Теоретичні матеріали до уроку фізики у 7 класі за темою "Сила тяжіння"

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.

Та ні 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.

Спостерігаючи падіння тіл, можна помітити, що «важкі» тіла падають звичайно швидше, ніж «легкі». Наприклад, монета падає набагато швидше, ніж паперовий кружок. Ще в давнину Аристотель 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 Аристотель 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 Аристотеля, 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 9,8 м/с.

Камінь, випущений з руки, падає на Землю; м’яч, кинутий горизонтально, рухається по кривій лінії в напрямку до Землі; ракета, запущена з Землі, обертається навколо неї. У всіх цих випадках спостерігається взаємодія тіл із Землею.

Земля притягує до себе всі тіла: людей, воду морів, океанів та рік, будинки, Місяць і Сонце. Але й ці тіла притягують до себе Землю. Взаємне притягання всіх тіл Всесвіту називають всесвітнім тяжінням. Для людей найбільше значення має сила притягання тіл до планети, на якій ми живемо.

Сила, з якою Земля притягує до себе всі тіла, називається силою тяжіння. Сила тяжіння завжди спрямована до центру Землі.

На досліді встановлено, що сила тяжіння прямо пропорційна масі тіла. Цей коефіцієнт пропорційності позначається літерою g і дорівнює 9,8 Н/кг. Цей коефіцієнт називають прискоренням вільного падіння.

Усі тіла, що перебувають на Землі, або поблизу, взаємодіють з нею: Земля притягує тіла, а тіла Землю та одне одного.

 Сила тяжіння прикладається до центра мас тіла і напрямлена до центра Землі.

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

 При розв’язуванні задач, які не потребують великої точності розрахунків, можна використовувати наближене значення g = 10 Н/кг.

 Внаслідок взаємного притягання тіл виникають: припливи і відпливи, атмосфера утримується біля Землі, планети рухаються по орбітах...

Ньютон довів: сила притягання між тілами тим більша, чим більші маси тіл та менша  відстань між ними.

    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  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, вимірюють динамометром в Н (Ньютонах). 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.

Вага тіла прикладається до опори чи підвісу у точці їх дотику.

При нерівномірному русі вага тіла не дорівнює силі тяжіння!

Сила реакції опори — сила дії опори або підвісу на тіло. Якщо тіло знаходиться у спокою, то вага тіла чисельно дорівнює силі тяжіння. Але не можна забувати про різницю між силою тяжіння і вагою тіла: сила тяжіння — це гравітаційна сила, прикладена до тіла; вага тіла — це сила пружності, прикладена до опори.

Вага тіла не завжди дорівнює силі тяжіння. При русі тіла його вага може зменшуватися або збільшуватися.

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).

Європейське космічне агентство опублікувало перші в історії результати досліджень гравітаційного поля Землі.

Комп'ютерна тривимірна модель, складена ученими Мюнхенського Технічного університету, демонструє нерівномірність гравітації на поверхні нашої планети. Жовтим кольором позначені ділянки, в яких сила гравітації вища, а синім - нижча, ніж середній глобальний показник.

Коефіцієнт g залежить від географічної широти місцезнаходження тіла, його висоти підняття над рівнем моря та інших факторів. Тому в різних куточках нашої планети коефіцієнт g дещо відрізняється. Для проведення розрахунків, згідно з рішенням третьої Генеральної конференції з мір та ваг у 1901 році, було прийняте стандартне значення g = 9,80665 Н/кг. Кожна планета має відповідне значення коефіцієнта g. Під час польоту зріст космонавтів збільшується приблизно на 5 см, бо в космосі на хребет практично не діє сила земного тяжіння.

На Землі спостерігаються явища припливів і відпливів. Їх використовували для того, щоб зайти в гавань під час припливів, розвантажити кораблі. Довгий час вчені не могли пояснити, чому двічі за добу в деяких місцях вода біля берега піднімається на висоту до 10-18 метрів. Пояснили припливи і відпливи після відкриття Закону всесвітнього тяжіння Місяць (і, у меншій мірі, Сонце) неоднаково притягує до себе точки Землі, на протилежних відносно нього кінцях. У порівнянні з центром Землі ближче до Місяця точки Землі більше притягуються, а віддалені, навпаки – менше. Унаслідок цього ближня частина Землі подається в бік Місяця, а протилежна відстає від центральної частини. Унаслідок обертання Землі навколо осі припливні горби переміщуються поверхнею Землі. У відкритому океані вода піднімається на висоту до 1 метра. Поверхня Землі також зазнає припливних зміщень, але менших-до 0,5 м.

Завдяки земному тяжінню наша планета має атмосферу. Шар повітря навколо Землі поступово розріджується, але її притягання утримує газову оболонку. Інші космічні тіла, маси яких менші, не мають атмосфери. Серед них - супутник Землі – Місяць. Тяжіння перешкоджає нам на Землі вирватися за її межі. І лише після того, як були створені потужні ракети, вченим вдалося надати тілу необхідної швидкості та перебороти притягання до Землі. У 1957 році був запушений перший штучний супутник Землі. 

Земля є неоднорідною, тобто її густина в різних місцях неоднакова. Якщо під поверхнею Землі є речовини, густина яких більша від її середньої густини, Земля в цьому місці на тіло масою 1 кг діє з силою, більшою, ніж 9,8 Н. Якщо ж під поверхнею є значні запаси газу, нафти, притягання цього тіла, відповідно, буде меншим 9,8 Н. На цьому грунтується гравіметрична розвідкакорисних  копалин.

Задача1. Обчисліть силу тяжіння, що діє на одного із найбільших китів, виявлених людиною, масою 150 т і на найменшу пташку на Землі — колібрі масою 2 г?

Задача 2. Чому дорівнює вага 20л гасу?

Задача 3. Визначте вагу дубового бруска розміром 150×500×150 мм.

Задача 4. Хлопчик масою 40 кг стоїть у нерухомому ліфті. Якою є сила тяжіння та вага хлопця? Якими будуть ці сили, якщо ліфт буде рухатись зі сталою швидкістю?

Задача 5. Спортсмен утримує на витягнутих руках штангу вагою 900 Н. Чому дорівнює маса штанги?

Задача 6. На пружині жорсткістю 50 Н/м закріпили кульку масою 300 г. На скільки змінилася довжина пружини?

Задача 7. Пружина жорсткістю 500 Н/м під дією підвішеного тіла розтяглася на 4 см.

Визначте масу тіла.

Задача 8. Чому дорівнює вага мідного куба, довжина ребра якого дорівнює 30 см?

Задача 9. У відро масою 850 г налили 7 л води. Чому дорівнює вага відра з водою?