Конспект уроку з фізики "Земне тяжіння. Сила тяжіння. Вага тіла. Невагомість."

Дата _____________

Тема.  Земне тяжіння. Сила тяжіння. Вага тіла. Невагомість. Поняття про центр тяжіння та центр мас.

Мета уроку:

• Навчальна: формувати в учнів знання про явище земного тяжіння; розкрити суть поняття «сила тяжіння», «вага», «невагомість», «перевантаження», «центр тяжіння», «цент мас»; продовжувати розкривати роль фізичного знання в житті людини, формувати в учнів алгоритмічні прийоми розв’язування фізичних задач.
• Виховна: формувати наукову картину світу.
• Розвиваюча: спонукати учнів до критичного мислення, розвивати вміння застосовувати набуті знання в практичній діяльності.

Основні поняття:сила тяжіння, земне тяжіння, вага, невагомість, перевантаження.

Обладнання: динамометр, тіла різної маси

Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу.

Хід уроку

І. Організаційний момент

ІІ. Актуалізація опорних знань

Методом фронтального опитування з’ясувати уміння учнів пояснювати причину зміни швидкості та деформації тіл внаслідок дії одного тіла на інше, знання про фізичну величину, яка є мірою такого впливу; позначення, одиниці вимірювання та графічне зображення сили, пошук рівнодійної; розуміння умов виникнення сили пружності, формулювання та пояснення закону Гука.

ІІІ. Оголошення теми та мети уроку

Серед непізнаного наші знання займають не більше місця, ніж ми самі в всій природі. Тому є над чим працювати.

Сьогодні на уроці ми познайомимося із ще одним різновидом сил – силою земного тяжіння.

ІV. Формування нових знань

Ньютон припустив, що низка явищ, які, здавалося б не мають нічого спільного (падіння тіл на Землю, рух планет навколо Сонця, припливи і відпливи), викликані однією причиною. Провівши чимало розрахунків, Ньютон дійшов висновку, що всі тіла в природі притягують одне одного із силою, прямо пропорційною добутку їх мас і обернено пропорційною квадрату відстані між ними.

Камінь падає на Землю тому, що його притягує Земля. Камінь теж притягує Землю. Сила взаємодії між ними – це сила всесвітнього тяжіння. Для нас особливо важливе значення має сила притягання тіл до планети, на якій ми живемо, - до Землі. Тому сила тяжіння визначаються як сила, з якою тіло притягується до Землі в даному місці.

Коли розглянули фотознімки падіння кульки, на яких положення кульки фіксувалось через однакові інтервали часу. (Демонстрація плаката чи фотознімків в підручнику).

Коли порівняли відстані, то виявилось, що вони збільшуються. Це свідчить про те, що швидкість кульки теж збільшується. Тому, рух тіла, що подає, нерівномірний.

Під час наближення до Землі, швидкість тіла збільшується  щосекунди на однакову величину, незалежно від маси та розмірів самого тіла. Цю величину названо прискоренням вільного падіння, позначають – g. Прийнято вважати g = 9,8Н/кг (м/с²). Для розрахунків, іноді приймають g = 10Н/кг.

Силу тяжіння можна розрахувати, знаючи масу тіла.

Якщо взяти динамометр і підвісити до нього важок масою 102г, то стрілка динамометра зупиниться біля поділки 1Н. якщо підвісити два таких самих важки, то динамометр покаже 2Н і т.д. з відси можна зробити висновок, що сила тяжіння пропорційна масі тіла.

Знаючи прискорення вільного падіння і масу тіла можна знайти силу тяжіння, що діє на тіло за формулою: .

Значення прискорення вільного падіння залежить від широти, на якій знаходиться тіло. Земля не є ідеальною кулею: точки земної поверхні поблизу екватора розташовані далі від центра, ніж точки біля полюсів. Із цієї причини сила тяжіння зменшується в разі переміщення тіла від полюса до екватора.

Сила тяжіння є проявом загального закону, який діє в усьому Всесвіті. Відкритий і сформульований у сімнадцятому столітті англійським фізиком Ньютоном, він стверджує, що сила гравітаційної взаємодії пропорційна масам взаємодіючих тіл і обернено пропорційна квадрату відстані між ними.

, G = 6,67·10^-11 Нм²/кг².

