Страница 109 - гдз по физике 7 класс учебник Пёрышкин, Иванов

1. Приведите примеры, доказывающие существование силы трения, не упоминавшиеся в параграфе.

Приведите примеры, доказывающие существование силы трения, не упоминавшиеся в параграфе.

Сила трения проявляется повсеместно в нашей жизни. Вот несколько примеров, которые доказывают ее существование:

• Завязывание узлов. Узел на шнурках или веревке держится именно благодаря силе трения между витками веревки. Без трения любой узел немедленно развязался бы под малейшей нагрузкой.

• Торможение велосипеда или автомобиля. Когда мы нажимаем на тормоз, тормозные колодки прижимаются к колесам (или тормозным дискам). Возникающая между ними сила трения скольжения замедляет вращение колес и останавливает транспортное средство. Эта сила превращает кинетическую энергию движения в тепло.

• Сгорание метеоров в атмосфере. Метеоры, входя в атмосферу Земли на огромной скорости, испытывают сильное трение о воздух (сопротивление воздуха). Это трение настолько велико, что вызывает разогрев и сгорание метеорного тела, что мы наблюдаем как "падающую звезду".

• Работа смычка на струнах скрипки. Звук у скрипки, альта или виолончели возникает благодаря явлению прерывистого скольжения смычка по струне. Сила трения заставляет струну сначала двигаться вместе со смычком, а затем, когда сила упругости в струне превышает силу трения, струна срывается и колеблется, создавая звуковую волну.

Ответ: Примеры, доказывающие существование силы трения, включают завязывание узлов, торможение транспорта, сгорание метеоров в атмосфере и игру на струнных смычковых инструментах.

2. Объясните причины возникновения силы трения.

Сила трения возникает при контакте и относительном движении (или попытке движения) двух тел. Существуют две основные причины ее возникновения на микроскопическом уровне:

1. Шероховатость поверхностей. Любая, даже самая гладкая на вид поверхность (например, полированный стол или стекло), под микроскопом окажется неровной. Она покрыта микроскопическими выступами, гребнями и впадинами. Когда два тела соприкасаются, эти неровности зацепляются друг за друга. Чтобы сдвинуть одно тело относительно другого, необходимо приложить силу, чтобы деформировать или сломать эти микронеровности. Это сопротивление движению и есть одна из составляющих силы трения.

2. Межмолекулярное притяжение. Когда поверхности двух тел находятся в очень тесном контакте, молекулы и атомы на поверхности одного тела притягиваются к молекулам и атомам другого тела. Возникают силы межмолекулярного взаимодействия (силы адгезии). Для того чтобы сдвинуть тела друг относительно друга, нужно преодолеть эти силы притяжения, то есть "разорвать" множество микроскопических связей. Это требует приложения силы и вносит вклад в общую силу трения. Этот эффект особенно важен для очень гладких и чистых поверхностей, где площадь фактического контакта велика.

Таким образом, сила трения — это суммарный эффект механического зацепления неровностей и электромагнитного притяжения между молекулами контактирующих поверхностей.

Ответ: Основными причинами возникновения силы трения являются шероховатость соприкасающихся поверхностей, из-за которой их микронеровности цепляются друг за друга, и межмолекулярное притяжение между атомами и молекулами контактирующих тел.

2. Объясните причины возникновения трения.

Объясните причины возникновения трения.

Сила трения возникает при контакте и относительном движении (или попытке движения) двух тел. Существуют две основные причины возникновения этой силы.

Первая причина — шероховатость поверхностей. Даже самые гладкие на вид поверхности на микроскопическом уровне имеют неровности: выступы, царапины и впадины. Когда два тела соприкасаются, эти неровности зацепляются друг за друга. Чтобы сдвинуть одно тело относительно другого, необходимо приложить силу, достаточную для того, чтобы приподнять выступы одного тела над выступами другого или чтобы сломать их. Сопротивление, возникающее при этом, и есть одна из составляющих силы трения.

