Урок № 37 Сила тяжіння. Вага тіла. Невагомість

Тема уроку: Сила тяжіння. Вага тіла. Невагомість

Мета уроку: сформувати в учнів знання про явище земного тяжіння, розкрити суть понять «сила тяжіння», «вага», «невагомість», «гравітація»;

формувати в учнів алгоритмічні прийоми розв'язування фізичних задач на визначення сили тяжіння та ваги тіла;

продовжити розкривати роль фізичного знання в житті людини, виробництві й техніці, сутність наукового пізнання засобами фізики;

спонукати учнів до критичного мислення, вчити застосовувати набуті знання у практичній діяльності для адекватного відображення природних явищ засобами фізики.

Базові фізичні поняття: сила, сила тяжіння, динамо­метр, вага, невагомість, сила.

Демонстрації: вимірювання ваги тіла та демонстрація явища невагомості.

Тип уроку: засвоєння нових знань.

Хід уроку :

      I.      Організаційний момент

Привітання, перевірка присутніх

   II.      Актуалізація опорних знань

Інтерактивна вправа «Візитна картка». Учні створюють візитну картку сили.

Завдання: скласти за 1 хв правильно слова:

Цінреяі (інерція.)

Аіфемцдояр (деформація.)

Вшитідксь (швидкість.)

1.Виникає при взаємодії … ?

2.Резудьтат дії всіх сил …. ?

3.Одиниця сили … ?

4.Причина зміни швидкості … ?

5.Прилад для вимірювання сили … ?

6.Як позначають силу … ?

7.Фізичний зміст сили … ?

III.      Мотивація навчальної діяльності

Легенда про яблуко

Сидів Ньютон собі в саду,

Відпочивав між ділом,

І от на щастя, на біду,

Тут яблуко злетіло.

Могло упасти на траву —

Нічого б не змінилось.

Так ні ж — на голову йому,

А потім вниз скотилось.

І от задумавсь Ісаак,

Хоч ще крививсь од болю,

Чому, і що, навіщо, як?

Ну, що ж поробиш —доля.

Легенда це чи, може, сон,

А чи просте везіння,

Але на світ з'явивсь закон Всесвітнього тяжіння.

Ісаак Ньютон – англійський фізик і математик, автор теоретичних основ механіки й астрономії. Він відкрив закон всесвітнього тяжіння, розробив (водночас із

Г. Лейбніцем) основи диференціально­го та інтегрального числення, винайшов дзеркаль­ний телескоп і був автором найважливіших екс­периментальних робіт з оптики. Ньютона по праву вважають творцем «класичної фізики». Сьогодні ми ознайомимось із силою, з якою Земля притягує до себе тіла. Може, хтось знає, як вона називається? Називається «сила тяжіння». Отож, тема нашого уроку: «Земне тяжіння. Сила тяжіння».

IV.      Вивчення нового матеріалу

Спостерігаючи падіння тіл, можна помітити, що «важкі» тіла падають звичайно швидше, ніж «легкі». Наприклад, монета падає набагато швидше, ніж паперовий кружок.

Ще в давнину Арістотель стверджував, що легкі тіла мають властивість падати повільніше, ніж важкі.

Це переконання вважалося правильним понад дві тисячі років, поки його не спростував італійський учений Галілей, що перейшов від спостережень до дослідів.

Якщо Арістотель має рацію, то тіла рівної маси повинні падати однаково. Перевіримо на досліді: чи так це?

Відпустимо з однієї й тієї ж висоти аркуш паперу й зроблену з такого ж аркуша паперову грудку. Аркуш падає набагато повільніше від грудки, хоча їхні маси однакові.

Виходить, тіла рівної маси не обов’язково падають однаково — дослід спростовує це положення Арістотеля, а це значить, що воно неправильне.

Галілей припустив, що в ідеальній ситуації — якби опору повітря не було зовсім — всі тіла падали б однаково. Щоб перевірити своє припущення, Галілей кинув з Пізанської вежі одночасно кулю й гарматне ядро. Хоча їхні маси відрізняються в багато разів, куля та ядро впали практично одночасно, підтвердивши припущення Галілея.

Падіння тіл за відсутності опору повітря називають вільним падінням. Отже,

·                   при вільному падінні всі тіла падають однаково.

Виміри показали, що при вільному падінні швидкість тіла щосекунди збільшується на 9,8м/с.

2. Сила тяжіння

Камінь падає на Землю тому, що його притягує Земля. Камінь теж притягує Землю. Сили взаємодії між каменем і Землею — це сили всесвітнього тяжіння.

