урок по физике в 9 классе

ТЕМА УРОКА:  закон всемирного тяготения

Цель урока:  познакомить с видами взаимодействий в природе и видами сил в механике; изучить гравитационное взаимодействие тел и его закона – всемирного тяготения; познакомиться с логикой научного познания при открытии закона всемирного тяготения; показать практическую значимость закона.

Задачи урока: 1) сформировать понятие гравитации и закона всемирного тяготения; 2) установить связь между силой тяжести и силой гравитационного притяжения; 3) научиться применять закон всемирного тяготения в условиях гравитации других планет; 4) проверить уровень самостоятельности мышления учащихся по применению знаний в различных ситуациях; 5) продолжить работу по формированию умений обобщать опытные данные на основе имеющихся знаний о законах движения; 4) формирование познавательного интереса; 5) развитие абстрактного мышления; 8) активизировать работу, связанную с поиском новой информации; 9) формировать навык работы со справочным материалом.

Методы и приемы обучения: беседа, рассказ, исследовательская работа.

Форма работы: фронтальная, индивидуальная.

Оборудование: компьютер, мультимедийный проектор, презентация к уроку, карточки для проверочной работы на  2 варианта.

Тип урока: комбинированный.

Структура урока:

Организационный момент. Объявление темы целей  урока. Актуализация опорных знаний Изучение нового материала. Закрепление изученного материала Домашнее задание. Итоги урока.

Ход урока:

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

I. Организационный момент. Объявление темы целей  урока.

II. Актуализация опорных знаний.

Повторение. Проверка домашнего задания.

    Что называется свободным падением тел? Почему в воздухе кусочек ваты падает с меньшим ускорением, чем железный шарик? Кто первым пришел к выводу о том, что свободное падение является равноускоренным движением? Действует ли сила тяжести на подброшенное вверх тело во время его подъема. С каким ускорением движется подброшенное вверх тело при отсутствии сопротивления воздуха. Как меняется при этом скорость движения тела? От чего зависит наибольшая высота подъема брошенного вверх тела в том случае, когда сопротивлением воздуха можно пренебречь?

Самостоятельная работа (карточки с разноуровневыми заданиями).

Начальный уровень

I вариант

Какие физические величины следует измерить в опытах со свободно падающим телом, чтобы вычислить ускорение свободного падения в данном месте Земли

II вариант

Как направлены вектор ускорения и вектор скорости тела, брошенного вертикально вверх?

Средний уровень

I вариант

С какой высоты бросили камень, если он падал 2 с?  II вариант

С какой скоростью вода выбрасывается насосом вверх, если  струя воды достигает высоты 20  м?

  Достаточный уровень

I вариант

Тело свободно падает без начальной скорости с высоты 80  м. Каково его перемещение в последнюю секунду падения?

II вариант

Мальчик бросил вертикально вверх мячик и поймал его через  2 с. На какую высоту поднялся мячик и какова его начальная  скорость?

III.  Изучение нового материала

  В качестве домашнего задания ученикам было задано найти определения  и краткое пояснение следующих понятий: гравитация, антигравитация, гравитон.

Рассказ учителя.

Почему все тела падают на Землю? Этот вопрос занимал еще древних ученых. В древности люди считали Землю плоскостью, на которую опирается небесный свод.

Это представление возникло из непосредственного зрительного впечатления. Видя, что все тела на земной поверхности падают вниз, они решили, что и во Вселенной есть «верх» и «низ». Поэтому-то тела и падают. Такое представление было тесно связано с понятием об абсолютном «верхе» и «низе», вполне согласовавшимися со взглядами рабовладельческого общества древнего мира.

Датский астроном Тихо Браге, многие годы наблюдал за движением планет, накопил многочисленные данные, но не сумел их обработать. Это сделал его ученик Иоганн Кеплер. Используя идею Коперника о гелиоцентрической системе и результаты наблюдений Тихо Браге, Кеплер установил законы движения планет вокруг солнца. Но Кеплер не сумел объяснить динамику движения. Почему планеты обращаются вокруг Солнца именно по таким законам? На этот вопрос сумел ответить Исаак Ньютон, используя законы движения, установленные Кеплером, и общие законы динамики.

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), вызваны одной причиной. Проведя многочисленные расчеты, Ньютон пришел к выводу, что небесные тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.

Как же Ньютон пришел к такому заключению?

  Из второго закона динамики следует, что ускорение, которое получает тело под действием силы, обратно пропорционально массе тела. Но ускорение свободного падения не зависит от массы тела. Это возможно только в том случае, если сила, с которой Земля притягивает тело, изменяется пропорционально массе тела.

  По третьему закону силы, с которыми взаимодействуют тела, равны. Если сила, действующая на одно тело, пропорциональна массе этого тела, то равная ей сила, действующая на второе тело, очевидно, пропорциональна массе второго тела. Но силы, действующие на оба тел, равны, следовательно, они пропорциональны массе первого и второго тела.

