DANE INFORMACYJNE

2. DANE INFORMACYJNE • Nazwa szkoły: • Publiczne Gimnazjum im. Polskich Noblistów w Drążnej • ID grupy: 98_52_mf_g1 • Opiekun: Edyta Selka • Kompetencja: matematyczno - fizyczna • Temat projektowy: Czy wszystkie ciała przyciągają się wzajemnie? • Semestr/rok szkolny: • III / 2010/2011

3. CEL PROJEKTU poznanie pojęcia siły i zjawiska oddziaływania ciał, przeprowadzenie eksperymentów ukazujących siły występujące w przyrodzie, poznanie zasad dynamiki Newtona, nabywanie współpracy międzyszkolnej, zrozumienie przebiegu procesów różnych oddziaływań, kształcenie umiejętności wyszukiwania i selekcjonowania informacji z różnych źródeł.

4. Siła jako miara wzajemnego oddziaływania ciał na siebie • Wszystkie oddziaływania są wzajemne. Oddziaływania między różnymi ciałami mogą mieć charakter przyciągania lub odpychania. • Oddziaływania występujące pomiędzy dwoma magnesami nazywamy oddziaływaniami magnetycznymi. • Oddziaływania między potartą laską a skwarkami papieru, między potartymi balonami nazywamy oddziaływaniem elektrostatycznym. • Oddziaływanie występujące podczas rozciągania gumki lub sprężyny nazywamy oddziaływaniem sprężystym. • Pomiędzy Ziemią a spadającymi ciałami występuje wzajemne przyciąganie, które nazywamy oddziaływaniem grawitacyjnym.

5. Rodzaje oddziaływań a) Bezpośrednie Mechaniczne b) Na odległość Magnetyczne Elektrostatyczne Grawitacyjne Skutki oddziaływań a) Statyczne b) Dynamiczne Skutki statyczne – związane ze zmianą kształtu ciała (np. lepienie bałwana ze śniegu, rozciąganie sprężyny) Skutki dynamiczne – związane z ruchem ciała (wprawianie w ruch ciała, które spoczywało np. kopnięcie piłki)

6. Pierwsza zasada dynamiki Jeżeli na ciało nie działa żadna siła, to pozostaje ono w spoczynku lub porusza się ruchem jednostajnym po linii prostej. Przykład: Ruch pocisku karabinowego po krótkim odcinku drogi jest w przybliżeniu prostoliniowy i jednostajny. Na większej powierzchni tor pocisku odchyla się od linii prostej pod wpływem przyciągania ziemskiego. Prędkość pocisku w kierunku poziomym zmienia się bardzo powoli tylko wskutek oporu powietrza. Do prędkości tej dodaje się prędkość nabywaną w kierunku pionowym w dół pod wpływem przyciągania Ziemi. Pierwszą zasadę dynamiki podał Izaak Newton w swoim dziele Matematyczne zasady filozofii przyrody, wydanym w 1687 roku. Druga zasada dynamiki Jeżeli na ciało działa siła, to porusza się ono z przyspieszeniem, którego wartość jest proporcjonalna do wartości działających sił, a odwrotnie proporcjonalna do masy ciała.

7. TRZECIA ZASADA DYNAMIKI JEŻELI CIAŁO A DZIAŁA NA CIAŁO B PEWNĄ SIŁĄ F1, TO CIAŁO B DZIAŁA NA CIAŁO A SIŁĄ F2 O TKIEJ SAMEJ WARTOŚCI, TAKIM SAMYM KIERUNKU, ALE PRZECIWNYM ZWROCIE. TARCIE KINETYCZNE Gdy ciało przesuwa się po podłożu, to działa na nie siła tarcia kinetycznego, która jest zwrócona przeciwnie do wektora prędkości.Siła ta hamuje ruch ciała i tym samym jest przyczyną opóźnienia. Jej wartość wyrażamy wzorem: T= f⋅ N.T – wartość siły tarcia kinetycznego, f – współczynnik tarcia kinetycznego zależny od rodzaju stykających się powierzchni, N – wartości siły nacisku działającej prostopadle do powierzchni, po której przesuwa się ciało. .