Вторая причина — межмолекулярное притяжение (адгезия). В точках фактического контакта молекулы соприкасающихся тел оказываются на очень малом расстоянии друг от друга. На таких расстояниях начинают действовать силы взаимного притяжения между молекулами. Чтобы сдвинуть тела, необходимо преодолеть эти силы, то есть разорвать образовавшиеся молекулярные связи. Это явление вносит существенный вклад в силу трения, особенно для очень гладких и чистых поверхностей, где площадь фактического контакта велика.

Таким образом, трение является результатом совместного действия этих двух факторов: механического зацепления неровностей и электромагнитного взаимодействия молекул.

Ответ: Причинами возникновения трения являются шероховатость соприкасающихся поверхностей, из-за которой их микронеровности цепляются друг за друга, и взаимное притяжение молекул контактирующих тел в точках их соприкосновения.

3. Зачем применяют смазку?

Смазку применяют для уменьшения силы трения между соприкасающимися и движущимися друг относительно друга поверхностями, а также для снижения их износа.

Принцип действия смазки заключается в создании тонкого слоя вещества (жидкого, твердого или газообразного) между трущимися поверхностями. Этот слой разделяет поверхности, не давая им напрямую контактировать. В результате трение скольжения твердых тел (сухое трение) заменяется на трение внутри слоев самой смазки (жидкостное или вязкое трение), которое, как правило, значительно меньше. Это приводит к нескольким положительным эффектам:

• Уменьшение силы трения: требуется меньше энергии для поддержания движения, что повышает коэффициент полезного действия (КПД) механизмов.
• Снижение износа: поскольку поверхности не соприкасаются напрямую, предотвращается их истирание, появление царапин и разрушение. Это продлевает срок службы деталей.
• Отвод тепла: трение всегда сопровождается выделением теплоты. Циркулирующая смазка может уносить избыточное тепло из зоны контакта, предотвращая перегрев деталей.
• Защита от коррозии: смазочный материал создает на поверхности защитную пленку, которая препятствует контакту с влагой и кислородом воздуха, защищая металл от ржавчины.

Ответ: Смазку применяют в основном для уменьшения силы трения и снижения износа движущихся частей механизмов.

4. Перечислите известные...

Предполагая, что вопрос касается известных видов трения, можно перечислить следующие:

1. Трение покоя — это сила трения, которая возникает между неподвижными друг относительно друга телами и препятствует началу их движения. Эта сила равна по модулю и противоположна по направлению внешней силе, пытающейся сдвинуть тело, до тех пор, пока эта внешняя сила не превысит максимальное значение силы трения покоя.
2. Трение скольжения — это сила трения, возникающая при скольжении одного тела по поверхности другого. Она всегда направлена в сторону, противоположную направлению движения. Как правило, сила трения скольжения меньше максимальной силы трения покоя.
3. Трение качения — это сила трения, которая возникает, когда одно тело катится по поверхности другого (например, колесо по дороге). Оно обусловлено деформацией как катящегося тела, так и поверхности. Трение качения при прочих равных условиях значительно меньше трения скольжения.
4. Вязкое трение (сопротивление среды) — это сила трения, действующая на тело, которое движется в жидкости или газе. Эта сила зависит от скорости тела, его формы и размеров, а также от свойств самой среды (ее вязкости и плотности).

Ответ: Известные виды трения: трение покоя, трение скольжения, трение качения и вязкое трение (сопротивление жидкости или газа).

3. Зачем применяют смазку?

Решение

Смазку применяют с основной целью — уменьшить силу трения между соприкасающимися поверхностями движущихся деталей. Любые, даже самые гладкие на вид, поверхности имеют микроскопические неровности. Когда одно тело движется по другому, эти неровности цепляются друг за друга, создавая сопротивление, которое мы называем силой трения (сухое трение).

Когда между этими поверхностями вводят смазочный материал (например, машинное масло или густую смазку), он образует тонкую пленку, которая разделяет твердые поверхности. В результате прямой контакт прекращается, и сухое трение заменяется на жидкостное (вязкое) трение — трение между слоями самой смазки. Величина жидкостного трения во много раз меньше, чем сухого.

