесткость этой пружины 150 Н/кг. (2 б)


 


Настало время проверки. Внимание на экран, проверьте себя. Незабываем оценить свою работу в листах самооценки.


 


Это испытание пройдено, пора в дорогу. Чтобы не тратить время зря, проведем игру


 


 


«Верю не верю». Графический диктант.


 /\ -означает « да»


_ -означает  «нет»


1. Силой называют физическую величину, с помощью которой количественно описывают взаимодействие тел. да


2. Действия двух тел могут уравновешиваться. Для этого надо, чтобы они были направлены в одну сторону. Нет.


3. Силы, которые возникают вследствие деформации тел, называют силами упругости. Да.


4. 1 кН = 10 Н. Нет.


5. Сила – величина векторная. Да.


6. Сила с которой Земля притягивает все тела называют силой тяжести. Да.


7. Вес тела вычисляется по формуле — P = mg. Да.


8. сила упругости зависит от массы тела. Нет.


9. Единица измерения коэффициента трения- метр. Нет


10. Вес тела – это результат взаимодействия тела и Земли. Нет


 


За правильный ответ – 1 балл.


/\_/\_/\/\/\_._._


А теперь внимание на экран. Проверьте себя.


 


Критерии оценивания: За каждую правильный ответ  учащиеся ставят – 1 балл


  1. А вот и следующая остановка- Сила трения.


Чем знаменито это место? ((Представитель из третьей группы рассказывает приготовленное заранее сообщение о силе упругости)


 


Сообщение: Сила трения— это сила, возникающая при взаимодействии поверхности одного тела с поверхностью другого, когда тела неподвижны или перемещаются друг относительно друга. Трение препятствует движению. Причина возникновения силы трения- межмолекулярное притяжение, действующее в месте контакта трущихся тел. Сила трения направлена противоположно движению тела, измеряется в Ньютонах. Рассчитать силу трения можно, если знать массу тела и коэффициент трения. Формула: F=k x . Существует три вида трения: покоя, качения и скольжения. Трение покоя возникает, когда тело находится в покое и его трудно сдвинуть с места. Трение скольжения возникает, когда тело скользит по наклонной плоскости. Трение качения можно наблюдать, если перекатывать тело по бревнам.


 


Осталось последние испытание- определите экспериментально коэффициент трения скольжения (В каждой группе выполняется эксперимент, затем представитель от группы рассказывает о полученных результатах. У кого наиболее четко сформулирован вывод — тот и победил в этом испытании).


 


Экспериментальное задание№2:Определить коэффициент трения деревянного бруска, скользящего по деревянной линейке, используя формулу Fтр = = μР


Порядок выполнения работы


1. Положите брусок на горизонтально расположенную деревянную линейку. На брусок поставьте груз.


2. Прикрепив к бруску динамометр, как можно более равномерно тяните его вдоль линейки. Замерьте при этом показание динамометра.Эта сила равна по модулю силе трения Fтp, действующей на брусок.


3. Взвесьте брусок и груз.Этот вес тела Р брускаи груза вместе  на поверхность, по которой он скользит.


Сделайте вывод.


 


Критерии оценивания: наиболее активный представитель каждой группы, может оценить по одному 1 баллу тех учащихся, кто принимал участие в проведении эксперимента.


 


Те, кто был представителями наших островов, гидами – 1 балл.


 


5.Последняя остановка- Всезнайка.


1. Рефлексия.


  • Оценочная деятельность (самоанализ и взаимоанализ)


Подсчитайте свои баллы. Учащиеся подсчитывают количество баллов:


 


Критерии оценивания : (критерии оценивания на экране и на доске)


Более 31 баллов – «5»


30-26 балла – «4»


25-20 балла – «3»


    Поздравим победителей, они  все получают оценки «пять», ребята из группы, занявшей вторе место – оценки «четыре», а группе, которой сегодня не все удавалось, пожелаем успехов в дальнейшей работе.


Сдайте свои оценочные  листочки для проведения итоговой оценочной деятельности мной.


 


  • Рефлексивный итог урока:


 


Понравилось ли вам наше путешествие?


Ребята по кругу высказываются одним предложением, выбирая начало фразы из рефлексивного экрана на доске:


Сегодня на уроке мне было_________


— Работать в группах было ______________


— Мне понравилось, что_________________


 


 


2. Домашнее задание. Составить кроссворд , содержащий вопросы по теме «Силы в природе»


 


3.SMS


Ученикам предлагается на бумажных сотовых телефонах написать SMS –сообщение другу о том, как прошёл урок, оценить как плодотворно он работал.


 


 


 


 


 


 


 


 


 


Муниципальный этап областного конкурса


«Учитель Оренбуржья»


 


 


 


 


 


Открытый урок


 по физике в 7 классе


 Тема урока:


«Силы в природе»


 


 


 


 


Учитель физики


первой квалификационной категории


МБОУ «Цветочная ООШ»


Черных Валентина Львовна


 


 


22. 12.2017г.

Силы в природе тест по физике (10 класс)


Сложность: эксперт.Последний раз тест пройден более 24 часов назад.

  1. Вопрос 1 из 10

    Закон Гука формулируется следующим образом. При упругих деформациях:

    • Правильный ответ
    • Неправильный ответ
    • Вы и еще 53% ответили правильно
    • 53% ответили правильно на этот вопрос

    В вопросе ошибка?

    Следующий вопросОтветить

  2. Вопрос 2 из 10

    Если расстояние между Землей и Луной возрастет в два раза, то сила гравитационного взаимодействия:

    • Правильный ответ
    • Неправильный ответ
    • Вы ответили лучше 55% участников
    • 45% ответили правильно на этот вопрос

    В вопросе ошибка?

    Ответить

  3. Вопрос 3 из 10

    Ускорение свободного падения:

    • Правильный ответ
    • Неправильный ответ
    • Вы ответили лучше 55% участников
    • 45% ответили правильно на этот вопрос

    В вопросе ошибка?

    Ответить

  4. Вопрос 4 из 10

    Вес тела в центре Земли:

    • Правильный ответ
    • Неправильный ответ
    • Вы и еще 55% ответили правильно
    • 55% ответили правильно на этот вопрос

    В вопросе ошибка?

    Ответить

  5. Вопрос 5 из 10

    Тело массой m находится в ракете, которая поднимается вверх с ускорением 5g. Вес тела равен:

    • Правильный ответ
    • Неправильный ответ
    • Вы ответили лучше 72% участников
    • 28% ответили правильно на этот вопрос

    В вопросе ошибка?

    Ответить

  6. Вопрос 6 из 10

    Поезд массой 1000 т. движется по горизонтальному пути. Сила тяги паровоза 600 кН. Коэффициент трения 0,005, g=10 м/с2. Ускорение, с которым движется поезд, равно:

    • Правильный ответ
    • Неправильный ответ
    • Вы и еще 55% ответили правильно
    • 55% ответили правильно на этот вопрос

    В вопросе ошибка?

    Ответить

  7. Вопрос 7 из 10

    Ведро с водой равномерно вращается в вертикальной плоскости. Вода не выливается в верхней точке потому что:

    • Правильный ответ
    • Неправильный ответ
    • Вы и еще 51% ответили правильно
    • 51% ответили правильно на этот вопрос

    В вопросе ошибка?

    Ответить

  8. Вопрос 8 из 10

    Как изменяются вес и масса тела при переносе его с полюса на экватор?

    • Правильный ответ
    • Неправильный ответ
    • Вы ответили лучше 51% участников
    • 49% ответили правильно на этот вопрос

    В вопросе ошибка?

    Ответить

  9. Вопрос 9 из 10

    Вес тела, измеренный на пружинных весах, находящихся внутри спутника Земли:

    • Правильный ответ
    • Неправильный ответ
    • Вы и еще 53% ответили правильно
    • 53% ответили правильно на этот вопрос

    В вопросе ошибка?

    Ответить

  10. Вопрос 10 из 10

    К телу под прямым углом друг к другу приложены две силы 6Н и 8Н. Под действием этих сил тело движется с ускорением 0,5 м/с2. Масса тела равна:

    • Правильный ответ
    • Неправильный ответ
    • Вы и еще 56% ответили правильно
    • 56% ответили правильно на этот вопрос

    В вопросе ошибка?

    Ответить

Доска почёта

Чтобы попасть сюда — пройдите тест.

ТОП-3 тестакоторые проходят вместе с этим

Рейтинг теста

Средняя оценка: 3.7. Всего получено оценок: 192.

А какую оценку получите вы? Чтобы узнать — пройдите тест.

Зачет №1 «Кинематика. Динамика. Силы в природе» (учебник «Физика 10», авторы Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, М. Просвещение, 2008-2012)

10 класс Физика.
Зачет №1 «Кинематика.
Динамика. Силы в природе»

(учебник «Физика
10», авторы Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев,
М. :Просвещение, 2008-2012).
Срок
сдачи зачета–10.11
Обязательная
часть

1. Что
такое механическое движение? 2. Какие
виды механического движения Вы знаете?

3. Что
такое материальная точка? 4. Что
называется системой отсчета?

5.
Сравните физичекие величины: путь и
перемещение. При каком движении модуль
перемещения равет пройденному пути.

6. Какую
траекторию при движении описывает центр
колеса автомобиля относительно
прямолинейной дороги?

7. Дайте
характеристику величине скорости
равномерного движения (определение,
формула, единица измерения, физический
смысл, направление).

8.
Скорость грузового автомобиля 36 км/ч,
а скорость легкового – 72 км/ч. Рассчитайте
скорости в единицах СИ.

9. Что
называется ускорением (определение,
формула, единица измерения, физический
смысл,направление).

10. Три
тела брошены так: первое – вниз без
начальной скорости, второе- вниз с
начальной скоростью, третье- вверх.
Одинаковы ли ускорения этих тел? Как
они направлены?

11.
Укажите на рисунке направление мгновенной
скорости и центростремительного
ускорения тела, движущегося по окружности.

12. Какая физическая величина
называется силой (дать характеристику
по плану)?

13. Сформулируйте
законы Ньютона.

14. Как зависит сила упругости от
велечины деформации тела? От чего зависит
жесткость пружины?

15.
Какая сила заставляет Землю и другие
планеты двигаться вокруг Солнца? От
каких величин она зависит?(формула и
формулировка закона всемирного тяготения,
для каких тел он справедлив).

16.
Чем отличается вес тела от силы тяжести?
(показать на рисунке эти силы, когда вес
тела увеличивается, а когда уменьшаеся?).
Какое состояние тела называют невесомостью?

17.
Когда возникают силы трения покоя? силы
трения скольжения? силы трения качения?
силы сопротивления? (назвать причины
появления этих сил, от чего они зависят,
куда направлены, как можно уменьшить
их действие, перечислите полезные и
вредные действия этих сил).

Дополнительная
часть

18.
Мяч.брошенный вертикально вверх, достиг
максимальной высоты 10м и упал на то же
место, откуда был брошен. Какой путь
пройден мячом? Чему равно его перемещение?

19. При
равномерном движении пешеход проходит
за10с путь 15м. Какой путь он пройдёт при
движении с той же скоростью за 2с?

20. Два
автобуса движутся по прямолинейному
участку шоссе. На рис.1 представлены
графики проекции скоростей этих автобусов
на ось Х, параллельную шоссе.

А)
Определите характер движения автобусов.
Б) Как направлены их скорости по отношению
друг к другу?

В) С
какой по модулю скоростью движутся
автобусы?

21. Поезд
подходит к станции со скоростью 36км/ч
и останавливается через минуту после
начала тормажения. С каким ускорением
двигался поезд?

22.
На столе лежит брусок. Какие силы
действуют на него? Почему брусок покоится?
Изобразите силы графически.

23.
Сила в 60 Н сообщает телу ускорение 0,8
м/с2. Какая
сила сообщит этому телу ускорение 2
м/с2?

24.
Барон Мюнхаузен утверждал, что вытащил
сам себя из болота за волосы. Обоснуйте
невозможность этого.

25.
Под действием какой силы пружина, имеющая
коэффициент жесткости 10000 Н/м, сжалась
на 4 см?

26.С
какой силой притягивается к Земле тело
массой 40 кг, находящееся на высоте 400 км
от поверхности Земли? Радиус Земли
принять равным 6400 км, а её массу – 6×1024
кг.

27.Приведите
в соответствие:

Название величины

Определение

Формула

1.
Вес

1.
Это сила, которая возникает между
соприкасающимися телами

1.
F = mg

2.
Сила тяжести

2.
Это сила, с которой тело, вследствии
притяжения к Земле, действует на опору
или подвес

2.
F = μN

3.
Сила упругости

3.
Это сила, с которой Земля притягивает
все тела

3.
Р = mg

4.
Сила трения

4.
Это сила, которая возникает при
деформации тела

4.
F = -κх

28.
Движение двух тел задано уравнениями
х1 = 2ţ + 0,2ţ2
и х2 = 80 — 4ţ.
Найдите начальную координату, начальную
скорость, ускорение и постройте графики
Х(t) для каждого тела. Каким является
движение? Найдите время и место их
встречи.

29. Камень
бросили вертикально вниз с начальной
скоростью 5м/с. С какой высоты упал
камень, если он двигался 2с?

30.
Автомобиль движется по закруглению
дороги радиусом 120м со скоростью 36км/ч.
Чему равно центростремительное ускорение
автомобиля?

На
оценку «3» -с 1 по 17 задания (обязательная
часть). На оценку «4»- с 18 по 27 задания
(дополнительная часть). На оценку «5»- с
18 по 27 задания (дополнительная часть)+с
28 по 30 (дополнительная часть).

Четыре основных силы природы

Все силы, с которыми мы сталкиваемся каждый день (и многие, о которых мы не подозреваем, мы испытываем каждый день), можно свести к четырем фундаментальным силам природы:

  1. Гравитация
  2. Слабая сила
  3. Электромагнетизм
  4. сильная сила

Эти четыре фундаментальные силы природы управляют всем, что происходит во Вселенной.

Фундаментальные силы природы: Гравитация

Гравитация — это притяжение между двумя объектами, обладающими массой или энергией, будь то падение камня с моста, планета, вращающаяся вокруг звезды, или луна, вызывающая океанские приливы.Гравитация, вероятно, является наиболее интуитивно понятной и знакомой из четырех фундаментальных сил природы, но ее также трудно объяснить.

Исаак Ньютон был первым, кто предложил идею гравитации, предположительно вдохновленную яблоком, падающим с дерева. Он описал гравитацию как буквальное притяжение между двумя объектами. Спустя столетия Альберт Эйнштейн в своей общей теории относительности предположил, что гравитация не является притяжением или силой.Напротив, это следствие того, что объекты искривляют пространство-время. Большой объект работает с пространством-временем примерно так же, как большой шар, помещенный в середину листа, влияет на этот материал, деформируя его и заставляя другие, более мелкие объекты на листе падать к середине.

Связано: 8 способов увидеть теорию относительности Эйнштейна в реальной жизни

Хотя гравитация удерживает вместе планеты, звезды, солнечные системы и даже галактики , она оказывается самой слабой из фундаментальных сил, особенно на молекулярном и атомном уровнях.Подумайте об этом так: насколько сложно оторвать мяч от земли? Или ногу поднять? Или прыгнуть? Все эти действия противодействуют гравитации всей Земли. А на молекулярном и атомном уровнях гравитация почти не влияет на другие фундаментальные силы. -18 метров, или 0.1% диаметра протона друг друга, они могут обмениваться этими бозонами. В результате субатомные частицы распадаются на новые частицы, согласно сайту HyperPhysics государственного университета Джорджии.

Слабое взаимодействие имеет решающее значение для реакций ядерного синтеза, которые приводят в действие Солнце и производят энергию, необходимую для большинства форм жизни здесь, на Земле. Именно поэтому археологи могут использовать углерод-14 для определения возраста древних костей, дерева и других ранее живых артефактов. Углерод-14 имеет шесть протонов и восемь нейтронов; один из этих нейтронов распадается на протон, образуя азот-14, который состоит из семи протонов и семи нейтронов.Этот распад происходит с предсказуемой скоростью, что позволяет ученым определить возраст таких артефактов.

