План-конспект урока физики в 10 классе по теме:
«Закон всемирного тяготения. Сила тяжести. Первая космическая скорость»
Казьмина Валентина Федосовна, учитель физики
Дата: 08.10.2024г.
УМК: «Физика-10». Автор: Мякишев Г.Я.
Тема урока:«Закон всемирного тяготения. Сила тяжести. Первая космическая скорость»
Место и роль урока в изучаемой теме: первый урок по теме «Силы в природе»
Тип урока: урок «открытия» новых знаний
Оборудование к уроку: проекционная аппаратура, яблоки, карточки, презентация “Закон всемирного тяготения”
Оформление: на доске портрет Исаака Ньютона, под портретом высказывание «Не знаю, чем я могу казаться миру, но самому себе я кажусь мальчиком, играющим у моря, которому удалось найти более красивый камешек, чем другим, в то время как великий океан истины расстилается передо мной неисследованным», на столе – зеленые яблоки.
Цель урока – выяснить физические характеристики движения тел в гравитационном поле, изучить закон всемирного тяготения, определить область действия гравитационных сил, показать его практическую значимость.
Задачи:
ввести понятие закона всемирного тяготения, обсудить условия его применимости;
объяснить величину ускорения свободного падения на поверхности Земли и на высоте от поверхности планеты;
вывести формулу для расчета первой космической скорости;
вывести формулу для периода обращения ИС;
познакомить с опытным определением гравитационной постоянной;
показать практическую значимость изученного материала.
Планируемые результаты:
Регулятивные УУД:
Умение определять понятия, строить умозаключения и делать выводы.
Коммуникативные УУД:
Развитие монологической и диалогической речи, участие в коллективном обсуждении проблем, умение интегрироваться в группу сверстников и умение строить с ними продуктивное взаимодействие
Познавательные УУД:
Умение выделять гравитационное взаимодействие тел из других фундаментальных взаимодействий, объяснять роль гравитационного взаимодействия в природе
План урока: 1. Организационный этап, формулировка темы и цели урока – 4 мин. 2. Повторение – 7 мин. 3. Изучение нового материала – 15 мин. 4. Закрепление – 6 мин 5. Решение задач – 6 мин 6. Подведение итогов урока – 3 мин. 7. Рефлексия – 3 мин. 8. Домашнее задание – 1 мин.
Ход урока
I. Организационный этап, формулировка темы и цели урока
Здравствуйте, садитесь. Сегодня у нас с вами урок изучения нового материала.
Создание проблемной ситуации. (черный ящик).
Вопрос учителя: Что находится в ящике? (отв. яблоко)
Сформулируем вместе тему урока и запишем.
Тема урока: «Закон всемирного тяготения. Сила тяжести. Первая космическая скорость»
Для того, чтобы изучить данное явление вспомним необходимые понятия, которые понадобятся нам при изучении данной темы.
II.Повторение.
Вопросы:
Что такое сила? Единицы ее измерения?
Какие силы существуют в природе?
Сформулируйте второй закон Ньютона?
Что такое масса? Единицы ее измерения?
Как движется тело если на него не действует сила?
Сформулируйте второй закон Ньютона?
В природе существуют 4 типа фундаментальных взаимодействий:
сильное (взаимодействие нуклонов в ядре)
слабое (превращения элементарных частиц друг в друга)
электромагнитное (взаимодействие между заряженными частицами)
гравитационное (взаимодействие между всеми телами)
III. Изучение нового материала
Из истории открытия закона всемирного тяготения
Датский астроном Тихо Браге (1546-1601), долгие годы наблюдавший за движением планет, накопил огромное количество интересных данных, но не сумел их обработать.
Иоганн Кеплер (1571-1630) используя идею Коперника о гелиоцентрической системе и результаты наблюдений Тихо Браге, установил законы движения планет вокруг Солнца, однако и он не смог объяснить динамику этого движения.
Исаак Ньютон открыл этот закон в возрасте 23 лет, но целых 9 лет не публиковал его, так как имевшиеся тогда неверные данные о расстоянии между Землей и Луной не подтверждали его идею. Лишь в 1667 году, после уточнения этого расстояния, закон всемирного тяготения был наконец отдан в печать.
Как был открыт закон всемирного тяготения
Ньютон предположил, что ряд явлений, казалось бы, не имеющих ничего общего (падение тел на Землю, обращение планет вокруг Солнца, движение Луны вокруг Земли, приливы и отливы и т. д.), вызваны одной причиной.
Окинув единым мысленным взором «земное» и «небесное», Ньютон предположил, что существует единый закон всемирного тяготения, которому подвластны все тела во Вселенной
Догадка Ньютона.
