Сила масса единица массы доклад

Обновлено: 10.05.2024

В кинематике мы пользовались двумя основными физическими величинами — длиной и временем. Для единиц этих величин установлены соответствующие эталоны, сравнением с которыми определяется любая длина и любой интервал времени. Единицей длины является метр, а единицей времени — секунда. Все другие кинематические величины не имеют эталонов единиц.

Единицы таких величин называются производными. Связь производных единиц с единицами основных величин в кинематике вытекает из самих определений производных величин.

При переходе к динамике мы должны ввести еще одну основную единицу и установить ее эталон. Дело в том, что второй закон Ньютона содержит две новые, динамические величины — силу и массу. Ни одну из этих величин нельзя выразить только через кинематические величины.

С равным правом можно считать основной величиной как силу, так и массу. Выбрав для единицы одной из этих величин эталон, получают единицу для другой, используя второй закон Ньютона. Соответственно получаются две различные системы единиц.

Вводя понятие силы, мы говорили о том, что в качестве эталона единицы силы можно взять пружину, растянутую определенным образом. Однако практически такой эталон силы неудобен, так как, во-первых, трудно изготовить две пружины с совершенно одинаковыми свойствами, а во-вторых, упругие свойства пружин могут несколько изменяться с течением времени и в зависимости от окружающих условий, например от температуры. Лучше в качестве единицы силы взять силу, с которой Земля притягивает определенную эталонную гирю.

Международная система единиц

В настоящее время наиболее широко в физике и технике применяется система единиц, в которой в качестве основной величины взята не сила, а масса. Единица же силы устанавливается на основе второго закона Ньютона.

В Международной системе единиц (СИ)(1) за единицу массы — один килограмм (1 кг) — принята масса эталонной гири, выполненной в форме прямого цилиндра высотой 39 мм, равной диаметру, из сплава платины и иридия. Эталон килограмма хранится в Международном бюро мер и весов в Севре, близ Парижа. Точные копии этой гири имеются во всех странах. Приближенно массу 1 кг имеет 1 л воды при комнатной температуре. Легко осуществимые способы сравнения массы любого тела с массой эталона путем взвешивания мы рассмотрим позднее.

За единицу силы в Международной системе единиц принимается сила, которая телу массой 1 кг сообщает ускорение 1 м/с 2 .

Эта единица силы называется ньютоном (сокращенно — Н). Единица силы — ньютон — выражается через основные единицы СИ так:

1Н = 1 кг • 1 м/с 2 = 1 кг • м/с 2 .

Другие системы единиц

Длительное время в физике использовалась и достаточно широко используется в настоящее время (особенно в теоретической физике) система единиц СГС.

За единицу длины в этой системе принят сантиметр (1 см = 10 -2 м), за единицу массы — грамм (1 г = 10 -3 кг), а единицей времени служит секунда (1с).

За единицу силы в системе СГС принимается сила, которая телу массой 1 г сообщает ускорение 1 см/с 2 . Эта единица называется диной (1 дин).

Так как 1 г = 0,001 кг, а 1 см = 0,01 м, то 1 Н = 100 000 дин = = 10 5 дин. В технике используется еще одна единица силы, называемая килограмм-силой (1 кгс). За 1 кгс принята сила, с которой Земля притягивает к себе эталонную гирю массой 1 кг. Применяется также дольная единица — грамм-сила (1 гс):

О массе в 1 кг и силе в 1 кгс каждый имеет определенное представление. Сила 1 Н примерно в 10 раз меньше 1 кгс. Точное соотношение между 1 Н и 1 кгс мы получим позднее.

Дина — очень малая единица силы. Она почти в миллион раз меньше силы в 1 кгс.

Несколько примеров значений сил: 100-граммовая гирька, поставленная на руку, действует на нее с силой 1 Н.

Сила мышц руки при сдавливании пружинного динамометра 350—400 Н.

Упираясь ногами в пол, вы можете растянуть пружину с силой около 1000 Н.

Электрон притягивается к протону в атоме водорода с силой порядка 10 -8 Н, а на протон в ускорителе элементарных частиц действует сила 10 -12 Н.

Сила тяги колесного трактора около 6 • 10 4 Н, а двигателя первой ступени космического корабля 4 • 10 8 Н.

