Методическая разработка урока на тему "Закон всемирного тяготения. Силы в природе"

Управление образования и науки Липецкой области

Государственное областное бюджетное профессиональное образовательное учреждение

 «Лебедянский торгово-экономический техникум»

Методическая разработка урока

по дисциплине: «Физика»

«Силы всемирного тяготения. Закон всемирного тяготения.  Сила тяжести и вес тела. Силы упругости и силы трения»

Лебедянь

Аннотация.

Настоящая методическая разработка написана в качестве рекомендательного пособия для преподавателей.

Методическая разработка написана с целью обмена опытом, оказания методической помощи преподавателям в проведении урока по дисциплине «Физика».

Урок «Силы всемирного тяготения. Закон всемирного тяготения.  Сила тяжести и вес тела. Силы упругости и силы трения» позволяет углубить знания студентов по разделу «Динамика». Урок проводится в форме  урока изучения нового материала с использованием компьютерных технологий. Эффективность урока обусловлена использованием ряда сменяющих друг друга методов изучения и закрепления материала: рассказ преподавателя, демонстрация презентации, работа с литературой, решение задач, работа по карточкам, фронтальный опрос. Изучение нового материала сопровождается демонстрацией презентации по данной тематике.

Использование ТСО делает урок более мобильным.

Содержание

Введение

1. цели урока;

2. материально – техническое обеспечение урока

3.    вид занятия;

4.    тип урока;

Основная часть

1.     организационная часть

2.     мотивация учебной деятельности

3.     ход урока

4.     подведение итогов урока

5.     домашнее задание

Заключение

Список литературы

Приложения

Введение.

Методическая разработка написана на основе педагогического опыта автора.

Закон всемирного тяготения относится к числу фундаментальных, однако, даже зная его формулу, студенты могут не понимать, почему силы тяготения управляют законами движения планет на больших расстояниях и не учитываются при рассмотрении взаимодействия тел на Земле даже на малых расстояниях. Также студенты могут не представлять, насколько изменяется ускорение свободного падения при подъеме над поверхностью Земли, как вращение Земли влияет на вес тел. Ответы на данные вопросы требуют громоздких вычислений, поэтому урок целесообразно провести с использованием компьютерных технологий в компьютерном классе.

Необходимо показать студентам границы применяемости теоретических знаний на практике. Воспитывать уважение к личности партнера, т.е. формировать нравственные качества студентов.

Тема: «Силы всемирного тяготения. Закон всемирного тяготения.  Сила тяжести и вес тела. Силы упругости и силы трения»

 

Вид занятия: урок

Тип урока: комбинированный

Цели:

Ø образовательная: познакомить студентов с законом всемирного тяготения, математической формулировкой данного закона, гравитационной постоянной, исследовать влияние закона всемирного тяготения на физические процессы, с силой тяжести, весом тела, с силой упругости, силой трения, математическим выражением этих сил, единицами измерения величин научить применять теоретические знания при решении задач;

Ø воспитательная: формирование информационной и коммуникативной культуры студентов;

Ø развивающая: развивать интерес к предмету, навыки применения изученных теоретических вопросов для объяснения физического эксперимента, при решении задач, совершенствовать навыки в области программирования и поиска данных, активность и самостоятельность студентов.

Междисциплинарные связи: алгебра, астрономия, информатика

Материально-техническое обеспечение занятия:

Наглядные пособия: стенд «Основные физические величины и формулы», презентация

Технические средства: ПК, мультимедийная установка,

Раздаточный материал: карточки, сборник лекций, сборник задач.

Методическое обеспечение занятия: учебно-методическая карта занятия, календарно-тематический план, рабочая программа.

Литература:

1.     Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б. «Физика – 10»;

2.     Дмитриева В. Ф. «Физика».

Основная часть

1.           Организационная часть.

Организационная часть урока заключается в том, что преподаватель проверяет готовность студентов к проведению занятия, наличие необходимых пособий и оборудования.