  Ньютон рассчитал отношение радиуса орбиты Луны к радиусу Земли. Отношение равнялось 60. А отношение ускорения свободного падения на Земле к центростремительному ускорению, с которым обращается вокруг Земли Луна, равнялось 3600. Следовательно, ускорение обратно пропорционально квадрату расстояния между телами.

  Но по второму закону Ньютона сила и ускорение связаны прямой зависимостью, следовательно, сила обратно пропорциональна квадрату расстояния между телами.

  Исаак Ньютон открыл этот закон в возрасте 23 лет, но 9 лет не публиковал, так как неверные данные о расстоянии между Землей и Луной не подтверждали его идею. И только когда было уточнено это расстояние, Ньютон в 1667 г. опубликовал закон всемирного тяготения.

  Сила гравитационного взаимодействия двух тел (материальных точек) с массами m1 и m2 равна:

F=Gm1m2 / rІ,

где G-гравитационная постоянная, r-расстояние между телами.

Гравитационная постоянная численно равна модулю силы тяготения, действующей на тело массой 1 кг со стороны другого тела такой же массы при расстоянии между телами равной 1 м.

Сила взаимного притяжения тел всегда направлена вдоль  прямой, соединяющей эти тела.

  Впервые гравитационная постоянная была измерена английским физиком  Г. Кавендишем в 1788 г. с помощью прибора, называемого крутильными весам. Г. Кавендиш закрепил два маленьких свинцовых шара (диаметром 5 см и массой 775 г каждый ) на противоположных концах двухметрового стержня. Стержень был подвешен на тонкой проволоке. Два больших свинцовых шара (20 см диаметром и массой 45,5 кг) близко подводились  к маленьким. Силы притяжения со стороны больших шаров заставляли маленькие перемещаться, при этом проволока закручивалась. Степень закручивания была мерой силы, действующей между шарами. Эксперимент показал, что гравитационная постоянная G=6,66· 10 О№№ Н м /кгІ.

Гравитационное взаимодействие - это взаимодействие, свойственное всем телам Вселенной и проявляющееся в их взаимном притяжении друг к другу.

Гравитационное поле - особый вид материи, осуществляющий гравитационное взаимодействие. (определения формулируют обучающиеся).

Понятия «антигравитация», «гравитон».

Выделят 4 вида взаимодействия в природе. 1.Сильное - это взаимодействие связано процессами, происходящими в ядре атомов. 2.Слабое - это взаимодействие связано с распадом атомного ядра, распадом частиц, оно также обеспечивает процессы, связанные с взаимодействием нейтрино и вещества. Первые два вида В. связаны с микромиром. Маленький радиус действия. 3.Электромагнитное - связано с взаимодействием электрических зарядов, находящихся в движении. Неограниченный радиус действия, проявляется в микро-, макро - и мегамире. 4.Гравитационное - связано с взаимопритяжением тел макро - и мегамира.

Свойства сил всемирного тяготения

1) Сила всемирного тяготения направлена вдоль прямой, соединяющей материальные точки, т. е. центры масс двух тел (эти силы центральные)

2) Это сила только сила притяжения

3) Т. к. взаимодействуют каждые из двух тел, то по третьему закону Ньютона они направлены вдоль одной прямой и противоположно направлены

4) Эти силы приложены к разным телам, поэтому они не могут друг друга компенсировать

5) По природе эти силы гравитационные

6) Эти силы нельзя экранировать

7) Они действуют на любые тела Вселенной

  Пределы применимости закона

  Закон всемирного тяготения применим только для материальных точек, т. е. для тел, размеры которых значительно меньше, чем расстояния между ними ; тел, имеющих форму шара ; для шара большого радиуса, взаимодействующего с телами, размеры которых значительно меньше размеров шара.

  Но закон неприменим, например, для взаимодействия бесконечного стержня и шара. В этом случае сила тяготения обратно пропорциональна только расстоянию, а не квадрату расстояния. А сила притяжения между телом и бесконечной плоскостью вообще от расстояния не зависит.

Сила тяжести

  Частным случаем гравитационных сил является сила притяжения тел к Земле. Эту силу называют силой тяжести. В этом случае закон всемирного тяготения имеет вид:

По второму закону Ньютона:

После сокращения и подстановки табличных значений среднего радиуса Земли и её массы () получим:

Таким образом, мы получили не что иное, как ускорение свободного падения.

Вывод: формула для расчета силы тяжести - это частный случай закона всемирного тяготения, в случае если тело находится на расстоянии много меньшем радиуса Земли.

Если же нам необходимы более точные расчеты силы притяжения или нельзя пренебрегать высотой тела над поверхностью Земли, то нужно использовать формулу в виде:

,

Где - это и есть ускорение свободного падения тела на данной высоте.

  Ускорение свободного падения зависит

    от высоты над поверхностью Земли;  от широты местности ; от плотности пород земной коры; от формы Земли.

  В приведенной выше формуле для g последние три зависимости не учитываются. При этом нужно еще раз заметить, что ускорение свободного падения не зависит от массы тела.