Брошенный горизонтально камень отклонится под действием силы тяжести от первоначальной траектории и упадет на Землю. Если бросить камень с большей скоростью, то он упадет дальше. Продолжая, получим, что если бы не сопротивление воздуха, то траектория камня, брошенного со скалы с определенной скоростью могла бы быть такой, что камень никогда бы не достиг поверхности Земли, таким образом, двигался бы вокруг нее.
Причиной такого непрерывного «падения» является сила всемирного тяготения. Этим и объясняется движение планет вокруг Солнца.
Это интересно
В 1666 году в Кембридже началась какая-то эпидемия, которую тогда сочли чумой, и Ньютон удалился в свой Вульсторп. Здесь в деревенской тиши, не имея под рукой ни книг, ни приборов, живя почти отшельнической жизнью, двадцатитрехлетний Ньютон предался глубоким философским размышлениям. Плодом их было гениальнейшее из его открытий — учение о всемирном тяготении.
Был летний день. Исаак Ньютон любил размышлять, сидя в саду. Предание сообщает, что размышления Ньютона были прерваны падением налившегося яблока. Без обдумывания, без предварительных логических рассуждений в мозгу его блеснула мысль, что падение яблока и движение планет по своим орбитам должны подчиняться одному и тому же универсальному закону. Он тут же сформулировал гипотезу о законе всемирного тяготения.
В последующие недели мысли Ньютона все снова и снова возвращались к этой гипотезе.
Ему пришла в голову мысль, что сила тяжести не ограничена поверхностью Земли, а простирается гораздо дальше.Почему бы и не до Луны?
Ньютон доказал, что Луна удерживается на своей орбите той же силой тяготения, под действием которой падают тела на поверхность Земли.Знаменитая яблоня долго хранилась в назидание потомству. Она пережила Ньютона почти на сто лет. Позднее засохла, была срублена и превращена в исторический памятник в виде скамьи. Этот сорт яблони решили посадить во всех учебных заведениях
Запомни, что …
Всемирное тяготение – взаимное притяжение между всеми телами Вселенной.
Гравитационные силы – силы всемирного тяготения.
Гравитационное поле – особый вид материи, осуществляющий гравитационное взаимодействие.
Закон Всемирного тяготения.
Закон был сформулирован исходя из экспериментальных рассуждений в 1667 году И.Ньютоном
Определение.Сила всемирного тяготения между двумя телами пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними
г де- гравитационная постоянная.
Проиллюстрируем зависимость силы тяготения от расстояния графически. Таким образом, при увеличении расстояния между телами сила тяготения убывает пропорционально квадрату расстояния.
Вектор силы направлен вдоль прямой, соединяющей тела:
Таким образом, сила тяготения является центральной силой.
Эксперимент Генри Кавендиша. Определение значения гравитационной постоянной
В 1788 году английский физик Генри Кавендиш определил, насколько велика сила притяжения между двумя объектами. В результате была достаточно точно определена гравитационная постоянная, что позволило Кавендишу впервые определить и массу Земли.
Физический смысл гравитационной постоянной
Гравитационная постоянная численно равна силе притяжения двух тел, массой 1 кг каждое, находящихся на расстоянии 1 м друг от друга.
Границы применения закона всемирного тяготения:
1) взаимодействующие тела – материальные точки;
2) тела имеют форму шара;
3) одно из тел – шар большого радиуса, взаимодействующий с телом, размер которого много меньше размеров шара.
Закон неприменим, например, для взаимодействия бесконечного стержня и шара.
Сила тяготения становится заметной только тогда, когда хотя бы одно из взаимодействующих тел имеет очень большую массу (планета, звезда).
Механизм гравитационного взаимодействия
В настоящее время механизм гравитационного взаимодействия представляется следующим образом.
Каждое тело массой М создает вокруг себя поле, которое называют гравитационным.
Если в некоторую точку этого поля поместить пробное тело массой т, то гравитационное поле действует на данное тело с силой F, зависящей от свойств поля в этой точке и от величины массы пробного тела.
Свойства гравитационного поля
Существует вокруг любого тела.
Взаимодействие тел осуществляется посредством взаимодействия их полей.
Всепроникающая способность поля
Характеризуется гравитационным зарядом – массой.
Значение закона всемирного тяготения:
Объясняет движение планет;
Объясняет морские приливы и отливы;
Позволил открыть новые планеты – Нептун и Плутон;
Можно предсказывать солнечные и лунные затмения;
Можно объяснить строение Солнечной системы.
Ускорение свободного падения.
Обсудим ускорение свободного падения.
Сила тяжести сообщает телу ускорение, называемое ускорением свободного падения. По II закону Ньютона:
Приравняем значения силы тяготения и силы тяжести, действующей на тело, получим:
Тогда модуль ускорения свободного падения будет иметь вид:
Отсюда ее величина на поверхности Земли (H=0):
где g = 9,8 м/c2
Таким образом ускорение свободного падения является силовой характеристикой гравитационного поля Земли. Оно равно силе, с которой гравитационное поле действует на тело единичной массы.