2.           Мотивация учебной деятельности.

Преподаватель настраивает группу на внимание, проводит связь материала, который предстоит изучить на данном уроке с ранее изученным материалом. Говорит о важности данной темы в освоении физики. Сообщает цели и задачи урока.

3.           Актуализация знаний студентов.

1) Для проверки ранее усвоенного материала можно провести фронтальный опрос по ранее изученному материалу по вопросам:

a) сформулируйте первый закон Ньютона.

б) Приведите примеры применения этого закона.

в) Сформулируйте второй закон Ньютона.

г) Сформулируйте третий закон Ньютона.

Пока идет фронтальный опрос можно предложить некоторым студентам решить задачи по карточкам (приложение 1)

 2) Для закрепления законов Ньютона можно решить задачи (приложение 2)

4.           Изучение нового материала.

 При изучении нового материала можно рассмотреть вопросы: (Приложение 3)

1). Сила всемирного тяготения.

2). Закон всемирного тяготения

Для закрепления этого вопроса можно предложить студентам рассчитать ускорение свободного падения тела у поверхности Земли.

А так же вычислить первую космическую скорость

=7890 м/с ≈ 8 км/с

3). Невесомость

4) Силы в природе.

5.           Закрепление

5.1 Устный опрос

Для закрепления теоретического материала студентам можно предложить для беседы такие вопросы:

1. В чем главное отличие силы гравитации от других сил?

2. Справедлив ли закон всемирного тяготения для тел произвольной формы?

3. Каково значение гравитационной постоянной?

4. В чем причина того, что Земля сообщает всем телам независимо от их масс одинаковые ускорения?

5. Что такое первая космическая скорость?

6. Что называют состоянием невесомости?

Для закрепления знания формул предлагается заполнить таблицу (приложение 4)

5.2 Решение задач

Для закрепления изученных формул, развития умения их применять при решении задач студентам можно предложить решить задачи. Причем задачи решаем с применением компьютера, используя справочные материалы (Приложение 5). Примеры задач представлены в Приложении 6, ответы записать в карточке для ответа.

6.           Подведение итогов

Преподаватель подводит итоги урока, анализирует и оценивает работу студентов.

7. Домашнее задание

Преподаватель сообщает студентам домашнее задание, объясняет, где можно найти данный материал.

8.Заключительная часть

Здесь можно предложить студентам привести в порядок рабочие места, дежурным собрать раздаточный материал.

Заключение

Основная идея урока показать возможности применения и использования компьютерных технологий на уроках физики, их применение на различных этапах урока: в ходе изучения нового материала, закрепления изученного материала. А так же показать значимость темы «Закон всемирного тяготения» в разделе курса физики «Динамика», так как закон всемирного тяготения относится к числу фундаментальных законов физики. Но студенты, даже зная его формулу, могут не до конца понимают, почему силы тяготения управляют законами движения планет на больших расстояниях и не учитываются при рассмотрении взаимодействия тел на Земле даже на малых расстояниях. Также студенты могут не представлять, насколько изменяется ускорение свободного падения при подъеме над поверхностью Земли, как вращение Земли влияет на вес тел.

Задача преподавателя - показать влияние законы всемирного тяготения на физические процессы, возможность применения теоретических знаний на практике: при решении задач.

Литература:

1.           Дмитриева В.Ф. «Физика», М.: Изд. Центр «Академия», 2014;

2.           Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. «Физика-10», М.: Просвещение, 2012;

3.           Рымкевич А.П. «Сборник задач по физике», М.: Просвещение, 2012.

Приложение 1.

Карточка №1

Тело массой 2 кг падает на землю с постоянным ускорением 3,5 м/с². Чему равна сила, действующая на тело?

Карточка №2

С каким ускорением двигался при разбеге реактивный самолет массой 75 т, если сила тяги двигателей 89 кН?