8. TARCIE STATYCZNE Tarcie statyczne to siła działająca między ciałem spoczywającym na powierzchni, a tą powierzchnią. Siła tarcia statycznego rośnie wraz z siłą, która chce wprowadzić ciało w ruch. Maksymalna wartość siły tarcia statycznego zależy od rodzaju powierzchni i siły nacisku ciała na powierzchnię. Ciało zacznie się poruszać dopiero wtedy, gdy siła pokona maksymalną siłę tarcia statycznego. SIŁA SPRĘŻYSTOŚCI Siła sprężystości – siła, która powoduje powrót odkształconego ciała do pierwotnego kształtu lub objętości. Dla małych odkształceń siła sprężystości jest proporcjonalna dla odkształcenia, co wyraża prawo Hooke’a, które dla odkształcenia linowego można wyrazić wzorem: F =-k ∆x ∆x – zmiana długości (wydłużenie lub skrócenie) ciała , F- siła sprężystości, k – współczynnik sprężystości sprężyny wyrażany N/m. Minus we wzorze oznacza, że siła sprężystości ma zwrot przeciwny do zwrotu zmiany długości ciała. Dlatego powoduje jej powrót do pierwotnego kształtu.

9. SIŁA ELEKTROSTATYCZNA Siła wzajemnego oddziaływania dwóch naelektryzowanych kulek jest wprost proporcjonalna do iloczynu ich ładunków i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między ich środkami.Ładunki jednoimienne odpychają się, a różnoimienne przyciągają się.

10. SIŁA MAGNETYCZNA Siły magnetyczne są jednymi z podstawowych sił w naturze. Oddziaływania magnetyczne odbywają się za pośrednictwem pola magnetycznego, które w skali makroskopowej wytwarzane jest na skutek ruchu ładunków elektrycznych lub prądu elektrycznego. Stały prąd elektryczny wywołuje statyczne pole magnetyczne, natomiast zmienny prąd elektryczny powoduje powstanie nierozerwalnie związanego z nim zmiennego pola magnetycznego (takie podwójne pole nosi nazwę pola elektromagnetycznego). Magnetyzm makroskopowy jest przyczyną istnienia ziemskiego pola magnetycznego. We wnętrzu Ziemi istnieje roztopione jądro, w którym występują prądy konwekcyjne. Prądy takie unoszą ze sobą olbrzymie ilości wolnych elektronów, które równoważne z prądem elektrycznym, który z kolei skutkuje powstaniem otaczającego pola magnetycznego. MATERIAŁY MAGNETYCZNE Wszystkie znane pierwiastki, związki chemiczne i materiały mogą zostać sklasyfikowane na podstawie ich właściwości magnetycznych. Każdy pierwiastek wykazuje jeden z typów magnetycznych: diamagnetyzm, paramagnetyzm, ferromagnetyzm lub ferrimagnetyzm.

11. SIŁA CIĄGU Siła ciągu – siła będąca wynikiem działania silnika pojazdu, obiektu pływającego lub latającego. Przykłady: Siła ciągu silnika samochodowego Siła śruby okrętowej Siła ciągu silnika rakiety SIŁA NOŚNA Siła nośna – siła działająca na ciało poruszające się w płynie (gazie lub cieczy) , prostopadła do kierunku ruchu. Przykłady: siła nośna działa na: Na skrzydła samolotu Na żagiel jachtu

12. SIŁY JĄDROWE Siły jądrowe – siły , które wiążą ze sobą protony i neutrony w jądrze atomowym. Są szczególnym przypadkiem oddziaływań silnych. Właściwości sił jądrowych: Krótki zasięg Są siłami przyciągającymi, dla bardzo małych odległości między nukleonami stają się siłami odpychającymi W przybliżeniu siły p – p , n – p ,n – n są równe. Występują tylko w jadrach atomowych, bo są krótkozasięgowe Wykazują niezależność od ładunku elektrycznego Występują tylko pomiędzy nukleonami Mają charakter dwuciałowy, tzn. obecność innych nukleonów ma niewielki wpływ na oddziaływanie pary nukleonów Wykazują tzw. wysycenie: za pomocą sił jądrowych oddziałują na siebie tylko najbliżej leżące neutrony

