В жизни мы очень часто говорим: «вес 5 килограмм», «весит 200 грамм» и так далее. И при этом не знаем, что допускаем ошибку, говоря так. Понятие веса тела изучают все в курсе физики в седьмом классе, однако ошибочное использование некоторых определений смешалось у нас настолько, что мы забываем изученное и считаем, что вес тела и масса это одно и то же.
Однако это не так. Более того, масса тела величина неизменная, а вот вес тела может меняться, уменьшаясь вплоть до нуля. Так в чем же ошибка и как говорить правильно? Попытаемся разобраться.
Вес тела и масса тела: формула подсчета
Масса это мера инертности тела, это то, каким образом тело реагирует на приложенное к нему воздействие, либо же само воздействует на другие тела. А вес тела это сила, с которой тело действует на горизонтальную опору или вертикальный подвес под влиянием притяжения Земли.
Масса измеряется в килограммах, а вес тела, как и любая другая сила в ньютонах. Вес тела имеет направление, как и любая сила, и является величиной векторной. А масса не имеет никакого направления и является величиной скалярной.
Стрелочка, которой обозначается вес тела на рисунках и графиках, всегда направлена вниз, так же, как и сила тяжести.
Формула веса тела в физике записывается следующим образом:
где m - масса тела
g - ускорение свободного падения = 9,81 м/с^2
Но, несмотря на совпадение с формулой и направлением силы тяжести, есть серьезное различие между силой тяжести и весом тела. Сила тяжести приложена к телу, то есть, грубо говоря, это она давит на тело, а вес тела приложен к опоре или подвесу, то есть, здесь уже тело давит на подвес или опору.
Но природа существования силы тяжести и веса тела одинакова притяжение Земли. Собственно говоря, вес тела является следствием приложенной к телу силы тяжести. И, так же как и сила тяжести, вес тела уменьшается с увеличением высоты.
Вес тела в невесомости
В состоянии невесомости вес тела равен нулю. Тело не будет давить на опору или растягивать подвес и весить ничего не будет. Однако, будет по-прежнему обладать массой, так как, чтобы придать телу какую-либо скорость, надо будет приложить определенное усилие, тем большее, чем больше масса тела.
В условиях же другой планеты масса также останется неизменной, а вес тела увеличится или уменьшится, в зависимости от силы притяжения планеты. Массу тела мы измеряем весами, в килограммах, а чтобы измерить вес тела, который измеряется в ньютонах, можно применить динамометр специальное устройство для измерения силы.
Сегодня мы с вами поднимем казалось бы незначительную, но на деле очень важную тему. А именно мы разберем, в чем разница массы и веса. Выпускник школы знает, что вес и масса – не одно и то же. Но даже самый титулованный физик не скажет продавцу: «Отмассте» мне килограмм яблок. Он произнесёт «взвесьте», имея в виду количество яблочного продукта, а не его тяжесть. Раскроем загадку такого положения вещей.
Полистаем учебник физики
Вес – это сила, переменная величина, измеряется ньютонами, означает воздействие на опору лежащего предмета или натяжение подвеса. Масса – это количество вещества внутри тела, исчисляется килограммами, тоннами, фунтами и т.д., является постоянной величиной.
Для неподвижных объектов значения этих параметров прямо пропорциональны. При взвешивании определяется усилие, с которым товар давит на подставку, а табло показывает его массу. Очень удобно продавцам и покупателям.
Когда возникает различие
- Чем дальше от центра Земли, тем g меньше, а тело легче.
- Инерция. При взлёте самолёта или ракеты пилот испытывает перегрузки. Это к его тяжести добавилась инерция старта, и давление на опору (кресло) усилилось. Наоборот, при движении лифта вниз, пассажир становится легче, меньше давит на пол.
- Падающий предмет ничего не весит, так как К= g — g=0. Это состояние невесомости, хотя масса осталась той же.
- В условиях других планет сила тяжести меняется. На Луне g=1,62, а на Марсе 3,86. Одно и то же тело на Луне легче в 6 раз, на Марсе – в 2,5 раза, чем в земных условиях.
Почему случается путаница
Человек воспринимает мир через ощущения. Мы не можем чувствовать массу, но способны ощутить вес. Девушка держит книгу. При этом ладонь – опора. Книга давит, рука сопротивляется. Читательница чувствует усилие по удержанию книжки. Противодействие — единственный способ определения массы, данный нам природой. Отсюда причина подмены понятий, несоответствия норм языка физическим явлениям.
Назад
Вперёд
Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.
Данная презентация предназначена в помощь учащимся 9-10 классов при подготовке темы «Вес тела».
Цели презентации:
- Повторить и углубить понятия: «сила тяжести»; «вес тела»; «невесомость».