Карточка №3

Тело массой 5 кг под действием некоторой силы приобрело ускорение 3 м/с². Какое ускорение приобретает тело массой 11 кг под действием такой же силы?

Приложение 2.

1.       Тело массой 1 кг падает на землю с постоянным ускорением 9,8 м/с². Чему равна сила, действующая на тело?

2.       Автомобиль массой 1000 кг движется по кольцевой дороге радиусом 100 м с постоянной скоростью 20 м/с. Чему равна сила, действующая на автомобиль?

3.       Автомобиль, масса которого 2160 кг, начинает двигаться с ускорением, которое в течении 30 с остается постоянным. За это время он проходит 500 м. Какова по модулю сила, действующая в течении этого времени на автомобиль?

Приложение 3.

1. Сила всемирного тяготения.

Ньютон был первым, кто строго доказал, что причина, вызывающая падение камня на Землю, движение Луны вокруг Земли и планет вокруг Солнца, одна и та же. Это сила тяготения, действующая между любыми телами Вселенной.

Вот ход рассуждений, приведенный в главном его труде «Математические начала натуральной философии»:  «Брошенный на Землю камень отклонится под действием тяжести от прямолинейного пути и, описав кривую траекторию, упадет наконец на Землю. Если его бросить с большей скоростью, то он упадет дальше» (рис. 1). Продолжая эти рассуждения, Ньютон приходит к выводу, что если бы не сопротивление воздуха, то траектория камня, брошенного с высокой горы с определенной скоростью, могла бы стать такой, что он вообще никогда не достиг бы поверхности Земли, а двигался бы вокруг нее подобно тому, как планеты описывают в небесном пространстве свои орбиты.

Итак, по мнению Ньютона, движение Луны вокруг земли или движение планет вокруг Солнца — это тоже свободное падение, которое длится, не прекращаясь, миллиарды лет. Причиной такого падения (идет ли речь действительно о падении обычного камня на Землю или о движении планет по их орбитам) служит сила тяготения.

Как и всем другим телам, Земля должна сообщать Луне ускорение, не зависящее от массы Луны. Траектории движения Луны хорошо известна,
т. е. известно положение Луны относительно Земли в любой момент времени. По этим данным нетрудно чисто кинематически определить ее ускорение. Оно оказывается примерно в 3600  раз меньше, чем ускорение свободного падения у поверхности Земли. Расстояние до Луны приблизительно равно 60 земным радиусам. Отсюда можно сделать важнейший вывод: ускорение, которое сообщает телам сила притяжения к Земле, убывает обратно пропорционально квадрату расстояния до центра Земли:

Исследование движения планет показало, что это движение вызвано силой притяжения к Солнцу. Используя тщательные многолетние наблюдения датского астронома Т. Браге, И. Кеплер установил кинематические законы движения планет. Из этих законов Ньютон нашел, что Солнце сообщает всем планетам ускорение, обратно, пропорциональное квадрату расстояния от планет до Солнца.

Из приведенных данных вытекает, что сила тяготения в обоих Случаях (притяжение к Земле и Солнцу) сообщает всем телам ускорение, не зависящее от массы этих тел, и убывает обратно пропорционально квадрату расстояния между ними.

2. Закон всемирного тяготения

Можно лишь догадываться о волнении, охватившем Ньютона, когда он пришел к великому результату: одна и та же причина вызывает явления поразительно широкого диапазона от падения брошенного камня на Землю до движения огромных космических тел. Ньютон нашел эту причину и смог точно выразить ее в виде одной формулы закона всемирного тяготения.
Так как сила всемирного тяготения сообщает всем телам одно и то же ускорение независимо от их массы, то она должна быть пропорциональна массе того тела, на которое действует.