13. SIŁY WYPORU Siła wyporu – siła działająca na ciało zanurzone w płynie czyli cieczy lub gazie w obecności ciążenia. Jest skierowana pionowo do góry – przeciwnie do ciężaru. Wartość siły wyporu jest równa ciężarowi płynu wypartego przez to ciało. F = ρ ∙ g ∙ V gdzie: ρ – gęstość ośrodka, w którym znajduje się ciało, g – przyspieszenie grawitacyjne, V – objętość wypieranego płynu równa objętości części ciała zanurzonego w płynie. Dzięki sile wyporu statki wodne i inne ciała unoszą się na powierzchni wody, a balony i sterowce unoszą się w powietrzu.

14. PRZELICZANIE JEDNOSTEK Podstawową jednostką prędkości jest 1 m/s x = v ∙ t Jedna godzina (1h) ma 3600s, to 1 godzina ma 60 minut, a 1 minuta ma 60 sekund. Stad: 1h= 60 ∙ 60s = 3600s. Ciało poruszające się z prędkością o wartości v = 1 m/s w ciągu jednej godziny (t = 1h = 3600s) przesunie się o: x = 1m/s ∙ 3600s = 3600m = 3,6km. Pamiętamy , że 1km = 1000m, więc prędkość 1m/s = 3,6 km/h Odwrotnie: 1km/h = 1000m/3600s = 0,278m/s

15. ODDZIAŁYWANIA MIĘDZYCZĄSTECZKOWE Oddziaływania międzycząsteczkowe, oddziaływania międzymole-kularne, wzajemne przyciąganie albo odpychanie cząsteczek lub atomów niezwiązanych ze sobą wiązaniami chemicznymi; energia oddziaływań międzycząsteczkowych jest 10–100 razy mniejsza od energii wiązań chemicznych kowalencyjnych i zwykle osiąga wartość kilkunastu–kilkudziesięciukJ/mol; przejawem oddziaływań międzycząsteczkowych są takie procesy jak m.in.: tworzenie kompleksów międzymolekularnych, zmiany stanu skupienia, powstawanie nowych faz (np. tworzenie się ciekłych kryształów), oraz występowanie takich zjawisk, jak np. lepkość, napięcie powierzchniowe, adhezja, kohezja; niekiedy w znaczeniu oddziaływań międzycząsteczkowych stosuje się termin siły międzycząsteczkowe lub siły van der Waalsa.

16. DOŚWIADCZENIA DOŚWIADCZENIE 1 - PRZYSPIESZENIE ZIEMSKIE Do doświadczenia potrzebny jest jeden wałeczek plasteliny. Dzielimy plastelinę na dwa jednakowe kawałki i lepimy z nich dwie jednakowe kulki. Puszczamy swobodnie jednocześnie kulki z tej samej wysokości. Wsłuchujemy się, czy słychać jeden, czy dwa następujące po sobie stuknięcia o podłogę. Następnie puszczamy kulki z różnych wysokości, obserwujemy ich spadanie.Wniosek: Przyspieszenie swobodnie spadających ciał nie zależy od jego masy. DOŚWIADCZENIE 2 – BADANIE ODDZIAŁYWANIA MAGNESÓW. W dwóch małych słoikach z nakrętkami umieszczamy dwa magnesy ferrytowe. Słoiki kładziemy na powierzchni wody w miednicy i obserwujemy ich zachowanie. Wnioski: Stwierdzamy, że na skutek oddziaływania pomiędzy magnesami, oba słoiki jednocześnie zaczynają płynąć ku sobie. Widać stąd, że jeżeli pierwsze z tych ciał oddziałuje na drugie, to i drugie oddziałuje na pierwsze.

