Урок фізики в 9 класі "Закон всесвітнього тяжіння. Сила тяжіння. Прискорення вільного падіння"

9 клас              

Тема.                       Закон всесвітнього тяжіння. Сила тяжіння.

                                       Прискорення вільного падіння

Мета уроку: сформувати знання про силу тяжіння та силу всесвітнього тяжіння (закон тяжіння); формувати навички та вміння розв’язувати фізичні задачі, застосовуючи отримані знання

Очікувані результати: учні повинні формулювати та записувати закон всесвітнього тяжіння, називати межі його застосування; знати, яким є фізичний зміст гравітаційної сталої та чому вона дорівнює; давати означення сили тяжіння, розуміти, як вона напрямлена та за якими формулами її обчислюють; знати, як розрахувати прискорення вільного падіння, від яких чинників воно залежить.

Тип уроку: комбінований.

Наочність і обладнання: підручник, трубка Ньютона, корок, свинцева дробинка, шматочок паперу, динамометр, тягарець, презентація.

Епіграф уроку…

ХІД   УРОКУ

Так,  яблуко – занепаду причина,

Але і злетів теж одна з причин,

Бо Ньютоном накреслена стежина

До незбагненних досі височин …

Дж.Байрон «Дон Жуан»

І. Організаційний етап         

II. Формулювання теми, мети й завдань уроку.                                                 

     Мотивація навчальної діяльності                                                    

Розповісти учням, що однією з найпопулярніших легенд про видатних людей  є легенда про те, як на голову Ньютона впало яблуко, проте сучасну версію цієї історії дещо прикрашено: на голову Ньютона яблуко не падало, але саме яблуко «спричинило» напрямок подальшої роботи вченого. Повідомити, що  на цьому уроці учні дізнаються про закон, установлений Ньютоном, закон   всесвітнього тяжіння.                                                    

III. Перевірка знань учнів                                                

• Провести фізичний диктант «Додай слово – отримаєш бал»

1. Сила характеризує … .
2. Сила –  … величина.
3. У системі СІ одиниця сили … .
4. Сила вимірюється … .
5. Дія сили на тіло може бути причиною його … чи … .
6. Які три характеристики має сила як вектор?        

IV. Актуалізація опорних знань та вмінь   

Запитання для фронтального опитування 

• Чому Місяць не падає на Землю?

• Чому існує Сонячна система (не розлітається в космічному просторі)?

• Чому виникають приливи?

• Чому тіла падають на Землю?

• Запропонувати учням повторити, користуючись пунктом 1 § 33, що називають гравітаційною взаємодією, гравітаційним полем, згадати приклади гравітаційних взаємодій.

V. Вивчення нового матеріалу                                  

План викладання нового матеріалу (за § 33)             

1. Гравітаційна взаємодія
2. Закон всесвітнього тяжіння.                            
3. Межі застосування закону всесвітнього тяжіння.      
4. Сила тяжіння як фізична величина (визначення, напрямок, формула).
5.  Прискорення вільного падіння. Чинники, від яких воно залежить. 

У ході викладання нового матеріалу продемонструвати падіння тіл (корка, свинцевої дробинки, пташиного пера) в трубці Ньютона.   

1. Гравітаційна взаємодія

Теорія гравітації – теорія, створена Ньютоном, є підґрунтям Сучасної науки. Інша теорія гравітації, розроблена Ейнштейном, є найвидатнішим досягненням теоретичної фізики XX ст. Упродовж сторіч розвитку цивілізації людства люди спостерігали явище взаємного притягання тіл і вимірювали його величину; вони намагалися поставити це явище собі на службу, подолати його вплив і останнім часом – розраховувати його з надзвичайною точністю під час перших кроків дослідження та осягнення Всесвіту.

Серед усіх сил, що існують у природі, сила тяжіння вирізняється, насамперед, тим, що має свої прояви всюди.

Гравітаційна взаємодія –  це взаємодія, властива всім тілам у Всесвіті. Вона проявляється в їх взаємному притяганні одне до одного.

Гравітаційна взаємодія здійснюється за допомогою особливого виду матерії –  гравітаційного поля.

Гравітаційне поле існує біля будь-якого тіла: зорі чи планети, людини чи книги, молекули чи атома. Гравітаційне поле можна виявити лише в тілах, що мають значну масу. Це означає, що гравітаційна взаємодія дуже слабка.

Історія відкриття закону всесвітнього тяжіння

На схилі своїх днів Ісак Ньютон розповів, як це сталося: він прогулювався яблуневим садом у маєтку своїх батьків і раптом побачив Місяць у денному небі. І миттю на його очах від гілки відірвалося й упало на землю яблуко. Оскільки Ньютон у цей час саме працював над законами руху, він уже знав, що яблуко впало під впливом гравітаційного поля Землі. Знав він і про те, що Місяць не просто висить у небі, а обертається по орбіті навколо Землі, а отже, на нього впливає якась сила, що втримує його від того, щоб зірватися з орбіти й полетіти вдалечінь, у відкритий космос. Тут йому й спало на думку, що, можливо, це одна й та сама сила змушує яблуко падати на землю, а Місяць залишатися на навколоземній орбіті.

Щоб сповна оцінити весь блиск цього осяяння, повернімося ненадовго до його передісторії. Коли видатні попередники Ньютона, зокрема Галілей, вивчали рівноприскорений рух тіл, що падають на поверхню Землі, вони були впевнені, що спостерігають явище виключно земної природи – таке, що існує лише поблизу поверхні нашої планети. Коли інші вчені, наприклад, Йоганн Кеплер, вивчали рух небесних тіл, вони вважали, що в небесних сферах діють зовсім інші закони, які відрізняються від тих, що керують рухом тут, на Землі.

Історія науки свідчить про те, що практично всі уявлення про рух небесних тіл до Ньютона полягали в основному в тому, що небесні тіла, будучи досконалими, рухаються коловими орбітами завдяки своїй досконалості, оскільки коло – суть ідеальна геометрична фігура. Отже, висловлюючись сучасною мовою, уважалося, що є два типи гравітації, і це уявлення стійко закріпилося в свідомості людей того часу. Усі вважали, що є земна гравітація, яка діє на недосконалій Землі, і є гравітація небесна, що діє на досконалих небесах.

Прозріння ж Ньютона саме й полягало в тому, що він об'єднав ці два типи гравітації у своїй свідомості. З цього історичного моменту штучний і помилковий поділ Землі та решти Всесвіту припинив своє існування.

Результати розрахунків Ньютона тепер називають законом всесвітнього тяжіння Ньютона.

Пропущення про те, що сила притягання двох тіл прямо пропорційна масам цих тіл і обернено пропорційна квадрату відстані між ними першим висловив англійський учений Роберт Гук (1635-1703).

2. Закон всесвітнього тяжіння

Зробивши численні розрахунки. Ньютон дійшов висновку, що всі тіла в природі притягуються одне до одного із силою, прямо пропорційною добутку їхніх мас й обернено пропорційною квадрату відстані між ними. Використовуючи астрономічні дані та математичні обчислення. Ньютон сформулював закон всесвітнього тяжіння:     

•               дві матеріальні точки масами т₁ і т₂ ,  що перебувають на відстані R одна від одної, притягуються з силою  
•                   

F – сила всесвітнього тяжіння, Н;

m₁i m₂  - маси взаємодіючих тіл, кг;

r – відстань між матеріальними точками (центрами куль), м;

G – гравітаційна стала (коефіцієнт пропорційності), Н^.м²/кг².

Коефіцієнт пропорційності G у законі всесвітнього тяжіння називають гравітаційною сталою. Він чисельно дорівнює силі, з якою притягуються дві матеріальні точки одиничної маси (1 кг), що перебувають на одиничній відстані (1 м) одна від одної.

Вимірювання показали, що

           G =6,67∙ 10 ^-11 (Н∙ м ²)/ кг ^{2 .}

Таке значення гравітаційної сталої пояснює, чому гравітаційні сили між тілами невеликої маси мізерно малі, і ми їх часто не помічаємо. Адже навіть дві кулі, кожна масою з тонну, на відстані 1 м притягуються одна до одної із силою лише в 6,67 стотисячних часток ньютона. А для тіл, які мають велику масу (зірок і планет), ці сили досягають великих значень.

Гравітаційну сталу вперше виміряв англійський учений Генрі Кавендіш у 1798 році за допомогою крутильних терезів.

3. Межі застосовності закону всесвітнього тяжіння

Закон всесвітнього тяжіння (F = G має певні межі застосовності. Його можна застосувати:

а) для матеріальних точок;

б) для тіл, що мають форму кулі;

в) для кулі великого радіуса, що взаємодіє з тілами, розміри яких значно менші за розміри кулі.

Цю формулу не можна застосувати:

а) для взаємодії нескінченного стрижня й кулі;

б) для тіла й нескінченної площини.

Закон всесвітнього тяжіння дозволив Ньютону пояснити рух планет, морські припливи й відпливи. Згодом астрономи з його допомогою «на кінчику пера» відкрили найвіддаленіші планети нашої Сонячної системи – Нептун і Плутон. На підставі цього закону прогнозують сонячні й місячні затемнення, розраховують рух космічних кораблів.     

4. Сила тяжіння

Камінь падає на Землю, тому що його притягує Земля. Камінь також притягує Землю. Сили взаємодії між каменем і Землею – це сили всесвітнього тяжіння. Для нас особливо важливе значення має сила притягання тіл до планети, на якій ми живемо, - до Землі. Тому сила тяжіння визначається як сила, з якою тіло притягується до Землі в певному місці. Тепер ми можемо додати, що це окремий випадок гравітаційних сил.

• Силу, з якою Земля притягує будь-яке тіло, називають силою тяжіння.

Під час вільного падіння всі тіла біля поверхні Землі рухаються з однаковим прискоренням, що називають прискоренням вільного падіння g. Це прискорення зумовлене дією на тіло сили тяжіння F _т.

Отже, другий закон Ньютона для тіла, що вільно падає, має вигляд:

F _тяж =т ∙g.

