3.1 · Forces and their effects

แรงและผลกระทบ

ทุกการผลัก ดึง และยึดในโลกราคือแรง — และหัวข้อแรกของการเรียน OxfordAQA จัดกลุ่มแรงเหล่านี้: ปฏิสัมพันธ์แบบสัมผัสและไม่สัมผัส, สเกลาร์เทียบกับเวกเตอร์, กฎทั้งสามของนิวตัน, ความปลอดภัยของยานพาหนะ, และแนวคิด P-extension เช่น โมเมนตัม, ความเร็วสุดท้าย, จุดศูนย์กลางมวล และโมเมนต์

OxfordAQA International GCSE Physics 9203, หัวข้อ 3.1 (เวอร์ชัน 5.1, ข้อสอบ 2018 เป็นต้นไป) คำกล่าวที่ติดป้าย (P) เป็นเฉพาะกระดาษ 2; รายละเอียดกระดาษอยู่ในแผนการจัดสอบของหลักสูตร ตัวอย่างส่วนประกอบในไฟล์คือ 9203-92031 และ 9203-92032 — ตัวอย่างฝึกฝนในแพ็กเกจนี้จะระบุไว้เสมอว่าตัวอย่าง

แรงและปฏิสัมพันธ์

วัตถุมีปฏิสัมพันธ์ผ่าน แรงสนามที่ไม่สัมผัส (แรงโน้มถ่วง, ไฟฟ้าสถิต, แม่เหล็ก) และ แรงสัมผัส (แรงเสียดทาน, แรงต้านอากาศ, แรงตึง, แรงNormal) แรงเสียดทาน เกิดขึ้นระหว่างสองพื้นผิว, ขัดขวางการเคลื่อนที่ และอาจทำให้ร้อน; แรงต้านอากาศคือแรงเสียดทานกับของไหล

สเกลาร์ มีเพียงขนาด (ระยะทาง, ความเร็ว, เวลา); เวกเตอร์ เพิ่มทิศทาง (การกระจัด, ความเร็ว, ความเร่ง, แรง, โมเมนตัม) และสามารถวาดเป็นลูกศรได้ น้ำหนัก คือแรงโน้มถ่วง: $W = m \times g$

แรงสามารถ เปลี่ยนรูปร่าง — ยืด,弯曲, กดอัด การบิดเบี้ยวแบบยืดหยุ่นจะคืนตัว; แบบไม่ยืดหยุ่นจะไม่ (P) สปริงที่ถูกดึงเก็บ พลังงานศักย์ยืดหยุ่น, และต่ำกว่า ขีดจำกัดความแปรผันตรง:

การปฏิบัติที่ต้องการ: ตรวจสอบแรงต่อการยืดของสปริง (แขวนมวล, วาดเส้น, ความชัน = k)

การเคลื่อนที่และกฎของนิวตัน

ความเร็วคือความชันของกราฟระยะทาง–เวลา; ความเร็วเพิ่มทิศทาง: $v = s/t$ (ใช้ได้กับความเร็วมวลเฉลี่ยเช่นกัน) ความเร่งคืออัตราการเปลี่ยนแปลงของความเร็ว: $a = \Delta v/t$ — จากความชันของกราฟความเร็ว–เวลา, พื้นที่ ให้ระยะทางที่เดินทาง การเปลี่ยนทิศทางด้วยความเร็วคงที่ก็ยังคงเป็นความเร่ง

• กฎที่หนึ่งของนิวตัน: ผลรวมแรงเป็นศูนย์ → สภาวะหยุดนิ่งจะคงอยู่, การเคลื่อนที่จะรักษาความเร็วของมันไว้
• กฎข้อที่สองของนิวตัน: $F = m \times a$ มีทิศทางเดียวกับแรงลัพธ์
• กฎข้อที่สามของนิวตัน: วัตถุที่มีปฏิสัมพันธ์กันจะออกแรงต่อซึ่งและกันในขนาดเท่ากันแต่มีทิศทางตรงข้ามกัน

แรงลัพธ์: แรงตรงข้ามหรือขนานกันจะบวกกันตามเส้นตรง; แรงสองตัวในระนาบเดียวกันรวมกันได้โดย การวาดตามสเกล (วาดตามสเกล หัวไปหาง)

(P) โมเมนตัม ความปลอดภัย และความเร็วสูงสุด

โมเมนตัมถูกอนุรักษ์ในระบบปิด — การชนและการระเบิดจะมีผลรวมคงที่ ความปลอดภัยในรถยนต์: ถุงลมนิรภัย เข็มขัดนิรภัย แท่งกันกระแทกด้านข้าง โซนยุบตัว เปรียบเสมือนเบาะรองพื้น playground และหมวกกันน็อคจักรยาน ช่วย ยืดเวลา ของการกระแทก ทำให้สำหรับเปลี่ยนโมเมนตัมเท่าเดิม แรงที่เกิดขึ้นจะน้อยลง