17. DOŚWIADCZENIE 3 – BADANIE SIŁY TARCIA Na stole kładziemy klocek, obciążony odważnikiem. Do klocka za pomocą cienkiego sznurka przymocowujemy siłomierz. Ciągniemy siłomierzem klocek, zwiększając stopniowo wartość siły. Wnioski: W doświadczeniu obserwujemy, że na początku, dla małych sił, klocek się nie porusza. Jeżeli klocek się nie porusza, oznacza to, że wypadkowa działających na niego sił jest równa zero. Podłoże działa na klocek siłą F2, która ma ten sam kierunek, tę samą wartość, ale przeciwny zwrot. Siłę tę nazywamy siłą tarcia statycznego. DOŚWIADCZENIE 4 –BADANIE SWOBODNEO SPADANIA CIAŁ Kilka jednakowych kulek wiążemy grubą nicią. Długość może wynosić l=30cm, wtedy 4l = 120cm, 9l = 270cm itd. Trzymając za najwyższą kulkę rozciągamy całość tak, aby dolna kulka dotykała podłoża. Puszczamy najwyższą kulkę i słuchamy, w jakich odstępach czasu, kolejne kulki upadają na ziemię. Wnioski: Obserwujemy, że kolejne kulki upadają na podłogę w równych odstępach czasu. Potwierdza się, że opory powietrza nie mają istotnego wpływu na ruch ciała, to nasze ciało puszczone swobodnie pod wpływem siły przyciągania ziemskiego spada ruchem jednostajnie przyspieszonym.

18. DOŚWIADCZENIE 5 – SIŁA WZAJEMNEGO ODPYCHANIA NAEELEEKTRYZOWANYCH BALONIKÓW. Do doświadczenia użyliśmy dwa balony napełnione powietrzem, grubą nić, której długość była równa szerokości klasy, papier i sukno. Na nici zawieszamy dwa balony na jednakowych nitkach. Elektryzujemy baloniki przez potarcie papierem lub suknem. Zbliżamy baloniki do siebie. Wniosek: W miarę zbliżania baloników do siebie wzrastają kąty odchylenia nitek od pionu. Świadczy to o tym, że rośnie wartość siły wzajemnego odpychania się ładunków znajdujących się na balonikach. DOŚWIADCZENIE 6 – JAK ZACHOWUJĄ SIĘ CIAŁA NAELEKTRYZOWANE? Zawieszamy laskę szklaną na lince To samo wykonujemy z laskami ebonitowymi . Do jej naelektryzowanego końca zbliżamy naelektryzowany koniec drugiej laski szklanej. Obserwujemy jak zachowuje się laska zawieszona na lince. Wnioski: Doświadczenie pokazuje, na pojawienie się pewnych właściwości ciał naelektryzowanych. Ciała te wzajemnie na siebie oddziałują w dwojaki sposób: przyciągają się lub odpychają się, a więc ciała naelektryzowane mają pewną właściwość zwaną ładunkiem elektrycznym.

19. DOŚWIADCZENIE 7 – JAK SĄ SKIEROWANE SIŁY ODDZIAŁYWANIA BIEGUNÓW MAGNETYCZNYCH. Zbliżamy biegun S magnesu do bieguna N igły magnetycznej. Obserwujemy zachowanie się igły. Powtarzamy doświadczenie zbliżając biegun N magnesu do bieguna S igły, a następnie biegun S do S lub N do N. Wnioski: Zauważamy, że bieguny różnoimienne przyciągają się, jednoimienne odpychają się. DOŚWIADCZENIE 8 – WYZNACZANIE SIŁY WYPORU DZIAŁAJĄCEJ NA PROSTOPADŁOŚCIAN. Do doświadczenia potrzebne są dwa różne prostopadłościany. Mierzymy siłę F1 przyciągania ziemskiego zawieszając prostopadłościan na siłomierzu. Następnie zanurzmy prostopadłościan w wodzie i mierzymy siłę F2. Obliczmy siłę wyporu. F= F1 – F2 Wniosek: Dla ciał, które mają taką samą objętość, ale wykonane są z różnych substancji, siła wyporu jest taka sama. Siła wyporu nie zależy od rodzaju substancji, z której wykonane jest ciało zanurzone w cieczy.