Земля притягивает Луну с силой 2 • 10 22 Н.

После того как введены единицы массы и силы, мы можем выражать эти величины определенными числами.

(1) Международная система единиц (международное сокращенное наименование SI, в русской транскрипции — СИ) принята в I960 г. XI Генеральной конференцией по мерам и весам (ГКМВ) и уточнена на последующих ГКМВ.

Сила — это векторная физическая величина, имеющая направление и численное значение. Как же определить ее численное значение?

Как вы уже знаете, для этого нам необходимо определить единицу измерения — некий эталон, принятый за единицу. За такую единицу можно принять любую силу. Например, силу тяжести, которая действует на какое-то определенное тело.

Также можно принять и силу упругости выбранной пружины, растянутой до некоторой длины. В данном уроке вы узнаете, какую силу приняли за единицу, получите формулу для определения силы тяжести и научитесь ею пользоваться для решения задач.

Единицы силы

Если изменяется скорость тела, то мы можем сказать, что на него действует сила. Итак,

За единицу силы принята сила, которая за время $1 \space c$ изменяет скорость тела массой $1 кг$ на $1 \frac$.

Данная единица называется ньютоном ($1 \space Н$). Она была названа в честь знаменитого английского физика, механика и астронома Исаака Ньютона (рисунок 1).

Рисунок 1. Исаак Ньютон (1642-1727). Портрет сделан в 1689 году.

Часто используются и другие единицы — килоньютон ($кН$) и миллиньютон ($мН$):

$1 \space кН = 1000 \space Н$
$1 \space Н = 0,001 \space кН$,

$1 \space Н = 1000 \space мН$
$1 \space мН = 0,001 \space Н$

Связь между силой тяжести и массой тела. Формула для силы тяжести

Теперь мы знаем единицу измерения силы. Но как ее представить? С чем сравнить? Что это за сила в $1 Н$?

Рассмотрим силу тяжести, равную $1 \space Н$.

Доказано, что с такой силой притягивается к Земле тело массой приблизительно $\frac кг$. Если быть более точными, эта масса составляет $\frac кг$ (около $102 г$). Но чему будет равна сила тяжести, действующая на тело другой массы?

Нам известно, что сила тяжести прямо пропорциональна массе рассматриваемого тела. Если мы возьмем два тела с разными массами, то во сколько раз отличаются друг от друга массы двух тел, во столько же раз будут отличаться силы тяжести, действующие на них.

Теперь используем новую информацию:

На тело массой $\frac кг$ действует сила тяжести в $1 Н$.

Возьмем тело с массой в 2 раза большей — $\frac кг$. Тогда сила тяжести тоже будет в 2 раза больше — $2 Н$.

Очевидно, что на тело с массой $\frac кг$ будет действовать сила тяжести, равная $7 Н$, на тело с массой $\frac кг$ — $7,5 Н$ и т.д.

А теперь возьмем тело с массой $\frac кг$. На него будет действовать сила тяжести, равная $9,8 Н$. Посмотрите внимательнее на массу данного тело: $\frac кг = 1 кг$. Значит,

На тело массой $1 \space кг$ действует сила тяжести, равная $9,8 \space Н$

Значение данной силы, действующей на тело массой $1 \space кг$, можно записать как: $9,8 \space \frac$.

Давайте снова используем свойство прямопропорциональности массы и силы тяжести:

если мы возьмем тело с массой $2 кг$ (а это в 2 раза больше, чем масса $1 кг$), то сила тяжести будет равна $19,6 Н$ ($9,8 Н \cdot 2$)
если мы возьмем тело с массой $3 кг$ (а это в 3 раза больше, чем масса $1 кг$), то сила тяжести будет равна $29,4 Н$ ($9,8 Н \cdot 3$)

Так мы можем продолжать бесконечно, рассматривая тела различных масс. Таким образом,

Чтобы определить силу тяжести, действующую на тело любой массы, нужно $9,8 \frac$ умножить на массу выбранного тела:

$$F_ = 9,8 \frac \cdot m$$

Величину $9,8 \frac$ обозначают буквой $g$ и называют ускорением свободного падения.

