4. Rodzaje oddziaływań i ich skutki. Wzajemność oddziaływań
Wokół nas nieustannie zachodzą zjawiska będące rezultatem oddziaływań. Dzięki nim szklanka spoczywa na stole, planety Układu Słonecznego od miliardów lat podążają niemal niezmiennym torem, a skrawki papieru przyciągane są przez naelektryzowaną rurkę z tworzywa sztucznego. Jak sklasyfikować rodzaje oddziaływań i jakie skutki one pociągają za sobą?
definicję zjawiska fizycznego,
definicję ciała fizycznego,
jaką rolę odgrywają ciała fizyczne w przebiegu zjawisk fizycznych.
Ich opracowanie znajdziesz materiale Pomiary w fizyce. Niepewność pomiaru. Przeliczanie wielokrotności i podwielokrotnościPomiary w fizyce. Niepewność pomiaru. Przeliczanie wielokrotności i podwielokrotności.
podawać przykłady wzajemności oddziaływań;
wymieniać rodzaje oddziaływań między ciałami;
rozpoznawać rodzaje oddziaływań;
przewidywać skutki oddziaływań;
podawać przykłady oddziaływań występujących w najbliższym otoczeniu.
Rodzaje oddziaływań w przyrodzie
Wokół nas występuje wiele różnych oddziaływań, z których obecności często nie zdajemy sobie sprawy. Kiedy łamiemy gałęzie na ognisko, pocieramy ręce, by się ogrzać, kopiemy piłkę czy też podnosimy jakiś przedmiot, mamy do czynienia z oddziaływaniami bezpośrednimioddziaływaniami bezpośrednimi, do których należą ciągnięcie, pchanie, podnoszenie, zginanie, skręcanie, rozrywanie, rozciąganie, ściskanie, zgniatanie itd.
Film dostępny pod adresem /preview/resource/R1cF1NUZ0ydFR
Nagranie wideo na temat oddziaływania bezpośredniego. Nagranie zawiera podkład muzyczny.
Oddziaływania bezpośrednie wymagają bezpośredniego kontaktu ciał.
Spadanie jabłka jest wynikiem wzajemnego oddziaływania Ziemi i jabłka, nie jest jednak spowodowane ich bezpośrednim kontaktem. Podobnie jest, gdy igła kompasu wskazuje północ lub gdy planety krążą po elipsach wokół swoich słońc. Jeśli ciała na siebie oddziałują, ale nie są ze sobą w bezpośrednim kontakcie, mówimy, że występuje między nimi oddziaływanie na odległośćoddziaływanie na odległość.
Film dostępny pod adresem /preview/resource/R1FhitHLBHx8N
Nagranie wideo na temat oddziaływania na odległość.
Niektóre oddziaływania nie wymagają bezpośredniego kontaktu ciał. Dochodzi wówczas do oddziaływania na odległość.
Niektóre zjawiska możliwe do zaobserwowania w otaczającym nas świecie zachodzą w wyniku oddziaływań bezpośrednich, a niektóre – w wyniku oddziaływań na odległość. W tabeli poniżej znajdują się przykłady różnych zjawisk. Podziel je w zależności od tego, jakim typem oddziaływania były spowodowane. Uwaga: nie wszystkie zjawiska dadzą się tak przyporządkować! Jeżeli masz wątpliwości, przedyskutuj dany problem z nauczycielem.
Uporządkuj w kategorie.
Kopnięcie piłki, Przyciąganie lub odpychanie dwóch cząsteczek, Spadanie jabłka, Przyciąganie lub odpychanie magnesów, Ruch Ziemi wokół Słońca, Przyciąganie włosów przez grzebień, Lot samolotu, Strzelanie z łuku, Rozciąganie sprężyny, Obrót igły kompasu, Zgniatanie samochodu, Podnoszenie ciężarów
| Oddziaływanie bezpośrednie | |
|---|---|
| Oddziaływanie na odległość |
Oddziaływania grawitacyjne
Jednymi z fundamentalnych oddziaływań występujących w przyrodzie są oddziaływania grawitacyjneoddziaływania grawitacyjne. Na każde ciało znajdujące się na powierzchni Ziemi działa wywierana przez nią siła przyciągania grawitacyjnego. O istnieniu tego oddziaływania możemy się przekonać m.in. dzięki obserwacji zjawiska spadania ciała pozbawionego podparcia.