26. ZADANIA Zadanie 1 Jak zmieni się wartość siły wzajemnego oddziaływania dwóch ciał naelektryzowanych jeśli iloczyn ładunków tych ciał wzrośnie 4 razy. Zadanie 2 Jak zmieni się wartość siły wzajemnego oddziaływania dwóch ciał naelektryzowanych jeśli zmniejszymy odległość trzy krotnie między tymi ciałami Zadanie 3 Jak zmieni się wartość siły wzajemnego oddziaływania dwóch ciał naelektryzowanych jeśli ładunek jednego ciała wzrośnie 2 krotnie, a drugiego 3 krotnie. Zadanie 4 Jak zmieni się wartość siły wzajemnego oddziaływania dwóch ciał naelektryzowanych jeśli ładunek jednego ciała wzrośnie 4 razy, a drugiego zmaleje 3 razy oraz odległość wzrośnie 2 razy.

27. Zadanie 5 Oblicz siłę wyporu działającą na nurka pływającego w Morzu Bałtyckim, gdzie gęstość wody latem wynosi 1003,5 kg/m3. Przyjmij, że objętość ciała nurka wynosi 0,06 m3. Zadanie 6 Spadające swobodnie ciało po 2s osiągnęło prędkość 20m/s. Jaka była wartość przyspieszenia tego ciała? Zadanie 7 Oblicz siłę wyporu działającą na sześcienną kostkę o krawędzi 5 cm zanurzoną w alkoholu etylowym. Gęstość alkoholu wynosi 791 kg/m3 . Zadanie 8 Oblicz czas swobodnego spadku metalowej kulki z wysokości 20m. Przyjmij wartość przyspieszenia ziemskiego g = 10m/s2 i pomiń opór powietrza.

28. OBLICZANIE CIEPŁA WŁAŚCIWEGO ŻELAZA NA PODSTAWIE WYNIKÓW POMIARU. Sprzęt: kalorymetr, termometr, zimna woda, naczynie z wrzącą wodą, nitka, sztabka żelaza. Opis doświadczenia: Wyznaczamy masę m badanego ciała za pomocą wagi Umieszczamy badane ciało, uwiązane na nitce, we wrzącej wodzie. Po odczekaniu odpowiedniego czasu będzie ono miało temperaturę t1 = 100oC Odważamy pewną masę zimnej wody mw i wlewamy do kalorymetru. Mierzymy temperaturę tej wody t2 Wyjmujemy z wrzącej wody badane ciało i przenosimy do wody w kalorymetrze. Czekamy chwilę, aż temperatura wody i ciała się wyrówna. Mierzymy temperaturę wody z badanym ciałem t3

29. Obliczamy różnicę temperatur. ∆ tw = t3 – t2 = 29,5oC – 20oC = 9,5oC Następnie obliczamy ∆E = 4200J/ kg∙ oC ∙0,2 kg ∙ 9,5oC = 7980J Obliczamy różnicę temperatur żelaza ∆t = t1 – t3 = 100oC – 29,5oC = 70,5oC Ostatecznie uzyskujemy: C= ∆E/m ∙∆t = 7980J/0,25kg∙70,5oC= 450J/kg ∙ oC

30. OBLICZENIA W doświadczeniu energię pobierała woda. Ilość energii obliczamy stosując wzór: ∆E = cw ∙ mw ∙ ∆tw gdzie: cw – ciepło właściwe wody cw = 4000J/kg∙oC mw – masa wody ∆tw – zmiana temperatury wody Do obliczenia ciepła właściwego stosujemy wzór c = ∆E/ m∆t gdzie: ∆t - zmiana temperatury żelaza m – masa żelaza DANE: Woda mw = 0,2kg, t2 – 20oC (temperatura początkowa), t3 – 29,5oC (temperatura końcowa) Żelazo m = 0,25kg, t1 – 100oC , t3 – 29,5oC