Урок на тему "Рух тіла в полі сили тяжіння. Вільне падіння"

Тема уроку Рух тіла в полі сили тяжіння. Вільне падіння.

Мета уроку

Освітня: пояснити учням закономірності падіння тіл у гравітаційному полі Землі; ввести значення прискорення вільного падіння; дати учням уявлення про вільне падіння й рух тіла, кинутого вертикально вгору, як окремий випадок рівноприскореного руху; ознайомити учнів з історією створення фізики, з роботами видатних учених.

Розвивальна: формувати інтерес до фізичного експерименту, сприяти активізації творчого мислення учнів, пробуджувати в них пізнавальний інтерес.

Виховна: виховувати практичні навички користування приладами; розширити кругозір учнів, збуджувати інтерес до вивчення фізики.

Обладнання: трубка Ньютона, два однакові аркуші паперу, свинцева шротинка, шматок пробки, перо, презентація вільного падіння, картки для експрес-контролю; проектор, екран, комп’ютер.

Тип уроку: вивчення нового матеріалу.

План уроку

І. Організаційний момент.

ІІ. Актуалізація знань учнів.

Фізичний диктант

1. Який рух називається рівноприскореним? 
2.  Що таке прискорення?
3. Формула прискорення з початковою швидкістю.
4. Чи можуть прискорення і початкова швидкість руху тіла набувати від’ємних значень?
5. Формула швидкості для рівноприскореного руху.
6. Формула переміщення для рівноприскореного руху.
7. Що є графіком прискорення руху тіла від часу?
8. Що є графіком проекції швидкості руху тіла від часу?
9. Запишіть розмірність фізичних величин: швидкість, прискорення, переміщення, координата, час.
10. Запишіть рівняння швидкості руху тіла: початкова швидкість руху тіла 8 м/с, відомо, що через 5с  тіло набуло швидкості 10 м/с.

ІІІ. Вивчення нового матеріалу.

Падіння, якому ніщо не заважає, навіть опір повітря , називається вільним падінням.

Отже, у вакуумі, всі тіла не залежно від їхньої маси падають однаково – тобто з однаковим прискоренням, і в кінці падіння у всіх тіл швидкість однакова.

Але провести такий дослід в умовах справжнього вакууму змогли лише в минулому столітті. А що ж казали вчені до цього?

Великий учений давнини Аристотель на основі власних спостережень побудував теорію, яка доводила наступне: чим важче тіло, тим швидше воно падає. Ця теорія проіснувала 2 тисячі років, адже камінь, справді, падає швидше за аркуш паперу.

Якщо два тіла — легке й важке — зв’язати й кинути їх з певної висоти, то цю зв’язку можна вважати єдиним тілом. Якщо легке тіло завжди падає повільніше за важке, воно має «пригальмовувати» падіння важкого тіла, тому зв’язка двох тіл має падати повільніше, ніж одне важке тіло.

Але якщо зв’язку можна вважати одним тілом, ще більш важким, виходить, зв’язка має падати швидше, ніж одне важке тіло.

Виявивши цю суперечність, у 1589 році Галілей вирішив перевірити на досліді, як же насправді падатимуть тіла різної маси. Галілей поставив дослід з Пізанською вежею: скинув одночасно кулю й гарматне ядро. Хоча маси цих тіл відрізнялися в багато разів, куля й ядро впали одночасно.

 (перегляд ролика про Галілея)  

https://youtu.be/dTs2vWPvWGM?si=bQGXvkdzmyFqzvbF

Ще один дослід, який демонструє, що всі тіла падають з однаковим прискоренням, провів Ньютон. Зараз ми з вами його повторимо. В скляну трубку поміщено металеву кульку і пір’їнку. Якщо в трубці є повітря, то ці тіла впадуть неодночасно. Якщо ми відкачаємо з трубки повітря, то побачимо, що пір’їнка і кулька впадуть одночасно. В умовах вільного падіння, тобто лише під дією сили тяжіння, всі тіла, незалежно від їхньої маси  і форми, падають однаково.  