- Акцентировать внимание учащихся на то, что сила тяжести и вес тела – разные силы.
- Научить учащихся определять вес тела, движущегося по вертикали.
В повседневной жизни массу тела определяют взвешиванием. Из курса физики 7 класса известно, что сила тяжести прямо пропорциональна массе тела. Поэтому вес тела часто отождествляют с его массой или силой тяжести. С точки зрения физики – это грубейшая ошибка. Вес тела – это сила, но сила тяжести и вес тела – разные силы.
Сила тяжести – частный случай проявления сил всемирного тяготения. Поэтому уместно вспомнить закон всемирного тяготения, а также то, что силы гравитационного притяжения проявляются тогда, когда тела или одно из тел имеют огромные массы (слайд 2).
При применении закона всемирного тяготения для земных условий (слайд 3) планету можно рассматривать как однородный шар, а небольшие тела вблизи ее поверхности как точечные массы. Радиус земли равен 6400 км. Масса Земли равна 6∙10 24 кг.
= ,
где g – ускорение свободного падения.
Вблизи поверхности Земли g = 9,8 м/c 2 ≈ 10 м/c 2 .
Вес тела – сила, с которой это тело действует на горизонтальную опору или растягивает подвес.
Рис.1
На рис. 1 показано тело на опоре. Сила реакции опоры N (F упр) приложена не к опоре, а к находящемуся на ней телу. Модуль силы реакции опоры равен модулю веса по третьему закону Ньютона. Вес тела – частный случай проявления силы упругости. Важнейшей особенностью веса является то, что его значение зависит от ускорения, с которым движется опора или подвес. Вес равен силе тяжести только для покоящегося тела (или тела, движущегося с постоянной скоростью). Если же тело движется с ускорением, то вес может быть и больше, и меньше силы тяжести, и даже равным нулю.
В презентации на примере решения задачи 1 рассматриваются различные случаи определения веса груза массой 500 г, подвешенного к пружине динамометра, в зависимости от характера движения:
а) груз поднимают вверх с ускорением 2 м/c 2 ;
б) груз опускают вниз с ускорением 2 м/c 2 ;
в) груз равномерно поднимают вверх;
г) груз свободно падает.
Задания на расчет веса тела входят в раздел «Динамика». Решение задач на динамику основывается на использовании законов Ньютона с последующим проецированием на выбранные оси координат. Этим определяется последовательность действий.
- Выполняют чертеж, на котором изображают силы, действующие на тело (тела), и направление ускорения. Если направление ускорения неизвестно, его выбирают произвольно, а решение задачи дает ответ о правильности выбора.
- Записывают второй закон Ньютона в векторном виде.
- Выбирают оси. Обычно одну из осей удобно направить вдоль направления ускорения тела, вторую – перпендикулярно ускорению. Выбор осей определяется соображениями удобства: так, чтобы выражения для проекций законов Ньютона имели бы наиболее простой вид.
- Полученные в проекциях на оси векторные уравнения дополняют соотношениями, вытекающими из текста условий задачи. Например, уравнениями кинематической связи, определениями физических величин, третьим законом Ньютона.
- Используя полученную систему уравнений, пытаются дать ответ на вопрос задачи.
Настройка анимации в презентации позволяет сделать акцент на последовательность действий при решении задач. Это важно, так как навыки, приобретенные при решении задач на расчет веса тела, пригодятся учащимся при изучении других тем и разделов физики.
Решение задачи 1.
1а. Тело движется с ускорением 2 м/c 2 вверх (слайд 7).
Рис.2
1б. Тело движется с ускорением вниз (слайд 8). Ось OY направляем вниз, тогда проекции сил тяжести и упругости в уравнении (2) меняют знаки, и оно имеет вид:
(2) mg – F упр = ma.
Следовательно, Р = m(g-a) = 0,5 кг∙(10 м/c 2 - 2 м/c 2) = 4 Н.
1в. При равномерном движении (слайд 9) уравнение (2) имеет вид:
(2) mg – F упр = 0, т. к. ускорение отсутствует.
Следовательно, Р = mg = 5 Н.
1г. При свободном падении = (слайд 10). Воспользуемся результатом решения задачи 1б:
P = m(g – a) = 0,5 кг(10 м/c 2 – 10 м/c 2) = 0 H.
Состояние, при котором вес тела равен нулю, называют состоянием невесомости.
На тело действует только сила тяжести.
Говоря о невесомости, следует отметить, что длительное состояние невесомости испытывают космонавты во время полета при выключенных двигателях космического
корабля, а чтобы испытать кратковременное состояние невесомости, достаточно просто подпрыгнуть. Бегущий человек в момент, когда его ноги не касаются земли, тоже находится в состоянии невесомости.