Кроме основной функции, смазка выполняет и другие важные задачи:
1. Уменьшение износа: разделяя поверхности, смазка предотвращает их истирание и механическое повреждение, что значительно продлевает срок службы деталей.
2. Охлаждение: в процессе трения выделяется тепло. Циркулирующая смазка уносит это тепло от зоны контакта, предотвращая перегрев деталей.
3. Защита от коррозии: смазочный слой создает барьер, который защищает металлические поверхности от воздействия кислорода и влаги из окружающей среды, предотвращая ржавление.
4. Очистка: в некоторых механизмах (например, в двигателе автомобиля) масло смывает продукты износа и другие загрязнения, унося их к фильтру.

Ответ: Смазку применяют для уменьшения силы трения и износа между движущимися частями механизмов. Она заменяет сильное сухое трение на гораздо более слабое жидкостное трение, а также служит для охлаждения деталей, их очистки и защиты от коррозии.

4. Перечислите известные вам виды трения.

Зачем применяют смазку?

Смазку применяют для уменьшения силы трения между соприкасающимися поверхностями движущихся деталей механизмов. Слой смазки (например, масла) разделяет трущиеся поверхности. В результате трение скольжения твердых тел друг о друга (сухое трение) заменяется трением между слоями жидкости (жидкостное трение), которое значительно меньше.

Использование смазки позволяет:

• Уменьшить износ деталей, продлевая срок их службы.
• Снизить потери энергии на преодоление трения, тем самым повышая коэффициент полезного действия (КПД) механизмов.
• Предотвратить перегрев и заклинивание движущихся частей.
• Защитить поверхности от коррозии.

Ответ: Смазку применяют для уменьшения трения, износа деталей, потерь энергии и для защиты от перегрева и коррозии.

4. Перечислите известные вам виды трения.

Существуют следующие основные виды трения:

1. Трение покоя: Это сила, возникающая между поверхностями двух контактирующих тел и препятствующая их относительному движению. Она действует до тех пор, пока тело находится в покое, и равна по модулю внешней силе, пытающейся сдвинуть тело.
2. Трение скольжения: Это сила, возникающая при скольжении одного тела по поверхности другого. Она направлена против вектора скорости относительного движения. Сила трения скольжения обычно меньше максимальной силы трения покоя.
3. Трение качения: Это сила, возникающая при качении одного тела (например, колеса или шара) по поверхности другого. Трение качения, как правило, значительно меньше трения скольжения при тех же условиях.
4. Трение в жидкостях и газах (вязкое трение или сила сопротивления среды): Это сила, которая возникает при движении твердого тела в жидкости или газе. Она зависит от скорости движения тела, его формы и размеров, а также от вязкости среды.

Ответ: Основные виды трения: трение покоя, трение скольжения, трение качения, трение в жидкостях и газах.

5. Опишите возможный способ измерения силы трения.

Измерить силу трения скольжения можно с помощью динамометра. Для этого необходимо провести следующий опыт:

1. Взять тело, например, деревянный брусок, и положить его на горизонтальную поверхность (например, на стол).
2. Прицепить к бруску пружинный динамометр.
3. Тянуть динамометр в горизонтальном направлении так, чтобы брусок двигался по поверхности равномерно и прямолинейно. Равномерное движение означает, что скорость тела постоянна ($v = const$), а ускорение равно нулю ($a = 0$).
4. Зафиксировать показания динамометра во время такого движения.

Согласно второму закону Ньютона, если тело движется без ускорения, то равнодействующая всех приложенных к нему сил равна нулю. В горизонтальном направлении на брусок действуют две силы: сила тяги $F_{тяги}$ со стороны динамометра и сила трения скольжения $F_{тр}$, направленная в противоположную сторону. Поскольку движение равномерное, эти силы уравновешивают друг друга: $F_{тяги} = F_{тр}$.

Таким образом, показания динамометра при равномерном движении бруска будут численно равны силе трения скольжения между бруском и поверхностью.

Ответ: Для измерения силы трения скольжения нужно с помощью динамометра тянуть тело по горизонтальной поверхности с постоянной скоростью. Показание динамометра будет равно искомой силе трения.

5. Опишите возможный способ измерения силы трения.

5. Решение

Для измерения силы трения можно использовать прибор для измерения силы — динамометр. Рассмотрим один из возможных способов — измерение силы трения скольжения.