Film dostępny pod adresem /preview/resource/R18ctmi1YcLPp
Animacja dotyczy spadania swobodnego różnych osób i przedmiotów. Film bez lektora. Podkład muzyczny.
W filmie obejrzeliście różne przykłady spadania ciał. Końcowe sceny filmu pokazują spadanie liścia lub kartki papieru.
Które z pokazanych sytuacji mogą przedstawiać spadanie swobodne, czyli takie, w którym występuje tylko siła grawitacji? Na pewno nie dotyczy to liścia lub kartki papieru. Wyraźnie widać, że coś przeszkadza w spadaniu. To coś to opór powietrza. Opór stawiany poruszającym się ciałom powoduje, że ruch odbywa się nie tylko pod wpływem siły grawitacji. To samo dotyczy przykładu, w którym spadają słoń i myszka. Słoń uzyskuje większą prędkość spadania niż myszka - po prostu opór powietrza ma większy wpływ na ruch myszki niż na ruch słonia. A pierwsza scena, w której spada chłopiec po podcięciu gałęzi, na której siedzi? Okazuje się, że opór powietrza zależy między innymi od prędkości. Ponieważ chłopiec spadając nie uzyskuje dużej prędkości, możemy uznać, że taki spadek z małej wysokości jest swobodny. Już jednak dla spadającego skoczka spadochronowego (ze spadochronem lub bez) skok nie jest spadaniem swobodnym. Nie musimy się jednak specjalnie martwić oporem powietrza w przypadku spadającego z drzewa jabłka. Także i w próżni mielibyśmy do czynienia ze spadkiem swobodnym z uwagi na brak oporu powietrza – eksperymenty wypuszczające np. metalową kulkę i piórko wewnątrz komory próżniowej pokazują, że ciała te spadają wtedy z taką samą prędkością.
Isaac Newton badał ruchy ciał niebieskich. Udowodnił, że prawa rządzące spadkiem ciał znajdujących się przy powierzchni Ziemi są takie same jak te opisujące ruchy ciał niebieskich. Inaczej mówiąc, takim samym prawom fizyki podlega ruch ciał niebieskich zarówno w pobliżu Ziemi (ruch Księżyca), jak i w najodleglejszych zakątkach Wszechświata. Oddziaływania grawitacyjne mają więc charakter powszechny.
Film dostępny pod adresem /preview/resource/RzSQ1Gh5m6Jxb
Animacja dotyczy praw rządzących spadkiem ciał znajdujących się przy powierzchni Ziemi praw opisujące ruchy ciał niebieskich. Podkład muzyczny.
Oddziaływania grawitacyjne wywierają na siebie wszystkie ciała..
Które z poniższych stwierdzeń, dotyczących oddziaływań grawitacyjnych, są prawdziwe?
- Oddziaływania grawitacyjne są oddziaływaniami na odległość.
- Nie zależą od masy oddziałujących ze sobą ciał.
- Wpływ siły grawitacji widoczny jest tylko wtedy, gdy oddziałujące ze sobą ciała znajdują się w stosunku do siebie w dużej odległości, jak np. Księżyc i Ziemia.
- Mają charakter powszechny.
Oddziaływanie elektryczne
Co się dzieje, gdy ściągamy wełniany sweter? Co wówczas słyszymy i czujemy? Odczuwamy lekkie mrowienie i słyszymy ciche trzaski – są one spowodowane małymi wyładowaniami elektrycznymi, powstałymi na skutek tarcia swetra o pozostałe części naszej garderoby.
W wieku przed naszą erą grecki filozof Tales z Miletu opisał właściwość bursztynu. Polegała ona na przyciąganiu niektórych lekkich przedmiotów po uprzednim potarciu o sukno. Ciała doprowadzone do takiego stanu jak bursztyn potarty o sukno zostały nazwane ciałami naelektryzowanymi lub dosłownie „nabursztynionymi”, ponieważ bursztyn po grecku nazywano w tamtych czasach „elektronem”.
