Урок по теме: "Гравитация и человек"

Задачи урока: выяснить физиологическое понятие веса и невесомости, способы создания искусственной невесомости и искусственной гравитации, значение силы тяжести для формирования внешнего облика планеты и живых существ.

Форма работы – групповая (4 группы учащихся заранее получили задание найти ответы на следующие вопросы, используя дополнительную литературу и материал учебника. Что такое невесомость? Бывает ли человек в состоянии невесомости в обыденной жизни? Как влияет невесомость на организм человека? Можно ли искусственно создать невесомость?)

Оборудование:

• Таблицы на каждую группу “Физические характеристики тел Солнечной системы”;
• Распечатки из книги С.А.Чандаевой “Физика и человек”.
• Установка для демонстрации явления невесомости.

Введение учителя:

Мы познакомились с вами с одним из самых распространенных видов взаимодействия – гравитационным.

Тяготение – самая великая сила. Она тысячелетиями не позволяла строить человеку башни многокилометровой высоты: тяжесть верхних этажей стремилась раздавить нижние. Чуть просчитывались инженеры – и с грохотом обрушивались мосты через широкие реки. Человек завидовал птицам, но лишь в мечтах взмывал в небо. Между тем жизнь людей тесно связана с гравитацией и во многом обязана этой силе.

На прошлом уроке мы познакомились с понятием вес, невесомость, сила тяжести. На сегодняшнем уроке мы попробуем взглянуть на эти понятия с точки зрения их значимости для человека.

Тема сегодняшнего урока “Гравитация и человек”.

Вспомним:

1). Что такое вес тела? Учащиеся дают определение.

2). А отличается ли вес от силы тяжести? Чем?

3). А в чем проявляется физиологическое понятие веса?

4). Как подсчитать вес? (Р = mg).

5). Всегда ли? Нет, только если ускорение тела равно 0.

Физиологическое ощущение веса связано с тем, насколько трудно поднять руку или голову: давление внутренних органов человека на скелет пропорционально весу человека. В физиологии вес определяют как величину, пропорциональную силе, действующей со стороны жидкости в полукружных каналах внутреннего уха человека на нервные окончания. (связать с формулой Р = mg, если тело движется с ускорением, то Р – увеличивается или уменьшается, перегрузки – при взлете самолета, боль в ушах). А уменьшение веса тоже связано с ускорением, даже есть понятие невесомость.

Задание 1 группе

Рассказать о невесомости.

Показать невесомость.

Сообщение учащихся 1 группы

Вопрос:

Бывает ли человек в состоянии невесомости в обыденной жизни?

А вот космонавты (на космических орбитальных станциях находятся в состоянии невесомости и перед полетом проходят специальную подготовку).

Задание 2 группе

А как создать невесомость на Земле?

Сообщение учащихся 2 группы

Человек в своей повседневной жизни часто встречается с состоянием невесомости: при прыжках и беге, при движении по криволинейным траекториям, плоскости которых перпендикулярны поверхности Земли.

На практике в земных условиях состояние невесомости наблюдают:

1. в башнях невесомости (высоких сооружениях, внутри которых свободно падают контейнеры с исследовательской аппаратурой);
2. в самолетах, движущихся по особым траекториям (“горкам Кеплера”);
3. с помощью ракет-зондов, которые поднимаются в разреженные слои атмосферы, после чего их двигатели отключаются, и они переходят в режим свободного падения.

Еще один способ получения “невесомости” в земных условиях – иммерсия, т.е. погружение тела в жидкость с плотностью, равной плотности тела. В этом случае вес тела уравновешивается архимедовой силой, тело становится “невесомым”, приобретая способность свободно перемещаться в любом направлении. Именно таким образом тренируются космонавт в Центре подготовки космонавтов им. Ю.А.Гагарина для работы на космических станциях. Необходимо, однако, помнить, что “гидроневесомость” отличается от подлинной невесомости, прежде всего наличием сопротивления, которое оказывает телу человека водная среда.

Своеобразной моделью состояния невесомости может служить определенное положение тела человека в постели, при котором верхняя часть тела располагается ниже горизонтальной линии, - так называемое антиортостатическое положение. В специально проводимых опытах угол наклона тела в положении “вниз головой” менялся от –4 до -30?. При этом оказалось, что, чем больше наклон, тем сильнее проявляется действие “земной невесомости”. Исследователи пришли к выводу, что 15-минутное пребывание человека под углом -30? можно использовать как тест на выносливость к невесомости.

Задание 3 группе

А как влияет невесомость на организм человека?

Сообщение учащихся 3 группы

Состояние невесомости, моделируемое на Земле, обычно длится недолго: несколько секунд в башнях невесомости, около 2 минут при полете на самолете, несколько десятков минут в высотных ракетах. Сколько угодно может длиться состояние невесомости в космическом корабле, поскольку его движение по орбите представляет собой непрерывное свободное падение.

Воздействие невесомости начинает проявляться у организмов, имеющих массу, начиная с нескольких граммов. Особенно заметно невесомость влияет на человека. Чем же отвечает организм человека на состояние невесомости? В области сознания – более или менее выраженной дезориентацией в пространстве. У человека возникают иллюзии положения и перемещения, связанные с нарушением сложной деятельности вестибулярного аппарата, зрения, кожной и мышечной чувствительности. Человек начинает испытывать такое ощущение, как будто он падает или совершает полет вниз головой.