Презентация может быть использована на уроке при объяснении темы «Вес тела». В зависимости от уровня подготовки класса учащимся могут быть предложены не все слайды с решениями задачи 1. Например, в классах с повышенной мотивацией к изучению физики достаточно объяснить, как рассчитать вес тела, движущегося с ускорением вверх (задача 1а), а остальные задачи (б, в, г) предоставить для самостоятельного решения с последующей проверкой. Выводы, полученные в результате решения задачи1, ученики должны попытаться сделать самостоятельно.
Выводы (слайд 11).
- Вес тела и сила тяжести – разные силы. У них разная природа. Эти силы приложены к разным телам: сила тяжести - к телу; вес тела - к опоре (подвесу).
- Вес тела совпадает с силой тяжести только тогда, когда тело неподвижно или движется равномерно и прямолинейно, и другие силы, кроме силы тяжести и реакции опоры (натяжение подвеса), на него не действуют.
- Вес тела больше силы тяжести (Р > mg), если ускорение тела направлено в сторону, противоположную направлению силы тяжести.
- Вес тела меньше силы тяжести (Р < mg), если ускорение тела совпадает по направлению с силой тяжести.
- Состояние, при котором вес тела равен нулю, называют состоянием невесомости. Тело находится в состоянии невесомости, когда оно движется с ускорением свободного падения, то есть когда на него действует только сила тяжести.
Задачи 2 и 3 (слайд 12) могут быть предложены учащимся в качестве домашнего задания.
Презентация «Вес тела» может быть использована для дистанционного обучения. В этом случае рекомендуется:
- при просмотре презентации решение задачи 1 записать в тетрадь;
- самостоятельно решить задачи 2, 3, применяя предложенную в презентации последовательность действий.
Презентация по теме «Вес тела» позволяет показать теорию решения задач на динамику в интересной, доступной трактовке. Презентация активирует познавательную деятельность учащихся и позволяет формировать правильный подход к решению физических задач.
Литература:
- Гринченко Б.И. Физика 10-11. Теория решения задач. Для старшеклассников и поступающих в вузы. – Великие Луки: Великолукская городская типография, 2005.
- Генденштейн Л.Э. Физика. 10 класс. В 2 ч. Ч 1./Л.Э. Генденштейн, Ю.И. Дик. – М.: Мнемозина, 2009.
- Генденштейн Л.Э. Физика. 10 класс. В 2 ч. Ч 2. Задачник./Л.Э. Генденштейн, Л.А. Кирик, И.М. Гельгафгат, И.Ю. Ненашев.- М.: Мнемозина, 2009.
Интернет-ресурсы:
- images.yandex.ru
- videocat.chat.ru
§ 03-г. Сила тяжести и вес тела
В § 2-а мы начали знакомство с явлением гравитации вообще и земным тяготением в частности. Теперь настало время более подробного изучения силы тяжести на Земле и других планетах.
На рисунке изображён опыт с двумя гирями и динамометрами. Вы видите, что при массе гири 200 г (то есть 0,2 кг) на неё действует сила тяжести 2 Н, а при массе 500 г (то есть 0,5 кг) – сила тяжести 5 Н. Обратим внимание на закономерность:
Проделав опыты с многими телами, мы обнаружим ту же самую закономерность: отношение силы тяжести, действующей на тело, к массе этого тела является постоянной величиной, не зависящей ни от силы тяжести, ни от массы тела. Эту величину называют коэффициентом силы тяжести:
Формулу для вычисления коэффициента «g» можно преобразовать, поместив слева силу тяжести:
В опыте с двумя гирями мы выяснили, что вблизи поверхности Земли коэффициент «g» имеет значение 10 Н/кг (более точные значения 9,78 Н/кг и 9,83 Н/кг – см. далее в таблице).
Опыты показывают, что по мере удаления от Земли сила тяжести ослабевает. Например, на высоте 300 км значение коэффициента «g» уменьшается приблизительно до 9 Н/кг.
Повторяя опыт с гирями и динамометрами в различных местах Земли, а также на поверхности Луны, Марса и так далее, можно выяснить, что коэффициент «g» зависит от места наблюдения:
Коэффициенты силы тяжести, Н/кг
Табл. 3.14. Значения коэффициентов силы тяжести на поверхности Земли и некоторых небесных тел
| Луна | 1,7 | Земля: | » 10 | |
| Марс | 3,8 | а) полюс | 9,83 | |
| Юпитер | 24 | б) экватор | 9,78 |
В обыденной жизни под словом «вес» мы зачастую подразумеваем массу тела, не делая различия между этими терминами. Однако это неверно.
