Конспект урока " Свободное падение, ускорение свободного падения."10 класс

Класс	10Б	10В
Дата

Урок ___

Тема:  Свободное падение, ускорение свободного падения.

Цели урока: 1) Ввести понятие о свободном падении тел и ускорении свободного падения;

2) распространить применение уравнения равноускоренного движения на свободное падение тел;

3) ознакомить учащихся с историей возникновения и сутью экспериментального метода познания.

Задачи урока:

Образовательные: сформировать представления о роли и месте физики в современной научной картине мира через изучение свободного падения тел; способствовать формированию умения владеть основополагающими физическими понятиями, уверенно пользоваться физической терминологией и символикой. Способствовать формированию умения организовывать собственную деятельность, выбирать типовые методы и способы выполнения упражнений.

Воспитательные: развивать коммуникативные способности; создавать условия для развития скорости восприятия и переработки информации, культуры речи; формировать умение работать в коллективе и команде.

 Развивающие: способствовать формированию умения решать физические задачи.

Актуальность изучения темы

Еще ученые Средневековья и Возрождения знали о том, что без сопротивления воздуха тело любой массы падает с одинаковой высоты за одно и то же время, Галилей не только проверил опытом и отстаивал ϶ᴛᴏ утверждение, но и установил вид движения тела, падающего по вертикали: «...говорят, что естественное движение падающего тела непрерывно ускоряется. Но при этом, в каком отношении ϶ᴛᴏ происходит, до ϲᴎх пор не было указано; насколько я знаю, никто еще не доказал, что в свою очередь пространства, проходимые падающим телом в одинаковые промежутки времени, относятся между собою, как последовательные нечетные числа». Так Галилей установил признак равноускоᴩᴇʜного движения: S₁:S₂:S₃: ... = 1:2:3:…(при V₀ =0).
Из повседневной жизни нам известно, что земное притяжение заставляет тела, освобождённые от связей, падать на поверхность Земли. К примеру, груз, подвешенный на нити, виϲᴎт неподвижно, а стоит только перерезать нить, как ᴏʜ начинает падать вертикально вниз, постепенно увеличивая свою скорость. Мяч, брошенный, вертикально вверх, под влиянием притяжения Земли сначала уменьшает свою скорость, на мгновенье останавливается и начинает падать вниз, постепенно увеличивая свою скорость. Камень, брошенный вертикально вниз, под влиянием земного притяжения также постепенно увеличивает свою скорость. Тело можно также броϲᴎть под углом к горизонту или горизонтально…

Известный американский популяризатор физики Эрик Роджерс в своей книге «Физика для любознательных» писал: «Если ᴃϲᴇ свободно падающие тела движутся одинаково, то ϶ᴛᴏ движение само по себе заслуживает детального исследования».

1.  Из истории изучения свободного падения тел.

Великий греческий философ и ученый Аристотель придерживался распространенного представления о том, что тяжелые тела падают быстрее, чем легкие. Аристотель и его последователи стремились объяснить, почему происходят те или иные явления, но не всегда заботились о том, чтобы пронаблюдать, что происходит и как происходит. Аристотель весьма просто объяснил причины падения тел: он говорил, что тела стремятся найти свое естественное место на поверхности Земли. Аристотель знал, что камни падают быстрее, чем птичьи перья, а куски дерева - быстрее, чем опилки. Описывая, как падают тела, он высказал такое утверждение: «...направленное вниз движение куска свинца или золота или любого другого тела, наделенного весом, происходит тем быстрее, чем больше его размер...». 
В XIV столетии группа философов из Парижа восстала против теории Аристотеля и предложила значительно более разумную схему, которая передавалась из поколения в поколение и распространилась до Италии, оказав двумя столетиями позднее влияние на Галилея. Парижские философы говорили об ускоренном движении и даже о постоянном ускорении, объясняя эти понятия архаичным языком.
Великий итальянский ученый Галилео Галилей обобщил имеющиеся сведения и представления и критически их проанализировал, а затем описал и начал распространять то, что считал верным. Галилей понимал, что последователей Аристотеля сбивало с толку сопротивление воздуха. Он указал, что плотные предметы, для которых сопротивление воздуха несущественно, падают почти с одинаковой скоростью. Ученый писал: «...различие в скорости движения в воздухе шаров из золота, свинца, меди, порфира и других тяжелых материалов настолько незначительно, что шар из золота при свободном падении на расстоянии в одну сотню локтей наверняка опередил бы шар из меди не более чем на четыре пальца. Сделав это наблюдение, я пришел к заключению, что в среде, полностью лишенной всякого сопротивления, все тела падали бы с одинаковой скоростью». Предположив, что произошло бы в случае свободного падения тел в вакууме, Галилей вывел следующие законы падения тел для идеального случая:

