План - конспект открытого урока физики «Законы Ньютона. Закон всемирного тяготения».

План - конспект

открытого урока физики в 9 «В» классе

МОУ гимназии №77 г. о. Тольятти

учителя физики

Ивановой Марии Константиновны

Ход урока:

I. Организационный момент:   приветствие учащихся, проверка отсутствующих в классе.

Рефлексия. На доске написаны следующие фразы:

1. Меня удивило …
2. Я задумался …
3. У меня возник вопрос …

 II. Обобщение ранее изученного материала.

1. Фронтальный опрос.

• 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?

2. Проведение викторины.

Предлагаю вашему вниманию викторину, которая называется «Великие учёные». Проведут её те ученики, которые подготовили для вас мини-проект по данной теме.

Они будут называть некоторые факты из жизни какого-то учёного, его труды, а вы должны угадать о ком идёт речь. Правильность ваших ответов проверим по слайдам презентации (Приложение №1).

1. Этот древнегреческий философ создал первую картину мира. Практически все положения его учения находятся в противоречии с современной картиной мира. Слово "физика" впервые появилось в его сочинениях. Кто это? (Аристотель)

2.Этот английский физик в 1788 году впервые предложил опыт по измерению гравитационной постоянной с использованием крутильных весов ( Кавендиш)

3. Итальянский физик. Он утверждал, что все законы теории справедливы только для абстрактных моделей, а потому должны проверяться экспериментом и уточняться. Он явился основоположником теории свободного падения, открыл явление инерции. Вспомните Пизанскую башню (Галилео Галилей)

4.Научный оппонент Ньютона, утверждавший, что сила всемирного тяготения должна быть пропорциональна расстоянию, а не обратно пропорциональна квадрату расстояния. Основной закон деформации, касающийся силы упругости носит его имя (Роберт Гук)

5. Этот русский учёный создал на основе механики Ньютона теорию космических летательных аппаратов( Константин Эдуардович Циолковский)

Учитель:  Хорошо, вы неплохо помните имена учёных, а скажите, как вы думаете, о каком учёном, внёсшим огромнейший вклад в развитие физики, я не сказала? Конечно же, это Исаак Ньютон. Вспомните, какой вклад он внёс в развитие не только механики, а всей физики. И, конечно же, истории жизни этого учёного мы посвятим больше времени, давайте послушаем сообщение о его жизни и его открытиях.

 2. Выступление ученика, получившего опережающее задание (Приложение №2)

3. Повторение законов Ньютона.

• Первый закон Ньютона (Слайд № 1)
• Второй закон Ньютона (Слайд №2)
• Третий закон Ньютона (Слайд №3)

Учитель: Часто механику, которую мы рассматриваем, называют классической или ньютоновской, подчеркивая незыблимость некоторых ее выводов и немаловажную роль законов Ньютона.

Чем не занимается классическая механика? Она не изучает движения со скоростями, близкими к скорости света, не изучает и не учитывает внутреннее строение материальных объектов и его изменения. Поскольку большие скорости движения известны сейчас только для малых по массе «элементарных частиц», классическую механику иногда называют «механикой малых скоростей и больших

( по массе) тел.

4. Решение качественных задач на законы Ньютона:

• Почему в северном полушарии в реках, текущих на север, вода подмывает правые берега? (Земля вращается с запада на восток. Известно, что отдельные точки земной поверхности в зависимости от широты места имеют различную скорость. На более высоких широтах эта скорость становится меньше. Поэтому вода в реке, текущая на север, попадая на более высокие широты, сохраняет по инерции свою прежнюю скорость. Следовательно, вода в реке, отклоняясь к востоку, подмывает правый берег.) 
• На каменистой дороге ход нагруженного автомобиля более плавный, чем ход этого же автомобиля, но без груза. Почему? (При увеличении массы автомобиля уменьшается ускорение, сообщаемое ему неровностями дороги.)
• С воздушного шара, неподвижно висящего в воздухе, свободно свешивается лестница. По ней взбирается человек. Что при этом происходит с шаром ?(Шар начнет опускаться.)