Bursztyn jest kopalną żywicą drzew iglastych i niektórych roślin liściastych. Może mieć barwę od jasnożółtej do brunatnej. Składa się głównie z węgla i siarki. Od wieków służył jako cenny materiał do wyrobu ozdób oraz jako surowiec stosowany w medycynie ludowej do produkcji.
Jak sprawdzić, czy znaleziony na plaży kamyk jest bursztynem? Wystarczy przeprowadzić proste doświadczenie.
Prezentacja oddziaływań elektrycznych na przykładzie bursztynu i skrawków papieru.
bursztyn,
skrawki papieru,
szmatka flanelowa.
Potrzyj intensywnie bursztyn flanelową szmatką.
Zbliż bursztyn do skrawków papieru.
Jeśli kamień, który wykorzystałeś w doświadczeniu, przypomina wyglądem bursztyn i po potarciu flanelową szmatką przyciąga skrawki papieru, to możliwe, że jesteś szczęśliwym posiadaczem bursztynu.
Czy wszystkie oddziaływania elektryczne prowadzą do przyciągania ciał?
Niekoniecznie. Kiedy czeszemy świeżo umyte i wysuszone włosy szczotką lub grzebieniem, możemy zaobserwować ich wzajemne odpychanie, włosy z kolei „przylepiają się” do grzebienia.
We wszystkich przypadkach opisanych powyżej ciała uległy naelektryzowaniu i oddziaływały na siebie. Mówimy, że siła elektrycznasiła elektryczna powoduje ich zbliżanie lub oddalanie. Fakt odpychania bądź przyciągania naelektryzowanych ciał wyjaśnia się istnieniem dwóch rodzajów ładunków elektrycznych: dodatnich i ujemnych.
Ładunki tego samego znaku nazywamy ładunkami jednoimiennymi, a ładunki różnych znaków – ładunkami różnoimiennymi. Ładunki jednoimienne się odpychają, a ładunki różnoimienne się przyciągają.
Opisane powyżej zjawiska są przejawem występowania oddziaływań (sił) elektrycznych.
Wybierz zdania poprawnie opisujące naturę oddziaływań elektrycznych.
- Oddziaływania elektryczne są oddziaływaniami na odległość.
- Oddziaływania elektryczne są oddziaływaniami bezpośrednimi.
- Ciała naładowane różnoimiennie przyciągają się.
- Ciała naładowane jednoimiennie odpychają się.
Oddziaływania magnetyczne
Już w starożytności wiedziano o istnieniu ciał przyciągających inne ciała. O ile bursztyn należało potrzeć, aby przyciągał on włosy czy skrawki sukna, o tyle magnesy przyciągały zawsze, ale tylko przedmioty wykonane z żelaza. Zaobserwowano również, że ciało zwane magnesem potrafi spowodować, że inne ciało zrobione z żelaza i umieszczone w pobliżu uzyska własności magnetyczne. Zauważono także, że dwie strony magnesu mają różne właściwości – zwrócone do siebie magnesy mogą się albo przyciągać, albo odpychać.
Oddziaływania magnetyczne to przyciąganie lub odpychanie się ciał mających właściwości magnetyczne.
W zależności od tego, którymi biegunami magnesy zostaną do siebie zbliżone, będą się one albo przyciągać, albo odpychać. Magnes ma zawsze dwa bieguny.
Gdy zbliżymy dwa magnesy skierowane do siebie tymi samymi biegunami (jednoimiennymi), to zaobserwujemy odpychanie się magnesów, a gdy będą one skierowane do siebie biegunami różnoimiennymi – przyciąganie.
Aby łatwiej było rozpoznać, z którym biegunem mamy do czynienia, końce często są pomalowane na dwa kolory. Kolor niebieski oznacza jeden z biegunów, a czerwony – drugi.
Magnes ma dwa bieguny – gdy podzielimy jeden magnes na pół, to powstaną z niego dwa nowe magnesy, które będą mieć dwa bieguny – tak jak magnes, z którego powstały.
Żelazo i jego stopy łatwo się magnesują, więc wykorzystuje się te metale w urządzeniach, np. kompasach, których działanie oparte jest na siłach magnetycznych. Konstruktorami pierwszego kompasu byli Chińczycy.
