Самостоятельная работа ученика
1. Прочитать объяснение:
В обыденной жизни, произнося слово «работа», мы можем иметь в виду совершенно различные действия. Мы говорим: «Работает грузчик, работает врач, работает холодильник, работает магазин» и т. д. В ходе этого урока вы узнаете, что означает слово «работа» в физике.
Определение работы как физической величины
В физике термин «работа» связан с действием силы и полученным в процессе этого действия перемещением тела. Например, грузчик поднимает груз на некоторую высоту. Грузчик действует на груз с помощью мускульных усилий, и груз перемещается. Мяч под действием силы тяжести падает на землю. На мяч действует сила тяжести, и мяч перемещается. Во всех этих случаях совершается механическая работа.
Механическая работа (работа силы) – это физическая величина, прямо пропорциональная приложенной к телу силе и пройденному телом пути. Более строгое определение работы звучит так.
Работой силы называется физическая величина, равная произведению модуля силы на величину перемещения тела в направлении действия силы.
Для того чтобы рассчитать работу, нам необходимо перемножить численное значение приложенной к телу силы F и путь, пройденный телом в направлении действия силы S. Работа обозначается латинской буквой А.
Вспомним, что сила измеряется в ньютонах, а путь – в метрах. Следовательно, единицей работы будет ньютон, умноженный на метр. Однако работа является столь важной в физике величиной, что у нее есть собственная единица измерения. Она названа в честь английского физика Джеймса Джоуля и называется джоуль (Дж).
Итак, если под действием силы в 1 ньютон тело переместилось на 1 метр, то данной силой совершена работа 1 джоуль.
Условия, необходимые для совершения работы
Для совершения работы необходимо не только, чтобы на тело действовала сила, но и при этом происходило перемещение тела (рис. 1).
Рис. 1. Работа совершается только тогда, когда тело, на которое действует сила, перемещается
Сила, действующая на тело, может и не совершать работу. Если, например, вы пытаетесь сдвинуть с места тяжелый шкаф, то сила, с которой вы действуете на шкаф, работу не совершает, поскольку перемещение шкафа равно нулю (рис. 2).
Рис. 2. Сила действует, а тело не перемещается. В этом случае работа равна нулю
Если космонавт, например, в открытом космосе оттолкнет от себя предмет и предмет будет удаляться от него, то хотя предмет и перемещается, но работу космонавт после толчка не совершает, так как сила, с которой он действует на предмет, равна нулю. Предмет движется по инерции (рис. 3).
Рис. 3. Тело после толчка перемещается, но работа при этом не совершается, поскольку космонавт не действует на тело силой
Таким образом, для того чтобы совершалась работа, на тело должна действовать сила и тело при этом должно перемещаться.
Пример решения задачи
Какая работа совершается при подъеме гранитной плиты объемом 2 м3 на высоту 12 м?
Прежде всего запишем условие задачи. Поскольку работа будет совершаться против силы тяжести, которая определяется массой тела, а в условии дан объем плиты, то для решения нам понадобится знать плотность гранита (рис. 4).
Рис. 4. Краткое условие задачи
Для нахождения работы необходимо силу, приложенную к телу для его подъема, умножить на пройденный телом путь. Путь, пройденный телом, – это высота, на которую его подняли (Путь обозначаем буквой S. Но при движение по вертикали путь мы обычно называем высотой, на которую поднято тело. В математике высоту обозначают буквой h. Поэтому путь при движении по вертикали можно обозначить буквой h. Именно такое обозначение вы увидете в примере решения задачи в п.55 нашего учебника)
При равномерном подъеме тела сила, приложенная к нему, равна силе тяжести.
Для нахождения массы тела умножим его объем на плотность гранита.
После двух подстановок получим рабочую формулу для вычисления работы.
Проведем анализ размерности результата. В формулу вместо чисел подставляем единицы измерения - вместо плотности – кг/м3, вместо объёма – м3 , вместо постоянной g- Н/кг, вместо пути –м. В числителе и знаменателе есть одинаковые единицы измерения: кг и м3. Их сокращаем и остается: Н*м. Сегодня вы узнали, что эта единица называется Джоулем.
Метод анализа размерности позволяет проверить правильность формулы, которую ученик выводит, решая задачу. Если бы у нас вместо Джоуля получилась другая единица - кг или м(или что-то другое, но не единица измерения Работы), это значило, что совершена ошибка при выводе формулы.
Теперь можно подставлять числовые данные в конечную формулу.
.
Окончательный ответ удобно представить в килоджоулях.
Ответ: работа по подъему плиты равна 624 кДж.
На рис. 5 – образец оформления задачи в тетради. Обратите внимание, что если проведен анализ размерности, то при вычислениях рядом с числами единицы измерения не пишут. Если такой работы в решении нет, то как всегда рядом с каждым числом записываем единицу измерения (смотр пример решения задачи в п.55).
Анализ размерности при решении задач делать необязательно, но знать этот метод и применять его каждый должен уметь!
Рис. 5. Полное решение задачи
Работа может быть отрицательной
Обратим внимание на то, что в определении работы как физической величины есть слова «произведение модуля силы на величину перемещения тела в направлении действия силы». Но ведь на тело может действовать сила, направленная в сторону, противоположную направлению движения тела. Например, сила трения. В этом случае работа силы будет отрицательной. Кроме того, сила может быть перпендикулярна направлению движения тела. Например, если мяч катится по горизонтальной поверхности, то сила тяжести перпендикулярна направлению перемещения мяча. В этом случае мяч не перемещается в направлении действия силы и работа равна нулю (рис. 6).
Рис. 6. Работа может быть положительной, отрицательной и нулевой
Другими словами работа силы положительна, если эта сила помогает телу двигаться, отрицательна, если мешает телу двигаться. Работа силы равна нулю, если сила не влияет на характер движения тела.
Заключение
Итак, механическая работа – это физическая величина, характеризующая действие силы. Она измеряется в джоулях. Необходимо помнить, что для того, чтобы была совершена механическая работа под действием силы, тело должно пройти некоторый путь.