Конспект урока "Закон всемирного тяготения"

Урок «Закон всемирного тяготения»

Цель: способствовать формированию представлений о законе всемирного тяготения как о фундаментальном законе природы.

Задачи:

Образовательная:

сформировать понятие гравитационных сил;

показать универсальный характер закона всемирного тяготения

границы применимости закона

познакомить с опытным определением гравитационной постоянной;

Развивающая:

развивать речь, мышление;

совершенствовать  умственную деятельность: проводить анализ, синтез;  выдвигать гипотезу, наблюдать,  выделять существенные признаки, сравнивать, делать выводы,  проверять результаты;

Воспитательная:

формировать систему взглядов на мир;

воспитывать интерес к творческий и исследовательский работе.

Оборудование: проекционная аппаратура, презентация "Закон всемирного тяготения",  раздаточный материал.

Тип урока:урок изучения нового материала

Ход урока

1. Организационный этап.

Приветствие

2. Повторение. Проверка домашнего задания.

Начнем с того, что мы уже знаем. Вспомним и ответим на следующие вопросы:

·                     Что называется свободным падением тела?

·                     Что такое ускорение свободного падения?

·                     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?

·                     Первый закон Ньютона.

·                     Второй закон Ньютона.

Этап подготовки учащихся к активному сознательному усвоению знаний.

Постановка учебной проблемы.

Слово учителя: Перед вами на слайде фотографии, на которых изображены различные предметы: падающее яблоко, движение планет вокруг Солнца, Земля и Луна, прыжок человека. Давайте выясним, что может объединить изображённые предметы в единое целое.(примерный ответ: тело притягиваются к друг другу, действуют силы притяжения)

Слово учителя: А теперь ответим на вопрос, что объединяет все эти предметы в единое целое? (примерный ответ: закон всемирного тяготения)

Формулировка вместе с учащимися вопросов (цели и задач) изучения нового материала.

Какова цель нашего урока?

-Ознакомиться с законом всемирного тяготения;

-Выявить область применение закона всемирного тяготения и показать его универсальность.

Этап усвоения новых знаний.

Сегодня на уроке мы с вами изучим закон всемирного тяготения, покажем его практическую значимость. Шире раскроем понятие взаимодействия тел на примере этого закона и ознакомимся с областью действия гравитационных сил.

Сегодня мы поговорим о великой силе природы – силе всемирного тяготения. Тысячелетиями сетовал человек на эту силу. Она не позволяла строить многокилометровые башни (верхние этажи своей тяжестью давили на нижние - строение разрушалось), мосты через широкие реки (чуть просчитывались инженеры – и они с грохотом обрушивались). Между тем человек и не подозревал, скольким этой силе он обязан.

Именно она собирает воды планеты, образуя моря и океаны, удерживает голубую атмосферу Земли, да и саму Землю на орбите вокруг Солнца. Не будь этой силы, Земля и другие тела нашей планетной системы – от мельчайшего астероида до гигантского Юпитера – понеслись бы в разные стороны в черное пространство Вселенной. А сама Вселенная? И она не устояла бы без силы всемирного тяготения – галактики распались бы.

Человек заставил служить себе эту силу. Издавна она направляла потоки воды, на пути которых человек воздвигал плотины и ставил турбины, она совершала работу в первом паровом двигателе английского кузнеца Ньюкомена, заставляла качаться маятники часов. Человек запустил искусственный спутник Земли, и могучая сила тяготения понесла его именно по расчетному пути.

Первый вопрос нашего урока: открытие закона всемирного тяготения

Давайте проведём небольшой экскурсию в историю. Я хочу познакомить вас с тремя учёными, каждый из которых внёс вклад в открытие закона всемирного тяготения: Тихо Браге, Иоганн Кеплер и Исаак Ньютон.

Тихо Браге долгие годы наблюдал за движением планет, накопил огромное количество интересных знаний, но не сумел их обработать.

Иоганн Кеплер установил законы движения планет вокруг Солнца, однако не смог объяснить динамику этого движения.

Исаак Ньютон, опираясь на данные, полученные своими предшественниками, предположил, что существует единый закон всемирного тяготения, которому подвластны все тела во Вселенной — от яблок до планет! Он предположил, что между любыми телами существуют силы тяготения.

Почему от яблок до планет? Потому что есть легенда, которая гласит о том, что после того как сидящего под яблоней английского ученого И.Ньютона в 17 веке стукнуло по голове яблоко, он сделал величайшее открытие: закон всемирного тяготения. Исаак Ньютон открыл этот закон в возрасте 23 лет, но целые 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-то отдан в печать.

Как вы думаете, от чего зависят силы тяготения? (примерный ответ: силы тяготения или  силы взаимодействия зависят от массы тел и от расстояния между телами)

Какова эта зависимость?

Сила тяготения находится в прямой пропорциональной зависимости от массы тел и в обратной от расстояния между телами.

Выведем формулу: Один из фундаментальных законов механики, получивший название закона всемирного тяготения гласит:

Все тела взаимодействуют друг с другом силой, прямо пропорциональной произведению масс этих тел и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.