Необходимое оборудование:

• Динамометр
• Тело, силу трения которого измеряют (например, деревянный брусок)
• Ровная горизонтальная поверхность (например, стол)

Порядок выполнения эксперимента:

1. Положить брусок на горизонтальную поверхность.
2. Прикрепить к бруску крючок динамометра.
3. Начать тянуть динамометр, держа его горизонтально, параллельно поверхности. Необходимо добиться, чтобы брусок двигался равномерно, то есть с постоянной скоростью.
4. Во время равномерного движения бруска зафиксировать показания динамометра.

Физическое обоснование метода:

Согласно первому закону Ньютона, если тело движется прямолинейно и равномерно, то равнодействующая всех приложенных к нему сил равна нулю. В данном эксперименте на брусок в горизонтальной плоскости действуют две основные силы:

• Сила тяги, $F_{тяги}$, с которой динамометр тянет брусок.
• Сила трения скольжения, $F_{тр}$, которая направлена в сторону, противоположную движению.

Поскольку движение равномерное, ускорение равно нулю ($a=0$). Это означает, что силы, действующие в горизонтальном направлении, уравновешивают друг друга. Следовательно, их модули равны:

$F_{тяги} = F_{тр}$

Динамометр измеряет именно силу тяги $F_{тяги}$. Таким образом, его показания при равномерном движении бруска будут численно равны искомой силе трения скольжения.

Стоит отметить, что подобным образом можно измерить и максимальную силу трения покоя. Для этого нужно плавно увеличивать силу тяги, пока брусок не начнет двигаться. Максимальное значение силы, которое покажет динамометр прямо перед началом движения, будет равно максимальной силе трения покоя.

Ответ: Силу трения можно измерить с помощью динамометра. Для этого нужно тянуть тело по горизонтальной поверхности с помощью динамометра. Показание динамометра при равномерном движении тела будет равно силе трения скольжения, а максимальное показание динамометра непосредственно перед началом движения будет равно силе трения покоя.

1. Убедитесь на опыте, что сила трения скольжения зависит от прижимающей силы. (Используйте изготовленный вами ранее динамометр.)

Убедитесь на опыте, что сила трения скольжения зависит от прижимающей силы. (Используйте изготовленный вами ранее динамометр.)

Решение

Для проведения опыта понадобятся: брусок, динамометр, горизонтальная поверхность (например, стол) и набор грузов.

Цель опыта — экспериментально установить зависимость силы трения скольжения ($F_{тр}$) от прижимающей силы. На горизонтальной поверхности прижимающая сила равна силе тяжести, действующей на тело и грузы, и по модулю равна силе нормальной реакции опоры ($N$).

Ход работы:

1. Положим брусок на горизонтальную поверхность. Прикрепим к нему динамометр.

2. Будем тянуть брусок с помощью динамометра так, чтобы он двигался равномерно и прямолинейно. Зафиксируем показание динамометра — это будет сила трения скольжения $F_{тр1}$. В данном случае прижимающая сила равна весу бруска $P_1$, а сила нормальной реакции опоры $N_1 = P_1$.

3. Поставим на брусок один груз. Это увеличит общую массу, а следовательно, и прижимающую силу. Сила нормальной реакции опоры станет $N_2 > N_1$.

4. Снова измерим силу трения, равномерно перемещая брусок с грузом. Запишем новое значение силы трения $F_{тр2}$.

5. Повторим измерения, добавляя на брусок еще грузы (два, три и т.д.), каждый раз увеличивая прижимающую силу ($N_3, N_4, \dots$) и измеряя соответствующую силу трения скольжения ($F_{тр3}, F_{тр4}, \dots$).

Анализ результатов:

Сравнивая результаты измерений, мы обнаружим, что с увеличением прижимающей силы (при добавлении грузов), сила трения скольжения также возрастает. Мы получим, что $F_{тр1} < F_{тр2} < F_{тр3} < \dots$ при увеличении силы нормальной реакции опоры $N_1 < N_2 < N_3 < \dots$.

Это наблюдение подтверждает, что сила трения скольжения прямо пропорциональна прижимающей силе. Данная зависимость описывается формулой $F_{тр} = \mu N$, где $\mu$ — коэффициент трения скольжения, а $N$ — сила нормальной реакции опоры (которая на горизонтальной поверхности равна прижимающей силе).