• Все тела при падении движутся одинаково: начав падать одновременно, они движутся с одинаковой скоростью.
• Движение происходит с постоянным ускорением; темп увеличения скорости тела не меняется, т.е. за каждую последующую секунду скорость тела возрастает на одну и ту же величину.

Галилей знал: простому описанию падения тел мешает сопротивление воздуха. Обнаружив, что по мере увеличения размеров тел или плотности материала, из которого они сделаны, движение тел оказывается более одинаковым, можно на основе некоторого предположения сформулировать правило и для идеального случая. Можно было бы попытаться уменьшить сопротивление воздуха, используя обтекание такого предмета, как лист бумаги, например. Но Галилей мог лишь уменьшить его и не мог устранить его полностью. Поэтому ему пришлось вести доказательство, переходя от реальных наблюдений с постоянно уменьшающимся сопротивлением воздуха к идеальному случаю, когда сопротивление воздуха отсутствует. Позже, оглядываясь назад, он смог объяснить различия в реальных экспериментах, приписав их сопротивлению воздуха.

2. Свободное падение тел.

Свободное падение - это движение тел только лишь под действием притяжения Земли (под действием силы тяжести).

При падении тела на Землю из состояния покоя его скорость увеличивает­ся. Земля сообщает телам ускорение, которое направлено вниз вертикально.   

Долгое время считалось, что Земля сообщает разным телам различное уско­рение. И опыт вроде бы говорит о том же. (Сравните падение листа бумаги, скомканного листа бумаги, птичьего пера и камня.) Камень падает быстрее. Так считал Аристотель: чем тяжелее тело, тем быстрее оно падает. И только Галилею впервые удалось опытным путем доказать, что это не так. Важно учитывать сопротивление воздуха, именно оно искажает картину. Галилей установил, что свободное падение является равноускоренным дви­жением. Он догадался, что можно как бы «замедлить» свободное падение, изучая движение шаров по наклонному желобу. При этом он получил формулу. Галилей обнаружил, что шары одинакового диаметра, но изготовленные разного материала движутся по желобу с одинаковым ускорением . Данный факт демонстрируем на опыте (Виртуальные лабораторные уроки). Итак, ускорение свободно падающих тел не зависит от их массы. Для про­верки этой гипотезы Галилей по преданию наблюдал падение со знаменитой Пизанской башни различных тел: пушечного ядра и мушкетной пули. Все тела достигали поверхности практически одновременно. Впоследствии были созданы вакуумные насосы, которые позволили осу­ществить в откачанных трубках действительно свободное падение тел. 

Эксперимент 1 Трубка Ньютона: В стеклянной трубке помещается дробинка, кусочек пробки, пушинка и т.д. Если перевернуть трубку, то быстрее всего упадет дро­бинка, медленнее - пушинка. Если же выкачать из трубки воздух, то пушинка будет падать, не отставая от дробинки. - Почему во втором случае все тела падают одновременно? (Движение пушинки задерживалось сопротивлением воздуха, которое в меньшей степени сказывалось на движении дробинки.) 

3. Ускорение свободного падения.

При свободном падении все тела вблизи поверхности Земли независимо от их массы приобретают одинаковое ускорение, называемое ускорением свободного падения.
Условное обозначение ускорения свободного падения - g.

На поверхности Земли ускорение свободного падения (g) меняется в пре­делах от 9,78 м/с² на экваторе до 9,83 м/с² на полюсе. При решении многих задач можно принимать g вблизи поверхности Земли равным 9,8 м/с² или даже более грубо 10 м/с². При падении тел в воздухе на их движение влияет сопротивление воздуха. Поэтому ускорение тел в этом случае уже не равно g. При больших скоростях сопротивление воздуха существенно и его влиянием нельзя пренебречь.