Вивчивши відомі на той час дані про рух небесних тіл, Ньютон дійшов висновку, що сила притягання двох тіл пропорційна массам цих тіл й обернено пропорційна квадрату відстані між ними.

Сила тяжіння визначається як сила, з якою тіло притягується до Землі в даному місці. Ознакою дії сили завжди є зміна швидкості руху тіла. Для підтвердження цього можна запропонувати учням візуально порівняти швидкість падаючого тіла на початку й наприкінці падіння.

·                   Силу, з якою Земля притягує до себе тіло, називають силою тяжіння.

Виходячи з того, що під час вільного падіння швидкість будьякого тіла збільшувалася щосекунди на 9,8 м/с, Ньютон довів, що сила тяжіння прямо пропорційна масі тіла, а коефіцієнт пропорційності — 9,8 Н/кг. Цей коефіцієнт називають прискоренням вільного падіння.

Тому модуль сили тяжіння можна виразити через масу тіла m й прискорення вільного падіння g так:

3. Вага тіла

Покладіть на долоню яблуко. Ви відчуєте, що яблуко тисне на долоню з певною силою, спрямованою вниз. Як ми вже знаємо, ця сила обумовлена притяганням яблука до Землі.

Отже, всі тіла внаслідок притягання до Землі або тиснуть на опору, або розтягують підвіс. Для характеристики такої дії у фізиці вводять фізичну величину — вагу тіла.

·                   Силу, з якою тіло внаслідок притягання його Землею тисне на опору або розтягує підвіс, називають вагою тіла.

Необхідно звернути увагу учнів, на те, що сила тяжіння визначається як сила, з якою тіло притягується до Землі, а вага — як сила, з якою тіло під дією сили тяжіння діє на опору або розтягує підвіс. Ці сили діють на різні тіла: сила тяжіння — на саме тіло, а вага — на підставку або підвіс. Якщо тіло нерухоме або рухається рівномірно, то сила тяжіння й вага рівні за модулем.

Вагу тіла позначають буквою Р. Розрахунки показують, що

·                   вага тіла у стані спокою дорівнює силі тяжіння, що діє на це тіло:

Якщо на столі нерухомо лежить книга масою 500 г, то на цю книгу діє сила тяжіння 5 Н, але й вага цієї книги також дорівнює 5 Н. Однак це не означає, що вага й сила тяжіння — та сама сила. Ці сили істотно відрізняються одна від одної.

По-перше, ці сили прикладені до різних тіл: сила тяжіння прикладена до тіла, а вага тіла — до опори або підвісу. По-друге, ці сили мають різну фізичну природу: сила тяжіння — це прояв сил всесвітнього тяжіння, що діють на відстані, а вага — зазвичай сила пружності, що діє при безпосередньому контакті.

І, нарешті, сила тяжіння діє на тіло, що перебуває поблизу Землі, завжди, а вага тіла може при цьому дорівнювати нулю.

4. Невагомість

З телевізійних передач і кінофільмів ми знаємо, що на орбітальній космічній станції, що рухається навколо Землі, тіла перебувають у стані, який називається невагомістю.

Космонавт, як і всі інші тіла, може вільно ширяти на космічній станції. У цьому випадку він не тисне на опору і його вага дорівнює нулю.

·                   Стан, за якого вага тіла дорівнює нулю, називають невагомістю.

Характерною властивістю стану невагомості є відсутність «внутрішніх напружень» у тілі, наприклад відсутність тиску одних органів на інші в тілі людини.

Для людини невагомість, як правило, супроводжується розладом вестибулярного апарата, нервовими розладами, нудотою.

Космонавти на орбіті перебувають у стані невагомості тривалий час. Щоб витримати цей стан, вони проходять спеціальну тривалу підготовку.

Якщо ви хочете відчути на собі короткотривалий стан невагомості, для цього необов’язково записуватися в космонавти — достатньо просто підстрибнути.

У тривалому стані невагомості перебувають космонавти в космічному кораблі, коли його двигуни вимкнені. При цьому космонавти разом з космічним кораблем рухаються під дією тільки сил тяжіння (з боку Землі, Місяця або яких-небудь інших космічних тіл).

Дослідно встановлено, що сила тяжіння прямо пропорційна масі тіла. Це означає, що зі збільшенням маси тіла, наприклад, удвічі сила тяжіння також збільшиться вдвічі. Коефіцієнтом пропорційності між силою тяжіння і масою є фізична величина, яку називають прискоренням вільного падіння та позначають літерою Коефіцієнт пропорційності між силою тяжіння та масою тіла має значення g = 9,8 Н/кг.