где  m₁ и m₂ - массы взаимодействующих тел, R - расстояние между телами.  Коэффициент пропорциональности в этой формуле одинаков для всех тел в природе и называется постоянной всемирного тяготения, или гравитационной постоянной.

Сам Ньютон теоретически нашёл значение гравитационной постоянной, а её точные измерения были проведены в 1798 г. учёным Генри Кавендишем с помощью так называемых, крутильных весов.

Просмотр видеофильма «Опыт Кавендиша по определению гравитационной постоянной»

Гравитационная постоянная – это сила, с которой взаимодействуют два тела массами 1 кг при расстоянии между ними в 1 м и числовое значение равна:

G = 6,67∙10^-11 Н∙м²/кг² (слайд 7)

А теперь физкультминутка.

Физкультминутка (глаза верх, вниз – 10 сек, глаза вправо, влево – 10 сек, глаза вращаем по кругу по часовой стрелке  – 10 сек, против часовой – 10 сек. Далее голову наклоняем вправо, влево – 10 сек, вперед, назад – 10 сек, вращаем по кругу по часовой стрелке – 10 сек, против часовой стрелке – 10 сек)

Применение закона.

Но закон всемирного тяготения имеет границы применимости. Открываем учебник на страницу 61, находим, выделяем и зачитываем в тексте границы применимости закона всемирного тяготения

Между телами любой формы, если их размеры пренебрежимо малы по сравнению с расстояниями между ними;

Между однородными шарообразными телами (за расстояние принимается расстояние между центрами шаров);

Между телом шарообразной формы и телом, которое можно принять за материальную точку.

Внимание!

Закон не объясняет причин тяготения, а только устанавливает количественные закономерности.

В случае взаимодействия трех и более тел задачу о движении тел нельзя решить в общем виде. Требуется учитывать "возмущения", вызванные другими телами.

В случае тел произвольной формы требуется суммировать взаимодействия между малыми частями каждого тела.

Значение закона всемирного тяготения.

В результате открытия Ньютона выяснилось, что множество, казалось бы, разнородных явлений: падение тел на Землю, движения Луны и Солнца, отливы и приливы и т. д. – представляет собой проявление одного и того же закона природы – закона всемирного тяготения. Этот закон вместе с законами движения Ньютона составляет основу небесной механики.

Всемирное тяготение объясняет устойчивость Солнечной системы, движения планет и других тел. Луна сохраняет свою орбиту благодаря силе притяжения Земли; Земля удерживается на своей траектории силой притяжения Солнца.

С помощью закона всемирного тяготения стало возможным вычислить массу Солнца и планет и их плотности.

Закон всемирного тяготения позволяет объяснить морские приливы и отливы притяжением Луны

На основании закона были открыты планеты Нептун и Плутон.

Пользуясь законом всемирного тяготения, точно определяют время и место солнечных и лунных затмений

Группа 1

1. Почему мы замечаем силу притяжения всех тел к Земле, но не замечаем взаимного притяжения между самими этими телами? (Мы замечаем притяжение тел к Земле, т.к. наша планета обладает огромной массой,а следовательно большой силой притяжения. Между окружающимися же предметами взаимное притяжение есть, но оно незначительно, т.к. их массы крайне малы,а значит и сила взаимного притяжения небольшая.)

2. Как двигались бы планеты, если бы сила притяжения Солнца внезапно исчезла? (Если бы притяжение Солнца исчезло, то планета унеслась бы в космическое пространство, двигаясь по инерции, то есть прямолинейно и равномерно.)

Группа 2.

1. Как двигалась бы Луна, если бы она остановилась на орбите? (Если бы на Луну не действовала бы сила тяготения Земли, то она бы двигалась по орбите вокруг Солнца, если же вообще на неё не действовала сила тяготения, то она двигалась бы равномерно и прямолинейно)

2. Притягивает ли Землю стоящий на ее поверхности человеке? Летящий самолет? Космонавт, находящийся на орбитальной станции?(человек притягивает землю. но очень слабо, из-за маленькой массы, тоже самое самолет. также и космонавт. Земля притягивает предметы к себе сильно, т. к масса у нее большая, но с увеличением расстояния до предмета эта сила слабеет)

Группа 3.

1. Некоторые тела (воздушные шары, дым, самолеты, птицы) поднимаются вверх, несмотря на тяготение. Как вы думаете, почему? Нет ли здесь нарушения закона всемирного тяготения? (Шар может быть наполнен гелием или водородом, эти элементы легче воздуха, и поэтому они поднимают шар вверх. Дым – это своего рода газ, а если сказать точнее, то его агрегатное состояние является газообразным, а газ, как мы знаем, перемешивается в воздухе, не имеет ни объема, ни формы.Самолеты сделаны из специальных материалов, они очень легкие, и конструкция сделана так, чтобы обтекаемость воздуха была полезной, получается что самолет летает за счет обтекаемости воздуха, ну а держаться в воздухе они способны благодаря своей высокой скорости, которую вырабатывают мощные турбины.)