Падіння  тіл за відсутності опору повітря називають вільним падінням. При вільному падінні всі тіла падають однаково (не залежно від маси – дослід Ньютона із колбою з якої викачали повітря).

Інтерактивна вправа «Мозковий штурм».

Проблемне запитання:

Ньютон першим з’ясував, що тіла падають не вертикально, а трохи відхиляються на схід. Чому?

Обране проблемне запитання записують на дошці або папері, щоб під час роботи цей запис був перед очима. Усі учасники штурму, обмірковуючи питання, висувають ідеї.

Ідеї можуть бути навіть найфантастичніші. Хтось з учнів записує на дошці всі пропоновані ідеї. Коли всі присутні вважатимуть кількість поданих ідей достатньою, їх висування припиняється. Коли всі ідеї зібрано, їх групують, аналізують, розвивають групою.

Обираються ті ідеї, які, на думку групи, правильні.

Відповідь: Перевірка показала, що таке відхилення можна виявити під час падіння тіла з висоти, наприклад з вежі не менше як 25 -30м. це пояснюється тим,що верхівка вежі, під час обертання Землі, має дещо більшу лінійну швидкість, ніж основа. Тіло, що падає з верхівки вежі, зберігає цю швидкість, а тому досягне поверхні Землі в точці, розміщеній дещо на схід від основи вежі, оскільки Земля обертається з заходу на схід.

Вага тіла – це сила з якою тіло внаслідок притягання до Землі діє на горизонтальну опору чи підвіс.

Не слід плутати силу тяжіння з вагою тіла. Сила тяжіння діє на саме тіло, а вага це сила з якою тіло діє на опору чи підвіс.

Якщо горизонтальна опора чи підвіс з тілом перебувають у стані спокою або рухаються прямолінійно і рівномірно, то вага тіла дорівнює силі тяжіння і визначається за формулою: Р = m g.

Проте точки прикладання ваги і сили тяжіння різні. Сила тяжіння прикладена до певного тіла, а вага – до опори або підвісу.

На першому рисунку зображено силу тяжіння, що діє на кульку підвішені на нитці, на другому – вагу тіла, третьому – силу натягу нитки (силу пружності).

Не слід плутати вагу тіла із його масою. Вага поняття не складне, але воно мало пов’язане із нашим життям. У побуті часто замість поняття маси використовують поняття ваги (спортсмен підняв гирю вагою 25кг), що є не правильно, адже вага і сила  - це різні фізичні величини, перша – векторна, друга – скалярна, до того ж вони мають різні одиниці вимірювання перша – Ньютон, друга – кілограм.

Крім того маса тіла зазвичай незмінна величина, а вага маже змінюватись, залежно від руху тіла. Наприклад, якщо тіло пришвидшує свій рух і рухається вгору то його вага збільшується, якщо сповільнює – зменшується.

Підводячи підсумки, хочеться ще раз звернути увагу на відмінності сили тяжіння і ваги тіла:

• Вага тіла і сила тяжіння,що діє на нього, прикладені до різних тіл: сила тяжіння до самого тіла, а вага – до підвісу чи опори.
• Вага тіла і сила тяжіння мають різну фізичну природу: сила тяжіння є частковим випадком сили всесвітнього тяжіння, а вага найчастіше є силою пружності.
• Вага тіла дорівнює сили тяжіння лише для нерухомих тіл або тіл, що рухаються зі сталою швидкістю.
• Вага тіла змінюється від широти – чим ближче до екватора, тим вага тіла буде меншою. Вага тіла на екваторі внаслідок добового обертання Землі є меншою від ваги цього тіла на полюсі приблизно на 0,3% - 0,5%. Крім того вага тіла зменшується в результаті підняття, оскільки зі збільшенням висоти над поверхнею Землі зменшується прискорення вільного падіння.

Досить часто ми чуємо слова пов’язані безпосередньо з вагою тіла – «перевантаження», «невагомість». Що вони означають? Давайте з’ясуємо.

Перевантаження - це збільшення ваги тіла.