Ответ: В ходе опыта было установлено, что при увеличении прижимающей силы (путем размещения грузов на скользящем теле) сила трения скольжения также увеличивается. Это доказывает, что сила трения скольжения напрямую зависит от прижимающей силы.

2. Придумайте способы уменьшения силы трения скольжения при движении книги по столу. Как увеличить силу трения?

Сила трения скольжения, возникающая при движении тела по поверхности, описывается формулой:$F_{тр} = \mu \cdot N$,где $\mu$ – это коэффициент трения скольжения между соприкасающимися поверхностями, а $N$ – сила нормальной реакции опоры. Для книги, лежащей на горизонтальном столе, сила нормальной реакции опоры равна по модулю силе тяжести, действующей на книгу: $N = mg$, где $m$ – масса книги, а $g$ – ускорение свободного падения. Таким образом, формула для силы трения в нашем случае выглядит так:$F_{тр} = \mu \cdot mg$.Исходя из этой формулы, для изменения силы трения необходимо воздействовать либо на коэффициент трения $\mu$, либо на силу нормальной реакции $N$ (которая зависит от массы $m$ и внешних сил).

Придумайте способы уменьшения силы трения скольжения при движении книги по столу.

Для уменьшения силы трения необходимо либо уменьшить коэффициент трения $\mu$ между обложкой книги и столешницей, либо уменьшить силу нормальной реакции $N$.

Способы уменьшения коэффициента трения ($\mu$):

• Смазка поверхностей. Если нанести на стол или обложку книги тонкий слой смазки (например, масла, воска, воды), то между трущимися поверхностями образуется разделяющий слой. Этот слой уменьшает прямое сцепление неровностей поверхностей, что приводит к значительному снижению коэффициента трения.
• Шлифовка и полировка. Поверхности стола и обложки книги можно сделать более гладкими. Чем меньше шероховатость, тем меньше неровностей, которые могут цепляться друг за друга при движении, и, соответственно, тем ниже коэффициент трения.
• Замена трения скольжения трением качения. Можно подложить под книгу несколько круглых предметов, например, карандашей или шариков. Книга будет катиться по ним, а не скользить по столу. Сила трения качения всегда значительно меньше силы трения скольжения.

Способы уменьшения силы нормальной реакции ($N$):

• Частичная компенсация силы тяжести. Если во время движения книги по столу слегка приподнимать ее, прикладывая силу, направленную вверх (но не отрывая от поверхности), то сила давления книги на стол уменьшится. Это приведет к уменьшению силы нормальной реакции $N$, и, как следствие, к уменьшению силы трения.

Ответ: Для уменьшения силы трения можно отполировать поверхности стола и книги, нанести между ними смазку, заменить трение скольжения на трение качения (например, с помощью карандашей) или уменьшить силу, с которой книга давит на стол (например, слегка приподнимая ее).

Как увеличить силу трения?

Для увеличения силы трения необходимо, наоборот, увеличить либо коэффициент трения $\mu$, либо силу нормальной реакции $N$.

Способы увеличения коэффициента трения ($\mu$):

• Увеличение шероховатости поверхностей. Можно сделать поверхности более грубыми. Например, положить на стол лист наждачной бумаги или обернуть книгу в материал с грубой текстурой (например, ткань). Чем больше неровности, тем сильнее сцепление поверхностей и выше коэффициент трения.
• Очистка поверхностей. Если между книгой и столом есть пыль или жировая пленка, которые могут действовать как смазка, их удаление приведет к увеличению трения.

Способы увеличения силы нормальной реакции ($N$):

• Увеличение массы. Если на книгу, которую мы двигаем, положить дополнительный груз (например, еще несколько книг), общая масса $m$ увеличится. Это увеличит силу тяжести и, соответственно, силу нормальной реакции $N$, что приведет к росту силы трения.
• Приложение внешней силы. Если при движении книги дополнительно прижимать ее к столу рукой, то общая сила, действующая на стол перпендикулярно поверхности, возрастет. Это увеличит силу нормальной реакции $N$ и, как следствие, силу трения.

Ответ: Для увеличения силы трения можно увеличить шероховатость соприкасающихся поверхностей (например, подложив наждачную бумагу) или увеличить силу давления книги на стол (положив сверху дополнительный груз или прижимая книгу рукой).