Północny biegun igły magnetycznej kompasu pokazuje północ geograficzną Ziemi. Nasza planeta jest ogromnym magnesem, którego magnetyczny biegun południowy znajduje się w pobliżu geograficznego bieguna północnego, a magnetyczny biegun północny – w pobliżu geograficznego bieguna południowego.
Jak się okazuje, oddziaływania elektryczne i magnetyczne są ze sobą ściśle powiązane – najprostszym przykładem jest elektromagneselektromagnes, którego zasada działania jest następująca: w przewodzie (może być on na przykład owinięty dookoła rdzenia wykonanego z żelaza) płynie prąd elektryczny, dzięki czemu rdzeń uzyskuje właściwości magnetyczne.
Oddziaływania grawitacyjne, elektryczne i magnetyczne są oddziaływaniami o dalekim zasięgu, ponieważ ich skutki są odczuwalne nawet przy znacznych odległościach.
Wymień znane Ci przykłady oddziaływań magnetycznych.
Wskaż, w której z niżej wymienionych sytuacji występują siły magnetyczne.
- Obrót igły kompasu.
- Spadanie monety na podłogę.
- Przyciąganie włosów przez grzebień podczas ich czesania.
Bieguny magnetyczne Ziemi.
Jako biegun północny igły magnetycznej (i ogólnie magnesów) przyjęło się wskazywać ten z jej końców, który wskazuje geograficzną północ. Jest on przyciągany przez biegun magnetyczny Ziemi. Wynika z tego, że na północnej półkuli Ziemi znajduje się południowy biegun jej pola magnetycznego i odwrotnie: na południowej półkuli znajduje się północny biegun pola magnetycznego Ziemi. Bieguny magnetyczne nie leżą dokładnie po przeciwnych stronach, a ponadto cały czas przesuwają się po jej powierzchni z prędkością około na rok.
Oddziaływania sprężyste
Niektóre ciała, takie jak sprężyna, guma lub elastyczna, cienka gałąź, można tak odkształcić, aby po ustaniu działania siły zewnętrznej powróciły one do swojego pierwotnego kształtu. Takie odkształcenie nazywamy sprężystym.
siła dążąca do przywrócenia pierwotnego kształtu lub objętości ciału, które uległo odkształceniu.
Wyjaśnienie, skąd biorą się siły sprężystości, poznasz w toku dalszej nauki. Tu napiszemy tylko, że podczas odkształcania ciała zmieniają się odległości między jego cząsteczkami. Jeżeli siła powodująca odkształcenie przestanie działać, to odległości między cząsteczkami wracają do poprzednich wartości, a ciało – do poprzedniego kształtu.
Łucznik naciąga cięciwę w celu odkształcenia łuku. Kiedy wraca on do pierwotnego kształtu, wyrzuca strzałę, która leci czasami nawet na kilkusetmetrową odległość.
Oddziaływania, które powodują, że odkształcone, ale nietrwale zdeformowane ciało wraca do swojego pierwotnego kształtu, nazywamy oddziaływaniami sprężystymioddziaływaniami sprężystymi.
Wskaż, której z niżej wymienionych sytuacji nie można zakwalifikować do rodziny oddziaływań sprężystych.
- Skok na trampolinie.
- Strzelanie z łuku.
- Rozciąganie gumy.
- Praca amortyzatorów samochodowych na wybojach.
- Wygięcie gałęzi, które prowadzi do jej złamania.
Wzajemność oddziaływań
Oddziaływania występujące w przyrodzie są wzajemne, tzn. gdy jedno ciało działa na drugie, to drugie działa na pierwsze. Aby się o tym przekonać, przeprowadźmy doświadczenie.
Wykazać, że oddziaływania magnetyczne są oddziaływaniami wzajemnymi.
miednica wypełniona wodą,
dwa niewielkie prostokątne magnesy,
dwa styropianowe prostopadłościany o niewielkich rozmiarach, zdolne do utrzymania magnesów na powierzchni wody.