  Применение закона при открытии новых планет

  Когда была открыта планета Уран, на основе закона всемирного тяготения рассчитали ее орбиту. Но истинная орбита планеты не совпала с расчетной. Предположили, что возмущение орбиты вызвало наличием еще одной планеты, находящейся за Ураном. которая своей силой тяготения изменяет его орбиту. чтобы найти новую планету, необходимо было решить систему из 12 дифференциальных уравнений с 10 неизвестными. Эту задачу выполнил английский студент Адамс; решение он отправил в Английскую академию наук. Но там на его работу не обратили внимания. А французский математик Леверье, решив задачу, послал результат итальянскому астроному Галле. И тот, в первый же вечер, наведя свою трубу в указанную точку, обнаружил новую планету. Ей дали название Нептун. Подобным же образом в 30-е годы двадцатого столетия  была открыта и 9-я планета Солнечной системы – Плутон.  На вопрос о том, какова природа сил тяготения, Ньютон отвечал: «Не знаю, а гипотез измышлять не желаю».

Значение закона всемирного  тяготения:

    Закон всемирного тяготения лежит в основе небесной механики - науки о движении планет. С помощью этого закона определяются положения небесных тел на небесном своде на многие десятки лет вперед  и вычисляются их траектории.  Закон всемирного тяготения применяется так же в расчетах движения искусственных спутников земли и межпланетных автоматических аппаратов. Закон объясняет: падение тел на Землю, движение Луны и Солнца, устойчивость Солнечной системы, приливы и отливы, открытие новых планет, точное время их затмения

IV.  Закрепление изученного материала. 

Подумай и ответь

Почему Луна не падает на Землю?        

(Луна обращается вокруг Земли, удерживаемая силой притяжения. Луна не падает на землю, потому что, имея начальную скорость, движется по инерции. Если прекратится действие силы притяжения Луны к Земле, Луна по прямой линии умчится в бездну космического пространства. Прекратись движение по инерции - и луна упала бы на Землю. Падение продолжалось бы четверо суток девятнадцать часов пятьдесят четыре минуты семь секунд. Так рассчитал Ньютон.)

2.  Почему мы замечаем силу притяжения всех тел к Земле, но не  замечаем взаимного притяжения между самими этими телами?

3.  Как двигались бы планеты, если бы сила притяжения Солн­ца внезапно исчезла?

4.  Как двигалась бы Луна, если бы она остановилась на орбите?

5.  Притягивает ли Землю стоящий на ее поверхности человек? Летящий самолет? Космонавт, находящийся на орбитальной станции?

6.  Некоторые тела (воздушные шары, дым, самолеты, птицы) под­нимаются вверх, несмотря на тяготение. Как вы думаете, поче­му?  Нет ли здесь нарушения закона всемирного тяготения?

7.  Что нужно сделать, чтобы увеличить силу тяготения между двумя телами?

8.  Какая сила вызывает приливы и отливы в морях и океанах Земли?

9.  Почему мы не замечаем гравитационного притяжения меж­ду окружающими нас телами?

Объясните влияние вращения Земли вокруг оси на ускорение свободного падения. Как изменяется ускорение свободного падения при удалении от поверхности Земли?

Задачи для расширения и углубления учебного материала (постановка проблемы):

    Как объяснить незаметность силы притяжения у окружающих тел? Есть ли границы применимости Закона всемирного тяготения? Можно ли с помощью закона всемирного тяготения рассчитать массу Солнца? Какие для этого нужны данные?

Изученные на сегодняшнем уроке формулы пригодны для расчетов не только в Земных условиях, но и в условиях других планет. Давайте попробуем применить наши знания для расчета ускорения свободного падения на Луне вблизи её поверхности. Рассчитайте самостоятельно, пожалуйста, ускорение свободного падения используя следующие численные параметры: масса Луны , .

Учащиеся самостоятельно рассчитывают: .

Так во сколько же раз, сила притяжения вблизи поверхности на Луне меньше чем на Земле? .

А значит, прыжок космонавта на поверхности Луны должен быть при одинаковых начальных условиях выше, чем на поверхности Земли. Более точные расчеты дают высоту прыжка космонавта на луне 60 см.

Для справки могу сказать, что средняя высота прыжка обычного человека составляет 35 – 45 см.

Теперь давайте посмотрим видеофрагмент, снятый на Луне, на котором отчетливо видны прыжки космонавта. (Демонстрация видео).

Задача: пользуясь справочными данными рассчитать ускорение свободного падения на других планетах солнечной системы.

Домашнее задание. Д\3 § 15,16, Упр 16(1,3,6) Итоги урока.

● Между всеми телами Вселенной существует всемирное тяготение.

● Сила притяжения к Земле называется силой тяжести.

● Сила тяжести обозначается – Fтяж.

● Сила тяжести всегда приложена к центру тела и направлена вертикально вниз.

● Сила тяжести на полюсах Земли несколько больше силы тяжести на экваторе и на других широтах.

● Сила тяжести пропорциональна массе тела.

Рефлексия: Выясняем, что нового узнали, насколько это необходимо, важно, где применяется. Пытаемся для себя выяснить, с каким настроением, эмоциями покидаем урок.