Номер 2, страница 109 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

2. В каких случаях работа силы положительна; отрицательна; равна нулю? Приведите примеры.

1. Что называют работой силы?

В физике работой силы называют скалярную физическую величину, являющуюся количественной характеристикой действия силы на тело, которое приводит к изменению положения этого тела в пространстве. Работа силы зависит от модуля и направления этой силы, а также от перемещения точки ее приложения.

Если на тело действует постоянная сила $\vec{F}$, и тело совершает прямолинейное перемещение $\vec{s}$, то работа $A$ этой силы определяется как скалярное произведение вектора силы на вектор перемещения, или, что то же самое, как произведение модулей этих векторов на косинус угла между ними:

$A = F \cdot s \cdot \cos(\alpha)$

где $F$ — модуль силы, $s$ — модуль перемещения, а $\alpha$ — угол между векторами силы $\vec{F}$ и перемещения $\vec{s}$.

Единицей измерения работы в Международной системе единиц (СИ) является Джоуль (Дж). 1 Джоуль равен работе, совершаемой силой в 1 Ньютон при перемещении тела на 1 метр в направлении действия силы.

Ответ: Работой силы называют скалярную физическую величину, равную произведению модуля силы на модуль перемещения точки приложения силы и на косинус угла между векторами силы и перемещения ($A = F \cdot s \cdot \cos(\alpha)$). Она характеризует процесс действия силы, приводящий к перемещению тела.

2. В каких случаях работа силы положительна; отрицательна; равна нулю? Приведите примеры.

Знак работы силы, вычисляемой по формуле $A = F \cdot s \cdot \cos(\alpha)$, зависит от знака косинуса угла $\alpha$ между вектором силы $\vec{F}$ и вектором перемещения $\vec{s}$.

Работа силы положительна

Работа является положительной ($A > 0$), если угол $\alpha$ между направлением силы и направлением перемещения является острым ($0^\circ \le \alpha < 90^\circ$). В этом случае $\cos(\alpha) > 0$. Это означает, что сила (или ее проекция на направление движения) сонаправлена с перемещением и способствует движению тела.

Пример: Когда лошадь тянет сани, сила тяги направлена вперед, в сторону движения саней, поэтому ее работа положительна. Работа силы тяжести, действующей на падающий с высоты камень, также положительна, так как сила тяжести и перемещение направлены в одну сторону (вниз).

Работа силы отрицательна

Работа является отрицательной ($A < 0$), если угол $\alpha$ между направлением силы и направлением перемещения является тупым ($90^\circ < \alpha \le 180^\circ$). В этом случае $\cos(\alpha) < 0$. Это означает, что сила (или ее проекция) направлена в сторону, противоположную перемещению, и препятствует движению тела.

Пример: Работа силы трения скольжения всегда отрицательна, так как сила трения направлена против движения. Например, когда автомобиль тормозит, работа силы трения колес о дорогу отрицательна. Также отрицательна работа силы тяжести при подбрасывании мяча вверх, так как сила тяжести направлена вниз, а мяч движется вверх (угол $180^\circ$).

Работа силы равна нулю

Работа равна нулю ($A = 0$) в трех основных случаях:

1. Сила, действующая на тело, равна нулю ($F=0$).

2. Тело не перемещается, то есть его перемещение равно нулю ($s=0$).

3. Сила перпендикулярна перемещению, то есть угол $\alpha$ между ними равен $90^\circ$. В этом случае $\cos(90^\circ) = 0$.

Примеры: Если человек держит в руках тяжелый груз, но не двигается с места, работа силы, с которой он действует на груз, равна нулю, так как перемещение отсутствует ($s=0$). Работа силы тяжести, действующей на искусственный спутник, который движется по круговой орбите вокруг планеты, равна нулю. Это связано с тем, что сила тяжести (выполняющая роль центростремительной силы) в любой точке траектории перпендикулярна вектору скорости и, следовательно, мгновенного перемещения ($\alpha = 90^\circ$).

Ответ: Работа положительна, когда угол между силой и перемещением острый ($0^\circ \le \alpha < 90^\circ$). Работа отрицательна, когда этот угол тупой ($90^\circ < \alpha \le 180^\circ$). Работа равна нулю, если сила равна нулю, перемещение равно нулю, или если сила перпендикулярна перемещению ($\alpha = 90^\circ$).