2. Что нужно сделать, чтобы увеличить силу тяготения между двумя телами?( Чтобы увеличить силу тяготения между телами нужно либо увеличить их массы, либо уменьшить расстояние между ними)

Несколько интересных фактов

1).Чем ограничиваются размеры животных на Земле?

Фактически насекомые обитают в условиях сильно пониженной по сравнению с более крупными животными гравитации. Поэтому вопрос о том, какой вес смог бы поднять муравей, если бы был размером со слона, просто не имеет смысла. Строение тела насекомых и вообще всех мелких животных оптимально именно для пониженного тяготения, и ноги у муравья просто не выдержат веса тела, не говоря уже о каком-то дополнительном грузе. Так сила тяжести накладывает ограничения на размеры наземных животных, и самые крупные из них (например, динозавры), по-видимому, существенную часть времени проводили в воде.

2) Чему равен вес самых тяжелых из земных птиц?

Летательные способности в животном мире также ограничены массой тела. Не только сила мышц, но и площадь крыльев растет пропорционально квадрату линейных размеров, т.е. для при некоторой предельной массе тела полеты становятся невозможными. Эта критическая масса составляет примерно 15-20 кг, что соответствует весу самых тяжелых из земных птиц. Поэтому очень сомнительно, что древние гиганские ящеры действительно могли летать; скорее всего, их крылья позволяли им только планировать с дерева на дерево.

3) Почему среди тяжелоатлетов так много низкорослых?

Достаточно распространено мнение, что занятия тяжелой атлетикой замедляют рост спортсменов, поэтому, мол, среди тяжелоатлетов так много низкорослых. На самом деле низкорослость штангистов действительно наблюдается, но только в ограниченных весовых категориях, особенно среди легковесов. В одной книжке по атлетизму приводится даже пояснение, что низкорослые побеждают чаще оттого, что им приходится поднимать штангу на меньшую высоту. На мой взгляд, такой довод совершенно неубедителен. Я же предлагаю следующее объяснение. Каждый тип ткани (мышцы, кости, кожа, жировая прослойка и т.д.), из которых состоит тело, составляет определенный процент от его общего веса. И если предположить, что эти пропорции одинаковы для двух человек разного роста, то более низкий человек, естественно, будет весить меньше. Однако если он за счет мышц наберет такую же массу тела, что и высокий, то это будет означать, что абсолютная мышечная масса у него больше (поскольку немышечной ткани у него просто меньше по определению). А больше мышечная масса - больше сечения мышц, и, следовательно, в этих условиях при равной массе тела низкий тяжелоатлет действительно сильнее высокого, поэтому последние просто отсеиваются.

Учитель организует проверку понимания нового материала. А теперь, давайте решим следующие задачи Как изменится сила притяжения между двумя шарами, если один из них заменить другим, масса которого вдвое меньше? Как изменится сила притяжения между двумя шарами, если расстояние между ними увеличить вдвое? Как изменится сила притяжения между двумя шарами, если расстояние между ними уменьшить вдвое, а массу каждого увеличить в два раза? Два корабля массой 10000 т каждый стоят на рейде на расстоянии 1 км один от другого. Какова сила притяжения между ними? На каком расстоянии сила притяжения между двумя телами массой по 1000 кг каждое будет равна 3,335 10-9 Н Два одинаковых шарика находятся на расстоянии 0,1 м друг от друга и притягиваются с силой 6,67 10-15 Н. Какова масса каждого шарика?

Решают задания письменно (Увеличится в 2 раза) (Уменьшится в 4 раза) (Увеличится в 16 раз) Ответ: 0,667 Н Ответ: 140 м Ответ: 1 г

Этап подведения итогов урока.

1.                 Мы познакомились с законом  всемирного тяготения и с историей его открытия;

2.                 Вывели формулу;

3.                 Узнали, как была определена гравитационная постоянная;

4.                 Рассмотрели  практическое  применение закона в живой  и неживой природе.

(озвучить как работал класс, кто особенно старательно)

По итогам урока оценки получают:

ü учащиеся, которые принимали активное участие на протяжении всего урока (назвать по фамильно) и все учащиеся за решение задачи

Познакомиться с экспериментальными фактами, на основе которых был сформулирован закон всемирного тяготения; Узнать, как читается закон всемирного тяготения;

Выяснить, каковы границы применимости, следствия и значение закона всемирного тяготения;

Познакомиться с экспериментами, подтверждающими справедливость закона всемирного тяготения;

Рефлексия

1.   Почему Луна не падает на Землю?

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 человеке? Летящий самолет? Космонавт, находящийся на орбитальной станции?
- новый слайд-
Некоторые тела (воздушные шары, дым, самолеты, птицы) поднимаются вверх, несмотря на тяготение. Как вы думаете, почему? Нет ли здесь нарушения закона всемирного тяготения?

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

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

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

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 1000 кг каждое будет равна 6,67 • 10 -⁹ Н?

3. Два одинаковых шарика находятся на расстоянии 0,1 м друг от друга и притягиваются с силой 6,67  • 10 ^-15 Н. Какова масса каждого шарика?