Слабое взаимодействие имеет решающее значение для реакций ядерного синтеза, которые приводят в действие Солнце и производят энергию, необходимую для большинства форм жизни здесь, на Земле. (Изображение предоставлено Shutterstock)

Фундаментальные силы природы: Электромагнитная сила

Электромагнитная сила, также называемая силой Лоренца, действует между заряженными частицами, такими как отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные протоны.Противоположные заряды притягиваются друг к другу, а одинаковые — отталкиваются. Чем больше заряд, тем больше сила. И, как и гравитация, эту силу можно почувствовать с бесконечного расстояния (хотя на таком расстоянии сила была бы очень, очень маленькой).

Как следует из названия, электромагнитная сила состоит из двух частей: электрической силы и магнитной силы . Сначала физики описывали эти силы как отдельные друг от друга, но позже исследователи поняли, что эти две силы являются компонентами одной и той же силы.

Электрический компонент действует между заряженными частицами, независимо от того, движутся они или неподвижны, создавая поле, с помощью которого заряды могут влиять друг на друга. Но как только они приходят в движение, эти заряженные частицы начинают проявлять вторую составляющую — магнитную силу. При движении частицы создают вокруг себя магнитное поле. Поэтому, когда электроны проникают через провод, чтобы, например, зарядить компьютер или телефон или включить телевизор, провод становится магнитным.

Связано: Что такое электромагнитное излучение?

Электромагнитные силы передаются между заряженными частицами посредством обмена безмассовыми, несущими силу бозонами, называемыми фотонами, которые также являются частицами света.Однако фотоны, несущие силу, которые переключаются между заряженными частицами, представляют собой другое проявление фотонов. По данным Университета Теннесси , Ноксвилл , они виртуальны и не поддаются обнаружению, хотя технически являются теми же частицами, что и реальная и обнаруживаемая версия.

Электромагнитная сила отвечает за некоторые из наиболее часто встречающихся явлений: трение, упругость, нормальную силу и силу, удерживающую твердые тела вместе в заданной форме.Он даже отвечает за сопротивление, которое испытывают птицы, самолеты и даже Супермен во время полета. Эти действия могут происходить из-за взаимодействия заряженных (или нейтрализованных) частиц друг с другом. Например, нормальная сила, удерживающая книгу на столе (вместо силы тяжести, притягивающей книгу к земле), является следствием того, что электроны в атомах стола отталкивают электроны в атомах книги.

Сила, которая удерживает книгу на столе (вместо силы тяжести, притягивающей книгу к земле), является следствием электромагнитной силы: электроны в атомах стола отталкивают электроны в атомах книги.(Изображение предоставлено Shutterstock)

Фундаментальные силы природы: сильная ядерная сила

Сильная ядерная сила , также называемая сильным ядерным взаимодействием, является самой сильной из четырех фундаментальных сил природы. Это в 6 тысяч триллионов триллионов триллионов (это 39 нулей после 6!) Раз сильнее силы тяжести, согласно веб-сайта HyperPhysics . И это потому, что он связывает элементарные частицы материи вместе, чтобы сформировать более крупные частицы.-15 метров друг от друга, или примерно в пределах диаметра протона, согласно веб-сайта HyperPhysics .

Сильное взаимодействие — это странно, потому что, в отличие от других фундаментальных сил, оно становится слабее по мере приближения субатомных частиц друг к другу. Согласно Fermilab , он достигает максимальной прочности, когда частицы находятся дальше всего друг от друга. Оказавшись в пределах досягаемости, безмассовые заряженные бозоны, называемые глюонами, передают сильное взаимодействие между кварками и удерживают их «склеенными».Крошечная часть сильного взаимодействия, называемого остаточным сильным взаимодействием, действует между протонами и нейтронами. Протоны в ядре отталкиваются друг от друга из-за их одинакового заряда, но остаточная сильная сила может преодолеть это отталкивание, поэтому частицы остаются связанными в ядре атома .

Объединяющая природа

Неурегулированный вопрос о четырех фундаментальных силах заключается в том, действительно ли они являются проявлением единственной великой силы Вселенной. Если это так, каждый из них должен иметь возможность сливаться с другими, и уже есть доказательства того, что они могут.

Физики Шелдон Глэшоу и Стивен Вайнберг из Гарвардского университета с Абдусом Саламом из Имперского колледжа Лондона выиграли Нобелевскую премию по физике в 1979 году за объединение электромагнитной силы со слабой силой, чтобы сформировать концепцию электрослабой силы . Физики, работающие над созданием так называемой теории великого объединения, стремятся объединить электрослабое взаимодействие с сильным, чтобы определить электронно-ядерное взаимодействие, которое модели предсказывали, но исследователи еще не наблюдали.Последний кусок головоломки потребовал бы объединения гравитации с электронно-ядерной силой для разработки так называемой теории всего , теоретической основы, которая могла бы объяснить всю Вселенную.

Однако физикам было довольно сложно объединить микроскопический мир с макроскопическим. В больших и особенно астрономических масштабах гравитация доминирует и лучше всего описывается общей теорией относительности Эйнштейна. Но в молекулярном, атомном или субатомном масштабе квантовая механика лучше всего описывает мир природы.И до сих пор никто не придумал хорошего способа объединить эти два мира.

Некоторые физики думают, что все четыре силы могут слиться в одну объединенную силу, которая управляет Вселенной — единую теорию поля. (Изображение предоставлено Shutterstock)

Физики, изучающие квантовую гравитацию, стремятся описать силу в терминах квантового мира, что могло бы помочь в слиянии. Фундаментальным для этого подхода было бы открытие гравитонов, теоретического силового бозона гравитационной силы.Гравитация — единственная фундаментальная сила, которую физики в настоящее время могут описать без использования частиц, несущих силу. Но поскольку для описания всех других фундаментальных сил требуются частицы, несущие силу, ученые ожидают, что гравитоны должны существовать на субатомном уровне — исследователи просто еще не нашли эти частицы.

Еще больше усложняет историю невидимое царство темной материи и темной энергии , которые составляют примерно 95% Вселенной. Неясно, состоят ли темная материя и энергия из одной частицы или из целого набора частиц, которые имеют свои собственные силы и бозоны-мессенджеры.

Первичной частицей-посланником, представляющей интерес в настоящее время, является теоретический темный фотон, который будет посредником взаимодействий между видимой и невидимой вселенной. Если темные фотоны существуют, они были бы ключом к обнаружению невидимого мира темной материи и могли бы привести к открытию пятой фундаментальной силы . Однако пока нет доказательств существования темных фотонов , и некоторые исследования предоставили убедительные доказательства того, что этих частиц не существует .

Дополнительные ресурсы:

Расширенная тема: Четыре основных силы — Введение

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Поймите четыре основных силы, лежащих в основе процессов в природе.

Одно из самых замечательных упрощений в физике состоит в том, что всего четыре различных силы объясняют все известные явления. Фактически, почти все силы, с которыми мы сталкиваемся напрямую, обусловлены только одной базовой силой, называемой электромагнитной силой.(Гравитационная сила — единственная сила, которую мы испытываем напрямую, которая не является электромагнитной.) Это огромное упрощение множества из , по-видимому, различных сил, которые мы можем перечислить, лишь некоторые из которых обсуждались в предыдущем разделе. Как мы увидим, считается, что все основные силы действуют посредством обмена микроскопическими частицами-носителями, а характеристики основных сил определяются типами обмениваемых частиц. Действие на расстоянии, такое как гравитационная сила Земли на Луне, объясняется существованием силового поля , а не «физическим контактом».”

Четыре основных силы — это гравитационная сила, электромагнитная сила, слабая ядерная сила и сильная ядерная сила. Их свойства приведены в Таблице 1. Поскольку слабые и сильные ядерные взаимодействия действуют на очень коротком расстоянии, размером с ядро ​​или меньше, мы не испытываем их напрямую, хотя они имеют решающее значение для самой структуры материи. Эти силы определяют, какие ядра стабильны, а какие распадаются, и они являются основой высвобождения энергии в определенных ядерных реакциях.Ядерные силы определяют не только стабильность ядер, но и относительное содержание элементов в природе. Свойства ядра атома определяют количество электронов, которые оно имеет, и, таким образом, косвенно определяют химию атома. Подробнее обо всех этих темах будет сказано в следующих главах.

Концептуальные связи: четыре основных силы

Таблица 1. Свойства четырех основных сил
Усилие Приблизительная относительная сила Диапазон Притяжение / Отталкивание Несущая частица
Гравитационный 10 −38 только привлекательный Гравитон
Электромагнитный 10 –2 привлекательный и отталкивающий Фотон
Слабая ядерная 10 –13 <10 –18 м привлекательный и отталкивающий W + , W , Z 0
Сильная ядерная 1 <10 –15 м привлекательный и отталкивающий глюонов

Гравитационная сила на удивление мала — мы вообще замечаем ее только потому, что гравитация всегда притягательна.Наш вес — это гравитационная сила из-за всей Земли, действующей на нас. В очень большом масштабе, как в астрономических системах, гравитационная сила является доминирующей силой, определяющей движение лун, планет, звезд и галактик. Гравитационная сила также влияет на природу пространства и времени. Как мы увидим позже при изучении общей теории относительности, пространство искривлено вблизи очень массивных тел, таких как Солнце, а время фактически замедляется вблизи массивных тел.

Электромагнитные силы могут быть как притягивающими, так и отталкивающими. Это силы дальнего действия, которые действуют на чрезвычайно больших расстояниях и почти компенсируются для макроскопических объектов. (Помните, что важна чистая внешняя сила , .) Если бы они не компенсировались, электромагнитные силы полностью подавили бы гравитационную силу. Электромагнитная сила представляет собой комбинацию электрических сил (например, вызывающих статическое электричество) и магнитных сил (например, действующих на стрелку компаса).Эти две силы считались совершенно разными до начала XIX века, когда ученые начали обнаруживать, что они являются разными проявлениями одной и той же силы. Это открытие является классическим случаем объединения сил . Точно так же трение, натяжение и все другие классы сил, которые мы испытываем напрямую (кроме гравитации, конечно), возникают из-за электромагнитных взаимодействий атомов и молекул. Однако по-прежнему удобно рассматривать эти силы отдельно в конкретных приложениях из-за того, как они проявляются.

Концептуальные связи: объединяющие силы

Попытки объединить четыре основные силы обсуждаются применительно к элементарным частицам далее в этом тексте. Под «объединением» мы подразумеваем нахождение связей между силами, которые показывают, что они являются различными проявлениями одной силы. Даже если такое объединение будет достигнуто, силы сохранят свои отдельные характеристики в макроскопическом масштабе и могут быть идентичными только в экстремальных условиях, подобных тем, которые существовали в ранней Вселенной.

Физики сейчас изучают, связаны ли эти четыре основные силы каким-либо образом. Попытки объединить все силы в одну подпадают под рубрику Теорий Великого Объединения (GUT), с которыми в последние годы были достигнуты определенные успехи. Теперь известно, что в условиях чрезвычайно высокой плотности и температуры, которые существовали в ранней Вселенной, электромагнитные и слабые ядерные взаимодействия неразличимы. Теперь их можно рассматривать как разные проявления одной силы, называемой электрослабой силой .Таким образом, список из четырех в некотором смысле сократился до трех. Дальнейший прогресс в объединении всех сил оказывается трудным — особенно включение гравитационной силы, которая имеет особые характеристики воздействия на пространство и время, в которых существуют другие силы. Хотя объединение сил не повлияет на то, как мы обсуждаем силы в этом тексте, удивительно, что такая лежащая в основе простота существует перед лицом явной сложности Вселенной. Нет причин, по которым природа должна быть простой — это просто так.

Действие на расстоянии: концепция поля

Все силы действуют на расстоянии. Это очевидно для гравитационной силы. Например, Земля и Луна взаимодействуют, не соприкасаясь. То же верно и для всех остальных сил. Например, трение — это электромагнитная сила между атомами, которая на самом деле не может касаться друг друга. Что переносит силы между объектами? Один из способов ответить на этот вопрос — представить, что силовое поле окружает любой объект, создающий силу.Второй объект (часто называемый тестовым объектом ), помещенный в это поле, будет испытывать силу, которая является функцией местоположения и других переменных. Само поле — это «вещь», которая переносит силу от одного объекта к другому. Поле определяется как характеристика объекта, его создающего; поле не зависит от помещенного в него тестового объекта. Например, гравитационное поле Земли зависит от массы Земли и расстояния от ее центра, независимо от наличия других масс.Концепция поля полезна, потому что уравнения могут быть записаны для силовых полей, окружающих объекты (для гравитации это дает w = mg на поверхности Земли), и движения могут быть рассчитаны по этим уравнениям. (См. Рисунок 1.)

Рис. 1. Электрическое силовое поле между положительно заряженной частицей и отрицательно заряженной частицей. Когда положительный испытательный заряд помещается в поле, на заряд будет действовать сила в направлении силовых линий поля.

Концептуальные связи: силовые поля

Концепция силового поля также используется в связи с электрическим зарядом и представлена ​​в статьях «Электрический заряд» и «Электрическое поле».Это также полезная идея для всех основных сил, как будет показано в Физике элементарных частиц. Поля помогают нам визуализировать силы и то, как они передаются, а также точно описывать их и связывать силы с субатомными частицами-носителями.

Концепция месторождения была применена очень успешно; мы можем рассчитывать движения и описывать природу с высокой точностью, используя уравнения поля. Однако сколь бы полезной ни была концепция поля, она оставляет без ответа вопрос о том, что несет в себе силу.В последние десятилетия, начиная с работы Хидеки Юкавы (1907–1981) о сильном ядерном взаимодействии в 1935 году, было предложено, что все силы передаются посредством обмена элементарными частицами. Мы можем визуализировать обмен частицами как аналог макроскопических явлений, таких как два человека, передающие баскетбольный мяч взад и вперед, тем самым создавая силу отталкивания, не касаясь друг друга. (См. Рисунок 2.)

Рис. 2. Обмен масс, приводящий к силам отталкивания. (a) Человек, бросающий баскетбольный мяч, прилагает к нему силу F p1 по направлению к другому человеку и ощущает силу реакции F B вдали от второго человека.(b) Человек, ловящий баскетбольный мяч, прикладывает к нему силу Fp2, чтобы остановить мяч, и чувствует силу реакции F ‘ B вдали от первого человека. (c) Аналогичный обмен мезоном между протоном и нейтроном несет между ними сильные ядерные силы F exch и F ‘ exch . Сила притяжения также может создаваться посредством обмена массой — если человек 2 оттягивает баскетбольный мяч от первого человека, когда он пытается удержать его, тогда сила между ними будет притягивающей.

Эта идея обмена частицами скорее углубляет, чем противоречит концепциям поля. С философской точки зрения более приятно думать о чем-то физическом, действительно движущемся между объектами, действующими на расстоянии. В таблице 1 перечислены обменные или частицы-носители , как наблюдаемые, так и предполагаемые, которые переносят четыре силы. Но настоящий плод предложения об обмене частицами состоит в том, что поиски частицы, предложенной Юкавой, обнаружили и ряд других, которые были совершенно неожиданными, что стимулировало дальнейшие исследования.Все эти исследования в конечном итоге привели к предложению кварков в качестве основной субструктуры материи, что является основным принципом GUT. В случае успеха эти теории объяснят не только силы, но и структуру самой материи. Однако физика — экспериментальная наука, поэтому проверка этих теорий должна проводиться в реальном мире. На момент написания этой статьи ученые из лаборатории ЦЕРН в Швейцарии начинают проверять эти теории с помощью крупнейшего в мире ускорителя элементарных частиц: Большого адронного коллайдера.Этот ускоритель (27 км в окружности) позволяет двум пучкам протонов высокой энергии, движущимся в противоположных направлениях, сталкиваться. Будет доступна энергия в 14 миллионов электрон-вольт. Ожидается, что будут обнаружены некоторые новые частицы, возможно, частицы-носители силы. (См. Рис. 3.) Одним из представляющих большой интерес переносчиков силы, который надеются обнаружить исследователи, является бозон Хиггса. Наблюдение за его свойствами может сказать нам, почему разные частицы имеют разные массы.