Динамическая пауза.   

III. Изучение новой темы.

1. Актуализация.

Сегодня мы поговорим о великой силе природы - силе всемирного тяготения. Эта сила не позволяла человеку строить многокилометровые башни (верхние этажи своей тяжестью давили на нижние – строение разрушалось), мосты через широкие реки (чуть прочитывались инженеры - и они с грохотом рушились). Люди завидовали птицам, и лишь в мечтах взмывали в небо. Между тем человек и не подозревал, скольким этой силе обязан. Именно благодаря ей, вокруг Земли существует атмосфера, она собирает воды планеты, образуя моря и океаны. Да и сама Земля удерживается на орбите вокруг Солнца. А сама Вселенная? И она не устояла бы без силы всемирного тяготения - галактики распались бы. Человек заставил служить себе эту силу. На пути потоков воды человек воздвигал плотины и ставил турбины, человек запустил искусственный спутник Земли, и могучая сила тяготения понесла его именно по расчетному пути.

2. История открытия закона.

Как же был открыт закон всемирного тяготения?

·         Знаменитый александрийский астроном Птолемей предложил геоцентрическую систему мира, т.е. в центре находится Земля, а вокруг движутся Солнце, Луна и другие планеты.

·         Польский астроном Николай Коперник создал принципиально новую, гелиоцентрическую систему мира. Где в центре мироздания находилось Солнце. Но большинство придерживалось геоцентрической системы.

·         Джордано Бруно, бывший монах, развил систему Коперника и провозгласил о бесконечности Вселенной. За что и был сожжён в 1600г. в Риме на площади Цветов.

·         А Галилео Галилей изготовил телескоп, и с его помощью сделал открытия, подтверждающие справедливость учения Коперника. Но труды Галилея были запрещены церковью, а он сам в течение 9 лет считался “узником инквизиции”.

·         Датский астроном Тихо Браге многие годы наблюдал за движением плане, накопил многочисленные данные и перед смертью передал их своему ученику Иоганну Кеплеру. Поиски точных законов гелиоцентрического мира стали делом всей его жизни. Он открыл три закона движения планет.

·         Но Кеплер не сумел объяснить динамику движения. Почему планеты обращаются вокруг солнца именно по таким законам?

На этот вопрос сумел ответить И.Ньютон (Слайд №4, №5, №6), используя законы движения, установленные Кеплером, и общие законы динамики. Существует легенда о том, что в открытии закона великому английскому ученому помогло обыкновенное яблоко. Ньютон рассказывал, что мысль о тяготении пришла ему в голову, когда он, погрузившись в думы, сидел в своем саду под яблоней. И вдруг одно яблоко упало.

Почему яблоко падает всегда вниз? – задавал себе Ньютон очень простой вопрос:- Почему оно падает не в сторону, а всегда к центру Земли? И не только яблоко, все предметы падают по направлению к центру Земли, Существует некая “притягательная сила”, сосредоточенная в Земле. Но тогда эта сила есть в любом предмете: ведь если Земля притягивает яблоко, то и яблоко притягивает Землю! Может быть, сила подобная той, которую мы называем тяжестью, простирается по всей вселенной? И Ньютон начал думать о тяготении, простирающемся до орбиты Луны. Может, оно-то и удерживает Луну на орбите? Ведь если бы на Луну не действовали никакие силы, она двигалась бы по прямой линии, а не по окружности, и давным-давно улетела бы от Земли!

3. Математическое выражение и суть закона

Ньютон произвел первые расчеты. Чтобы объяснить движение Луны, ему пришлось предположить, что сила тяготения Земли убывает с расстоянием. Если расстояние увеличивается в 2 раза, то сила уменьшается в 4 раза, а если расстояние увеличивается в 10 раз, то сила уменьшается в 100 раз (говорят, что сила обратно пропорциональна квадрату расстояния).

Давайте запишем математическое выражение этого закона и ещё раз дадим его словесную формулировку:

Тела притягиваются друг к другу с силой, модуль которой пропорционален произведению их масс и обратно пропорционален квадрату расстояния между ними (Слайд №7, №8).