Umieść dwie styropianowe łódeczki obok siebie w miednicy wykonanej z tworzywa sztucznego i napełnionej wodą. Połóż magnes na pierwszym kawałku styropianu. Gdy ustanie ruch wody, połóż magnes na drugim styropianie. Powtórz doświadczenie, ale najpierw zmień wzajemne ustawienie biegunów magnesów umieszczonych na dwóch różnych kawałkach styropianu.
W każdym z przypadków zaobserwowaliśmy zmianę położenia pływających styropianów. Świadczy to o tym, że oddziaływanie magnesów było wzajemne. Pierwszy magnes działał siłą magnetyczną na drugi, a drugi – na pierwszy. Potwierdza to hipotezę, że oddziaływania magnetyczne są wzajemne.
Kolejne przykłady wzajemności oddziaływań pokazuje poniższy film.
Film dostępny pod adresem /preview/resource/R1Cqr0l43kz1O
Film na temat wzajemności oddziaływań. Nagranie zawiera podkład muzyczny.
Wszystkie oddziaływania są wzajemne.
Przeczytaj uważnie poniższe zdania i zaznacz, czy to prawda, czy fałsz.
| Prawda | Fałsz | |
| Wzajemność oddziaływań dotyczy tylko niektórych z nich. | □ | □ |
| Rakieta tenisowa odkształca piłkę, ale piłka odkształca także rakietę. | □ | □ |
| Wszystkie oddziaływania w przyrodzie są wzajemne. | □ | □ |
Skutki oddziaływań
Każde oddziaływanie niesie pewien określony skutek. Pole magnetyczne Ziemi powoduje, że igła kompasu się obraca, kopnięcie piłki wprawia ją w ruch, a powiew wiatru sprawia, że gałąź drzewa się ugina. Czasami te skutki są bardziej widoczne, a czasami – mniej. Skutki oddziaływań dzielimy na dwie grupy: skutki statyczneskutki statyczne i skutki dynamiczneskutki dynamiczne.
Jednym z najczęściej spotykanych skutków oddziaływań jest zmiana kształtu lub objętości ciała, np. wygięcie linijki, rozciągnięcie sprężyny, złamanie patyczka, zgniecenie kulki plasteliny albo puszki po napoju. Skutki polegające na odkształceniu ciała nazywamy skutkami statycznymi.
Film dostępny pod adresem /preview/resource/R140c8rT6uoRq
Film na temat statycznych skutków oddziaływań.
Gdy pod wpływem jakiegoś oddziaływania ruch ciała ulega zmianie, mamy wówczas do czynienia ze skutkiem dynamicznym. Tak więc przyspieszanie, hamowanie, wprawianie w ruch, zmiana kierunku ruchu, to skutki dynamiczne, podobnie jak rzucenie kamienia, obrót karuzeli lub skok w dal.
Skąd wiemy, że któreś z oddziaływań w ogóle wystąpiło?
Kiedy obserwujemy zjawiska, nie widzimy samych oddziaływań, lecz ich skutki.
Kiedy obserwujemy Księżyc, nie możemy dostrzec sił grawitacji wiążących go z Ziemią, tak samo jak nie dostrzegamy sił magnetycznych, które powodują, że igła magnetyczna umieszczona w pobliżu przewodnika z prądem się obraca. Obserwujemy jedynie skutki wzajemnych oddziaływań: obecność Księżyca i obrót igły.
Te same oddziaływania mogą prowadzić do różnych skutków. Kiedy stoimy na twardej podłodze, nie obserwujemy jej odkształcenia. Odnosimy wrażenie, że nic szczególnego się nie dzieje. Gdy jednak staniemy na miękkim materacu, natychmiast zauważymy, że uległ on odkształceniu pod wpływem naszego ciężaru. Obserwowany skutek tego samego działania jest znacznie bardziej widoczny! Czy oddziałujemy na podłogę inaczej niż na materac?
Film dostępny pod adresem /preview/resource/Rb2Z1qf2xvujp
Nagranie wideo na temat różnych skutków tych samych oddziaływań.
Zarówno na podłogę, jak i na materac oddziałujemy w ten sam sposób, ale z różnym skutkiem. Podłoga jest twarda i się nie odkształca – w przeciwieństwie do miękkiego materaca.
Skutki takich samych oddziaływań mogą być różne, ponieważ zależą od właściwości ciał.