Таким чином,

• сила тяжіння, що діє на тіло, пропорційна масі цього тіла.

Сила тяжіння діє на всі тіла. Але до якої точки прикладена ця сила, якщо тіло не можна вважати матеріальною точкою? Найпростіше відповісти на це запитання за допомогою досліду.

5. Прискорення вільного падіння

Розглядаючи Землю як однорідну кулю, розуміємо, що Земля  притягує тіло масою яке знаходиться на її поверхні, із силою:

(F = G -, де Мз –  маса Землі, Rз — радіус Землі.

Ця сила надає тілам прискорення вільного падіння, що дорівнює:

g = F_тяж  / m.

З отриманої формули видно, що прискорення вільного падіння визначається лише масою Землі та відстанню від центра Землі до тіла, тому прискорення вільного падіння є однаковим для всіх тіл незалежно від їхньої маси.

Оскільки земна куля трохи сплюснута біля полюсів (екваторіальний радіус Землі більший за полярний на 21 км), то прискорення вільного падіння збільшується  залежно від переміщення: екватор – полюс. Однак сплюснутість Землі – не головна причина залежності прискорення вільного падіння від географічної широти місцевості.

Іншою істотною причиною є обертання Землі навколо своєї осі.

Ці дві причини зумовлюють те, що прискорення вільного падіння на різних широтах відрізняються: на полюсах  g =9,83 м/с², на екваторі – g =9,78 м/с², а на широті 45° - g =9,81 м/с².

Крім того, прискорення вільного падіння в певній місцевості може відрізнятися через неоднорідність будови земної кори, наявність гір і западин, а також через різну густину порід, що залягають у надрах Землі. Зменшення прискорення вільного падіння часто свідчить про поклади таких корисних копалин, як торф, нафта, газ; збільшення – про поклади металевих руд.

Метод знаходження покладів корисних копалин за точним значенням прискорення вільного падіння називають гравіметричною розвідкою.

VI. Первинне осмислення нового матеріалу                             

1.   Провести інтерактивний тест «Так — Ні» за матеріалом § 33.

1) Вільне падіння спостерігається тільки за відсутності опору. (Так)

2) Під час вільного падіння не всі тіла падають однаково. (Ні)

3) Під час падіння тіло рухається рівномірно. (Ні)

4) На всі тіла діє сила притягання з боку Землі. (Так)

5) Сила тяжіння обернено пропорційна масі тіла. (Ні)

6) Сила тяжіння в системі СІ вимірюється в Н.  (Так)

7) Сила тяжіння вимірюється динамометром.    (Так)                                    

2. Експрес-тест                               

1) Під дією якої сили падає на Землю краплинка дощу?                      

а) Сили атмосферного тиску;                  б) сили пружності;               в) сили тяжіння.

2) На якому з рисунків правильно зображено силу тяжіння?

а                                      б                                       в                                                        

                  а                                      б                                             в

3) 3 дерева падає яблуко масою 0,5 кг. Якою є сила тяжіння, яка діє на нього?                

а) 0,5Н;                        б) 5Н;                     в) 50 Н.

4) Яка маса тіла, якщо на нього діє сила тяжіння 500 Н?

а) 50 кг;                       б) 5 кг;                    в) 500кг.                                    

Підсумок даного етапу.

3. Метод «Прес»             Етапи метода «Прес»

•    Висловлюємо свою думку « Я вважаю...».
•    Пояснюємо причину такої точки зору «Тому що...».                        
•    Наводимо приклад додаткових аргументів у підтримку своєї позиції «.. . наприклад ...».
• Узагальнюємо, формулюємо висновки «Отже...», (« Таким чином...»).

Користуючись методом «Прес», висловити свою думку

Сила тяжіння є «корисною»... або сила тяжіння не є «корисною»...

Наприклад, сила тяжіння є корисною, тому що завдяки цій силі тіла притягуються до Землі.

Наприклад, завдяки силі тяжіння існує повітряна оболонка Землі – атмосфера.

Отже, сила тяжіння «корисна».

 VII. Закріплення отриманих знань                                      

1. Навести дані щодо прискорення вільного падіння на різних планетах Сонячної системи; запропонувати учням виконати завдання 8 вправи № 33. 

2. Навести дані з біології, запропонувати учням скласти за ними задачу  та розв'язати її.                                                                             

Приклад. Найважчий птах української фауни – дрохва. Її маса може сягати 20 кг. Найменший лісовий птах – корольок. Його маса лише 4-5 г.

3. Визначити значення сили взаємного притягання двох кораблів, віддалених один від одного на 100 м, якщо маса кожного з них 10 000 т.

4. Космічна ракета під час старту з поверхні Землі рухається вертикально вгору з прискоренням 20 м/с². Знайдіть вагу космонавта, якщо його маса становить 90 кг.

VIII. Підбиття підсумків уроку. Рефлексія                                                              

VIII. Домашнє завдання.

Опрацювати матеріал §33; відповідати на контрольні запитання с.213. Вправа № 33 (5) с.214. *Експериментальне завдання після § 33.