В формуле присутствует ещё одна величина – это коэффициент пропорциональности, который одинаков для всех тел – гравитационная постоянная. Числовое значение этой величины было получено опытным путем:  G = 6,67·10^–11 м³/кг·с² (СИ).

Про неё есть даже стихотворение, в котором заключается физический смысл гравитационной постоянной.

Дальнейший ход астрономических наблюдений и лабораторных измерений подтвердил найденное выражение для силы взаимного притяжения тел. Оказалось, что G - это универсальная константа, названная гравитационной постоянной. Она численно равна силе притяжения двух тел массой по 1 кг, расположенных на расстоянии 1 м друг от друга. Лабораторные измерения дали результат: G=6,67·10^-11Нм²/кг²     (Слайд №9)

В лабораторных условиях закон всемирного тяготения удалось проверить лишь сто лет спустя после его открытия. Это сделал лорд Г. Кавендиш в 1798г. Опыты проводились при помощи крутильных весов (Рисунок 1). На длинном стержне 1 уравновешивались два маленьких шарика одинаковой массы m. Стержень был подвешен на тонкой проволоке 2. К маленьким шарикам с противоположных сторон стержня подставлялись на близком расстоянии большие свинцовые шары. Масса каждого большого шара была равна M. При сближении шаров проволока закручивалась. Угол закручивания проволоки регистрировался на шкале 3 по повороту светового пучка 4, отраженного от зеркальца 5. По углу закручивания проволоки определялся момент силы упругости, равный моменту пары сил, возникающих при притяжении маленьких шариков к большим.
  Результаты опыта позволили определить гравитационную постоянную по формуле:

G=FR²/m .М

Получилось очень маленькое значение этой величины, которое удалось измерить только благодаря большой чувствительности крутильных весов.

Одним из проявлений закона всемирного тяготения является сила тяжести. Сила тяжести направлена к центру Земли и на поверхности Земли равна F=mg(Слайды №10, №11)

4. Значение закона.

Учитель: C помощью закона всемирного тяготения и законов Ньютона были определены траектории движения планет Солнечной системы, а также рассчитаны их координаты в любой момент времени на много лет вперед.

Выяснилось, что множество явлений представляет проявление одного и того закона:

• движение Луны и других небесных тел;
• возможность вычислить массу Солнца и других тел;
• открытие планет Нептун и Плутон;
• точный расчет солнечных и лунных затмений;
• отливы и приливы.

IV. Закрепление.

1. Вопросы для самоконтроля (Слайд №12)

2. Ответы на проблемные вопросы.

·                 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.

·               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.  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 гигантские ящеры действительно могли летать; скорее всего, их крылья позволяли им только планировать с дерева на дерево

·                    На расстоянии 38000 км от центра Луны силы притяжения тела Землею и Луною одинаковы. Следует ли отсюда вывод, что двигатели ракеты, отправляющейся на Луну, должны работать до тех пор, пока земное притяжение не уступит лунному?

Нет. Ракетам и космическим кораблям скорость придается в начале полета, а дальнейшее движение совершается под действием гравитационных сил. В этом смысле полет космического корабля схож с полетом брошенного камня.

·                    По закону всемирного тяготения все тела притягиваются друг к другу под действием гравитационных сил. Приведите пример, когда при сближении двух тел сила притяжения между ними уменьшается.

Такими телами являются, например, сделанные из любого материала кольцо и маленький шарик, распложенный на оси кольца, перпендикулярно его плоскости. По мере приближения шарика к кольцу сила их взаимного притяжения сначала увеличивается, а затем уменьшается до нуля, так как вблизи плоскости кольца силы притяжения отдельных его частей почти уравновешиваются.

V. Рефлексия. Выставление отметок.

4. Меня удивило …
5. Я задумался …
6. У меня возник вопрос …

VI. Задание на дом: §15, написать мини-сочинение или стихотворение на тему «Единая механическая картина мира»