Так мы получили формулу для силы тяжести:

$$F_ = gm$$

Если тело и опора неподвижны или движутся равномерно и прямолинейно, то мы получим формулу для веса тела:

$$P = F_ = gm$$

Примеры задач

Если для решения задачи не требуется особой точности, $g = 9,8 \frac$ округляют до $g = 10 \frac$. Если в тексте задачи нет информации о точности или используемой величине ускорения свободного падения, то используется $g = 9,8 \frac$.

На столе лежит книга массой $700 г$. Определите силу тяжести и вес книги. Покажите эти силы на рисунке. При рассчетах используйте скорение свободного падение равное $10 \frac$.

Дано:

СИ:
$0,7 кг$

Показать решение и ответ

Решение:

Используем формулы: $F_ = gm$ и $P = gm$.

$F_ = P \approx 10 \frac \cdot 0,7 кг = 7 Н$.

Чтобы изобразить эти силы графически, нужно выбрать масштаб (рисунок 2). Пусть $1 Н$ будет равен отрезку $0,5 см$. Тогда сила в $7 Н$ будет изображаться отрезком длиной $3,5 см$. Сила тяжести у нас приложена к телу и направлена вертикально вниз, а вес — к опоре и направлен перпендикулярно ей (в данном случае вертикально вниз).

Рисунок 2. Графическое изображение найденных силы тяжести и веса книги на столе (одно деление на отрезке силы тяжести/веса равно $1 см$).

Ответ: $F_ = P = 7 Н$.

Найдите вес воды объемом $4 дм^3$. Вода находится в неподвижном сосуде.

Для решения этой задачи найдем табличное значение плотности воды — $1000 \frac$.

Переведем объем, выраженный в $дм^3$, в $м^3$:

$4 дм^3 = 4 \cdot 1 дм \cdot 1 дм \cdot 1 дм = 4 \cdot 0,1 м \cdot 0,1 м \cdot 0,1 м = 4 \cdot 0,001 м^3 = 0,004 м^3$.

Теперь можно записать условия задачи и решить ее.

Дано:

СИ:

Показать решение и ответ

Решение:

Формула для определения весы имеет вид: $P = gm$.

Массу воды мы можем определить, зная ее плотность и объем: $m = \rho V$.

Подставим в формулу для определения веса: $P = gm = g \rho V$.

$P = 9,8 \frac \cdot 1000 \frac \cdot 0,004 м^3 = 39,2 Н$.

Люстра, подвешенная к потолку, действует на него с силой $63,7 Н$. Найдите массу люстры.

Для того чтобы верно записать условия задачи, нужно понимать как люстра действует на потолок. Люстра неподвижна, значит, речь идет о весе.

Дано:

Показать решение и ответ

Решение:

Итак, люстра действует на потолок своим весом. На люстру же действует сила тяжести, численно равная весу люстры.

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Лекция по естествознанию.

Масса и сила

Основное утверждение механики состоит в том, что ускорения тел определяются действиями на них других тел.

Это определение основано на главном утверждении механики:

1) ускорения тел вызываются силами;

2) силы, действующие на тело, обусловлены действиями на него других тел.

Важно
Сила — мера взаимодействия тел.

С какими телами взаимодействует ребёнок, катающийся на карусели?

Понятие силы относится к двум телам. С самого начала нужно отчётливо представить себе, что понятие силы относится именно к двум телам, а не к одному. Всегда можно указать тело, на которое действует сила, и тело, со стороны которого она действует. Так, сила тяжести действует на камень со стороны Земли, а на шарик, подвешенный на пружине, действует сила упругости со стороны пружины.

Сила имеет направление. Так, сила упругости растянутой пружины действует вдоль её оси. Сила трения останавливает скользящую по льду шайбу и направлена против скорости её движения.

Важно
Сила — векторная величина.

Сравнение сил. Для количественного определения силы мы должны уметь её измерять. Только при этом условии можно говорить о силе как об определённой физической величине. Но ведь действия на данное тело могут быть самыми разнообразными. Что общего, казалось бы, между силой притяжения Земли к Солнцу и силой, которая, преодолевая тяготение, заставляет взмывать вверх ракету, или между этими двумя силами и силой, сжимающей мяч в руке, определяемой сокращением мускул? Ведь они совершенно различны по своей природе! Можно ли говорить о них как о чём-то физически родственном? Можно ли сравнивать их?