Перевантаження зазнають пасажири ліфтів, космонавти під час зльоту ракети в космос. Перевантаження це збільшення ваги, та не лише людини в цілому, але й кожного її органу. Здорова людина може без шкоди витримати короткочасні триразові перевантаження, тобто збільшення ваги у три рази. Натомість космонавту доводиться під час старту й посадки космічного корабля витримувати багаторазові (приблизно у 10g) перевантаження. Щоб це не завадило шкоди здоров’ю космонавтів, їх тренують за допомогою спеціальних апаратів.

Стан, при якому вага тіла дорівнює нулю називають невагомістю.

Інтерактивна вправа  «Обери позицію».

Учитель оголошує питання: «Чи перебуватиме портфель, що випадково впав із стола, в невагомості» і пропонує висловити свою думку стосовно неї. Учні мають підійти до плакату (так, ні, не знаю), що відповідає їх позиції. Вони мають підготуватися до обґрунтування своєї позиції; самостійно або в групах своїх однодумців формулюють кілька найсильніших аргументів, здатних переконати інших у їх правоті. Висловлюють свої аргументи класу.

Учні мають дотримуватися певних правил: уважно вислуховувати позиції та аргументи інших. Якщо після обговорення дискусійного питання хтось змінив точку зору, він можете перейти до іншого плакату і пояснити причину свого переходу, а також назвати найпереконливішу ідею чи аргумент протилежної сторони.

Це можливо, коли на тіло діє лише сила тяжіння. Щоб відчути короткочасний стан невагомості, досить просто підстрибнути. Доти, доки ноги не торкнуться підлоги, людина буде рухатися з прискоренням вільного падіння, а тому перебуватиме у стані невагомості. Характерною властивістю даного стану є відсутність «внутрішніх напружень» у тілі, наприклад відсутність тиску одних органів на інші у тілі людини.

Демонстрація.

У стані невагомості перебуватимуть гирьки, що подають вниз в насідок перерізування мотузки. Як видно, під час падіння, динамометр показує 0Н. немає підвісу немає ваги тіла.

 У тривалому стані невагомості поперебувають космонавти в космічному кораблі, коли його двигун вимкнутий.

Точка прикладання сили тяжіння називається центром тяжіння певного тіла. Місце розташування можна визначити за допомогою простих розрахунків, або дослідним шляхом.

Цент тяжіння однорідних тіл правильної геометричної форми розташований, наприклад:

• У трикутнику – на перетині медіан;
• У стержні постійного перерізу, у циліндрі, кулі, сфері, паралелепіпеді – у центрі;
• У правильній піраміді – на одній третій висоти від її основи.

Цент тяжіння може бути розташований і поза тілом.

Якщо до нерухомого тіла прикласти силу, воно почне рухатись поступально лише в тому разі, якщо лінія дії сили проходить через точку, що називається центром мас тіла. А оскільки під дією сили тяжіння тіло рухається поступально, то цент тяжіння збігається з центром мас. Цент мас – це властивість тіла,і  вона не від чого не залежить, а цент тяжіння не притаманний тілу і залежить від умов. У яких перебуває тіло.

V. Закріплення вивченого матеріалу

Робота з підручником. Складання формально – логічної моделі.

Розв’язування якісних та кількісних задач:

• Що притягує до себе з більшою силою – Земля яблуко чи яблуко Землю? Чому яблуко падає на Землю, а не Земля «піднімається» до яблука?
• Чому сила тяжіння на екваторі менша, ніж на полюсах?
•  1970 рік, космічний апарат «Лунохід - 1» масою 750кг досягає поверхні Місяця. Знайти силу тяжіння, що діяла на апарат, коли він знаходився на поверхні Землі.
• Якою була маса собаки Лайки (першої живої істоти, що мандрувала космосом), якщо сила тяжіння, що діяла на неї, за значенням дорівнювала 240Н?
• До пружини підвісили вантаж масою 0,2кг, внаслідок чого пружина розтягнулася на 4см. Визначити жорсткість пружини.
• На скільки видовжиться риболовна волосінь з жорсткістю 0,5кН/м під час піднімання вертикально вгору рибини масою 200г?