Рисунок 3.Самый большой в мире ускоритель элементарных частиц находится на границе между Швейцарией и Францией. Два луча, движущиеся в противоположных направлениях, близких к скорости света, сталкиваются в трубе, подобной показанной здесь центральной трубе. Внешние магниты определяют путь луча. Специальные детекторы будут анализировать частицы, созданные в этих столкновениях. Будут исследованы такие широкие вопросы, как происхождение массы и что было материей в первые несколько секунд существования нашей Вселенной. Этот ускоритель введен в предварительную эксплуатацию в 2008 году.(кредит: Фрэнк Хоммс)

Крошечные частицы также имеют волнообразное поведение, что мы подробнее рассмотрим в следующей главе. Чтобы лучше понять частицы-носители силы с другой точки зрения, давайте рассмотрим гравитацию. Поиск гравитационных волн ведется уже несколько лет. Почти 100 лет назад Эйнштейн предсказал существование этих волн в рамках своей общей теории относительности. Гравитационные волны возникают при столкновении массивных звезд, в черных дырах или при взрывах сверхновых — как ударные волны.Эти гравитационные волны будут перемещаться в космосе из таких мест, подобно тому, как галька, брошенная в пруд, испускает рябь, за исключением того, что эти волны движутся со скоростью света. В США был построен детекторный прибор, состоящий из двух больших установок на расстоянии почти 3000 км друг от друга — в штате Вашингтон и в Луизиане! Объект называется Гравитационно-волновая обсерватория с лазерным интерферометром (LIGO). Каждая установка предназначена для использования оптических лазеров для изучения любого небольшого сдвига во взаимном расположении двух масс из-за воздействия гравитационных волн.Эти две площадки позволяют проводить одновременные измерения этих небольших эффектов отдельно от других природных явлений, таких как землетрясения. Первоначальная эксплуатация детекторов началась в 2002 году, и продолжаются работы по повышению их чувствительности. Подобные установки были построены в Италии (VIRGO), Германии (GEO600) и Японии (TAMA300), чтобы обеспечить всемирную сеть детекторов гравитационных волн.

Международное сотрудничество в этой области продвигается в космос с совместным проектом ЕС / США LISA (Laser Interferometer Space Antenna).Землетрясения и другие земные шумы не будут проблемой для этих космических аппаратов мониторинга. LISA дополнит LIGO, наблюдая за гораздо более массивными черными дырами посредством наблюдения источников гравитационных волн, излучающих гораздо большие длины волн. Три спутника будут размещены в космосе над Землей в форме равностороннего треугольника (со сторонами 5 000 000 км) (рис. 4). Система будет измерять относительное положение каждого спутника для обнаружения проходящих гравитационных волн. Для обнаружения любых волн потребуется точность с точностью до 10% от размера атома.Запуск этого проекта может быть уже в 2018 году.

«Я уверен, что LIGO расскажет нам что-то о Вселенной, чего мы не знали раньше. История науки говорит нам, что всякий раз, когда вы отправляетесь туда, где не были раньше, вы обычно находите что-то, что действительно потрясает научные парадигмы того времени. Будет ли это делать гравитационно-волновая астрофизика, покажет время ».

—Дэвид Рейтце, менеджер по входной оптике LIGO, Университет Флориды

Рисунок 4.Будущие космические эксперименты по измерению гравитационных волн. Здесь показан рисунок орбиты LISA. Каждый спутник LISA будет состоять из лазерного источника и массы. Лазеры будут передавать сигнал для измерения расстояния между тестовыми массами каждого спутника. Относительное движение этих масс даст информацию о проходящих гравитационных волнах. (кредит: НАСА)

Идеи, представленные в этом разделе, представляют собой лишь беглый взгляд на темы современной физики, которые будут рассмотрены более подробно в следующих главах.

Сводка раздела

  • Различные типы сил, которые классифицируются для использования во многих приложениях, по своей природе являются проявлениями четырех основных сил .
  • Свойства этих сил приведены в Таблице 1.
  • Все, что мы испытываем напрямую, без чувствительных инструментов, происходит из-за электромагнитных сил или сил гравитации. Ядерные силы ответственны за субмикроскопическую структуру вещества, но они не воспринимаются напрямую из-за их короткого радиуса действия.Предпринимаются попытки показать, что все четыре силы являются разными проявлениями одной объединенной силы.
  • Силовое поле окружает объект, создавая силу, и является носителем этой силы.

Концептуальные вопросы

1. Объясните в терминах свойств четырех основных сил, почему люди замечают гравитационную силу, действующую на их тела, если это такая сравнительно слабая сила.

2. Какая сила является доминирующей между астрономическими объектами? Почему три другие основные силы менее значительны на этих очень больших расстояниях?

3.Приведите подробный пример того, как обмен частицей может привести к силе притяжения . (Например, представьте, что один ребенок вытаскивает игрушку из рук другого.)

Задачи и упражнения

1. а) Какова сила слабого ядерного взаимодействия по сравнению с сильным ядерным взаимодействием? б) Какова сила слабого ядерного взаимодействия по отношению к электромагнитному? Поскольку слабое ядерное взаимодействие действует только на очень коротких расстояниях, например внутри ядер, где также действуют сильные и электромагнитные силы, может показаться удивительным, что мы вообще о нем знаем.У нас есть такие знания, потому что слабое ядерное взаимодействие отвечает за бета-распад, тип ядерного распада, который не объясняется другими силами.

2. а) Каково отношение силы гравитации к силе сильного ядерного взаимодействия? б) Каково отношение силы гравитации к силе слабого ядерного взаимодействия? (c) Каково отношение силы гравитации к силе электромагнитной силы? Что говорят ваши ответы о влиянии гравитационной силы на атомные ядра?

3.Каково отношение силы сильного ядерного взаимодействия к силе электромагнитного? Основываясь на этом соотношении, можно ожидать, что сильное взаимодействие доминирует над ядром, что верно для небольших ядер. Однако большие ядра имеют размеры больше, чем диапазон сильного ядерного взаимодействия. При таких размерах электромагнитная сила начинает влиять на ядерную стабильность. Эти факты будут использованы для объяснения ядерного синтеза и деления позже в этом тексте.

Глоссарий

частица носителя:
фундаментальная частица природы, окруженная характерным силовым полем; фотоны являются частицами-носителями электромагнитной силы
силовое поле:
область, в которой пробная частица будет испытывать силу

Избранные решения проблем и упражнения

1.(а) 1 × 10 -13 (б) 1 × 10 -11

3. 10 2


23.1 Четыре основных силы — Физика

Задачи обучения раздела

По окончании раздела вы сможете сделать следующее:

  • Определите, опишите и дифференцируйте четыре основных силы
  • Опишите частицы-носители и объясните, как их обмен передает силу
  • Объясните, как работают ускорители элементарных частиц, чтобы собрать данные о физике элементарных частиц

Поддержка учителей

Поддержка учителей

Цели обучения в этом разделе помогут вашим ученикам овладеть следующими стандартами:

  • (5) Научные концепции.Студент знает природу сил в физическом мире. Ожидается, что студент:
    • (H) описывает доказательства и эффекты сильных и слабых ядерных взаимодействий в природе.

Раздел Основные термины

частица носителя встречный луч циклотрон Диаграмма Фейнмана гравитон
физика элементарных частиц пион квантовая электродинамика синхротрон W − W− бозон
W + W + бозон слабая ядерная сила Бозон Z0Z0

Поддержка учителей

Поддержка учителей

Перед тем, как приступить к разделу, попросите учащихся составить список различных сил.Кроме того, может быть полезно рассмотреть гравитационные и электрические поля, эксперимент Резерфорда с золотой фольгой, генератор Ван де Граафа, распад частиц и теорему об импульсе-импульсе.

Несмотря на кажущуюся сложность вселенной, остаются всего четыре основных силы. Эти силы ответственны за все взаимодействия, известные науке: от очень маленьких до очень больших и до тех, с которыми мы сталкиваемся в нашей повседневной жизни. Эти силы описывают движение галактик, химические реакции в наших лабораториях, структуру атомных ядер и причину радиоактивного распада.Они описывают истинную причину таких знакомых терминов, как трение и нормальная сила. Эти четыре основные силы известны как фундаментальные, потому что только они отвечают за все наблюдения сил в природе. Четыре фундаментальные силы — это гравитация, электромагнетизм, слабое ядерное взаимодействие и сильное ядерное взаимодействие.

Поддержка учителей

Поддержка учителей
  • Некоторые студенты могут быть разочарованы мыслью о том, что две из четырех фундаментальных сил почти не обсуждались в курсе.Напомните им, что почти все их ежедневные наблюдения и взаимодействия происходят из-за гравитационных и электромагнитных сил и что эта глава не будет отменой обучения их предыдущим урокам. Обсуждения сильных и слабых ядерных взаимодействий призваны помочь им понять организацию частиц и их распад.
  • Перед началом урока попросите учащихся предсказать относительную силу четырех сил, от самой слабой до самой сильной. Ссылайтесь на их рейтинг при представлении раздела.Позже это будет полезным инструментом для обсуждения того, почему слабая сила не является самой слабой силой, и это должно дать учащимся большую признательность за открытие науки.

Понимание четырех сил

Гравитационная сила наиболее знакома нам, потому что она описывает очень многие из наших общих наблюдений. Это объясняет, почему упавший мяч падает на землю и почему наша планета вращается вокруг Солнца. Он дает нам свойство веса и во многом определяет движение объектов в нашей повседневной жизни.Поскольку гравитационная сила действует между всеми объектами массы и способна действовать на больших расстояниях, гравитационная сила может использоваться для объяснения большей части того, что мы наблюдаем, и даже для описания движения объектов в астрономических масштабах! Тем не менее, гравитация невероятно слаба по сравнению с другими фундаментальными силами и является самой слабой из всех фундаментальных сил. Подумайте вот о чем: вся масса Земли нужна, чтобы приставить к земле железный гвоздь. Тем не менее, с помощью простого магнита можно преодолеть силу тяжести, позволяя гвоздю ускоряться вверх в пространстве.

Поддержка учителя

Поддержка учителя

Краткая демонстрация гвоздя-магнита, описанная выше, является мощным способом помочь учащимся осознать слабость гравитации. Затем можно обсудить, почему люди склонны считать гравитацию сильной силой, что произошло бы, если бы существовал заряженный объект размером с Землю и так далее.

Электромагнитная сила отвечает как за электростатические взаимодействия, так и за магнитную силу между стержневыми магнитами.Если сосредоточить внимание на электростатических отношениях между двумя заряженными частицами, электромагнитная сила известна как кулоновская сила. Электромагнитная сила — важная сила в химических и биологических науках, поскольку она отвечает за молекулярные связи, такие как ионные и водородные связи. Кроме того, электромагнитная сила стоит за общими физическими силами трения и нормальной силой. Как и сила тяжести, электромагнитная сила имеет закон обратных квадратов.Однако электромагнитная сила не существует между любыми двумя объектами массы, а только между теми, которые заряжены.

Поддержка учителей

Поддержка учителей

Найдите минутку, чтобы ознакомиться с концепциями сил и химии. Посмотрите на каждого с точки зрения электромагнитной силы. Рассмотрим такие термины, как нормальная сила, трение, химическая связь, поверхностное натяжение и капиллярное действие. Позвольте учащимся принять во внимание всеобъемлющую природу электромагнитной силы в своих ежедневных наблюдениях.

При рассмотрении структуры атома электромагнитная сила несколько очевидна. В конце концов, электроны удерживаются на месте силой притяжения ядра. Но что заставляет ядро ​​оставаться неповрежденным? В конце концов, если все протоны положительны, имеет смысл, что кулоновская сила между протонами немедленно оттолкнет ядро. Ученые предположили, что внутри ядра должна существовать другая сила, чтобы удерживать его вместе. Далее они предположили, что эта ядерная сила должна быть значительно сильнее гравитации, которая наблюдалась и измерялась на протяжении веков, а также сильнее, чем электромагнитная сила, которая заставляла бы протоны хотеть ускоряться друг от друга.

Сильное ядерное взаимодействие — это сила притяжения, существующая между всеми нуклонами. Эта сила, которая одинаково действует между протон-протонными связями, протон-нейтронными связями и нейтрон-нейтронными связями, является самой сильной из всех сил на коротких дистанциях. Однако на расстоянии 10 –13 см, или диаметре одиночного протона, сила рассеивается до нуля. Если ядро ​​большое (у него много нуклонов), то расстояние между каждым нуклоном может быть намного больше диаметра отдельного протона.

Поддержка учителя

Поддержка учителя

В настоящее время может быть полезно попросить учащихся составить таблицу, классифицирующую каждую по важным характеристикам: сила притяжения или притяжения / отталкивания, сила силы, диапазон силы и т. Д. В то время как таблица 23.1 поможет в организации, учащиеся смогут лучше понять материал, если сами создадут таблицу.

[OL] [AL] Чтобы сделать более заметным соотношение силы и расстояния сильной силы, покажите учащимся график ниже.

Обратите внимание, что отталкивание считается сильной положительной силой, а притяжение — сильной отрицательной силой.

[AL] Спросите студентов, какое расстояние совпадает с долиной, представляющей максимальную силу притяжения. Примечание. Это эквивалентно среднему расстоянию между двумя нуклонами.

Слабое ядерное взаимодействие отвечает за бета-распад, как видно из уравнения ZAXN → Z + 1AYN – 1 + e + v.ZAXN → Z + 1AYN – 1 + e + v. Напомним, что бета-распад происходит, когда бета-частица выброшен из атома.Чтобы ускориться от ядра, на частицу должна действовать сила. Энрико Ферми был первым, кто придумал такой тип силы. Хотя эта сила обозначена соответствующим образом, она остается более сильной, чем сила гравитации. Однако его дальность действия даже меньше, чем у сильной силы, как видно из Таблицы 23.1. Слабое ядерное взаимодействие более важно, чем может показаться в настоящее время, что будет рассмотрено при обсуждении кварков.

Усилие Приблизительная относительная прочность [1] Диапазон
[1] Относительная сила основана на сильной силе, ощущаемой парой протон-протон.
Плотность 10−3810−38 ∞ ∞
Слабая 10−1310−13 <10-18 м <10-18 м
Электромагнитный 10−210−2 ∞ ∞
Сильный 1 <10-15 м <10-15 м

Таблица 23.1 Относительная сила и диапазон четырех основных сил

Передача четырех основных сил

Поддержка учителей

Поддержка учителей

Этот подраздел может вызвать беспокойство у учащихся, которые высоко ценят концепцию гравитационного поля.Вы можете заверить этих студентов, что концепция поля все еще используется для объяснения и предсказания явлений.

Подобно тому, как это беспокоило Эйнштейна до формулировки теории гравитационного поля, концепция сил, действующих на расстоянии, сильно беспокоила физиков, работающих с частицами. То есть, как один протон знает о существовании другого? Кроме того, что заставляет один протон отталкивать второй протон? Или, если на то пошло, что такого есть в протоне, который заставляет нейтрон притягиваться? Эти загадочные взаимодействия были впервые рассмотрены Хидеки Юкавой в 1935 году и заложили основу для большей части того, что мы теперь понимаем о физике элементарных частиц.

Хидеки Юкава сосредоточил внимание на мощном ядерном взаимодействии и, в частности, на его невероятно малой дальности действия. Его идея была смесью частиц, теории относительности и квантовой механики, которая была применима ко всем четырем силам. Юкава предположил, что ядерная сила фактически передается посредством обмена частицами, называемыми частицами-носителями, и что то, что мы обычно называем полем силы, состоит из этих частиц-носителей. Специально для сильного ядерного взаимодействия Юкава предположил, что ранее неизвестная частица, называемая пионом, обменивается между нуклонами, передавая силу между ними.На рис. 23.3 показано, как пион переносит силу между протоном и нейтроном.

Рис. 23.3. Сильное ядерное взаимодействие передается между протоном и нейтроном путем создания пиона и обмена им. Пион, созданный из-за временного нарушения закона сохранения массы-энергии, перемещается от протона к нейтрону и снова захватывается. Это не наблюдается напрямую и называется виртуальной частицей. Обратите внимание, что протон и нейтрон меняют идентичность в процессе. Диапазон силы ограничен тем фактом, что пион может существовать только короткое время, допускаемое принципом неопределенности Гейзенберга.Юкава использовал конечный диапазон сильного ядерного взаимодействия, чтобы оценить массу пиона; чем короче диапазон, тем больше масса частицы-носителя.

В сильном взаимодействии Юкавы предполагается, что частица-носитель передается со скоростью света и непрерывно перемещается между двумя показанными нуклонами. Частица, предсказанная Юкавой, была наконец открыта в космических лучах в 1947 году. Ее имя, пион, означает пи-мезон, где мезон означает со средней массой ; это средняя масса, потому что она меньше нуклона, но больше электрона.Юкава запустил поле, которое теперь называется квантовой хромодинамикой, а частицы-носители теперь называются глюонами из-за их сильной связывающей способности. Причина изменения имени частицы будет объяснена при обсуждении кварков позже в этом разделе.

Как вы можете предположить, сильное взаимодействие — не единственное взаимодействие с частицей-носителем. Ядерный распад из-за слабого взаимодействия также требует переноса частиц. В слабую силу входят следующие три: слабый отрицательный носитель, W ; слабый положительный носитель, W + ; и нулевой носитель заряда Z 0 .Как мы увидим, Ферми пришел к выводу, что эти частицы должны нести массу, поскольку полная масса продуктов ядерного распада немного больше, чем полная масса всех реагентов после ядерного распада.

Частицей-носителем электромагнитной силы, что неудивительно, является фотон. В конце концов, точно так же, как лампочка может излучать фотоны из заряженной вольфрамовой нити, фотон может использоваться для передачи информации от одной электрически заряженной частицы к другой. Наконец, гравитон — предполагаемая частица-носитель гравитации.Хотя он еще не найден, ученые в настоящее время ищут доказательства его существования (см. «Безграничная физика: поиск гравитона»).

Поддержка учителя

Поддержка учителя

[BL] [OL] Концепция частицы-носителя, передающей силу, аналогична концепции использования энергии для передачи информации. Как сообщить другу, что вы в школе? Вы отправляете текстовое сообщение? Помашите им у их шкафчика? Кричать в коридоре? В любом случае волны передают энергию от вас к вашему другу.Таким же образом частицы-носители необходимы для переноса слабой ядерной силы.

Так как же частица-носитель передает фундаментальную силу? На рисунке 23.4 показан виртуальный фотон, передаваемый от одной положительно заряженной частицы к другой. Прошедший фотон называется виртуальной частицей, потому что его нельзя непосредственно наблюдать во время передачи силы. На рисунке 23.5 показан способ графического изображения обмена виртуальным фотоном между двумя положительно заряженными частицами.Этот график зависимости времени от положения называется диаграммой Фейнмана в честь разработавшего его гениального американского физика Ричарда Фейнмана (1918–1988).

Рис. 23.4 Изображение в части (а) показывает обмен виртуальным фотоном, передающим электромагнитную силу между зарядами, точно так же, как виртуальный обмен пионами переносит сильную ядерную силу между нуклонами. Изображение в части (b) показывает, что фотон нельзя непосредственно наблюдать во время его прохождения, потому что это нарушит его и изменит силу.В этом случае фотон не достигает другого заряда.

Поддержка учителя

Поддержка учителя

Термин виртуальная частица на самом деле относится к возмущению в пространстве, создаваемому присутствием двух нуклонов. Использование термина виртуальный намекает на идею о том, что частицу-носитель не следует путать с обычной частицей массы. Однако полное понимание истинной природы виртуальных частиц опирается на математику и теорию, выходящую за рамки этого текста.

Диаграмму Фейнмана следует читать снизу вверх, чтобы показать движение частиц во времени. На нем вы можете видеть, что левый протон движется влево от излучения фотона, в то время как правый протон чувствует импульс вправо, когда фотон принимается. Помимо диаграммы Фейнмана, Ричард Фейнман был одним из теоретиков, которые разработали область квантовой электродинамики (КЭД), которая дополнительно описывает электромагнитные взаимодействия в субмикроскопическом масштабе.За эту работу он разделил Нобелевскую премию 1965 года с Джулианом Швингером и С.И. Томонагой. Диаграмму Фейнмана, объясняющую сильное силовое взаимодействие, выдвинутое Юкавой, можно увидеть на рис. 23.6. Здесь вы можете увидеть изменение типа частицы из-за обмена пи-мезоном.

Поддержка учителей

Поддержка учителей

[BL] [OL] [AL] Чтобы помочь студентам объяснить диаграмму Фейнмана, задайте ряд конкретных вопросов. В каком направлении движется левый протон? Что с ним происходит, когда он выпускает виртуальный фотон? В каком направлении движется виртуальный фотон? Правильный ли протон принимает фотон одновременно с испусканием? Какое влияние фотон оказывает на правильную траекторию протона?

Рисунок 23.5 Диаграмма Фейнмана для обмена виртуальным фотоном между двумя положительно заряженными частицами показывает, как передается электромагнитная сила в квантовомеханическом масштабе. Время отображается вертикально, а расстояние — горизонтально. Видно, что две положительно заряженные частицы отталкиваются друг от друга за счет обмена фотонами.

Рисунок 23.6 На изображении показана диаграмма Фейнмана для обмена π + (пион) между протоном и нейтроном, несущим между собой сильную ядерную силу.Эта диаграмма представляет ситуацию, более наглядно показанную на Рисунке 23.3.

Относительные массы перечисленных частиц-носителей описывают нечто ценное в четырех фундаментальных силах, как это видно в Таблице 23.2. W-бозоны (состоящие из W − W− и W + W + бозонов) и Z-бозоны (Z0Z0-бозоны), носители слабого ядерного взаимодействия, почти в 1000 раз массивнее пионов, переносчиков сильного ядерного взаимодействия. В то же время расстояние, на которое может быть передана слабая ядерная сила, примерно в 11 000–11 000 раз превышает расстояние передачи сильной силы.В отличие от частиц-носителей, которые имеют ограниченный диапазон, фотон является безмассовой частицей, у которой нет ограничений на расстояние передачи электромагнитной силы. Эта связь приводит ученых к пониманию того, что еще не обнаруженный гравитон, вероятно, также безмассовый.

Усилие Несущая частица Диапазон Относительная прочность [1]
[1] Относительная сила основана на сильной силе, ощущаемой парой протон-протон.
Плотность Гравитон (теоретический) ∞ ∞ 10−3810−38
Слабая W- и Z-бозоны ∞ ∞ 10−210−2
Электромагнитный Фотон <10-18 м <10-18 м 10−1310−13
Сильный Пи-мезоны или пионы (теперь известные как глюоны) <10-15 м <10-15 м 1

Таблица 23.2 Частицы-носители и их относительные массы по сравнению с пионами для четырех фундаментальных сил

Безграничная физика

В поисках гравитона

От универсального закона тяготения Ньютона до уравнений поля Эйнштейна гравитация была в центре внимания ученых на протяжении веков. Учитывая открытие частиц-носителей в двадцатом веке, важность понимания гравитации снова привлекла интерес выдающихся физиков во всем мире.

Поскольку частицы-носители открыты для трех из четырех фундаментальных сил, ученые понимают, что подобная частица, названная гравитоном, должна существовать для гравитационной силы.Хотя доказательства существования этой частицы еще предстоит обнаружить, ученые усердно работают, чтобы обнаружить ее существование.

Итак, что ученые думают о необнаруженной частице? Во-первых, гравитон (как и фотон) должен быть безмассовой частицей, движущейся со скоростью света. Это предполагается, потому что, как и электромагнитная сила, гравитация является законом обратных квадратов, F≈1r2F≈1r2. Ученые также предполагают, что гравитон является электрически нейтральной частицей, поскольку пустое пространство под действием силы тяжести не имеет заряда.

Поддержка учителей
Поддержка учителей

В настоящее время нет необходимости понимать, почему гравитоны имеют квантово-механический спин, равный 2. Эта информация предоставляется для того, чтобы учащиеся осознали, что гравитон имеет характеристики, отличные от характеристик фотона, другой безмассовой и беззарядной частицы-носителя.

Однако, поскольку гравитация — такая слабая сила, поиск гравитона привел к появлению некоторых уникальных методов. LIGO, гравитационно-волновая обсерватория с лазерным интерферометром, является одним из инструментов, используемых в настоящее время (см. Рисунок 23.7). Хотя поиск гравитационной волны для обнаружения частицы-носителя может показаться нелогичным, это похоже на подход, использованный Планком и Эйнштейном, чтобы узнать больше о фотоне. Согласно дуальности волна-частица, если гравитационная волна может быть обнаружена, гравитон должен присутствовать вместе с ней. Согласно общей теории относительности Эйнштейна, ученые наблюдали за двойными звездными системами на предмет наличия этих гравитационных волн.

Рис. 23.7. В поисках гравитационных волн ученые используют лазерную интерферометрическую обсерваторию гравитационных волн (LIGO).Здесь мы видим диспетчерскую LIGO в Хэнфорде, штат Вашингтон.

Ускорители элементарных частиц, такие как Большой адронный коллайдер (БАК), используются для поиска гравитона посредством столкновений высоких энергий. Хотя ученые на LHC предполагают, что частица может существовать недостаточно долго, чтобы ее можно было увидеть, доказательства ее предшествующего существования, такие как следы на песке, можно найти через пробелы в прогнозируемой энергии и импульсе.

Некоторые ученые даже ищут остатки Большого взрыва, пытаясь найти гравитон.Наблюдая за космическим фоновым излучением, они ищут аномалии в гравитационных волнах, которые предоставят информацию о гравитационных частицах, существовавших в начале существования нашей Вселенной.

Независимо от используемого метода, ученые должны знать гравитон, как только они его найдут. Безмассовая, беззарядная частица со спином 2 и движущаяся со скоростью света — нет другой частицы, подобной ей. Если бы он был найден, будущие поколения наверняка сочли бы его открытие наравне с открытиями Ньютона и Эйнштейна.

Проверка захвата

Почему LIGO использует двойные звездные системы для поиска гравитационных волн?

  1. Бинарные звездные системы имеют высокую температуру.
  2. Бинарные звездные системы имеют низкую плотность.
  3. Двойные звездные системы содержат большую массу, но поскольку они вращаются по орбите друг друга, гравитационное поле между ними намного меньше.
  4. Двоичные звездные системы содержат большое количество массы.В результате гравитационное поле между ними велико.

Ускорители создают материю из энергии

Прежде чем рассматривать все частицы, составляющие нашу Вселенную, давайте сначала исследуем некоторые машины, которые их создают. Основным процессом создания неизвестных частиц является ускорение известных частиц, таких как протоны или электроны, и направление их пучка к цели. Столкновения с ядрами мишени предоставляют массу информации, например, информацию, полученную Резерфордом в эксперименте с золотой фольгой.Если энергия падающих частиц достаточно велика, при столкновении может даже образоваться новая материя. Чем больше подводимая энергия или Δ E , тем больше материи m может быть создано в соответствии с эквивалентностью энергии массы m = ΔE / c2m = ΔE / c2. Ограничения накладываются на то, что может происходить в соответствии с известными законами сохранения, такими как сохранение массы-энергии, импульса и заряда. Еще более интересны неизвестные ограничения, предусмотренные природой. Некоторые ожидаемые реакции действительно возникают, другие — нет, но могут возникнуть и другие неожиданные реакции.Открываются новые законы, и подавляющее большинство того, что мы знаем о физике элементарных частиц, получено из лабораторий ускорителей. Это любимый вид спорта в помещении физиков элементарных частиц.

Наша самая ранняя модель ускорителя частиц происходит от генератора Ван де Граафа. Относительно простое устройство, которое вы, вероятно, видели на демонстрациях физики, можно манипулировать для создания потенциалов до 50 миллионов вольт. Хотя эти машины не обладают достаточно большой энергией, чтобы производить новые частицы, анализ их ускоренных ионов сыграл важную роль в исследовании нескольких аспектов ядра.

Другой не менее известный ранний ускоритель — циклотрон, изобретенный в 1930 году американским физиком Э.О. Лоуренс (1901–1958). Рисунок 23.8 представляет собой более подробное визуальное представление. Циклотроны используют переменные электрические поля фиксированной частоты для ускорения частиц. Частицы вращаются по спирали в магнитном поле, делая орбиты с увеличивающимся радиусом во время ускорения. Эта продуманная компоновка позволяет последовательно добавлять электрическую потенциальную энергию в каждый контур. В результате возможны более высокие энергии частиц, чем в генераторе Ван де Граафа.

Поддержка учителя

Поддержка учителя

[BL] [OL] [AL] На рисунке 23.8 на циклотрон действуют две силы. Центростремительная сила создается магнитным полем, что может быть проверено учащимися с помощью правила правой руки. Кроме того, разность напряжений создает линейную силу в зазоре между двумя , Dees . Обратите внимание учащихся на то, что зазор напряжения меняет направление на противоположное с постоянной скоростью, так что линейная сила всегда направлена ​​в направлении движения частицы.

Рис. 23.8 Слева художник представляет популярный инструмент для демонстрации физики — генератор Ван де Граафа. Аккумулятор (A) подает избыточный положительный заряд к заостренному проводнику, концы которого распыляют заряд на движущийся изолирующий пояс около дна. Заостренный проводник (B) наверху в большой сфере улавливает заряд. (Индуцированное электрическое поле в точках настолько велико, что снимает заряд с ленты.) Это может быть сделано, потому что заряд не остается внутри проводящей сферы, а перемещается к ее внешней поверхности.Источник ионов внутри сферы производит положительные ионы, которые ускоряются от положительной сферы до высоких скоростей. Справа — циклотрон. Циклотроны используют магнитное поле, чтобы заставить частицы двигаться по круговым орбитам. Когда частицы проходят между пластинами Ди, напряжение в промежутке колеблется, ускоряя их дважды на каждой орбите.

Синхротрон — это модификация циклотрона, в которой частицы непрерывно движутся по орбите с фиксированным радиусом, каждый раз увеличивая скорость.Ускоряющие напряжения синхронизируются с частицами для их ускорения, отсюда и название. Кроме того, напряженность магнитного поля увеличивается, чтобы поддерживать постоянный радиус орбиты по мере увеличения энергии. Кольцо из магнитов и ускорительных трубок, как показано на рисунке 23.9, являются основными компонентами синхротронов. Для управления частицами высоких энергий требуются сильные магнитные поля, поэтому обычно используются сверхпроводящие магниты. Все еще ограниченные достижимой напряженностью магнитного поля, синхротроны должны быть очень большими при очень высоких энергиях, поскольку радиус орбиты высокоэнергетической частицы очень велик.

Поддержка учителей

Поддержка учителей

[BL] [OL] Помогите ученикам построить диаграмму или диаграмму Венна, показывающую сходства и различия между циклотроном и синхротроном. Следует учитывать перемещение частиц, скорость колебаний напряжения и конструкцию устройства.

Для дальнейшего исследования ядра физикам нужны ускорители большей энергии и детекторы с меньшей длиной волны. Для этого требуется не только большее финансирование, но и большая изобретательность.Встречающиеся пучки, используемые как в Национальной ускорительной лаборатории Ферми (Фермилаб; см. Рис. 23.11) недалеко от Чикаго, так и на LHC в Швейцарии, предназначены для уменьшения потерь энергии при столкновениях частиц. Типичные стационарные детекторы частиц теряют большое количество энергии из-за отдачи мишени, пораженной ускоряющейся частицей. Обеспечивая лобовые столкновения между частицами, движущимися в противоположных направлениях, встречные лучи позволяют создавать частицы с импульсами и кинетической энергией, близкими к нулю.Это позволяет создавать частицы большей энергии и массы. На рисунке 23.10 схематично показан этот эффект. Помимо кольцевых ускорителей, для снижения потерь энергии на излучение могут использоваться линейные ускорители. Стэнфордский центр линейных ускорителей (теперь называемый Национальной ускорительной лабораторией SLAC) в Калифорнии является домом для самого большого такого ускорителя в мире.