Правильність цього припущення підтверджується експериментально. Візьмімо товстостінну скляну трубку й помістімо в неї дробинку, шматочок корка і пір'їнку. Потім швидко перевернімо трубку. Тіла впадуть на дно, але дробинка впаде першою, а пір'їнка — останньою (мал.2.2.14). Якщо з трубки викачати повітря і знову її перевернути, то всі три тіла досягнуть дна одночасно (мал. 2.2.16).

Отже, всі тіла в безповітряному просторі (у вакуумі) падають з однаковим прискоренням, яке називається прискоренням вільного падіння.

Позначається літерою  g ≈ 9,81 м/с.а = g = const.

Вектор прискорення напрямлений вертикально вниз.

Цікавим фактом є те, що більшість думали, що числове значення gГалілей одержав саме під час дослідів на Пізанській вежі, але це не так. Щоб визначити прискорення вільного падіння він проводив дослід із похилою площиною на яку ставив кульку. Змінюючи кут нахилу площини він помітив, що прискорення також збільшується. І ось він помітив, що коли кут нахилу становить 90⁰ то прискорення набуває певного значення - 9,81 м/с. Цікавим є ще той факт, що в той час не було годинника і він проміжки часу вимірював за допомогою свого пульсу.

Щоб переконатись у тому , що вільне падіння є рівноприскорений рух можна зробити ряд моментальних знімків падаючої кульки через однакові проміжки часу.

(відеоролик переміщення кульок)

https://phet.colorado.edu/uk/simulations/projectile-motion

Поняття вільного падіння має широкий зміст: тіло здійснює вільне падіння не тільки тоді, коли його початкова швидкість дорівнює нулю. Якщо тіло кинуте вниз із початковою швидкістю Vo, то воно при цьому теж вільно падатиме. Але вільне падіння не обов`язково являє собою рух вниз. Якщо початкова швидкість тіла напрямлена вгору, то тіло в процесі вільного падіння якийсь час летітиме вгору, зменшуючи свою швидкість, і лише потім починає падати вниз.

Під час підйому тіла його швидкість зменшується. А досягнувши найвищої точки, тіло на мить зупиняється і починає рухатися з прискоренням вільного падіння. Швидкість тіла під час руху вниз збільшуватиметься , а час t  відлічується тепер з моменту, коли тіло перебуває у найвищій точці.

Розглядаючи вільне падіння й рух тіла, кинутого вертикально вгору, як окремий випадок рівноприскореного руху, пропонуємо учням разом із вчителем заповнити таку таблицю.

Таблиця     Кінематичні рівняння

Запитання до учнів під час викладу нового матеріалу

1. Чи однаковим буде час вільного падіння різних тіл з однієї висоти?
2. Чому дорівнює прискорення тіла, кинутого вертикально вгору, у верхній точці траєкторії?
3. Як спрямовані вектор прискорення й вектор швидкості тіла, кинутого вертикально вгору?

ІV. Вчимося розв'язувати задачі.

Задача 1. Камінь падав з однієї скелі 2с, а з іншої – 6с.У скільки разів друга скеля вища за першу?

Задача 2.  Тіло вільно падає без початкової швидкості. Яку відстань воно пролітає а першу секунду? За другу секунду? За третю секунду?

Задача 3. Ударившись об поверхню Землі, м’яч рухається вертикально догори зі швидкістю 15 м/с. Знайти координату м’яча над поверхнею Землі через 1с і 2с після початку руху. Пояснити отриманий результат.

V. Запитання на закріплення вивченого.

1. Що називають вільним падінням?
2. Чи зміниться прискорення тіла, що вільно падає , якщо надати йому початкової швидкості?
3. Чим відрізняється падіння тіл у повітрі від їх падіння у вакуумі?
4. З однієї точки падають без початкової швидкості два тіла з інтервалом

часу t с. Як рухаються ці тіла відносно одне одного в польоті?

VI. Домашнє завдання.

Задача 1. Камінь падав на дно ущелини 4с. Яка глибина ущелини?

Задача 2. Стрілу випустили вертикально вгору з початковою швидкістю 50 м/с. Скільки часу стріла піднімалася? Скільки часу тривав політ?

Задача 3. Тіло, яке вільно падає без початкової швидкості, за останню секунду руху проходить 2/3 усього шляху. Визначте шлях, пройдений тілом під час падіння.