Podaj przykład oddziaływania wywołującego trzy różne skutki.
Podsumowanie
Nazwa oddziaływania | Źródła oddziaływania | Skutki oddziaływania | Przykłady zjawisk |
|---|---|---|---|
grawitacyjne | wszystkie ciała mające masę | przyciąganie ciał | spadanie jabłka, utrzymywanie się Księżyca na orbicie wokół Ziemi |
elektryczne | ciała mające ładunek elektryczny | przyciąganie lub odpychanie ciał obdarzonych ładunkiem elektrycznym | odpychanie się czesanych włosów, przyciąganie drobnych kawałków papieru przez potarty bursztyn |
magnetyczne | magnesy, Ziemia, przewody, w których płynie prąd elektryczny, namagnesowane ciała zawierające żelazo | przyciąganie lub odpychanie się magnesów i namagnesowanych ciał, przyciąganie ciał zawierających żelazo | wskazywanie kierunków geograficznych przez igłę kompasu, działanie elektromagnesów |
Zadania
Gdy weźmiemy dwa jednakowo napompowane baloniki, zbliżymy je do siebie, a następnie dociśniemy, zaobserwujemy, że: Możliwe odpowiedzi: 1. oba baloniki odkształcą się tak samo., 2. jeden z baloników odkształci się bardziej niż drugi., 3. żaden z baloników się nie odkształci.
Wybierz prawidłowe zakończenie zdania:
Gdy weźmiemy dwa jednakowo napompowane baloniki, zbliżymy je do siebie, a następnie dociśniemy, zaobserwujemy, że:
- oba baloniki odkształcą się tak samo.
- jeden z baloników odkształci się bardziej niż drugi.
- żaden z baloników się nie odkształci.
Oceń prawdziwość poniższych zdań.
| Prawda | Fałsz | |
| Wszystkie oddziaływania są wzajemne. | □ | □ |
| Wszystkie oddziaływania są niewidoczne. | □ | □ |
| Wszystkie oddziaływania mają zawsze takie same skutki. | □ | □ |
| Wszystkie oddziaływania działają tylko na małych odległościach. | □ | □ |
| Wszystkie oddziaływania działają wyłącznie na dużych odległościach. | □ | □ |
Słowniczek
zwojnica z rdzeniem ferromagnetycznym, który magnesuje się pod wpływem prądu elektrycznego przepływającego przez jej uzwojenie
oddziaływania występujące wtedy, gdy ciała stykają się ze sobą
oddziaływania (przyciągające lub odpychające), jakie wzajemnie wywierają na siebie naelektryzowane ciała
oddziaływania przyciągające, jakie wzajemnie wywierają na siebie wszystkie ciała – im większa masa poszczególnych ciał, tym silniejsze oddziaływanie
przyciąganie lub odpychanie się ciał mających właściwości magnetyczne (magnesy lub elektromagnesy)
oddziaływania występujące wtedy, gdy ciała oddziałujące na siebie dzieli pewna odległość
oddziaływania występujące w całym Wszechświecie
oddziaływania, które powodują, że odkształcone, ale nietrwale zdeformowane ciało wraca do swojego pierwotnego kształtu
urządzenie telekomunikacyjne; sztuczny satelita Ziemi, który pośredniczy w przekazywaniu transmisji radiowych i telewizyjnych między dwoma miejscami na kuli ziemskiej. Wykorzystywany jest np. gdy bezpośredni przekaz nie jest możliwy z powodu krzywizny Ziemi
siła, jaką działają na siebie dwa naelektryzowane ciała
siła, jaką jedno ciało o określonej masie działa na drugie ciało mające masę
skutki oddziaływań związane ze zmianą kształtu ciała
skutki oddziaływań związane ze zmianą ruchu ciała
wszystko, co fizycznie istnieje: cała przestrzeń, czas, wszystkie formy materii i energii oraz prawa fizyki i stałe fizyczne określające ich zachowanie. Słowo „wszechświat” może być też używane w innym znaczeniu – jako synonim wyrazów „kosmos” (w rozumieniu filozofii), „świat” czy „natura”. W naukach ścisłych słowa „wszechświat” i „kosmos” są równoważne