Рис. 23.9 (a) Синхротрон имеет кольцо из магнитов и ускорительных трубок. Частота ускоряющих напряжений увеличивается, чтобы частицы пучка прошли то же расстояние за более короткое время.Магнитное поле также должно быть увеличено, чтобы каждый пучок луча двигался по траектории с фиксированным радиусом. Пределы напряженности магнитного поля требуют, чтобы эти машины были очень большими, чтобы ускорять частицы до очень высоких энергий. (b) Положительно заряженная частица показана в промежутке между ускорительными трубками. (c) Пока частица проходит через трубку, потенциалы меняются местами, так что в следующем промежутке происходит еще одно ускорение. Частота поворотов должна изменяться по мере ускорения частицы для достижения последовательных ускорений в каждом зазоре.

Рис. 23.10 На этой схеме показаны два кольца ускорителя Фермилаба и схема столкновения протонов и антипротонов (не в масштабе).

Рис. 23.11 Национальная ускорительная лаборатория Ферми, недалеко от Батавии, штат Иллинойс, была коллайдером субатомных частиц, который ускорял протоны и антипротоны до энергии до 1 Тэв (триллион электронвольт). Круглые водоемы возле колец были построены для отвода отработанного тепла. Этот ускоритель был остановлен в сентябре 2011 года.(Источник: Фермилаб, Рейдар Хан)

Проверьте свое понимание

Поддержка учителей

Поддержка учителей

Используйте эти вопросы, чтобы оценить достижения учащимися учебных целей раздела. Если учащиеся борются с какой-либо конкретной целью, эти вопросы помогут определить, какие учащиеся и направят к соответствующему содержанию.

1.

Какая из четырех сил ответственна за радиоактивный распад?

  1. электромагнитная сила
  2. сила тяжести
  3. сильная ядерная сила
  4. слабое ядерное взаимодействие

2.

Какая сила или силы существуют между электроном и протоном?

  1. сильное ядерное взаимодействие, электромагнитное взаимодействие и гравитация
  2. слабое ядерное взаимодействие, сильное ядерное взаимодействие и гравитация
  3. слабое ядерное взаимодействие, сильное ядерное взаимодействие и электромагнитное взаимодействие
  4. слабое ядерное взаимодействие, электромагнитное взаимодействие и гравитация

3.

Что представляет собой предлагаемая частица-носитель гравитационной силы?

  1. бозон
  2. гравитон
  3. глюон
  4. фотон

4.

Какая связь между массой и пробегом частицы-носителя?

  1. Дальность действия частицы-носителя обратно пропорциональна ее массе.
  2. Дальность действия частицы-носителя обратно пропорциональна квадрату ее массы.
  3. Дальность действия частицы-носителя прямо пропорциональна ее массе.
  4. Дальность действия частицы-носителя прямо пропорциональна квадрату ее массы.

5.

Какой тип ускорителя частиц использует колеблющиеся электрические поля фиксированной частоты для ускорения частиц?

  1. циклотрон
  2. синхротрон
  3. бетатрон
  4. Ускоритель Ван де Граафа

6.

Как расширяющийся радиус циклотрона свидетельствует об ускорении частиц?

  1. На частицы любого радиуса действует постоянная магнитная сила. По мере увеличения радиуса скорость частицы должна увеличиваться, чтобы поддерживать эту постоянную силу.
  2. На частицы любого радиуса действует постоянная центростремительная сила. По мере увеличения радиуса скорость частицы должна уменьшаться, чтобы поддерживать эту постоянную силу.
  3. К частицам всех радиусов действует постоянная магнитная сила. По мере увеличения радиуса скорость частицы должна уменьшаться, чтобы поддерживать эту постоянную силу.
  4. На частицы любого радиуса действует постоянная центростремительная сила.По мере увеличения радиуса скорость частицы должна увеличиваться, чтобы поддерживать эту постоянную силу.

7.

Какая из четырех сил отвечает за структуру галактик?

  1. электромагнитная сила
  2. гравитация
  3. сильная ядерная сила
  4. слабая ядерная сила

Пятая сила природы — попробуем объяснить | Голос Америки

На этой неделе вы, возможно, видели заголовки об открытии пятой фундаментальной силы природы.Может быть, вы даже немного прочитали об этом, но потом, вероятно, бросили читать, потому что … физика элементарных частиц, кванты, бозоны, носители силы …

Отойдите от статей: мы здесь, чтобы помочь.

Если вы помните физику, которую изучали в школе, возможно, вы вспомнили о четырех основных силах природы.

Они не относятся ни к одному определенному порядку: гравитация, электромагнетизм, слабое ядерное взаимодействие и сильное ядерное взаимодействие.

Пятый? Я должен знать остальных четверых?

Гравитацию понять довольно просто: любые две вещи, обладающие массой (атомы, люди, планеты, звезды), притягиваются друг к другу.Чем больше масса, тем сильнее тяга. Очень просто.

Электромагнетизм? Ну это просто, это смесь электричества и магнетизма. Да, но это не совсем объясняет, как это работает. Электромагнитная сила объясняет, как предметы, которые электрически заряжены (положительно или отрицательно), взаимодействуют друг с другом. Один из важных выводов: магнитный заряд может создавать электрический заряд, и наоборот. Эти взаимодействия несут ответственность за производство электроэнергии, что в некотором роде имеет большое значение.Электромагнетизм и то, как он толкает и притягивает объекты, отвечает за энергию в таких вещах, как батареи и магниты, но он также включает свет, который представляет собой просто волны электромагнитного излучения.

Два других — это слабое и сильное ядерные взаимодействия, и хотя они оба сильнее гравитации, они действуют только в крошечных пространствах между атомами и еще меньших пространствах, где квантовая физика начинает делать все по-настоящему странными.

Сильное ядерное взаимодействие на самом деле является самым сильным из четырех известных сил и, по сути, клеем, который связывает все вместе.Он отвечает за поддержание стабильности протонов и нейтронов (которые вместе с электронами составляют атомы), а затем позволяет им связываться с атомными ядрами. С другой стороны, слабое взаимодействие отвечает за радиоактивный распад, в отличие от сильного взаимодействия, оно контролирует разрушение вещей на ядерном уровне. Да, кстати, он отвечает за термоядерный синтез и сохраняет наше солнце ярким и теплым.

Вот что представляют собой четыре силы, не вдаваясь в подробности того, как эти вещи работают.

Так что насчет пятой силы?

Но нам действительно нужно немного влезть в сорняки, потому что нам нужно знать, что заставляет гравитацию или какие-либо другие силы на самом деле делать свое дело.

Неужели одно тело с массой просто волшебным образом начинает двигаться к другому массивному объекту? Нет, это стало возможным благодаря вещам, называемым частицами-носителями силы. Носители силы — это частицы, которые переносят информацию между вещами и говорят им, как себя вести. Думайте о носителях силы как о маленьких карманных образованиях для каждой из четырех основных сил.Они не только устанавливают все правила поведения, но и заставляют силы (ха) действовать по этим правилам.

Носителями силы гравитации являются гипотетические объекты, называемые гравитонами, а для электромагнетизма — фотоны. Для слабого ядерного взаимодействия носители называются W- и Z-частицами, а для сильного ядерного взаимодействия — глюонами. Все эти переносчики силы классифицируются как примеры бозонов.

Но в прошлом году группа физиков Венгерской академии наук увидела то, что физический факультет Калифорнийского университета в Ирвине (UCI) назвал «загадочными аномалиями в своих экспериментальных данных».«Венгры не были уверены в том, что это за аномалии, но они указали на существование нового типа легкой частицы. Это почти все, что им удалось. Они не смогли выяснить, имеет ли эта новая частица массу или она была такой. новый вид бозона без массы, как фотон.

К сожалению, если перефразировать Авраама Линкольна, мир «мало заметил и долго не помнил» работы венгерских ученых.

За исключением группы физиков под руководством Джонатана Фэна, профессора физики и астрономии Калифорнийского университета.Вместе со своей командой Фенг изучил работу венгров, провел множество других подобных экспериментов и решил, что венгры, возможно, действительно нашли новый вид бозона-носителя силы.

«Иногда, — говорит Фэн, — мы также называем это X-бозоном, где X означает неизвестное». Если они правы, новая частица-носитель силы означает, что должна быть новая сила, пятая фундаментальная сила.

Работа команд только что была опубликована в журнале Physical Review Letters .«Если это правда, то это революция», — сказал Фэн. «В течение десятилетий мы знали о четырех фундаментальных силах … это открытие возможной пятой силы полностью изменило бы наше понимание Вселенной с последствиями для объединения сил и темной материи».

И нет, мы даже не собираемся углубляться в темную материю.

Так где же пряталась эта сила? Фэн говорит, что в прошлом на это просто не обращали внимания. «Его взаимодействие очень слабое», — говорит Фэн.

Но он добавляет: «В небольших лабораториях по всему миру работает множество экспериментальных групп, которые могут проверить первоначальные утверждения, теперь, когда они знают, где искать».

Итак, что он делает и что это значит?

Эта новая сила очень похожа на электромагнетизм, но, по словам Тима Тейта, соавтора книги, «в то время как нормальная электрическая сила действует на электроны и протоны, этот вновь обнаруженный бозон взаимодействует только с электронами и нейтронами — и в чрезвычайно ограниченном диапазоне. .«

Но необходимы дополнительные исследования, чтобы точно определить, что ЭТО означает, когда речь идет о том, как работает физический мир.

Итак, если эта новая сила будет подтверждена, что она сделает для нашего понимания мира? Даже Фэн еще не знает. Но в предположениях недостатка нет. Это могло бы помочь ученым найти Святой Грааль физики, Теорию Великого Объединения. Эта пятая сила может помочь объединить эффекты электромагнитных, слабых и сильных ядерных взаимодействий, «проявлений, — говорит Фэн, — одной более грандиозной, более фундаментальной силы.”

Физики давно мечтают выяснить, работают ли вместе электромагнетизм, сильные и слабые ядерные взаимодействия, и это новое взаимодействие могло бы стать большой частью этой головоломки.

Если мы сможем доказать существование этой пятой силы, это приблизит нас на одну ступень к пониманию того, как работает наша Вселенная.

Понял?

фундаментальная сила | Определение, список и факты

Фундаментальная сила , также называемая фундаментальным взаимодействием , в физике любая из четырех основных сил — гравитационной, электромагнитной, сильной и слабой — которые определяют, как взаимодействуют объекты или частицы и как определенные частицы разлагаться.Все известные силы природы можно отнести к этим фундаментальным силам. Основные силы характеризуются на основе следующих четырех критериев: типы частиц, которые испытывают силу, относительная сила силы, диапазон, в котором сила эффективна, и природа частиц, которые опосредуют силу.

Подробнее по этой теме

субатомная частица: основные силы и их частицы-посланники

В предыдущем разделе этой статьи был представлен обзор основных вопросов физики элементарных частиц, включая четыре фундаментальных взаимодействия…

Гравитация и электромагнетизм были признаны задолго до открытия сильных и слабых взаимодействий, потому что их влияние на обычные объекты легко наблюдать. Гравитационная сила, систематически описанная Исааком Ньютоном в 17 веке, действует между всеми объектами, имеющими массу; он заставляет яблоки падать с деревьев и определяет орбиты планет вокруг Солнца. Электромагнитная сила, научное определение которой было дано Джеймсом Клерком Максвеллом в 19 веке, ответственна за отталкивание подобных и притяжение разнородных электрических зарядов; он также объясняет химическое поведение вещества и свойства света.Сильные и слабые взаимодействия были открыты физиками в 20 веке, когда они наконец проникли в ядро ​​атома. Сильное взаимодействие действует между кварками, составляющими всех субатомных частиц, включая протоны и нейтроны. Остаточные эффекты сильного взаимодействия связывают протоны и нейтроны атомного ядра вместе, несмотря на сильное отталкивание положительно заряженных протонов друг к другу. Слабое взаимодействие проявляется в определенных формах радиоактивного распада и ядерных реакциях, которые подпитывают Солнце и другие звезды.Электроны относятся к элементарным субатомным частицам, которые испытывают слабое взаимодействие, но не сильное.

Четыре силы часто описываются в соответствии с их относительной силой. Сильная сила считается самой мощной силой в природе. За ним в порядке убывания следуют электромагнитная, слабая и гравитационная силы. Несмотря на свою силу, сильное взаимодействие не проявляется в макроскопической Вселенной из-за его чрезвычайно ограниченного диапазона. Он ограничен рабочим расстоянием примерно 10 −15 метра — около диаметра протона.Когда две частицы, чувствительные к сильному взаимодействию, проходят на этом расстоянии, вероятность их взаимодействия высока. Дальность действия слабой силы еще меньше. Частицы, на которые действует эта сила, должны пройти в пределах 10 −17 метров друг от друга, чтобы взаимодействовать, и вероятность того, что они сделают это, мала даже на таком расстоянии, если только частицы не имеют высоких энергий. Напротив, гравитационные и электромагнитные силы действуют в бесконечном диапазоне. Другими словами, гравитация действует между всеми объектами Вселенной, независимо от того, насколько далеко они находятся друг от друга, а электромагнитная волна, такая как свет от далекой звезды, распространяется в космосе в неизменном виде, пока не встретит некую частицу, способную ее поглотить.

В течение многих лет физики пытались показать, что четыре основные силы — это просто разные проявления одной и той же фундаментальной силы. Наиболее успешной попыткой такого объединения является теория электрослабого взаимодействия, предложенная в конце 1960-х годов Стивеном Вайнбергом, Абдусом Саламом и Шелдоном Ли Глэшоу. Эта теория, включающая квантовую электродинамику (квантово-полевую теорию электромагнетизма), рассматривает электромагнитные и слабые взаимодействия как два аспекта более базовой электрослабой силы, которая передается четырьмя частицами-носителями, так называемыми калибровочными бозонами.Одна из этих частиц-носителей — фотон электромагнетизма, а три других — электрически заряженные частицы W + и W и нейтральная частица Z 0 — связаны со слабой силой. В отличие от фотона, эти слабые калибровочные бозоны массивны, и именно масса этих частиц-носителей сильно ограничивает эффективный диапазон действия слабого взаимодействия.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.
Подпишитесь сейчас

В 1970-х годах исследователи сформулировали теорию сильного взаимодействия, аналогичную по структуре квантовой электродинамике.Согласно этой теории, известной как квантовая хромодинамика, сильное взаимодействие передается между кварками калибровочными бозонами, называемыми глюонами. Как и фотоны, глюоны безмассовые и движутся со скоростью света. Но они отличаются от фотонов в одном важном отношении: они несут так называемый «цветной» заряд — свойство, аналогичное электрическому заряду. Глюоны могут взаимодействовать вместе из-за цветового заряда, который в то же время ограничивает их эффективный диапазон.

Исследователи стремятся разработать всеобъемлющие теории, которые объединят все четыре основные силы природы.Однако до сих пор гравитация остается вне попыток создания таких унифицированных теорий поля.

Текущее физическое описание фундаментальных сил воплощено в Стандартной модели физики элементарных частиц, которая описывает свойства всех фундаментальных частиц и их сил. Графические представления влияния фундаментальных сил на поведение элементарных субатомных частиц включены в диаграммы Фейнмана.

Основные силы природы

Есть четыре силы природы.Два знакомы каждому; двое меньше.

Во-первых, гравитация — это сила, которая притягивает нас к поверхности Земли, удерживает планеты на орбите вокруг Солнца и вызывает образование планет, звезд и галактик.

Во-вторых, электромагнетизм — это сила, отвечающая за то, как материя генерируется и реагирует на электричество и магнетизм. Мы широко используем его практически во всех наших бытовых приборах.

Далее идут менее знакомые силы. Оба действуют только внутри ядер атомов.Сильная ядерная сила связывает вместе ядра атома. Слабая ядерная сила ответственна за определенные виды радиоактивного распада. Например, тип распада, измеренный археологами при проведении радиоуглеродного датирования.

Все силы, кроме гравитации, объясняются с помощью квантовой теории. Это означает, что силы переносятся крошечными частицами. Фактически, электромагнетизм и слабое ядерное взаимодействие оказались разными сторонами одной и той же фундаментальной силы, и многие ученые полагают, что сильное взаимодействие также может быть объединено с этой электрослабой силой.Но как насчет гравитации?

Гравитацию лучше всего объяснить с помощью общей теории относительности Альберта Эйнштейна, которая не является квантовой теорией. Вместо этого он воображает, что гравитация возникает, когда материя искажает пространство, как тяжелый объект растягивает резиновый лист. Затем более мелкие объекты «катятся» вниз к более крупному объекту.

Многие ученые работают над формулировкой квантовой теории гравитации, в которой гравитация переносится небольшими частицами, называемыми «гравитонами». Один из подходов известен как М-теория, которая рассматривает частицы как крошечные узлы или колебания в кусках крохотной «струны».Эта работа показывает самые многообещающие на один день поиск теории, которая может объяснить все силы Вселенной одновременно. Космические эксперименты имеют решающее значение для обеспечения теоретиков высококачественными данными.

Нравиться

Спасибо за лайк

Вам уже понравилась эта страница, вам может понравиться только один раз!

Виды сил | Силы

Поле — это область в пространстве, где объект (с определенными свойствами) будет испытывать силу. Полевые силы — это бесконтактные силы.Бесконтактные силы — это силы, действующие на расстоянии. Они не обязательно должны касаться друг друга. Наиболее распространенные примеры полей:

Когда мы обсуждали контактные силы, мы говорили о толчках и толчках. Однако с полевыми силами лучше говорить о отталкивании и притяжении .

Гравитационные силы

Вы когда-нибудь задумывались, почему вещи падают, а не вверх?

Вы можете продемонстрировать гравитационный эффект, сбрасывая предметы разной массы с одинаковой высоты.Используйте теннисный мяч и скомканный кусок бумаги (чтобы они были примерно одного размера и формы). Бросьте их с одной высоты и посмотрите, заметят ли учащиеся разницу в том, как они падают. Спросите учащихся, почему они думают, что предметы упали. Что-то их толкает? Или срывая их? Предложите им обсудить друг с другом свои идеи.

Моделирование, представленное в этой главе, очень полезно изучить, если у вас есть доступ в Интернет. В противном случае поощряйте учащихся общаться с ними в свободное время дома или на своих мобильных телефонах.

Мы уже сталкивались с гравитацией на Планете Земля и за ее пределами в предыдущих классах.

Сила, которая заставляет вещи падать на Землю и не дает нам упасть с планеты, — это сила тяжести . Гравитационные силы существуют между любыми двумя объектами с массой, и они являются силами притяжения (притяжения).

Ньютон разработал свой Закон всемирного тяготения, описывающий силу притяжения между телами с массой в 1687 году.Работа Ньютона по описанию теории гравитации, возможно, была вдохновлена ​​наблюдением за падением яблока с дерева.

Строго говоря, когда мы говорим о «гравитации», мы конкретно имеем в виду гравитационную силу притяжения, которая возникает между Землей (или другим небесным телом, таким как планета) и другими объектами, в отличие от гравитационной силы в целом, которая действует между любыми два объекта с массой. Например, мы могли бы называть гравитационную силу, притягивающую объекты к Луне, гравитационной силой, создаваемой Луной.

Что такое гравитация?

Гравитационная сила — это сила, притягивающая объекты с массой друг к другу. Любой объект с массой оказывает гравитационную силу на любой другой объект с массой . Земля оказывает гравитационное притяжение на вас, на парты в вашем классе и стулья в вашем классе, удерживая вас на поверхности и не позволяя улететь в космос.

Гравитация — это сила, поэтому она измеряется в Ньютонах.

Гравитационная сила Земли притягивает все к центру Земли, поэтому, когда вы роняете такой объект, как книга или яблоко, он падает на землю. Однако знаете ли вы, что вы, ваш стол, стул, падающее яблоко и книга оказывают на Землю равное, но противоположное притяжение? Как вы думаете, почему эти силы на Земле не вызывают заметного движения Земли?



Земля имеет гораздо большую массу, чем человек или стол, и поэтому она ускоряется на гораздо меньшую величину, даже несмотря на то, что сила, действующая на Землю столом, имеет тот же размер, что и сила, действующая на стол со стороны Земли ( как раз в противоположных направлениях).Вот почему Земля не движется заметно.

Стрелки показывают направление гравитационного поля Земли. Все стрелки указывают на центр Земли, потому что сила гравитации всегда притягивает.

Моделирование PhET в окне посещения можно использовать для очень простой демонстрации того, как гравитационная сила между двумя объектами увеличивается с массой и уменьшается по мере увеличения расстояния между объектами.Вы можете отключить значения и использовать положение маленьких фигурок, дергающих за веревки, чтобы качественно продемонстрировать взаимосвязь.

Земля привлекает нас, потому что у нее такая большая масса, и поэтому мы все время тянемся вниз к центру Земли.

Эти армейские парашютисты только что выпрыгнули из задней части самолета и упали на Землю под действием силы тяжести.

Чем больше масса объектов, тем больше сила между ними.Это означает, что два небольших объекта будут иметь очень слабое гравитационное притяжение, поэтому оно не окажет заметного влияния. Однако более крупные объекты, такие как Луна и Земля, обладают гораздо большей гравитационной силой.

Как мы знаем из «Планеты Земля» и «За ее пределами», все планеты в нашей солнечной системе удерживаются на орбите вокруг Солнца за счет гравитационной силы притяжения между Солнцем и планетами.

В нашей солнечной системе планеты движутся вокруг Солнца.Между Солнцем и планетами, а также между планетами и их лунами существует гравитационная сила притяжения.

Второй фактор, влияющий на гравитационную силу притяжения между объектами, — это расстояние между ними. Чем дальше объекты друг от друга, тем меньше сила тяжести.

Между нами и Солнцем существует гравитационная сила притяжения, но мы не замечаем ее, так как мы так далеко друг от друга и очень маленькие.

Все компоненты нашей Вселенной удерживаются вместе гравитационной силой. В итоге можно сказать:

  • Чем больше масса объектов, тем сильнее гравитационная сила притяжения между ними.

  • Чем ближе объекты друг к другу, тем сильнее гравитационная сила между ними.

Примечание о падающих предметах

Полезный способ продемонстрировать гравитацию Земли — это посмотреть на падающие объекты. Ниже приведено дополнительное упражнение, в котором учащиеся бросают различные предметы. Вы можете проголосовать в классе, чтобы узнать, думают ли учащиеся, что яблоко или мешок сахара упадут первыми на землю.(Ответ: они будут одновременно удариться о землю, если сопротивление воздуха будет незначительным.) Очень вероятно, что учащиеся будут иметь предубеждение, что более тяжелые предметы падают быстрее. В настоящий момент не важно, чтобы ответы учащихся были правильными, и не пытайтесь привести их к правильному ответу. Мы надеемся, что они откроют это для себя в следующем эксперименте.

В этом исследовании учащиеся должны работать в парах. Сначала они одновременно уронят целое яблоко и половину яблока с одной и той же высоты.Затем они будут дальше экспериментировать с шарами разной массы (но одинакового размера) и шарами одинаковой массы (но разного объема). Очень сложно одновременно ронять предметы, чтобы они упали на пол одновременно, поэтому позвольте учащимся повторить эксперимент несколько раз, пока они не будут уверены, что они роняют предметы одновременно. Если им трудно увидеть, какой предмет падает на землю первым, предложите ученикам прислушаться к количеству звуков, которые они слышат — один или два — при ударе предметов.Учащимся может потребоваться повторить это исследование много раз, поскольку оно, скорее всего, противоречит их предубеждениям. Совет по безопасности: вероятно, лучше заранее разрезать яблоки пополам.

Когда учащиеся закончат свой эксперимент, вы можете продемонстрировать эффекты сопротивления воздуха, уронив молоток и перо. Предложите учащимся проголосовать за то, что произойдет, если вы уроните молоток и перо. Будьте готовы объяснить учащимся, что сопротивление воздуха замедляет падение пера и что если бы не было сопротивления воздуха, они упали бы с одинаковой скоростью и одновременно упали бы на пол.

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ВОПРОС: Падают ли разные предметы с одинаковой скоростью?

ГИПОТЕЗА:

Как вы думаете, что произойдет?


Ответ, зависящий от учащегося.

МАТЕРИАЛЫ И АППАРАТ:

  • молот
  • перо
  • два шара одинаковой массы, разного объема (один набор на пару)
  • два шара одинакового объема, разной массы (один набор на пару)

Видео падения перьев и монет в вакууме

МЕТОД:

  1. Работайте в парах, по очереди выполняя роль человека, который роняет предмет (экспериментатор), и человека, который наблюдает за падающими предметами (наблюдателя).
  2. Заполните столбец «прогноз» в таблице ниже.
  3. Экспериментатор: встаньте на стул или стол и возьмите два шара одинаковой массы, держа один в одной руке, а другой — в другой.
  4. Экспериментатор: удерживайте перед собой два шара на одинаковой высоте и бросайте их в одно и то же время.
  5. Наблюдатель: обратите внимание, что происходит, в частности, что приземляется первым.
  6. Поменяйте местами и повторите эксперимент с двумя шарами одинакового объема, но разной массы.
  7. Ваш учитель проведет для вас демонстрацию и уронит молоток и перо. Прежде чем ваш учитель уронит молоток и перо, запишите столбец прогнозов для падения молотка и пера.
  8. Запишите, что произошло с молотком и пером, и ответьте на вопросы ниже.

РЕЗУЛЬТАТЫ И НАБЛЮДЕНИЯ:

Что вы сохранили постоянным в этом эксперименте?


Высота, с которой падают предметы.

Что вы изменили в этом эксперименте?


Тип отбрасываемых объектов, в частности масса и объем объектов.

В таблице ниже запишите, что, по вашему мнению, произойдет в столбце «прогноз», прежде чем проводить эксперимент.Как вы думаете, что произойдет, если предположить, что вы одновременно уроните каждую пару предметов с одной и той же высоты? Как вы думаете, что приземлится первым?

Объектов

Прогноз

Наблюдение

Шары: одинаковой массы, разного объема

Шары: разной массы, одинакового объема

Молоток и перо

ОЦЕНКА:

Насколько надежен был ваш эксперимент? Как бы вы могли улучшить свой метод?




Ответ, зависимый от учащегося.Примеры ответов могут включать: Трудно бросать предметы в одно и то же время. Лучше было бы сбрасывать предметы с большей высоты. Сопротивление воздуха могло повлиять на результаты, и было бы лучше бросать предметы в вакууме.

ВЫВОДЫ:

Напишите заключение этого расследования.




Учащиеся должны были обнаружить, что половина яблока и все яблоко одновременно падают на пол.Они также должны были обнаружить, что шары одинаковой массы ударяются об пол в одно и то же время, а шары одинакового объема одновременно ударяются об пол. Из этого они должны сделать вывод, что все падающие предметы падают с одинаковой скоростью, независимо от их формы или размера, если сопротивление воздуха можно игнорировать. (Дополнительно: они разгоняют с той же скоростью). В случае падения молотка и пера учащиеся должны были обнаружить, что молоток приземлился первым. Это происходит из-за эффекта сопротивления воздуха, замедляющего падение пера.

Заблуждения о падающих предметах (видео)

ВОПРОСЫ:

Что упало первым, яблоко или половину яблока?


Они оба должны были приземлиться одновременно (или почти одновременно).

Рассматривая шары одинаковой массы, которые приземляются первыми, больший или меньший?


Они оба должны были приземлиться одновременно.

Если рассматривать шары одинакового объема, который приземлился первым, более тяжелый или более легкий?


Они оба должны были приземлиться одновременно.

Как вы думаете, почему два выпавших шара всегда приземлялись одновременно?



В идеальной ситуации все предметы, падающие с одинаковой высоты, приземляются одновременно.Это потому, что гравитационная сила Земли заставляет каждый объект ускоряться на одну и ту же величину каждую секунду, независимо от того, насколько он тяжелый или каков его объем.

Примечание учителя продвинутого уровня:

Согласно Всемирному закону тяготения, гравитационная сила Земли воздействует на объект с силой, пропорциональной массе объекта и массе Земли. Во всех случаях масса Земли одинакова, и поэтому любые различия в силе гравитации, действующей на объекты на Земле, зависят только от разницы в массе сбрасываемых объектов.

Согласно второму закону Ньютона, результирующая сила, действующая на объект, F, определяется как F = ma, где m — масса объекта, а a — ускорение, создаваемое чистой силой F.

Как вы думаете, почему молот упал раньше пера?





В реальной ситуации воздух вокруг нас влияет на то, как падают предметы.Как объект движется по воздуху и испытывает сопротивление воздуха. Перо намного легче молотка, поэтому влияние сопротивления воздуха на перо намного сильнее. Чистая сила, действующая вниз на падающий объект, равна силе тяжести за вычетом силы сопротивления воздуха. Поскольку перо намного легче молотка, результирующая сила, действующая на него, будет меньше, поэтому оно будет испытывать меньшее ускорение по направлению к земле и будет падать медленнее.

Примечание учителя продвинутого уровня:

Сопротивление воздуха — это сила сопротивления, замедляющая движение объекта.Величина силы зависит от квадрата скорости падающего объекта, площади поверхности падающего объекта и плотности жидкости, в которую он падает (в данном случае — воздуха). Очень легкие предметы, например, перья или тонкие листы бумаги, замедляются из-за сопротивления воздуха. Это потому, что их сила тяжести очень мала по сравнению с сопротивлением воздуха. Очень большие объекты также замедляются из-за сопротивления воздуха. Это объясняет, почему парашют замедляет ваше падение. Перед раскрытием парашюта сопротивление воздуха невелико.После открытия широкий парашют испытывает большее сопротивление воздуха, которое затем замедляет ваше движение.

Очень важно, чтобы учащиеся понимали разницу между массой и весом. В науке вес — это сила, но учащиеся привыкли использовать слово «вес» при описании своей массы. Вес — это сила, испытываемая объектом под действием силы тяжести. На Земле все объекты притягиваются вниз к центру Земли, и наш вес является показателем размера этого притяжения.Вес будет варьироваться в зависимости от нашего положения в космосе, но наша масса должна оставаться постоянной независимо от нашего положения.

Вы, наверное, слышали термин «вес» много раз раньше, либо в классе естественных наук, либо в разговоре с другими. Многие люди неправильно используют термин «вес» в повседневной речи. Например, родственник может сказать вам: «Мой вес увеличился на 2 кг за праздничный период, так как я ел слишком много еды.«Что не так в этом утверждении? Обсудите это со своим классом и учителем.



Это утверждение неверно, поскольку родственник приравнивает свой вес к килограммам. Килограммы — это мера массы, а не веса. Ее масса могла увеличиться на 2 килограмма.

  • вес
  • масса
  • свободное падение
  • ускорение свободного падения

Слово масса происходит от греческого слова maza , что означает кусок теста или лепешку.

Масса объекта — это количество вещества в объекте. Он сообщает вам, сколько у вас частиц. Вы помните, как узнали об атомах в Материи и Материалах? Так, например, масса деревянного бруска говорит нам, сколько в нем атомов. Масса измеряется в килограммах (кг) и не зависит от того, где вы ее измеряете. Деревянный блок массой 10 кг на Земле также имеет массу 10 кг на Луне.

Однако вес объекта может изменяться, поскольку он зависит от массы объекта, а также силы гравитационной силы, действующей на него.Вес измеряется в ньютонах (Н), поскольку это сила притяжения, действующая на объект со стороны Земли (или Луны, или любой другой планеты). Следовательно, вес объекта будет меняться при взвешивании в разных местах. Вес блока 10 кг на Земле будет отличаться от веса на Луне. Как вы думаете, почему это так? Вес будет больше или меньше, чем на Луне?




Земля намного больше Луны, поэтому гравитационная сила между Землей и блоком будет больше, чем сила между Луной и блоком.

Масса, вес и гравитация (видео).

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ВОПРОС: Какова связь между массой объекта и его весом?

ГИПОТЕЗА: Напишите гипотезу для этого исследования.



Ответ, зависящий от учащегося.

МАТЕРИАЛЫ И ОБОРУДОВАНИЕ

  • четыре куска массы с шагом 500 г (одна по 500 г, одна по 1 кг, одна по 1,5 кг и одна по 2 кг)
  • пружинный баланс
  • Весы с тройной балкой

Для измерения массы объектов можно использовать любой измеритель массы. Также можно использовать кухонные весы или электронные весы.

МЕТОД:

  1. Измерьте детали груза на трехбалочных весах.
  2. Измерьте вес каждой части массы с помощью пружинных весов.
  3. Запишите массу и соответствующий вес в таблицу результатов.
  4. Нарисуйте график ваших результатов.
  5. Рассчитайте градиент графика.

РЕЗУЛЬТАТЫ:

Запишите результаты в следующую таблицу.

Пример результатов при использовании предлагаемых массовых частей:

Масса (кг)

Масса (Н)

0,5

4.8

1

9,8

1,5

14,7

2

19.6

Что такое зависимая переменная?


Что такое независимая переменная?


Масса

Следовательно, вес по оси Y против массы по оси X

Нарисуйте график в отведенном ниже месте.

Ваш график должен быть прямой линией. Используйте пространство ниже, чтобы рассчитать градиент вашего графика.

Уклон должен быть 9,8.

Возможно, вам потребуется напомнить учащимся о вычислении уклона прямой линии.Им следовало бы осветить эту тему по математике, но было бы полезно им напомнить. Им нужно выбрать две координаты на своей прямой. Они могут выбрать любые две координаты, которые должны быть помечены как (x1; y1) и (x2; y2). Формула градиента прямой: gradient = rise / run = (y2 — y1) / (x2 — x1)

.

Пример расчета: градиент = (9,8 — 4,8) / (1 — 0,5) = 9,8

Учащиеся могут не получить правильный ответ для градиента, если они неправильно построили график или если пружинные противовесы не откалиброваны должным образом.Они могут получить ответ ближе к 10. Градиент графика показывает ускорение свободного падения на Земле. Это будет объяснено в тексте после расследования.

ВЫВОД:

Напишите заключение этого расследования.


Вес объекта прямо пропорционален массе объекта.

Вес — это сила тяжести, тянущая вас к центру Земли. Измеряется в ньютонах. На Земле гравитационная сила заставляет всех нас ускоряться к центру Земли. Ускорение называется , ускорение свободного падения . На Земле это 9,8 м / с 2 . Градиент, который мы вычислили в последнем исследовании, должен был дать вам число, близкое к 9,8 м / с 2 , что соответствует ускорению свободного падения.

Объекты находятся в свободном падении , когда единственная сила, действующая на них, — это сила тяжести.

Вес (Вт) рассчитывается путем умножения массы объекта (м) на ускорение свободного падения (g):

Вт = м × г

Мы использовали эту формулу в последнем разделе о трении для расчета веса и, следовательно, нормальной силы, действующей на объект.

А что, если бы вы полетели на Луну?

Луна в 6 раз меньше Земли.

Масса Земли 5,972 × 10 24 кг.

У Луны также есть собственная гравитация. Сила гравитации на поверхности Луны в шесть раз меньше, чем на поверхности Земли, поэтому вы будете весить одну шестую того, что вы делаете на Земле на Луне. На Юпитере вы будете весить в 2,5 раза больше, чем на Земле, поскольку гравитация Юпитера в 2,5 раза больше, чем на Земле. Даже если вы будете весить разное количество (и будете чувствовать себя легче на Луне и тяжелее на Юпитере), ваша фактическая масса останется той же в обоих случаях.

Масса космонавта остается неизменной везде, где ее измеряют. Однако вес космонавта зависит от того, где вы его измеряете, поскольку вы можете видеть, что астронавт весит 1200 Н на Земле, но только 200 Н на Луне.

Так сколько бы вы весили на Луне? Представьте, что у вас масса 60 кг. Ваш вес на Земле будет 60 x 9,8 = 588 Н. Ускорение свободного падения на Луне составляет 1,6 м / с 2 , поэтому ваш вес на Луне будет 60 x 1,6 = 96 Н.

Весы для ванной фактически измеряют вес и преобразуют его в массу.

Расчет массы и массы

Это короткое упражнение для практики некоторых вычислений. Учащиеся могут выполнить это как домашнее задание.

ВОПРОСЫ:

Феррари имеет массу 1485 кг. Каков его вес на Земле?

Феррари.

вес = 1485 x 9,8 = 14553N

Масса Линдиве на Земле составляет 50 кг. Какая у нее масса на Луне?


50 кг, так как масса объекта не зависит от положения.

Ян имеет массу 78 кг. Его друг Сэм говорит, что на Луне он весил бы 24 Н. Сэм прав? Объясните, используя расчет.

вес на Луне = 78 X 1,6 = 124,8 Н

Сэм неверен.

У вас есть яблоко массой 220 г, какой у него вес на Земле и на Луне?

масса = 220 г = 0.22 кг.

вес на Земле = 0,22 x 9,8 = 2,156 Н

вес на Луне = 0,22 x 1,6 = 0,352 Н

Если корова на Луне весила 1340 Н, какова ее масса?

Трикотажная корова.

масса = 1340 / 1,6 = 837.5 кг

Моделирование PhET, указанное в ссылке для посещения, можно использовать, чтобы легко показать, как изменяется вес предметов. Это моделирование можно использовать на многих различных уровнях, в зависимости от сложности концепций, которые вы хотите проиллюстрировать. Ссылка на PDF-файл, содержащий советы по обучению от команды PhET, доступна здесь: http: // phet.colorado.edu/files/teachers-guide/mass-spring-lab-guide.pdf

Вы когда-нибудь задумывались, каково это гулять по другим планетам? Узнайте, сколько вы весите на других планетах в следующем упражнении.

Это необязательное действие . В этом упражнении учащиеся рассчитывают, какой их вес был бы на семи других планетах нашей солнечной системы.Хотя их масса остается прежней, они будут «чувствовать» легче или тяжелее из-за различий в силе гравитационного поля на поверхностях других планет. Вы должны подчеркнуть, что их масса всегда остается неизменной, но меняется только их вес. Если у вас нет доступа к весам, вы можете попросить учащихся оценить свою массу или предоставить им пример номера.

МАТЕРИАЛЫ:

  • весы
  • калькулятор

ИНСТРУКЦИЯ:

Измерьте свою массу в килограммах.Запишите значение в таблице ниже.

Используйте значения ускорения свободного падения на разных планетах, чтобы рассчитать, сколько вы бы весили на этой планете.

Планета

Ваша масса (кг)

Значение g (м / с 2

)

Ваш вес (Н)

Земля

9,8

Меркурий

3,6

Венера

8,8

Марс

3,8

Юпитер

26

Сатурн

11,2

Уран

10,5

Нептун

13,3

Примеры ответов для учащихся весом 50 кг

Планета

Ваша масса (кг)

Значение g (м / с

2

)

Ваш вес (Н)

Земля

50

9,8

490

Меркурий

50

3,6

180

Венера

50

8,8

440

Марс

50

3,8

190

Юпитер

50

26

1300

Сатурн

50

11,2

560

Уран

50

10,5

525

Нептун

50

13,3

665

ВОПРОСЫ:

На каких планетах вы бы чувствовали себя тяжелее, чем на Земле?


Вы будете чувствовать себя тяжелее на Юпитере и Нептуне.

На каких планетах вы бы чувствовали себя легче, чем на Земле?


Вы будете чувствовать себя легче на Меркурии, Венере, Марсе, Сатурне и Уране.

Вес человека — это сила гравитационного притяжения к Земле, которую испытывает человек.Кто-то в свободном падении чувствует себя невесомым, но не похудел. Они все еще испытывают гравитационное притяжение Земли.

Единственная причина, по которой астронавты плавают, состоит в том, что они находятся в свободном падении, и их движущийся космический корабль также находится в свободном падении с ними, падая с той же скоростью. Следовательно, по сравнению с космическим кораблем кажется, что астронавты плавают, потому что они оба падают с одинаковой скоростью.

Космонавты испытывают невесомость.

Наблюдайте за сверхзвуковым свободным падением Феликса Баумгартнера обратно на Землю. Он испытал свободное падение или невесомость.

Примечание о невесомости

Термин «невесомость» вызывает у учащихся много путаницы. Путаница фактического веса человека с его ощущением веса является источником многих заблуждений. Невесомость относится только к ощущению своего веса или его отсутствия.Невесомость — это чувство, переживаемое кем-то, когда нет внешних объектов, соприкасающихся с человеком, оказывающим на него давление или притяжение (мы называем эти силы контакта, потому что они возникают из-за того, что предметы контактируют или касаются друг друга).

Вес человека — это сила гравитационного притяжения к Земле, которую испытывает человек. Кто-то в свободном падении чувствует себя невесомым, но не похудел. Они все еще испытывают гравитационное притяжение Земли.

Учащиеся также часто не понимают, почему астронавты на орбите вокруг Земли плавают в своих космических кораблях. Распространено заблуждение, что в космосе нет гравитации, поэтому астронавты могут плавать. Фактически, на низкой околоземной орбите сила тяжести Земли составляет около 90% от ее силы на поверхности Земли. Единственная причина, по которой астронавты плавают, заключается в том, что они находятся в свободном падении, и их космический корабль также находится в свободном падении с ними, падая с той же скоростью. Следовательно, по сравнению с космическим кораблем кажется, что астронавты плавают, потому что они оба падают с одинаковой скоростью.Другой пример — орбитальные космические корабли, которые по существу находятся в свободном падении, поскольку нет «ничего», препятствующего их движению к центру Земли, но из-за своей орбитальной скорости они никогда не приближаются к Земле.

Отличная ссылка на видео, на котором кто-то испытывает свободное падение, дана в поле «Посещение».

Магнитные силы

  • магнит
  • магнитный материал
  • сплав

Некоторые материалы имеют сильные магнитные поля.Их называют магнитами. Все магниты имеют два полюса, северный и южный полюс.

Пример стержневого магнита с северным и южным полюсами.

Магниты сильно притягиваются к другим материалам. Эти материалы считаются магнитными. Магниты действуют на другие магниты и магнитные материалы. Какие материалы магнитные? Давайте разбираться.

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ВОПРОС: Какие материалы являются магнитными, а какие нет?

ГИПОТЕЗА:

Напишите гипотезу для этого расследования.


Ответ, зависящий от учащегося. Для этого исследования существует множество различных возможных гипотез. Пример: только некоторые материалы являются магнитными.

МАТЕРИАЛЫ И АППАРАТ:

  • стержневые магниты
  • бумага
  • дерево
  • пластик
  • утюг
  • алюминий
  • сталь

МЕТОД:

  1. Держите различные предметы рядом с стержневым магнитом (не касаясь), чтобы увидеть, притягиваются ли они к магниту.
  2. Заполните таблицу, указав, притягиваются ли предметы к магниту.

Учащиеся должны заметить, что неметаллы не притягиваются к магнитам и что медь, даже если это металл, не притягивается.

Как разрушить магнит.

РЕЗУЛЬТАТЫ:

Заполните следующую таблицу.

Материал

Магнитный (ДА / НЕТ)

бумага

дерево

пластик

утюг

алюминий

сталь

медь

Материал

Магнитный (ДА / НЕТ)

Бумага

НЕТ

дерево

НЕТ

пластик

НЕТ

утюг

ДА

алюминий

НЕТ

сталь

ДА

медь

НЕТ

ВЫВОД:

Какие выводы можно сделать из результатов?

Не все материалы являются магнитными.Только некоторые металлы являются магнитными, например, железо.

Не все металлы притягиваются к магнитам. Те, кого привлекают магниты, известны как материалы , магнитные и . Магнитных материалов очень мало. Это железо, никель и кобальт. Сплавы, в состав которых входят любые магнитные материалы, также могут притягиваться к магнитам. Сталь — это сплав, содержащий железо, поэтому сталь может притягиваться к магниту.

Сплав — это смесь металлов.

Итак, теперь мы знаем, что магнитные силы могут действовать на расстоянии, но могут ли они действовать, если на пути что-то есть? Давай выясним.

Магнитные силы — это неконтактные силы, которые могут действовать на расстоянии. Однако обычные магниты не обладают очень сильными магнитными полями. Чем дальше объект находится от магнита, тем слабее воспринимаемая сила. Магнит должен действовать через большинство веществ.Если объект, помещенный между магнитом и металлом, слишком толстый, то металл может находиться слишком далеко от магнита, чтобы испытать достаточно сильную силу. Это отсутствие притяжения происходит из-за силы магнитного поля, а не из-за «блокирующей» способности материала. В этом исследовании вы можете исследовать это, используя тонкий кусок дерева и толстый кусок дерева. Магнитное поле может действовать через тонкую древесину, что означает, что древесина не является «блокатором» магнитной силы. Таким образом, если толстая древесина препятствует притяжению скрепок, можно увидеть, что значение имеет расстояние между скрепками и магнитом, а не материал (дерево).

МАТЕРИАЛЫ:

  • стержневые магниты
  • бумага
  • тонкий кусок дерева
  • кусок дерева толщиной
  • фольга
  • скрепки

ИНСТРУКЦИЯ:

Держите два северных полюса близко друг к другу.Что ты заметил?


Два полюса отталкиваются друг от друга. Есть «толкающая» сила.

Держите два южных полюса близко друг к другу. Что ты заметил?


Два полюса отталкиваются друг от друга.Есть «толкающая» сила.

Держите северный и южный полюсы близко друг к другу. Что ты заметил?


Два полюса притягиваются друг к другу. Между полюсами существует тянущая сила.

Положите скрепки на стол.

Попробуйте поднять скрепки магнитом, но поместите один из других материалов между магнитом и скрепками. Скрепки все еще притягиваются к магниту?

Магнит должен работать через любой из материалов, если они достаточно тонкие.Расстояние между магнитом и скрепками влияет на притяжение. Таким образом, тонкий кусок дерева не должен препятствовать притяжению, но более толстый кусок дерева будет держать скрепки достаточно далеко от магнита, чтобы сделать притяжение слишком слабым для захвата скрепок.

Попробуйте использовать разные материалы между магнитом и скрепкой.

ВОПРОСЫ:

Были ли какие-либо материалы, которые мешали магниту захватывать скрепки.


Единственный материал, который мог помешать магниту захватить скрепки, — это толстый кусок дерева.

Что это действие говорит нам о природе магнитной силы?



Действует на расстоянии.Он сильнее всего ближе к магниту и слабее по мере удаления от магнита.

В последнем упражнении мы увидели, что одинаковые полюса отталкиваются друг от друга, а противоположные полюса притягиваются друг к другу. Мы также видели, что магнитная сила действует на расстоянии. Магнит не должен касаться чего-либо, чтобы приложить к нему силу. Итак, магнитная сила — это неконтактная или полевая сила.

Что такое силовое поле? Мы можем это увидеть? Давайте выясним, можно ли увидеть магнитное поле.

Что такое магнитное поле?

Железные опилки выравниваются по магнитному полю. Объясните учащимся, что железные опилки показывают поле в двух измерениях, но на самом деле поле находится вокруг магнита в трех измерениях.

МАТЕРИАЛЫ:

  • стружка
  • два стержневых магнита
  • бумага

ИНСТРУКЦИЯ:

  1. Положите стержневой магнит на стол.
  2. Положите бумагу на магнит.
  3. Стряхните железные опилки на бумагу.
  4. Пальцем медленно протолкните опилки вокруг магнита.
  5. Обратите внимание на узор и нарисуйте его ниже.

Здесь показан узор вокруг стержневого магнита.

  1. Снимите бумагу с магнита.
  2. Поместите второй магнит рядом с первым так, чтобы разные полюса были обращены друг к другу.
  3. Положите бумагу обратно на магниты.
  4. Переместите железные опилки вокруг двух магнитов, особенно между магнитами.
  5. Нарисуйте узор на пустом месте ниже.

Узор между двумя противоположными полюсами притягивает.

  1. Снимите бумагу с магнита.
  2. Переместите второй магнит так, чтобы одинаковые полюса были обращены друг к другу.
  3. Положите бумагу обратно на магниты.
  4. Переместите железные опилки вокруг двух магнитов, особенно между магнитами.
  5. Нарисуйте узор на пустом месте ниже.

Узор между двумя отталкивающими полюсами.

Как мы видели, можно визуализировать магнитное силовое поле вокруг магнита.Из нашей предыдущей деятельности мы знаем, что магнитная сила действует на расстоянии. Поле — это пространство вокруг магнита, в котором он может притягивать или отталкивать другой магнит.

В последнем упражнении железные опилки показали двумерное изображение поля, но на самом деле поле находится вокруг магнита в трех измерениях.

Магнитное поле вокруг подковообразного магнита.

Как нарисовать силовое поле? Шаблон, который вы видели с помощью своих магнитов, может быть представлен линиями поля .Линии поля используются, чтобы показать то, чего мы на самом деле не видим. Чем ближе линии поля расположены вместе, тем сильнее описываемое поле. Чем больше линий поля нарисовано, тем сильнее поле. Силовые линии проходят от северного полюса к южному полюсу. На следующей диаграмме показаны силовые линии вокруг стержневого магнита.

На следующих диаграммах показаны силовые линии между стержневыми магнитами, которые притягивают, и магнитами, которые отталкиваются.

Противоположные полюса притягиваются.

Подобно столбам отталкиваются.

Поле наиболее сильно рядом с магнитом и ослабевает при удалении от магнита.

Знаете ли вы, что Земля похожа на стержневой магнит с Северным и Южным полюсами? У Земли есть магнитное поле. Вы можете представить себе магнитное поле Земли, как будто стержневой магнит проходит через ядро ​​с южным полюсом магнита под северным полюсом Земли. Никто не знает наверняка, но теория состоит в том, что сверхгорячее жидкое железо в ядре Земли движется по схеме вращения, и эти силы вращения приводят к слабым магнитным силам вокруг оси вращения Земли.

У Земли есть магнитное поле, как если бы через ядро ​​проходил большой стержневой магнит, южный полюс которого находился под северным магнитным полюсом Земли.

Где истинный Северный полюс.

Вот почему мы можем использовать компасы, чтобы определять направление. Компас для черчения имеет иглу с маленьким магнитом. Стрелка указывает на магнитный север, потому что маленький магнит притягивается к противоположному магнитному полю и может использоваться для определения направления.

Компас со стрелкой, указывающей на север.

Южное сияние также называют Северным сиянием, а Северное сияние — Северным сиянием.

Слышали ли вы раньше о Южном или Северном сиянии? Вы знаете, как происходит это явление?

Южное сияние, вид с Международной космической станции.

Заряженные частицы вылетают с поверхности Солнца и движутся во всех направлениях.Когда заряженные частицы достигают Земли, некоторые из них захватываются магнитным полем Земли в областях космоса вокруг атмосферы Земли, называемых поясами. Иногда заряженные частицы покидают пояса и по спирали вдоль силовых линий магнитного поля к магнитным полюсам, где они входят в атмосферу Земли. Затем они взаимодействуют с частицами атмосферного газа, создавая красивые световые шоу.

Что вызывает северное сияние?

Некоторые жидкости также могут намагничиваться в присутствии сильного магнитного поля.Их называют феррожидкостями.

Пример феррожидкости, жидкости, которая может намагничиваться в магнитном поле.

Магнитная жидкость (видео).

Электростатические силы

Вы помните, как узнали о статическом электричестве в гр. 8? Давайте сделаем небольшое упражнение, чтобы пересмотреть некоторые из уже известных нам концепций.

Хотя эти эксперименты проводились в Gr.8, важно, чтобы учащиеся повторили их снова в качестве упражнения. Это поможет им понять, как работают электроскоп и генераторы Ван де Граафа.

Вы также можете выполнять это задание, используя пластиковую расческу, а не воздушные шары. В противном случае вы можете использовать листы бумаги вместо волос учащегося, поскольку не все волосы будут вести себя следующим образом.

МАТЕРИАЛЫ:

  • воздушные шары (или пластиковая расческа)
  • стеклянный стержень
  • кусок трикотажа (шерсть)
  • Стержень ПВХ
  • пластиковая линейка
  • листочков бумаги
  • водопроводный кран

ИНСТРУКЦИЯ:

Надуйте воздушный шар и завяжите его, чтобы воздух не выходил.

Держите воздушный шар на небольшом расстоянии от волос. Что ты заметил?


Потрите волосы воздушным шариком.

Теперь держите воздушный шар на небольшом расстоянии от ваших волос.Что ты видишь?


Волосы должны «подняться» и прилипнуть к шарику.

Затем держите стеклянный стержень над небольшими листками бумаги. Что ты заметил?


Потрите стеклянную палочку трикотажным полотном.

Держите стеклянный стержень над листами бумаги. Что ты заметил?


К стеклянному стержню приклеиваются кусочки бумаги.

Снова протрите стеклянный стержень трикотажным полотном.

Откройте кран, чтобы потекла тонкая струйка воды.

Поднесите стеклянный стержень к струе воды. Что ты заметил?


Струя воды наклоняется к стеклянному стержню.

ВОПРОСЫ:

Что вы сделали, чтобы волосы прилипли к шарику?


Сильно протереть шариком.

Что произойдет, если натереть стеклянный стержень трикотажным полотном?



Электроны переходят от стеклянного стержня к трикотажному полотну за счет трения.Стеклянный стержень заряжается положительно, а шерсть — отрицательно.

Почему стеклянный стержень привлек поток воды?



Вода имеет положительный и отрицательный заряды.Отрицательные заряды притягивались к положительно заряженному стержню.

Давайте рассмотрим пример расчесывания волос более подробно, чтобы понять, что происходит. Вы провели пластиковой расческой по поверхности ваших волос. Когда две поверхности трутся друг о друга, между ними возникает трение . Трение между двумя поверхностями может вызвать перенос электронов с одной поверхности на другую.

Чтобы понять, как могут передаваться электроны, нам нужно вспомнить, что мы узнали о структуре атома.

Где в атоме расположены электроны?


Электроны расположены в пространстве вокруг ядра.

Какой заряд у протона?


Какой тип заряда у электрона?


Какой заряд у нейтрона?


Нейтроны не заряжаются.Они нейтральны.

Атом удерживается вместе за счет электростатического притяжения между положительно заряженным ядром и отрицательно заряженными электронами. Внутри атома электроны, расположенные ближе всего к ядру, удерживаются сильнее всего, в то время как более удаленные испытывают более слабое притяжение.

Обычно атомы содержат одинаковое количество протонов и электронов. Это означает, что обычно атомы нейтральны и , потому что у них одинаковое количество положительных и отрицательных зарядов, поэтому заряды уравновешивают друг друга.Все объекты состоят из атомов, и поскольку атомы обычно нейтральны, объекты также обычно нейтральны.

Однако, когда мы трём две поверхности друг о друга, например, когда вы расчесываете волосы или трут воздушный шар о волосы, трение может вызвать перенос электронов от одного объекта к другому. Помните, что протоны закреплены в ядре и не могут передаваться между атомами. Между атомами могут передаваться только электроны. Некоторые объекты отдают электроны легче, чем другие.Посмотрите на следующую диаграмму, которая объясняет, как это происходит.

Какой объект отказался от части своих электронов на диаграмме?


У этого объекта теперь больше положительных или отрицательных зарядов?


В нем больше положительных зарядов.

Какой объект получил электроны на диаграмме?


У этого объекта теперь больше положительных или отрицательных зарядов?


В нем больше отрицательных зарядов.

Когда у объекта больше электронов, чем протонов, мы говорим, что объект заряжен отрицательно .

Когда у объекта меньше электронов, чем протонов, мы говорим, что объект заряжен положительно .

Помните, что движутся только внешние электроны, а не протоны, расположенные в ядре атома.

Взгляните на следующие диаграммы, которые это иллюстрируют.

Теперь мы понимаем перенос электронов, который происходит в результате трения между объектами. Но как это привело к тому, что ваши волосы встали дыбом, когда вы подносили заряженный шар близко к волосам в последнем упражнении? Давайте посмотрим, что происходит, когда соединяются противоположно заряженные объекты.

Это забавная демонстрация того, как одинаковые заряды отталкиваются друг от друга, а разные заряды притягиваются друг к другу.Если у вас достаточно материалов, позвольте учащимся попробовать это самостоятельно. Если у вас недостаточно материалов, сделайте это в качестве демонстрации, но дайте учащимся возможность немного поиграть.

Сначала выполните это упражнение несколько раз, чтобы убедиться, что у вас правильный метод. Помните, что стержни очень легко случайно заземлить, поэтому работайте осторожно. Лучше всего это подойдет в сухой день. Это будет зависеть от района, в котором вы живете.

На семинаре-мозговом штурме с преподавателями-добровольцами и учеными в начале 2013 года мы сняли быструю демонстрацию этой задачи, когда группа ее обсуждала.Вы можете просмотреть этот короткий клип здесь: bit.ly/1fFbbbJ

МАТЕРИАЛЫ:

  • 2 изогнутые очки для часов
  • 2 стержня из плексигласа
  • ткань: шерсть или нейлон
  • пластиковый стержень
  • маленькие кусочки рваной бумаги

ИНСТРУКЦИЯ:

  1. Положите на стол стакан для часов вверх дном.
  2. Уравновесьте второе часовое стекло вертикально на первом часовом стекле.
  3. Тряпкой энергично протрите один из стержней из плексигласа.
  4. Уравновесите стержень из плексигласа по верхней части стекла часов.
  5. Тщательно протрите второй стержень из плексигласа той же тканью.
  6. Поднесите второй стержень из плексигласа к стороне первого заряженного стержня из плексигласа. Что вы видите?

Второй стержень из плексигласа должен отталкивать первый, поскольку у них одинаковые заряды, поэтому учащиеся должны видеть, как второй стержень «толкает» первый по кругу.

Возможно, вам придется снова потереть первый стержень из плексигласа в перерывах между попытками, поскольку заряд все же рассеивается.

  1. Повторите упражнение, но вместо второго стержня из плексигласа используйте пластиковый стержень. Что вы видите?

У стержней теперь есть противоположные заряды, поэтому должно быть видно, что второй стержень «тянет» другой стержень по кругу.

  1. Затем поднесите натертый стержень к маленьким кусочкам разорванной бумаги на столе. Что вы наблюдаете?

Учащиеся должны уметь поднимать листы бумаги заряженной палкой.

ВОПРОСЫ:

Что произошло, когда вы приблизили вторую стержень из плексигласа к первому стержню из плексигласа?



Когда стержни одинаковые (т.е. оба плексигласа), то первый стержень должен отойти от второго, и верхнее часовое стекло повернется по кругу.

Что произошло, когда вы поднесли пластмассовый стержень к первому стержню из плексигласа?



Когда используются два разных материала, первый стержень должен двигаться к пластиковому стержню, а стекло часов поворачивается по кругу к пластиковому стержню.

Что произошло, когда вы поднесли пластиковый стержень к листам бумаги?


Листы бумаги были притянуты к стержню.

Когда мы натирали плексигласовые стержни тканью, электроны переходили с плексигласа на ткань.Какой заряд теперь у стержней из плексигласа?


Оба стержня из плексигласа теперь имеют одинаковый заряд . Вы заметили, что предметы с одинаковым зарядом имеют тенденцию отталкиваться друг от друга? Мы говорим, что они отталкивают друг друга . Это электростатическая сила отталкивания.

Когда мы натирали пластиковый стержень тканью, электроны переходили с ткани на пластиковый стержень. Какой заряд теперь у пластикового стержня?


У стержня из плексигласа и пластикового стержня теперь против зарядов.Вы заметили, что предметы с разным зарядом стремятся сблизить друг друга? Мы говорим, что их привлекают друг друга . Это электростатическая сила притяжения.

Как и в случае с гравитационной и магнитной силой, расстояние между заряженными объектами влияет на силу электростатической силы. Чем ближе заряженные объекты, тем сильнее сила. Чем больше заряжены предметы, тем сильнее электростатическая сила между ними.

Мы наблюдали фундаментальное поведение зарядов.В итоге можно сказать:

  • Если два отрицательно заряженных объекта приблизить друг к другу, они будут отталкиваться друг от друга.
  • Если два положительно заряженных объекта приблизить друг к другу, они будут отталкиваться друг от друга.
  • Если положительно заряженный объект приблизить к отрицательно заряженному, они будут притягиваться друг к другу.

Помните, одинаковых зарядов отражают , а противоположных зарядов притягиваются.

Противоположности притягиваются и подобно отталкиваются (видео)

Вы когда-нибудь задумывались, откуда берутся молнии? Продемонстрируем электростатическую искру.

Это дополнительное действие , добавочный номер . Генератор Ван де Граафа можно использовать для самых разных веселых занятий. Вы можете использовать его для объяснения различных концепций статического электричества.Есть несколько веб-сайтов с идеями и предложениями для забавных мероприятий и видео демонстраций, например этот: http://www.nationalstemcentre.org.uk/elibrary/resource/2088/van-de-graaff-generator

[ссылка]

Цель этого упражнения — показать, как образуются искры, чтобы вы могли продолжить объяснение того, как работает молния. Если у вас нет генератора Ван-де-Граафа, используйте видеоклип (например, этот, представленный в поле для посещения) из Интернета.

Большие искры, маленькие искры.

МАТЕРИАЛЫ:

ИНСТРУКЦИЯ

Поднесите небольшой металлический шар к генератору. Что ты видишь?


Учащиеся должны увидеть искру между генератором и земным шаром.

Генератор Ван де Граафа.

Вы видели искры? Генератор Ван де Граафа можно использовать для демонстрации эффектов электростатического заряда. Большой металлический купол наверху заряжается положительно при включении генератора. Когда купол заряжен, его можно разрядить, поднеся к куполу еще одну изолированную металлическую сферу.Электроны прыгнут на купол с металлической сферы и вызовут искру.

Фундаментальная идея использования трения в машине для генерации заряда восходит к 17 веку, но генератор был изобретен Робертом Ван де Грааффом только в 1929 году в Принстонском университете.

Как эта маленькая искра связана с мощным ударом молнии?

Молния — это огромный электростатический разряд.

Как выжить при ударе молнии.

Во время грозы облака заряжаются. Трение между облаками и влага в облаках заставляют облака заряжаться. Нижняя часть облаков (ближайшая к земле) становится отрицательно заряженной, а верхняя часть облака становится положительно заряженной. Когда накопление заряда становится слишком большим, электроны перемещаются из нижней части облака к земле, где они «заземляются». Передача энергии огромна и приводит к чрезвычайно яркому свету, теплу и звуку.Молния — это массивный разряд между заряженными областями внутри облаков или между облаками и Землей. Удар грома, который мы слышим, — это движение воздуха в результате движения электронов.

Молния чрезвычайно опасна. Если электроны движутся через человека на пути к земле, то большое количество энергии причиняет значительный ущерб. Этот человек может получить серьезные травмы, даже смерть.

В Южной Африке один из самых высоких показателей в мире по количеству ударов молний.

Какие меры предосторожности мы должны предпринять во время грозы? Молния может ударить далеко от дождя, тень бури. Это означает, что даже если гроза кажется далеко, все равно лучше принять меры предосторожности. Самое безопасное место во время грозы — это в помещении. Держитесь подальше от окон и металлических предметов. Если вы не можете попасть внутрь, не стойте рядом с высокими объектами или металлическими объектами, потому что при ударе молнии она обычно поражает самый высокий объект в этом районе.Если вы путешествуете в машине во время шторма, оставайтесь в машине, пока шторм не утихнет.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.