Важно
Две силы независимо от их природы считаются равными и противоположно направленными, если их одновременное действие на тело не меняет его скорости (т. е. не сообщает телу ускорение).

Это определение позволяет измерять силы, если одну из них принять за единицу измерения.

Измерение сил. Для измерения сил необходим эталон единицы силы. В качестве эталона единицы силы выберем силу ₀ , с которой некоторая определённая (эталонная) пружина при фиксированном растяжении Δх действует на прикреплённое к ней тело (рис. 2.1). Сила упругости пружины направлена вдоль оси пружины.

Установим способ сравнения сил с эталонной силой.

По определению две силы считаются равными и противоположными по направлению, если при одновременном действии они не сообщают телу ускорение. Следовательно, измеряемая сила ₁ равна по модулю эталонной силе ₀ и направлена в противоположную сторону, если под воздействием этих сил тело не получает ускорение (см. рис. 2.1). Причём сила ₁ может быть любой природы: силой давления, силой трения и т. д.

Если к телу прикрепить две пружины и растянуть их также на Δх (рис. 2.2), то равнодействующая сила будет равна 2 ₀ . Сила ₂ , направленная в противоположную сторону, по модулю также равна 2 ₀ , если все три силы, действуя одновременно на тело, не сообщают ему ускорение.

Таким образом, располагая эталоном силы, мы можем измерять силы, кратные эталону. Для этого к телу, на которое действует измеряемая сила, прикладывают в сторону, противоположную её направлению, такое количество эталонных сил, чтобы тело не получило ускорение, и подсчитывают число эталонных сил. Естественно, что при этом мы можем измерить силу не меньше эталонной силы ₀ и ошибка измерения будет также не меньше ошибки измерения эталонной силы.

Выбрав эталонную силу достаточно малой, можно в принципе производить измерения разных сил с требуемой точностью.

Можно ли при задании эталонной силы не растягивать, а сжимать пружину?

Динамометр. На практике для измерения сил применяют динамометр (рис. 2.3). Использование динамометра основано на том, что при упругой деформации удлинение пружины прямо пропорционально приложенной к ней силе. Поэтому по длине пружины можно судить о значении силы.

О силах в механике. В механике не рассматривается природа тех или иных сил и не делаются попытки выяснить, вследствие каких физических процессов появляются те или иные силы. Это задача других разделов физики.

В механике важно лишь знать, при каких условиях возникают силы, каковы их направления и чему равны их модули, т. е. знать, как силы зависят от расстояний между телами и от скоростей их движения. А знать модули сил, определять, когда и как они действуют, можно, не вникая в природу сил, а лишь располагая способами их измерения.

В механике имеют дело с тремя типами сил: гравитационными силами, силами упругости и силами трения. Модули и направления этих сил определяются опытным путём. Важно, что все рассматриваемые в механике силы зависят либо только от расстояний между телами или от расположения частей тела (гравитация и упругость), либо только от относительных скоростей тел (трение).

Инертность тела. Мы уже говорили о явлении инерции. Именно вследствие инерции покоящееся тело приобретает заметную скорость под действием силы не сразу, а лишь за некоторый интервал времени.

Запомни
Инертность — свойство тел по-разному изменять свою скорость под действием одной и той же силы.

Ускорение возникает сразу, одновременно с началом действия силы, но скорость нарастает постепенно. Даже очень большая сила не в состоянии сообщить телу сразу значительную скорость. Для этого нужно время. Чтобы остановить тело, опять-таки нужно, чтобы тормозящая сила, как бы она ни была велика, действовала некоторое время.

Именно эти факты имеют в виду, когда говорят, что тела инертны , т. е. одним из свойств тела является инертность, а количественной мерой инертности является масса .

Приведём примеры простых опытов, в которых очень отчётливо проявляется инертность тел.

1. На рисунке 2.4 изображён массивный шар, подвешенный на тонкой нити. Внизу к шару привязана точно такая же нить.

Если медленно тянуть за нижнюю нить, то порвётся верхняя нить: ведь на неё действуют и шар своей тяжестью, и сила, с которой мы тянем шар вниз. Однако если за нижнюю нить очень быстро дёрнуть, то оборвётся именно она, что на первый взгляд довольно странно.