Весом тела называют силу, с которой тело давит на опору или тянет подвес. Например, на рисунке медведь действует на опору – прогнувшуюся доску. Согласно определению, сила давления медведя на доску – вес медведя. На рисунке правее медведь действует на подвес – канат. Эта сила тоже является весом, но уже медведя вместе с доской.
Определение 1
Вес представляет силу влияния тела на опору (подвес, или иную разновидность крепления), препятствующую падению, и возникающую в поле действия сил тяжести. Единицей измерения веса в СИ принят ньютон.
Понятие веса тела
Понятие «вес» как таковое в физике не считается необходимым. Так, больше говорится о массе или о силе тела. Более содержательной величиной считается сила воздействия на опору, знание которой может помочь, например, при оценке способности конструкции удержать исследуемое тело в заданных условиях.
Вес возможно измерить с помощью пружинных весов, служащих также для косвенного измерения массы при их соответствующем градуировании. В то же время, рычажные весы в этом не нуждаются, поскольку в такой ситуации сравнению подлежат массы, на которые воздействует равное ускорение свободного падения либо сумма ускорений в неинерциальных системах отсчета.
При взвешивании за счет технических пружинных весов, вариации ускорения свободного падения обычно не учитываются, поскольку из влияние зачастую оказывается меньше того, что требуется на практике в отношении точности взвешивания. В некоторой степени, на результатах измерений может отражаться сила Архимеда, при условии взвешивания на рычажных весах тел различной плотности и их сравнительных показателей.
Вес и масса в физике представляют различные понятия. Так, вес считается векторной величиной, с которой тело будет непосредственно воздействовать на горизонтальную опору либо вертикальный подвес. Масса в то же время представляет скалярную величину, меру инертности тела (инертную массу) или заряд гравитационного поля (гравитационную массу). У таких величин будут отличаться и единицы измерения (в СИ масса обозначена в килограммах, а вес- в ньютонах).
Возможны также ситуации с нулевым весом и также ненулевой массой (когда речь идет об одном и том же теле, к примеру, при невесомости вес каждого тела будет равным нулевому значению, а вот масса у всех окажется разной).
Важные формулы для расчета веса тела
Вес тела ($P$), которое покоится в инерциальной системе отсчёта, равнозначен силе тяжести, воздействующей на него, и пропорционален массе $m$, а также ускорению свободного падения $g$ в данной точке.
Замечание 1
Ускорение свободного падения будет зависимым от высоты над земной поверхностью, а также от географических координат точки измерения.
Результатом суточного вращения Земли является широтное уменьшение веса. Так, на экваторе вес окажется меньшим, в сравнении с полюсами.
Другим фактором, влияющим на значение $g$, можно считать гравитационные аномалии, которые обусловлены особенностями строения земной поверхности. При местонахождении тела вблизи другой планеты (не Земли), ускорение свободного падения зачастую определяется за счет массы и размеров этой планеты.
Состояние отсутствия веса (невесомости) наступит в условиях отдаленности тела от притягивающего объекта или его пребывании в свободном падении, то есть в ситуации, когда
${g – w} = 0$.
Тело массой $m$, чей вес анализируется, может оказаться субъектом приложения определенных дополнительных сил, косвенно обусловленных фактом присутствия гравитационного поля, в частности, силы Архимеда и силы трения.
Отличие силы веса тела от силы тяжести
Замечание 2
Сила тяжести и вес представляют собой два различных понятия, участвующих непосредственно в теории гравитационного поля физики. Эти два совершенно разных понятия зачастую истолковывают неверно, используя их в неверном контексте.
Такая ситуация усугубляется еще и тем, что в стандартном понимании понятия массы (имеется в виду свойство материи) и веса также будут восприниматься как тождественные. Именно по этой причине правильное понимание тяжести и веса считается очень важным для научной среды.
Зачастую эти две практически аналогичные концепции применяются в формате взаимозаменяемых. Сила, которая направляется на объект со стороны Земли или другой планеты в нашей Вселенной (в более широком понимании - любого астрономического тела) будет представлять силу тяжести:
Сила, с которой тело оказывает непосредственное воздействие на опору или вертикальный подвес и будет считаться весом тела, обозначаемым как $W$ и представляющим собой векторно направленную величину.
Атомы (молекулы) тела будут отталкиваться от частиц основания. Следствием такого процесса становится:
- осуществление частичной деформации не только опоры, но и также объекта;
- возникновение сил упругости;
- изменение в определенных ситуациях (в незначительной степени) формы тела и опоры, что будет происходить на макроуровне;
- возникновение силы реакции опоры при параллельном на поверхности тела возникновении силы упругости, что становится ответной реакцией на опору (это и будет представлять вес).