Но поскольку, например, Земля действует на Луну с силой, пропорциональной массе Луны, то и Луна по третьему закону Ньютона должна действовать на Землю с той же силой. Причем эта сила должна быть пропорциональна массе Земли. Если сила тяготения является действительно универсальной, то со стороны данного тела на любое другое тело должна действовать сила, пропорциональная массе этого другого тела. Следовательно, сила всемирного тяготения должна быть пропорциональна произведению масс взаимодействующих тел. Отсюда вытекает формулировка закона всемирного тяготения:

Сила взаимного притяжения двух тел прямо пропорциональна произведению масс этих тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:

           F= G ∙ ,  где  m₁   и m₂  -  массы тел [кг]

                                             R – расстояние между ними [м]

Коэффициент пропорциональности G называется гравитационной постоянной.
Гравитационная постоянная численно равна силе притяжения между двумя точечными телами массой 1 кг каждое, если расстояние между ними равно 1 м.          

G = 6,67 ∙ 10^-11

Закон всемирного тяготения справедлив для материальных точек. Тела, падение которых на Землю мы обычно рассматриваем, имеют размеры, много меньшие, чем земной радиус (6400 км). Такие тела можно независимо от их формы рассматривать как точечные и определять силу притяжения к Земле с помощью закона всемирного тяготения, имея в виду, что R есть расстояние от данного тела до центра Земли.

По второму закону Ньютона

      

Так можно рассчитать ускорение свободного падения тела у поверхности Земли.

Давайте его вычислим:

Но при подъеме над поверхностью Земли ускорение свободного падения меняется, т.к расстояние равно R + h, где R – радиус Земли, а h – высота над Землей. Тогда ускорение свободного падения рассчитывается по формуле:

 

Определим, как можно рассчитать скорость движения тел по орбитам. Т. к.

Следовательно

         

Вычислим первую космическую скорость, т.е. скорость, которую необходимо сообщить телу у поверхности планеты, чтобы оно стало ее спутником, движущимся по круговой орбите.

=7890 м/с ≈ 8 км/с

7.                 Невесомость

Из равенства ускорений, сообщаемых Землей всем телам, вытекает возможность появления состояния невесомости при свободном падении тел.

Представим себе взмывающий вверх самолет. Он и находящиеся в нем люди и предметы имеют одну и ту же скорость. Если бы в некоторый момент взаимодействие самолета с воздухом прекратилось, то он сам, люди и все предметы внутри его начали бы свободно падать, двигаясь с одним и тем же ускорением, направленным к центру Земли. При этом наступает состояние невесомости. В результате человек будет свободно парить над полом, не оказывая давления на окружающие предметы. То же самое происходит в кабине космического корабля при движении его по орбите. Наконец, вы без особого труда можете сами привести свое тело в состояние невесомости. Для этого достаточно подпрыгнуть. В течение небольшого промежутка времени, пока на тело действует только сила тяжести, вы будете находиться в состоянии невесомости совершенно так же, как  космонавты в космическом корабле.

8. Силы в природе.

1.     Сила тяжести: 

это сил, с которой Земля притягивает тело, находящееся на ее поверхности или вблизи этой поверхности

   F = m ∙ g,  где  m – масса тела [кг]

                            g – ускорение свободного падения[9,8 м/с²]

                            F – сила [Н]

2.     Вес тела:

это сила, с которой тело вследствие его притяжения к Земле действует на опору или подвес

      где   m – масса тела [кг]

                                  g – ускорение свободного падения[м/с²]

                                  Р – вес [Н]

3.     Сила упругости:

она возникает при деформации тела, когда тело стремится восстановить свою первоначальную форму и размеры.

Сила упругости пропорциональна изменению размера тела и направлена в сторону восстановления первоначального размера – закон Гука.

                      F= к Δ ℓ,     где Δ ℓ - изменение размера [м]

                                                    к – модуль упругости [Н/м]

                                                    F – сила [Н]

4.     Сила трения

возникает при соприкосновении тел и всегда направлена вдоль поверхности соприкосновения.