Но это легко объяснить. Когда мы тянем за нить медленно, то шар постепенно опускается, растягивая верхнюю нить до тех пор, пока она не оборвётся. При быстром рывке с большой силой шар получает большое ускорение, но скорость его не успевает увеличиться сколько-нибудь значительно за тот малый промежуток времени, в течение которого нижняя нить сильно растягивается и обрывается. Верхняя нить поэтому мало растягивается и остаётся целой.

2. Интересен опыт с длинной палкой, подвешенной на бумажных кольцах. Если резко ударить по палке железным стержнем, то палка ломается, а бумажные кольца остаются невредимыми.

3. Наконец, самый, пожалуй, эффектный опыт. Если выстрелить в пустой пластмассовый сосуд, пуля оставит в стенках правильные отверстия, но сосуд останется целым. Если же выстрелить в такой же сосуд, заполненный водой, то сосуд разорвётся на мелкие части. Это объясняется тем, что вода малосжимаема и небольшое изменение её объёма приводит к резкому возрастанию давления. Когда пуля очень быстро входит в воду, пробив стенку сосуда, давление резко возрастает. Из-за инертности воды её уровень не успевает повыситься, и возросшее давление разрывает сосуд на части.

Чем больше масса тела, тем больше его инертность, тем сложнее вывести тело из первоначального состояния, т. е. заставить его двигаться или, наоборот, остановить его движение.

Понаблюдайте за различными телами и определите, как зависит инертность тела от его массы.

Единица массы. В кинематике мы пользовались двумя основными физическими величинами — длиной и временем. Для единиц этих величин установлены соответствующие эталоны, сравнением с которыми определяются любая длина и любой интервал времени. Единицей длины является метр, а единицей времени — секунда. Все другие кинематические величины не имеют эталонов единиц. Единицы таких величин называются производными.

При переходе к динамике мы должны ввести ещё одну основную единицу и установить её эталон.

Приведите примеры производных единиц физических величин в кинематике.

В Международной системе единиц (СИ) за единицу массы — один килограмм (1 кг) — принята масса эталонной гири из сплава платины и иридия, которая хранится в Международном бюро мер и весов в Севре, близ Парижа. Точные копии этой гири имеются во всех странах. Приближённо массу 1 кг имеет вода объёмом 1 л при комнатной температуре. Легко осуществимые способы сравнения любой массы с массой эталона путём взвешивания мы рассмотрим позднее.

1. Все тела притягиваются друг к другу. Это – явление гравитации (явление всемирного тяготения). Гравитационное притяжение тел проявляется тем заметнее, чем больше их масса.

2. Масса тела является мерой инертности тела: чем больше масса, тем меньше изменяется скорость тела при одном и том же воздействии на него. Массу тела можно измерить взвешиванием.

3. Весы – прибор для измерения массы тел. Действие рычажных весов основано на сравнении гравитационного притяжения взвешиваемого тела и гравитационного притяжения гирь к Земле.

4. Единица массы в СИ – 1 кг (один килограмм). Это масса единственной в мире гири – международного эталона килограмма.

5. Скорость никакого тела нельзя изменить мгновенно; для этого необходимо некоторое время. Свойство тел требовать некоторого времени для изменения своей скорости называют инертностью тел.

6. Свойство инертности может быть использовано для измерения массы какого-либо тела при помощи метода взаимодействия с другим телом известной массы.

Плотность вещества

8. Частное от деления массы любого вещества на его объём – величина постоянная, называемая плотностью вещества. Единица для измерения плотности – 1 кг/м³. Числовое значение плотности вещества показывает массу единицы объёма этого вещества.

9. Средняя плотность вещества – физическая величина, равная отношению массы тела к его объёму. Если тело однородное (состоит из одного вещества), то средняя плотность тела равна плотности его вещества.

10. Плотность веществ зависит от их состояния и температуры. При переходе в газообразное состояние плотность всех веществ уменьшается. При переходе из твёрдого состояния в жидкое плотность большинства веществ также уменьшается. Исключение: вода и лёд.

11. Плотность веществ зависит от атмосферного давления (строго говоря, от давления всех тел, включая атмосферный воздух). При увеличении давления плотность всех веществ возрастает.

Читайте также: