Цели урока: повторить понятие веса тела, установить, как изменяется вес тела при движении его с ускорением, рассмотреть, в чем состоит причина невесомости и перегрузок.
Оборудование: два бруска, металлическая планка, груз, штатив, пружина, динамометр, фильм "Невесомость", пружинные весы, диафильм "Явление тяготения".
План урока.
I. Мотивация.
Ребята, наш сегодняшний урок я хочу начать со слов К.Э.Циолковского: "Человечество не останется вечно на Земле, но в погоне за светом и пространством, сначала робко проникнет за пределы атмосферы, а затем завоюет себе все околосолнечное пространство".
На сегодняшний день люди сумели проникнуть за пределы атмосферы, но еще пока не завоевали все околосолнечное пространство. Какие были трудности и сложности в самом начале этого тернистого пути? Да и вообще нужно ли было человечеству осваивать космос? На эти вопросы нам предстоит ответить на уроке.
Итак, тема нашего урока: "Вес тела. Невесомость. Перегрузки".
II. Ход урока.
"Как это удивительно – обнаружить, что все явления природы управляются небольшим числом сил!" (М.Фарадей).
В механике выделяют силы тяготения, упругости, трения.
А что такое вес тела?
(Диалог учащихся).
Ученик I.
В обиходе часто вес путают с массой, силой тяжести: "Сколько весит ведро воды?" или "Взвесьте 0,5 кг конфет". Чтобы в дальнейшем избежать путаницы, дадим определение понятия "вес тела": сила, с которой тело, вследствие его притяжения к Земле действует на опору или подвес. Обратим внимание: вес действует на опору или подвес, а не на тело.
Ученик II.
Возникает неожиданный вопрос: а почему, собственно, тела действуют на опоры и подвесы?
Ученик I.
Действует: это знают все, кто носил тяжелые сумки и чемоданы, кому рюкзак натирал плечи в походе.
Ученик II.
Так почему же тела давят на опору?
Ученик I.
Обычный ответ: "Потому что тело притягивается к Земле". Согласны все?
Ученик II.
Возражаю: действительно, тело притягивается к Земле с силой тяжести F = mg, но ведь это взаимодействие тела и Земли, при чем здесь опора?
Ученик I.
Другой аргумент: если бы не было опоры, то тело падало бы, а опора этому препятствует силой упругости, возникающей при её деформации.
Ученик II.
Тоже верно, но это объясняет только действие опоры на тело, а не тела на опору, и вопрос остался открытым.
Ученик I.
Вспомним третий закон Ньютона: "Если опора действует на тело, то и тело должно действовать на опору с такой же по значению силой". Действие и противодействие — силы одной природы. Реакция опоры N есть сила упругости, значит, и вес тела возникает при деформации тела. Не только тело, падая, деформирует опору или подвес, но и опора деформирует тело. Да-да, все тела, стоящие сейчас на столе перед вами, слегка сжаты, настолько мало, что никто на это не обращает никакого внимания. И лично вы, встав с постели на пол ногами и деформируя пол, сами деформируетесь (сжимаетесь) на 2—3см.
Учитель.
И действительно, деформацию тела пронаблюдать трудно, а вот деформацию опоры и подвеса — пожалуйста.
Опыт:
1) Два бруска, металлическая планка, груз.
Под действием силы тяжести некоторое время груз будет двигаться вниз, прогибая доску, а затем, остановится, при этом возникает сила, с которой опора действует на тело. Деформируется не только опора, но и тело притягивается Землей.
2) Штатив, пружина, груз.
Пружина окажется деформированной, появится сила упругости пружины, но возникнет ещё одна сила — сила упругости деформированного тела.
Когда тело находится в покое или движется прямолинейно и равномерно относительно инерциальной системы отсчета, то вес тела по модулю равен силе тяжести.
Ребята, я сейчас возьму пружинные весы. Рука покоится относительно Земли, весы покажут, что вес тела по модулю равен силе тяжести. Теперь весы выпустим из рук, и они вместе с грузом свободно падают. В этом случае стрелка весов установится на нуле. Вес исчез: груз, как говорят, стал невесомым. В чем состоит причина невесомости?
Ученик.
Невесомость объясняется тем, что сила всемирного тяготения, а значит и сила тяжести, сообщают всем телам одинаковое ускорение g. Поэтому всякое тело, на которое действует только сила тяжести или вообще сила всемирного тяготения, находится в состоянии невесомости. Но надо помнить, что если в нашем опыте стрелка весов стоит на нуле, то это не значит, что исчезла сила тяжести. Исчез вес, т.е. сила, с которой груз действует на подвес. Сила тяжести остается – она причина свободного падения.
Учитель.
А теперь представим, что вы купили молоко, и оно вытекает.
Тестовая задача №1. (см. Приложение)
Испытывает ли человек состояние невесомости?
Ученик.
Кратковременное состояние невесомости испытывал каждый. В таком состоянии находится прыгун с момента отрыва от Земли и до момента приземления; пловец, прыгающий с вышки, до соприкосновения с водой. Даже бегун в короткие промежутки времени между касаниями ногой земли. Длительное состояние невесомости возникает при свободном полете космического корабля.
Учитель.
Перед вами приборы: часы, песочные часы, весы, спиртовка. Какой из этих приборов сможет использовать космонавт по назначению во время космического полета?
(Фрагмент фильма "Невесомость").
А все-таки невесомость – друг или враг? (Выслушиваю ответы учащихся).
Вывод: невесомость далеко не безобидна для человеческого организма, но для науки она открывает новые возможности. Можно, например, смешивать жидкости, которые на Земле невозможно перемешать; получать в 50—100 раз быстрее и в 10—20 раз чище, чем на Земле, вещества, необходимые для изготовления лекарств и полупроводников, и многое другое…
Нужно подчеркнуть, что люди упорны в своих исследованиях.
А теперь рассмотрим случай, когда тело с пружинными весами движется относительно Земли с ускорением, но не совершает свободное падение.
Опыт: не выпуская весы из рук, просто резко опустим их вниз, сообщив им и грузу некоторое ускорение а, направленное вниз. Что вы пронаблюдали?
Ученик.
Если тело вместе с опорой или подвесом движется с ускорением, которое направлено так же, как и ускорение свободного падения, то его вес меньше веса покоящегося тела.
P = m (g – a)
Тестовая задача №2 (устно) (см. Приложение).
Тестовая задача №3 (письменно) (см. Приложение).
| Дано: V = 72 км/ч R = 500 м m = 500 кг |
СИ: a = 20 м/с |
Решение:
|
| Найти: P |
Уравнение, выражающее второй закон Ньютона в векторной форме, имеет вид:
mg + N = ma
Направим координатную ось Y вертикально вниз и напишем это уравнение для проекций векторов на эту ось:
mgy + Ny = may
Ясно, что gy = g, Ny = –N, ay = a = v2 : R
mg – N = mv2 : R
Вес автомобиля Р по третьему закону Ньютона по модулю равен N.
mg – P = mv2 : R
P = mg – mv2 : R P = m ( g – v2 : R )
P= 500 кг (10 м/с2 – 400 м2/с2 : 500 м ) = 4600 Н
(Ответ: Р = 4600 Н )
Опыт:
Если весы с подвешенным к ним грузом резко поднять вверх, сообщим им ускорение а, направленное вверх. Ребята, что вы пронаблюдали в этом случае?
Ученик.
Если тело движется с ускорением, направленным противоположно ускорению свободного падения, то его вес больше веса покоящегося тела.
P = m ( g + a)
Тестовая задача №4 (см. Приложение).
| Дано: m = 40 кг L = R = 4 м v = 6м/с |
СИ: | Решение:
|
| Найти: F |
Запишем уравнение второго закона Ньютона в векторной форме:
F + Fт = ma
где F – сила упругости опоры.
Направим координатную ось Y вверх и найдем проекции сил:
P = F
(по модулю вес тела равен силе упругости опоры)
F – mg = ma
F = ma + mg = m ( a + g )
a = v2 : R
F = m ( v2 : R + g )
F = 40 кг ( 36 м2 / с2 : 4 м + 10 м/с2 ) = 760 Н
(Ответ: F = 760 Н )
Увеличение веса тела, вызванное его ускоренным движением, называется перегрузкой.
Перегрузки испытывают космонавты, когда ракета устремляется ввысь.
(Фрагмент фильма).
Вычислим, какую перегрузку испытывают летчики – космонавты.
Задача №216 из "Сборника задач по физике" Рымкевича( см. Приложение).
| Дано: a= 20 м/с m= 80 кг |
СИ: | Решение: k – перегрузка, которую испытывает летчик. k = P : P0 P0 – нормальный вес. P0 = mg P – вес летчика в кабине космической ракеты. P = m ( g + a ) P = 80 кг ( 10 м/с2 + 20 м/с2 ) = 2400 Н P0 = 80 кг · 10 м/с2 = 800 Н k = 2400 Н : 800 Н = 3 Ответ: P = 2400 Н, k = 3. |
| Найти: P, K |
Ребята, перегрузки влияют на организм человека, так как увеличивают свой вес внутренние органы летчика, увеличивается сила, с которой они действуют друг на друга и на самолет или кабину космического корабля. Это вызывает болезненные ощущения, и поэтому пилотам нужны тренировки, чтобы выдержать их. Невесомость и перегрузки – эти сложности были преодолены людьми при освоении дороги в космос. А зачем человеку осваивать космос?
(Выступление учащихся с их рефератами по теме: "Зачем человеку осваивать космос?").
III. Подведение итогов.
"Как известно, знание – сила; вряд ли человек, не имеющий никакого багажа знаний, сможет открыть что-то новое для человечества, да и не только для человечества, а просто для себя".
На наших уроках физики мы еще будем говорить, как законы физики помогали людям создавать летательные аппараты и о том, как человек изучает космическое пространство.
(Звучит произведение "Время вперед" Г. Свиридова).
А пока время неумолимо движется вперед, и вы знаете, что первый в мире космонавт Ю.А. Гагарин, первый в мире выход в открытый космос совершен А.А.Леоновым, и многое другое в деле практического освоения космоса принадлежит нашим соотечественникам.
И кто знает, может быть именно вы внесете свою лепту в "завоевание", по выражению К.Э.Циолковского, "околосолнечного пространства".
М.В.Ломоносов
О вы, которых ожидает
Отечество от недр своих
И видеть таковых желает.
Каких зовет он стран чужих,
О, ваши дни благословенны
Раченьем вашим показать
Что может собственных Платонов
И быстрых разумом Невтонов
Российская земля рождать.
IV. Выставление оценок.
V. Домашнее задание.
Упр.14 № 1—3.
Литература:
- Диканева О.Т. "Воспитай творца" — Москва, "Просвещение", 1993.
- Юфанова И.Л. "Занимательные вечере по физике в средней школе" — Москва, "Просвещение", 1990.
- Кикоин И.К., Кикоин А.К. "Физика – 9" — Москва, "Просвещение",1990.
- Балашов М.М. "Физика – 9" — Москва, "Просвещение", 1994.
- Рымкевич А.П. "Сборник задач по физике" — Москва, "Просвещение", 1988.