                             F_тр = ,  μ – коэффициент трения

                                         N – сила давления тела на опору[Н]

Сила трения покоя – это сила, которая мешает сдвинуть с места тяжелый предмет.

Сила трения скольжения возникает, когда одно тело скользит по поверхности другого и мешает движению.

Приложение 4.

Силы в природе	Формула
Сила тяжести		F= к Δ ℓ,
Вес тела		F =
Сила упругости
Сила трения		F = m ∙ g

Приложение 5.

1.Астрономические величины

Нормальное ускорение свободно падающих тел …………..g = 9,81 м/с²

Гравитационная постоянная ……………………...G = 6,67·10^-11 Н·м²/кг²

Масса Солнца…………………………………………………...1,98·10³⁰ кг

Масса Луны………………………………………………………7,3·10²² кг

Масса Земли……………………………………………………..5,98·10²⁴ кг

Средний радиус Земли…………………………………………...6,37·10⁶ м

Радиус Солнца…………………………………………………….6,95·10⁸м

Радиус Луны………………………………………………………1,74·10⁶ м

Среднее расстояние между центрами Земли и Луны…………..3,84·10⁸м

Среднее расстояние между центрами Земли и Солнца…………1,5·10¹¹ м

Планета	Расстояние до Солнца (*1010м)	Масса планеты (*1023 кг)	Радиус планеты (*106км)
Меркурий	5,79	3,239	2,424
Венера	10,816	48,77	6,059
Земля	14,96	59,97	6,378
Марс	22,79	6,477	3,38
Юпитер	778,37	19060	71,43
Сатурн	142,703	5706	59,95
Уран	286,963	871,9	24,24
Нептун	449,653	1033	24,87
Плутон	59,46	0,12	1,467

Приложение 6.

Задача № 1. Определить силы взаимодействия планет солнечной системы с Солнцем и скорости их движения на орбитах.

CLS

LET G = 6,67 Е-11

LET MC = 1,98 Е +30

INPUT “Масса планеты M = “; M

INPUT “Расстояние до Солнца R = “; R

LET F = G*MC*M / R^2

LET V = SQR(G*MC / R)

PRINT F, V

Задача № 2. Определить ускорение свободного падения на планетах, первую космическую скорость у их поверхности.

CLS

LET G = 6,67 Е-11

INPUT “Масса планеты M = “; M

INPUT “Радиус планеты R = “; R

LET a = G*M / R^2

LET V = SQR(G*M / R)

PRINT a, V

Задача № 3. Определить ускорение свободного падения на разных высотах от поверхности Земли.

CLS

LET G = 6,67 Е-11

LET M = 5,976 Е+24

LET R = 6,37 Е+6

INPUT “Высота h = “; h

LET а = G*M / (R + h)^2

PRINT а

Карточки для ответа

Задача № 1 и 2.

Планета	Сила взаимодействия  с Солнцем	Скорость движения на орбитах	Ускорение свободного падения	Первая космическая скорость у поверхности
Меркурий
Венера
Земля
Марс
Юпитер
Сатурн
Уран
Нептун
Плутон

Задача № 3.

Высота над поверхностью Земли, м	Ускорение свободного падения, м/с2
1000000
5000000
10000000
15000000
20000000
30000000

Ответы

Задача № 1 и 2.

Планета	Сила взаимодействия  с Солнцем	Скорость движения на орбитах	Ускорение свободного падения	Первая космическая скорость у поверхности
Меркурий	1,28∙1022	47759	3,68	2985
Венера	5,51∙1022	34943	8,87	7327
Земля	3,54∙1022	29711	9,83	7919
Марс	1,65∙1021	24072	3,78	3575
Юпитер	4,15∙1021	4119	24,91	42187
Сатурн	1,28∙1022	9620	10,59	25196
Уран	3,7∙1022	6783	9,9	15489
Нептун	6,75∙1020	5419	11,14	16644
Плутон	4,48∙1018	14903	0,37	738

Задача № 3.