3. Докажите на опыте, что сила трения скольжения зависит от материала соприкасающихся поверхностей.

Докажите на опыте, что сила трения скольжения зависит от материала соприкасающихся поверхностей.

Для доказательства зависимости силы трения скольжения от материала соприкасающихся поверхностей необходимо провести эксперимент, в котором измеряется сила трения при движении одного и того же тела по разным поверхностям, сохраняя все остальные условия неизменными.

Цель опыта: Экспериментально установить зависимость силы трения скольжения от рода (материала) трущихся поверхностей.

Оборудование: динамометр, деревянный брусок с крючком, различные горизонтальные поверхности, например: гладкая деревянная доска, лист наждачной бумаги, стеклянная пластина.

Теоретическое обоснование:
Сила трения скольжения, возникающая при движении одного тела по поверхности другого, определяется формулой: $F_{тр} = \mu \cdot N$, где $F_{тр}$ – сила трения скольжения, $N$ – сила нормальной реакции опоры, а $\mu$ – коэффициент трения скольжения. Коэффициент трения $\mu$ характеризует свойства соприкасающихся поверхностей. Чтобы доказать, что сила трения зависит от материала, нужно показать, что при неизменной силе $N$ сила трения $F_{тр}$ меняется при смене поверхностей, что будет означать изменение коэффициента $\mu$.

Ход опыта:
1. Положим деревянный брусок на горизонтально расположенную гладкую деревянную доску.
2. Зацепим брусок крючком динамометра. Будем тянуть динамометр горизонтально, стараясь двигать брусок по доске равномерно и прямолинейно.
3. Согласно первому закону Ньютона, при равномерном движении сила тяги, которую показывает динамометр, будет равна по модулю силе трения скольжения ($F_{тяги} = F_{тр}$). Зафиксируем это показание динамометра как $F_{тр1}$.
4. Теперь заменим поверхность. Положим на стол лист наждачной бумаги и повторим опыт, передвигая по нему тот же самый деревянный брусок. Снова измерим силу тяги $F_{тр2}$, необходимую для равномерного движения.
5. Проведем третий опыт, используя в качестве поверхности стеклянную пластину. Измерим силу трения скольжения $F_{тр3}$ для пары "дерево-стекло".

Анализ результатов и вывод:
В ходе всех частей эксперимента мы использовали один и тот же брусок, поэтому его масса $m$ и, следовательно, сила тяжести $mg$ были постоянны. Так как поверхность была горизонтальной, сила нормальной реакции опоры $N$ была равна по модулю силе тяжести ($N=mg$) и также оставалась постоянной.
Сравнивая полученные результаты измерений, мы, скорее всего, обнаружим, что $F_{тр2} > F_{тр1} > F_{тр3}$ (сила трения о наждачную бумагу окажется наибольшей, а о стекло — наименьшей).
Поскольку сила нормальной реакции $N$ была одинаковой во всех опытах, а сила трения $F_{тр}$ изменилась, можно сделать вывод, что коэффициент трения $\mu$ зависит от материалов соприкасающихся поверхностей. Следовательно, и сама сила трения скольжения зависит от материала поверхностей.

Ответ:

Чтобы доказать на опыте зависимость силы трения скольжения от материала поверхностей, необходимо провести измерения силы трения для одного и того же тела на разных поверхностях. Для этого нужно взять брусок, динамометр и несколько различных по материалу горизонтальных поверхностей (например, дерево, наждачная бумага, стекло). Прикрепив динамометр к бруску, следует равномерно тянуть его по каждой из поверхностей и записывать показания динамометра. Поскольку брусок один и тот же, сила нормальной реакции $N$ во всех случаях будет одинакова. При равномерном движении измеряемая сила тяги равна силе трения $F_{тр}$. Эксперимент покажет, что для разных поверхностей сила трения будет разной (например, для наждачной бумаги — больше, для стекла — меньше). Так как $F_{тр} = \mu N$ и $N = \text{const}$, различие в силе трения доказывает, что коэффициент трения $\mu$, а значит и сама сила трения, зависит от материалов соприкасающихся поверхностей.