Цей коефіцієнт залежить лише від маси та радіуса планети.

g=G*M/R²,

 де G – гравітаційна стала, G=6,67*10^-11 Н*м² /кг²,

М – маса планети Земля, М=5,97*10²⁴кг,

а  R – радіус планети Земля., R=6,4*10⁶м.

Тобто порахувавши прискорення вільного падіння для планети Земля ми і отримаємо             g = 9,8 Н/кг.

На Місяці      g = 1,6 Н/кг,

на Марсі        g = 3,76 Н/кг,

на Венері       g = 8, 76 Н/кг,

а на Юпітері  g = 23,5 Н/кг.  

Отже, щоб визначити числове значення сили тяжіння, що діє на тіло масою т, необхідно коефіцієнт пропорційності g для даної планети помножити на масу тіла, значення якої виражене в кілограмах.

Тобто                         F_т = mg.

Для спрощення обчислень під час розв'язування задач коефіцієнт пропорційності для планети Земля приймають  

g = 10 Н/кг.

Відомо, що сила — векторна величина, тобто окрім чисельного значення (модуля) вона має напрямок та точку прикладення. Сила тяжіння напрямлена вертикально вниз до центру планети Земля. Точка прикладання сили знаходиться на тілі.

Графічно силу тяжіння зображують у вигляді напрямленого відрізка прямої зі стрілкою на кінці (вектора). Точку прикладання сили розміщують у геометричному центрі тіла (мал. 1).

Якщо тіло розмістити на горизонтальній опорі або вертикальному підвісі, то внаслідок свого притягання до Землі тіло діятиме на них із певною силою.

Силу, з якою тіло діє на горизонтальну опору або вертикальний підвіс, називають вагою тіла.

Вагу тіла позначають літерою Р і, як будь-яку іншу силу, вимірюють у ньютонах. Вага тіла напрямлена вздовж підвісу, на якому міститься тіло, або ж перпендикулярно до поверхні опори, на якій знаходиться тіло. Точка прикладення ваги тіла знаходиться в місці дотику тіла з опорою або підвісом (мал. 2).

На відміну від сили тяжіння, значення ваги тіла може змінюватися залежно від напряму руху тіла. Наприклад, коли тіло знаходиться в стані спокою або ж рухається вздовж прямої зі сталою швидкістю, то вага тіла чисельно дорівнює силі тяжіння, тобто

Р = F = mg.

На дослідах демонструють вимірювання ваги тіла за допомогою динамометра, зменшення та збільшення ваги тіла під час його руху зі змінною швидкістю, а також зникнення ваги тіла.

Вага тіла дорівнює нулю, коли опора або підвіс рухаються разом з тілом. За таких умов тіло знаходиться в стані невагомості.

   V.      Встановлення внутрішньо предметних та між предметних зв’язків

Робота в групах. Розв'язати задачі

Група № 1

1. Сила тяжіння, яка діяла на один із пер­ших американських штучних супутників Землі «Авангард», запущений на навколоземну орбіту у грудні 1957 р., становила 230 Н. Якою була маса цього супутника?

2. Вранці після зустрічі з друзями-фізиками та математиками англійський учений Ісаак Ньютон настільки ослаб, що його сила дорівнювала лише двом ньютонам. Чи зможе втомлений учений втри­мати в руках склянку з кефіром масою 150 г?

Група № 2

1.  Сила тяжіння, що діяла на космічний кора­бель, на якому вперше було здійснено маневруван­ня на орбіті з використанням ручного керування (23 березня 1965 р.), становила 38 кН. Якою була маса цього космічного корабля?

2. Маса листочка, що падає з берези, – 0,1 г, а маса котика Яшки, що мріяв про пташок і впав із тієї самої берези, – 1 кг. У скільки разів сила тяжін­ня, що діє на листочок, менша, ніж сила тяжіння, що діяла на кота, коли він падав?

Група № 3

1.  Сила тяжіння, що діяла на космічний кора­бель «Восток», на якому 12 квітня 1961 р. космо­навтом Юрієм Гагаріним був здійснений перший у світі космічний політ, становила 47 300 Н. Якою була маса цього космічного корабля?

2. Вороні, маса якої 1 кг, Бог послав шматочок смачного сиру. Ворона сидить на гілці. Гілка дере­ва під дією сили тяжіння, що діє на ворону та сир, зігнулася, бо сила тяжіння, дорівнює 11 Н. Чи зможе Лисиця, що облизується внизу і володіє знаннями з фізики на рівні восьмого класу, обчислити масу неймовірно смачного сиру?