• Визначити масу вантажу, який рівномірно піднімають вгору за допомогою мотузки жорсткість 5кН, якщо вона подовжилась на 12см.
• Опинившись під час літнього дощу під однією парасолькою, бешкетниці Світлана і Іра тягнуть парасольку в протилежні боки. Причому Іра – із силою 50Н, а Світланка – 40Н. Знайдіть графічно й аналітично рівнодійну сил, прикладених дівчатками.
• Дід тягне ріпку із силою 150Н, бабака – 100Н, внучка – 50Н, Жучка – 30Н, Мурка – 20Н. визначте рівнодійну сил, прикладених , до ріпки.
• Випробовуючи новий динамометр, Андрій вирішив зважити свого кота. Динамометр показав 40Н. чому дорівнює маса кота.
• Чемпіон школи з важкої атлетики під час тренування присідає зі штангою масою 200кг. З якою силою штанга діє на плечі юнака?
• Кролик за день з’їдає 1,5кг трави. Чи насититься кролик Сашка, якщо мішок з травою, яку заготував хлопчик,важить 0,018кН?
• Кубок об’ємом 300см³ притягається до Землі із силою 57,9Н. з якого металу виготовлений кубок?
• Визначте силу, яка діє на свинцевий брусок, розміри якого 20мм, 70мм, 10мм.
• Учень восьмого класу, хоче стати відомим боксером, в тій самій ваговій категорії що й Віталій Кличко. На скільки кілограмів має збільшитися маса хлопчика, якщо його маса 45кг, а сила тяжіння, що діє на Віталіка Кличка 1090Н?
• Яка сила тяжіння діє на відро місткістю 10л, якщо маса порожнього відра 1кг? Густина води 1000кг/м³.
• Визначити масу вантажу, який рівномірно піднімають вгору за допомогою мотузки жорсткість 2кН, якщо вона подовжилась на 8см.
• До пружини підвісили вантаж масою 2кг, внаслідок чого пружина розтягнулася на 25см. Визначити жорсткість пружини.
• Учень стверджує,що вага тіла, яка перебуває у ліфті, обов’язково збільшується, коли ліфт рухається вгору, і зменшується коли ліфт рухається вниз. Чи згодні ви з цим твердженням. (Ні, зміна ваги пов’язана із напрямком зміни швидкості).
• Чи має вагу брусок, що лежить на столі? Падає з столу?
• Як зміниться маса і вага корабля, який перепливає з Північного Льодовитого океану в Середземне море? (Маса не зміниться, а вага зменшиться).
• На терезах зрівноважили людину, яка тримає у руках важких предмет. Що буде відбуватися з терезами, якщо людина швидко підніме вантаж вгору? Підстрибне? Швидко присяде? (покажуть більшу вагу, вага дорівнюватиме нулю, меншу вагу)
• Сила тяжіння, що діє на люстру, дорівнює 120Н. яка вага люстри? Яка маса люстри?
• Скільки важить бензин об’ємом 0,025м³. Густина бензину 700кг/м³.
• Вага тіла на Місяці на 920Н менша, ніж на Марсі. Яка вага цього тіла на Землі? Прискорення вільного падіння на Місяці дорівнює 1,6м/с², на Марсі – 3,9м/с².

Інтерактивна вправа «Фізичний диктант».

Варіант І

1. Яку назву має гравітаційного притягання Землі, що діє на будь – яке тіло поблизу неї?
2. Подайте у вигляді формули залежність між силою тяжіння та масою тіла.
3. Назвіть числове значення коефіцієнта тяжіння.
4. Яким є рух тіла, що падає на Землю під дією сили тяжіння?
5. Знайдіть масу тіла, якщо сила тяжіння, що діє на нього рівна 98Н.
6. Визначте силу тяжіння,що діє на тіло масою 100г.

Варіант ІІ

1. Назвіть напрямок та точку прикладання сили тяжіння.
2. Як називають коефіцієнт пропорційності у формулі залежності сили тяжіння та маси?
3. Що називають силою тяжіння?
4. Чи однакове значення прискорення вільного падіння у різних точках Земної поверхні?
5. Знайдіть масу тіла, якщо динамометр, до якого він підвішений показує  9,8Н.
6. Визначте силу тяжіння,що діє на тіло масою 10кг.

VІ. Підсумок уроку

Інтерактивна вправа «Підсумок».

Учні по - черзі розповідають, чи продуктивним був для них урок, що нового вони дізналися, чого навчилися.

VІІ. Домашнє завдання

Розв’язати задачу:

• Визначте силу, яка діє на дерев’яний брусок, розміри якого 20мм, 70мм, 10мм.