Высота над поверхностью Земли, м	Ускорение свободного падения, м/с2
1000000	7,3384
5000000	3,0833
10000000	1,4874
15000000	0,8728
20000000	0,5732
30000000	0,3013

Учебно-методическая карта занятия

Дисциплина: физика

Тема: Силы всемирного тяготения. Закон всемирного тяготения.  Сила тяжести и вес тела. Силы упругости и силы трения.

Вид занятия: урок

Тип урока: комбинированный

Цели:

Ø образовательная: познакомить студентов с законом всемирного тяготения, математической формулировкой данного закона, гравитационной постоянной, исследовать влияние закона всемирного тяготения на физические процессы, с силой тяжести, весом тела, с силой упругости, силой трения, математическим выражением этих сил, единицами измерения величин научить применять теоретические знания при решении задач;

Ø воспитательная: формирование информационной и коммуникативной культуры студентов;

Ø развивающая: развивать интерес к предмету, навыки применения изученных теоретических вопросов для объяснения физического эксперимента, при решении задач, совершенствовать навыки в области программирования и поиска данных, активность и самостоятельность студентов.

Междисциплинарные связи: алгебра, астрономия, информатика

Материально-техническое обеспечение занятия:

Наглядные пособия: стенд «Основные физические величины и формулы», презентация

Технические средства: ПК, мультимедийная установка,

Раздаточный материал: карточки, сборник лекций, сборник задач.

Методическое обеспечение занятия: учебно-методическая карта занятия, календарно-тематический план, рабочая программа.

Литература:

1.           Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б. «Физика – 10»;

2.           Дмитриева В. Ф. «Физика», М. «Академия».

Хронологическая карта занятия

№ п/п	Элементы занятия и узловые вопросы	Методы обучения	Время,  мин	Примечание
1	Организационная часть - проверка  готовности студентов к уроку; - проверка присутствующих; - настрой на работу	монологический	2-3	воспитание дисциплинированности
2	Мотивация  учебной деятельности студентов - сообщение темы и цели занятия	монологический	2-3
3.	Проверка знаний студентов 1) Анализ выполнения контрольной работы. 2) Проверка ранее изученного материала (карточки) 3) Проверка домашнего задания по вопросам: - первый закон Ньютона; - второй закон Ньютона; - третий закон Ньютона; 4) Решение задач	монологический; самостоятельная работа устный опрос работа у доски	25	Использование разнообразных приемов, позволяющих определить уровень усвоения материала и выполнения домашнего задания
4	Промежуточное подведение итогов готовности студентов к занятию - выявить недостатки в знаниях студентов; - анализ правильности ответов студентов.	монологический	2	Обнаружение причин невыполнения д/з отдельными студентами и принятие мер для их ликвидации
5	Этап подготовки студентов к активному усвоению новых знаний - сообщение и постановка целей и задач изучения материала	создание проблемной ситуации	2	показ значимости изучаемого материала
6	Изучение нового материала 1.      Сила всемирного тяготения 2.      Сила тяжести. 3.      Вес тела. 4.      Сила упругости. 5.      Сила трения.	диалогический с демонстрацией презентации	35	подача материала логически завершенными блоками; использование вопросов, требующих активности, самостоятельной мыслительной деятельности
7	Закрепление знаний - обеспечить формирование знаний на основе использования вопросов требующих систематизации знаний; - сформировать умения применять теоретические знания на практике	фронтальный опрос; решение задач	15	выяснение степени усвоения студентами учебного материала
8	Подведение итогов занятия - обобщение материала; - оценивание работы студентов с комментариями	монологический	2
9	Домашнее задание - проработка конспекта занятия; - Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б. «Физика – 10», с. 81, - решить задачу № 50; - доклад «Невесомость»	монологический	2
10	Заключительная часть занятия - приведение в порядок рабочих мест		1-2	воспитание аккуратности

Преподаватель: С.В. Маркова