Група № 4

1. Сила тяжіння, що діяла на космічний корабель «Восход», на якому 18-19 берез-ня 1965 р. було здійснено космічний політ, який супроводжувався виходом космонавта Олексія Леонова у відкритий космос, становила 56,8 кН. Якою була маса цього космічного корабля?

2. Найбільша тварина зоопарку – слониха Оля. Її маса досягає 5 т, особливо після сні­данку. Визначте, яка сила тяжіння діє на слониху після сніданку, і порівняйте її із силою тяжіння, що діє на папугу Шурика (найдрібнішу істоту зоопар­ку), який поснідав без апетиту й маса якого 100 г?

VI.      Узагальнення знань

Гра «Морський бій».

Ігрове поле

Велике ігрове поле закрите кольоровими квад­ратиками. Завдання гравців — влучити в усі кораблі, які знаходяться на ігровому полі. Гравці кожного варіанту по черзі самостійно називають координату пострілу. Якщо гравець влучає в ко­рабель, йому автоматично зараховується 1 бал і той, хто стріляв, має право на наступний постріл; якщо гравець влучає в міну — віднімається 1 бал і право пострілу передається іншому варіанту; якщо влучає у воду — гравець відповідає на запитання. За правильну самостійну відповідь нараховується 3 бали, якщо гравець відповіді не знає, то її обговорює вся команда (варіант), і за правильну відпо­відь отримує 1 бал. Якщо відповідь неправильна, запитання переадресовується команді-суперниці. Один з учнів веде облік правильних відповідей кожного члена команди. Перемагає команда, що набрала більшу кількість балів. Ввести рейтингове оцінювання учнів.

М

М2. Яку силу називають силою тяжіння?

М4. Якою літерою позначається сила?

М6. Куди напрямлена сила тяжіння?

М7. За якою формулою можна обчислити силу тяжіння?

Е

Е1. В яких одиницях вимірюється сила?

ЕЗ. Яким приладом вимірюється сила?

Е4. Чому дорівнює g?

Е6. На яке тіло діє більша сила тяжіння: на пір'їну масою 1 г чи на камінчик масою 1 г?

Е8. Чому м'яч, який кинуто вертикально вгору, падає на землю?

X

Х2. Під дією яких сил рухається парашутист до землі?

Х4. Під дією якої сили падає дощ на землю?

Х6. Під дією якої сили змінюється напрям руху м'яча, що підстрибує на підлозі?

Х8. До чого прикладена сила тяжіння?

А(І)

А2. Чи діє на вас сила притягання до Сонця?

А3. У посудині з водою знаходиться два бруски однакової маси – сосновий та алюмінієвий. На який із них діє більша сила тяжіння?

А4. Чи перестала діяти сила тяжіння на Вовочку, який летить із даху будинку до поверхні планети Земля?

А5. Яка сила тяжіння діє на один кілограм кар­топлі, що висить у дядька Петра в сітці за вікном?

А6. Що покаже стрілка динамометра, якщо до його гачка підвісити металевий циліндр масою 500 г?

Н

Н2. Як змінюється швидкість тіла, що вільно падає?

Н4. Від чого залежить сила тяжіння?

Н6. Хто відкрив закон всесвітнього тяжіння?

Н7. Яка сила утримує тіла на поверхні Землі?

Н8. Як залежить сила тяжіння від маси?

І

І2. Якщо м'яч кинути горизонтально, то яка буде його траєкторія?

І4.  Яка сила зумовлює припливи і відпливи у морях і океанах на Землі?

І5. Яка сила спричиняє зсуви грунтів?

І6.  На яку з двох кульок різних об'ємів, виго­товлених з одного матеріалу, діятиме більша сила тяжіння?

К

К1. Наведіть приклади-явищ, які спостерігають­ся на Землі і пояснюються дією сили притягання.

К2. Чи зміниться сила тяжіння, що діє на мідну деталь, якщо її нагріти?

К4. Чи можна порівнювати маси двох тіл за до­помогою динамометра?

К5. В яких одиницях треба виражати масу, щоб обчислити силу тяжіння?

К6. Чому дорівнює сила тяжіння, що діє на ваше тіло?

К8. Що таке гравіметр? (Прилад для вимірюван­ня сили тяжіння.)

А(ІІ)

А6. На людину діє сила тяжіння 800 Н. Чому дорівнює її маса?

VII.      Підсумки уроку

Підіб'ємо підсумки гри «Морський бій».

VIII.      Домашнє завдання