Ускорение свободного падения всегда направлено к центру Земли и приблизительно равно: g = 9,81м/с². 

 

Таким образом, в условиях Земли падение тел считается условно свободным, т.к. при падении тела в воздушной среде всегда возникает еще и сила сопротивления воздуха.

Идеальное свободное падение возможно лишь в вакууме, где нет силы сопротивления воздуха, и независимо от массы, плотности и формы все тела падают одинаково быстро, т. е. в любой момент времени тела имеют одинаковые мгновенные скорости и ускорения.

Составим таблицу

Равноускоренное движение	Свободное падение тел	Движение тела, брошенного вверх
υ= υ 0 + α t	υ= υ 0 + g t	υ= υ 0 - g t
υ х= υ 0х + α х t	υ у= υ 0 у+ g у t	υ у = υ 0 у - g у t
S= υ 0 t+ α t2/2	h= υ 0t + gt2/2	h= υ 0t + gt2/2
S х= υ 0 х t+ α хt2/2	h= υ 0уt + g уt2/2	h=υ 0уt - g уt2/2
х=х0 +υ 0 х t+ α хt2/2	У= У0+ υ 0уt + g уt2/2	У0=0

Вблизи поверхности Земли величина силы тяжести считается постоянной, поэтому свободное падение тела - это движение тела под действием постоянной силы. Следовательно, свободное падение - это равноускоренное движение.
Вектор силы тяжести и создаваемого ею ускорения свободного падения направлены всегда одинаково.
Все формулы  для равноускоренного движения применимы для свободного падения тел.

Величина скорости при свободном падении тела в любой момент времени:

перемещение тела:
В этом случае вместо ускорения а, в формулы для равноускоренного движения вводится ускорение свободного падения g=9,8м/с².

При идеальном свободном падении тело возвращается на Землю со скоростью, величина которой равна модулю начальной скорости.

Время падения тела равно времени движения вверх от момента броска до полной остановки в наивысшей точке полета.

Упражнения и вопросы для повторения 

 -  Что называется свободным падением тел? При каких условиях падение тел можно считать свободным? 

 -  Каким видом движения является свободное падение тел? 

 -  Зависит ли ускорение свободного падения тел от массы? 

 -  Как изменится ускорение падающего тела, если толкнем тело вниз, сообщив ему начальную скорость? 

 -  Напишите формулы, описывающие свободное падение тел. 

 -  С каким ускорением движется тело, брошенное вверх? Чему равно и как направлено это ускорение? 

 -  Чем объясняется то, что все тела, независимо от их массы, движутся как при падении, так и при движении тела, брошенного вертикально вверх, с одинаковым ускорением? 

 -  Учитывается ли сопротивление воздуха в полученных выше формулах, описывающих свободное падение и движение тела, брошенного вертикально вверх? 

 -  Напишите формулы, описывающие движение тела, брошенного вертикально вверх. 

4. Закрепление.

 Решение задач 

Задача 1 Тело падает с высоты 57,5 м. Сколько времени падает тело и какова его скорость при ударе о землю?

Задача 2 Стрела выпущена из лука вертикально вверх с начальной скоростью 30 м/с. На какую максимальную высоту поднимется стрела? 

Задача 3 Тело свободно падает с высоты 20 м над землей. Какова скорость тела в момент удара о землю? На какой высоте его скорость вдвое меньше?

5. Поразмыслим:

1)Как можно с помощью пустой консервной банки и секундомера измерить высоту дома?
2)Сколько времени падало тело свободно, если в момент падения его скорость равна 50м/с?
3)Тело упало с высоты 245м.Какой путь оно прошло в последнюю секунду падения?
4)Брошенный вертикально вверх камень достиг верхней точки на высоте 20м.
а)С какой начальной скоростью он был брошен?
б)Сколько времени камень был в полёте?
5)С какой высоты упало тело, если в последнюю секунду падения прошло 50м?
6)На какой высоте скорость тела, брошенного вертикально вверх со скоростью U0, уменьшится в 5 раз?