Другая группа реакций человеческого организма связана с тем, что в невесомости кровь также делается невесомой. В результате происходит перераспределение массы циркулирующей крови: из нижней части тела она устремляется в верхнюю часть. Возрастающий поток крови к сердцу воспринимается нервными окончаниями, которые контролируют объем и давление циркулирующей крови, как аварийная ситуация. Запускаются механизмы циркуляции, они приводят к уменьшению циркулирующей крови; почки выделяют повышенное количество воды. Одновременно уменьшается чувство жажды, устанавливается отрицательный водный баланс. Через несколько недель полета, могут возникнуть явления, которые медики называют детренированность сердечно-сосудистой системы.

Еще одно действие невесомости проявляется в том, что кости и мышцы лишаются весовой нагрузки. Весь характер двигательной активности приобретает новые черты: человек не ходит, а плавает в космическом корабле. Для перемещения внутри корабля или вне его, большое преимущество приобретают руки, а не ноги. Мышцы начинают частично атрофироваться, меняется координация движений.

Тренированный человек может адаптироваться к такому состоянию (особенно, если полет непродолжительный), но все же есть способы создания искусственной гравитации.

Сообщение учащихся 4 группы:

Самый простой способ создания искусственного поля тяготения – сообщить космической станции вращательное движение. При этом обитателями, живущими на внешней стороне оболочки станции, сила будет восприниматься как нормальное земное тяготение. При выборе формы и размеров учитывать направление искусственной силы тяжести, факт ее обратно пропорциональной зависимости от расстояния до оси вращения и прямую зависимость от квадрата угловой скорости вращения. Рациональное сочетание этих параметров позволяет рассчитывать компактные сооружения, характеризующиеся достаточно большим значением центростремительного ускорения. Следует однако заметить, что существуют некоторые ограничения на скорости вращения станций.

Согласно оценкам медиков, при частоте вращения 5 об/мин у человека, при поворотах головы начинаются неприятные ощущения в связи с расстройством вестибулярного аппарата. Хотя размеры реально существующих станций невелики по сравнению с рассчитанными, разработаны проекты космических станций для поселения больших количеств людей. Например, известен проект “стенфордского тора” - возможного поселения для 10 тыс. человек, движущегося по орбите между Землей и Луной. Проект представляет собой вращающийся тор диаметром 1,5 км. Над тором должно располагаться гигантское зеркало для отражения солнечного света в жилые помещения .

Существует идея, высказанная американским физиком Д.Крисуэллом, о проведении Олимпийских игр 2008 года на орбитальной станции. На станции должны разместиться 10 тыс. человек. Предполагается, что вынесение спортивных соревнований на орбиту, привнесет некоторое разнообразие и увеличит интерес к соревнованиям, и что появятся новые виды спорта. И, хотя стоимость создания такого “космического стадиона” оценивается в 1,5 триллиона долларов, что в три раза больше суммы, затраченной человечеством на космические исследования, многие поддерживают эту идею, считая, что лучше на нее тратить деньги, чем “развешивать” на околоземных орбитах боевые станции СОИ.

Можно существенно удешевить станцию, соединив две вращающиеся части станции тросом достаточной длины. С помощью вращающейся с большой скоростью кабины (центрифуги) можно создать значительные перегрузки. С центрифугами связаны тренировки летчиков и космонавтов на выносливость к перегрузкам.

Есть еще очень важный аспект, связанный с гравитационным притяжением. Масса космического объекта, а следовательно, сила тяжести и ускорение свободного падения, определяют как условия жизни живых существ на планете, так и формирует облик самой планеты.

Для Земли g 9,82 . Благодаря этому Земля удерживает атмосферу (воздушную оболочку).

Если g < g _Земли, то на планете резкие очертания гор, разряженная атмосфера, незащищенность живых организмов от ультрафиолетового излучения и падения метеоритов.

Если g > g _Земли, то плотность атмосферы больше, наблюдается парниковый эффект, рельеф более сглаженный.

Задание по группам: используя таблицу, рассчитать ускорение свободного падения на одной из планет Солнечной системы и спрогнозировать внешний облик планеты. (Каждая группа работает с одной из планет).

Физические характеристики тел Солнечной системы

Если есть время, то после прогнозов учащихся, можно из учебника “Астрономия” зачитать выдержки о строении планет (или хотя бы одной из них).

При обсуждении расчетного задания, учащиеся записывают в свою таблицу результаты своих групп. А затем обсуждается вопрос: “Какая из планет Солнечной системы по гравитационным параметрам более близка к Земле?”

Вывод: Венера.

Но, на Венере несколько другой состав атмосферы, чем на Земле. (Выдержки из учебника “Астрономия” по планете Венера).

Заключение. Гравитационные силы существуют всегда, действуют на все физические тела, обладающие массой (живые и неживые) играют огромную роль в формировании космических объектов, влияют на организм человека и животных.

Домашнее задание: повторить § 46-47.

Литература

1. С.В. Громов, Н.А. Родина - Учебник Физика – 9 кл.
2. С.А.Чандаева Физика и человек. – М., Ю Аспект пресс, 1994.
3. Е.П.Левитан Астрономия, учебник для 11 класса – М., Просвещение, 1994.