Исходя из формулы модуля ускорения свободного падения, можно узнать, чем определено ее значение:
зависит от радиуса планеты и ее вращения (на экваторе g = gmin = 9,780 м/c2, на полюсе g = gmax = 9,832 м/c2, на средних широтах g = 9,81 м/c2)
зависит от высоты над поверхностью планеты (например, до высоты 100 км ускорение постоянно)
зависит от плотности Земной коры (например, в местах, где повышенное содержание Fe в коре, значения ускорения больше, чем в тех местах, где имеются залежи нефти).
Движение Искусственных спутников Земли. Расчет первой космической скорости.
По второму закону Ньютона:
Сила всемирного тяготения сообщает ИСЗ центростремительное ускорение, выражаемое формулой:
Отсюда:
При
Откуда .
Из формулы видно, что величина первой космической скорости не зависит от массы тела. Таким образом, любое тело может стать искусственным спутником Земли.
Первая космическая скорость – скорость, которую необходимо сообщить телу у поверхности планеты, чтобы оно стало ее спутником, движущимся по круговой орбите.
IV. Закрепление
Подумай и ответь. Работа в группах
(Задания даны в начале урока на карточках. Отвечаем по очереди)
Почему все тела падают на Землю?
На все тела действует сила тяжести
Почему не видим мы, чтобы притягивали друг друга столы, люди?
Сила настолько мала, что мы ее просто не чувствуем
Что стало бы со всеми предметами на Земле, если бы не было силы тяжести?
Земля не смогла бы удержать атмосферу и различные тела
Что стало бы с Землей, если бы исчезла сила тяготения между Землей и Солнцем? Масса Солнца составляет 99,9 % массы всей солнечной системы. Притяжение Солнца удерживает все планеты на своих орбитах
Можно ли на Земле укрыться от силы тяготения?
Конечно, нет! Между любыми телами во Вселенной действует сила взаимного притяжения.
V. Решение задач
1. Космический корабль массой 8 т приблизился к орбитальной космической станции массой 20 т на расстояние 500 м. Найдите силу их взаимного притяжения.
2. На каком расстоянии сила притяжения между двумя телами массой по 1 000 кг каждое, будет равна 6,67∙109 Н?
3. Два одинаковых шарика находятся на расстоянии 1 м друг от друга и притягиваются с силой 6,67 ∙10-15 Н. Какова масса каждого шарика?
VI. Подведение итогов урока
Вопросы:
Какое явление называется всемирным тяготением?
(Всемирное тяготение – взаимное притяжение между всеми телами Вселенной).
Кто и когда открыл закон всемирного тяготения?
(В 1687 г. Ньютон установил один из фундаментальных законов механики, получивший название закона всемирного тяготения)
Как читается закон всемирного тяготения?
(Два любых тела притягиваются друг к другу с силой, модуль которой прямо пропорционален произведению их масс и обратно пропорционален квадрату расстояния между ними)
4. В каких случаях можно применять закон всемирного тяготения?
(1) взаимодействующие тела – материальные точки; 2) тела имеют форму шара;3) одно из тел – шар большого радиуса, взаимодействующий с телом, размер которого много меньше размеров шара.)
5. Притягивается ли к Земле яблоко, висящее на ветке дерева?
(Да, конечно! Ведь гравитация – это сила ВЗАИМНОГО притяжения. Здесь особенность в том, что яблоко, в отличие от Земли обладает ничтожно малой силой притяжения, которой и пренебрегают при расчетах. Эта сила зависит от массы).
VII. Рефлексия
Сегодня вы продуктивно поработали, осознали, глубоко ли вы освоили Закон всемирного тяготения. Развили умения анализировать, синтезировать, делать выводы, выделять существенные признаки объектов, выдвигать гипотезы, проверять результаты своей работы.
– Какое значение для вас имеют знания и умения, полученные на данном уроке?
Что вызвало наибольшую трудность:
а) изучение материала?
б) систематизация знаний?
Исаак Ньютон незадолго перед смертью, словно оглядывая свою жизнь, такую спокойную внешне и такую неистово бурную внутренне, писал: “Не знаю, чем я могу казаться миру, но самому себе я кажусь мальчиком, играющим у моря, которому удалось найти более красивый камешек, чем другим, в то время как великий океан истины расстилается передо мной неисследованным”
VIII. Домашнее задание
Прочитать параграфы 30, 31.
Творческое домашнее задание: Вам сообщили, что через год тяготение «исчезнет». Подготовить «Проект спасения человечества»