เมื่อเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ แรงขับเคลื่อนจะสมดุลกับแรงต้าน ระยะหยุด = ระยะคิด + ระยะเบรก; เวลาตอบสนองเพิ่มขึ้นจากความเหนื่อยล้า ความไม่ตั้งใจ ยาและแอลกอฮอล์; แรงเบรกต้องเพิ่มขึ้นตามความเร็ว และการลดความเร็วอย่างมากทำให้เบรกร้อนจัด การเบรกเปลี่ยนพลังงานจลน์ของยานพาหนะให้เป็นความร้อนของเบรก (งานเสียดทาน); ระยะเบรกยาวขึ้นบนถนนเปียกหรือน้ำแข็ง และเมื่อเบรกหรือยางสึกหรอ

วัตถุที่ตกผ่านของไหลจะเร่งความเร็วจนกว่าแรงต้านจะเท่ากับน้ำหนัก — ความเร็วสูงสุด; พารากูทเพิ่มแรงต้านเพื่อลดความเร็วสูงสุด และการออกแบบทรงลื่น (รูปทรงฉลาม การออกแบบรถยนต์) ลดแรงต้านเพื่อเพิ่มความเร็วสูงสุด

(P) จุดศูนย์มวลและโมเมนต์

จุดศูนย์มวล คือตำแหน่งที่มวลของวัตถุสามารถมองว่ารวมอยู่; วัตถุที่ห้อยอย่างอิสระจะนิ่งอยู่ด้วยจุดศูนย์มวลอยู่ใต้จุดแขวน และวัตถุสมมาตรมีจุดศูนย์มวลอยู่บนแกนสมมาตร หาได้โดยการแขวนแผ่นโลหะรูปร่างไม่สม่ำเสมอจากสองจุดแล้ววาดเส้นดิ่ง

วัตถุที่สมดุลมีผลรวมโมเมนต์ตามเข็มนาฬิกาและทวนเข็มนาฬิกาเท่ากัน; คานงัดเป็นเครื่องคูณแรง หากแนวกระทำของน้ำหนักอยู่นอกฐาน ผลรวมโมเมนต์จะทำให้วัตถุล้ม (ยานพาหนะ ของเล่น平衡)

ตรวจสอบความเข้าใจของคุณเอง

1. ให้ตัวอย่างหนึ่งของการสัมผัสและหนึ่งที่ไม่ใช่แรงสัมผัส
2. ข้อใดต่อไปนี้เป็นเวกเตอร์: ความเร็ว, การกระจัด, เวลา, แรง?
3. เขียนสมการสปริงและชื่อค่าคงที่ของมัน
4. บอกกฎข้อที่หนึ่ง สอง และสามของนิวตันอย่างละหนึ่งประโยค
5. รถยนต์ 900 kg เร่งความเร็วที่ 2 m/s². คำนวณแรงลัพธ์
6. ชี้ปัจจัยสองอย่างที่ยืดระยะคิดและสองอย่างที่ยืดระยะเบรก
7. (P) อธิบายว่าโซนยุบตัวปกป้องผู้โดยสารอย่างไร โดยใช้ F = Δp/t
8. (P) ทำไมนัก.inverse ถึงถึงความเร็วต่ำกว่าหลังเปิดพารากูต?
9. (P) จุดศูนย์กลางมวลของวัตถุที่มีสมมาตรอยู่ที่ใด?
10. (P) แรง 250 N กระทำที่ระยะ 0.4 m จากจุดหมุน คำนวณโมเมนต์ของแรงนั้น

คำตอบ: 1 การสัมผัส — ความเสียดทาน/แรงตึง/แรงต้านอากาศ/แรงปฏิกิริยา; ไม่สัมผัส — แรงโน้มถ่วง/แรงแม่เหล็กไฟฟ้า/แรงแม่เหล็ก; 2 การกระจัดและแรง; 3 $F = ke$, ค่าคงที่สปริง (N/m); 4 แรก — ไม่มีแรงลัพธ์หมายความว่าไม่มีการเปลี่ยนแปลงความเร็ว; สอง — $F = ma$ ในทิศทางของแรงลัพธ์; สาม — การมีปฏิสัมพันธ์ให้แรงเท่ากันและตรงข้ามกัน; 5 $F = 900 \times 2 = 1800$ N; 6 การคิด — ความเหนื่อยล้า, สิ่งรบกวน, ยา/แอลกอฮอล์ (เลือกสองอย่าง); การเบรก — ถนนเปียกหรือมีน้ำแข็ง, เบรกหรือยางสึกหรอ (เลือกสองอย่าง); 7 (P) โซนดูดซับแรงชนทำให้เวลาการชนยาวนานขึ้น; สำหรับการเปลี่ยนแปลงโมเมนตัมเท่ากัน, $F = \Delta p/t$ จะน้อยลง ดังนั้นแรงที่ส่งผ่านไปยังผู้โดยสารจึงน้อยลง; 8 (P) ร่มพารากliderเพิ่มแรงต้านอย่างมาก ทำให้แรงต้านสมดุลกับน้ำหนักที่ความเร็วต่ำกว่ามาก; 9 (P) บนแกนสมมาตรของมัน; 10 (P) $M = 250 \times 0.4 = 100$ N m.