Урок физики по теме "Движение под действием сил тяготения". 10-й класс

Цели урока: Изучение особенностей движения под действием сил тяготения, знакомство с историей изучения свободного падения, способов вычисления первой космической скорости, знакомство с закономерностями свободного падения и движения  искусственных спутников Земли. Развитие навыка выполнять фронтальный эксперимент, Развитие умения решать качественные задачи. Развитие физического мышления, умения решать проблемные ситуации  и способности анализировать их на основе опытных фактов. Привитие интереса  к предмету через знакомство с историей открытий в области физики.

Тип: комбинированный урок

Метод: проблемное обучение.

Оборудование для фронтального эксперимента №1,2: кружки из картона диаметром  2,5 см, монеты достоинством «5» рублей,

Оборудование для фронтального эксперимента №3: штативы с муфтой и шариком на нити.

Демонстрации:
- трубка Ньютона.

Ход урока:

Организационный момент.
Ребята! Сегодняшний урок я хочу начать с замечательных строк Федора Ивановича Тютчева «Не то что мните вы природа, не слепок, не бездушный лик, в ней есть душа, в ней есть свобода, в ней есть любовь, в ней есть язык». Действительно, наша природа таит в себе бесчисленное количество загадок, и раскрыть хотя бы некоторые из них – задача настоящего исследователя. Сегодня мы продолжим знакомство с удивительными особенностями гравитационного взаимодействия. Сегодня каждый из вас  продолжит открытие   новых тайн и загадок  всемирного тяготения, и мы вместе попробуем в них разобраться.

           Но вначале проверим, как вы поняли материал прошлого урока – проведем физический диктант. У вас на столах лежат карточки. Вам нужно закончить  предложения:

1. Сила всемирного тяготения прямо пропорциональна                                                                  
2. Сила всемирного тяготения обратно пропорциональна                                                               
3. При увеличения расстояния между телами в 4 раза сила тяготения между ними                     
4. При уменьшении массы каждого из тел в 3 раза сила всемирного тяготения                           
5. Гравитационная постоянная численно равна силе тяготения между                                          
6. Закон всемирного тяготения справедлив для следующих тел:                                                    

Новый материал
Ребята! Тема сегодняшнего урока "Движение под действием сил тяготения"
1. Движение тел вблизи поверхности Земли.
Тяготение властвует во Вселенной! Тяготение - универсальное взаимодействие, охватывающее всю доступную наблюдению Вселенную, организующее астрономические тела в системы, подобные нашей Солнечной системе или Млечному Пути, и лежащее в основе структуры самой Вселенной (слайд №1). И в первую очередь мы ощущаем на себе земное тяготение.(слайд №2). Как вы думаете, как будут двигаются тела с разной массой под действием земного тяготения? Например, если опустить с одной и той же высоты одновременно монету и такой же кружок из бумаги, одновременно ли они упадут на пол (фронтальный эксперимент №1)?
Учащихся выдвигают гипотезы.
Давайте проверим эти гипотезы вместе. Учащиеся выполняют фронтальный эксперимент №1, а затем вместе с учителем обсуждают его результаты:
- мы увидели, что в воздухе монета падает быстрее, чем кружок бумаги.
Как изменится результат эксперимента, если бумажный кружок положить на монету и отпустить (фронтальный эксперимент №2) ?
Учащихся выдвигают гипотезы, выполняют фронтальный эксперимент №2 и обсуждают его результаты:
- если положить кружок на монету, то они будут падать как единое целое и окажутся на полу одновременно.
Ребята! Почему изменился результат в эксперименте №2  по сравнению с №1?
Учащихся выдвигают гипотезы.
Давайте подведем итоги эксперимента:
- воздух оказывает большее сопротивление (по сравнению с силой тяжести) падающему кружку бумаги. Если же кружок положить на монету, то сопротивление воздуха  будет одинаково и у кружка и у монеты. Значит все дело в сопротивлении воздуха.(слайд№3)
Что же будет, если убрать воздух?
Учащиеся выдвигают гипотезы.
Ребята! Так же, как и вы над этим вопросом думали и древнегреческие философы. Об этом мы узнали из знаменитой поэмы Лукреция Кара «О природе вещей», отразившей их представления о мире:
«Все то, что падает в воздухе редком, падать быстрее должно в соответствии с собственным весом  лишь потому, что вода или воздуха тонкая сущность не в состоянии вещам одинаковых ставить препятствий, но уступает скорее имеющим большую тяжесть.
Наоборот,  никогда никакую нигде не способна вещь задержать  пустота и явиться какой-то опорой, в силу природы своей постоянно всему уступая.
Должно поэтому все, проносясь в пустоте без препятствий, равную скорость иметь, несмотря на различия в весе».
Из текста видно, что древнегреческие философы  предлагали исключить влияние воздуха и выдвигали гениальную гипотезу о том, в отсутствие воздуха все тела  будут находиться в одинаковых условиях, и приобретут в конце падения одинаковую скорость! К этой идее вернулся  Галилео Галилей спустя более чем 2000 лет! (слайд 4).
Я «приглашаю» сюда сейчас этого знаменитого ученого, чтобы он рассказал  нам о своих исследованиях.
Учащийся (в костюме Галилео Галилея): «Приветствую Вас, о юные отроки, молодые представители рода человеческого! Я, Галилео Галилей, родился в Италии в городе Пиза в 1564 году. Мой отец был талантливым музыкантом и дал мне очень хорошее домашнее образование. В 17 лет я поступил в Пизанский университет, где изучал медицину, но познакомившись с сочинениями Архимеда, Эвклида и Аристотеля, я увлекся геометрией и механикой. Затем я покинул Пизу и 4 года изучал математику во Флоренции и в Падуе. Здесь я и сделал свои гениальные открытия: принцип относительности, изохронность колебаний маятника, здесь же я изготовил телескоп и с помощью него сделал сенсационные астрономические открытия – первым из людей разглядел рельеф Луны, спутники Юпитера, структуру Млечного пути, фазы Венеры и солнечные пятна. Здесь же я изучал законы механического движения. Я первым из всех ученых ввел понятия равномерного и равноускоренного движения и начал изучать  движение путем измерения расстояний и промежутков времени. А ведь это было нелегко – в мое время не существовало обычных часов и мне пришлось изобрести специальные водяные часы. Особенно меня интересовало падение тел. Я установил, что все тела падают под действием притяжения Земли равноускоренно.
Благодаря своим  опытам я первым из людей осмелился возразить Аристотелю, который утверждал, что более тяжелые тела достигают земли быстрее. Я понял, что все дело в разном сопротивлении, которое оказывает воздух этим телам. Я забирался на Пизанскую башню (слайд №5) и бросал одновременно полуфунтовые и стофунтовые шары(благодаря обтекаемой форме воздух оказывает примерно одинаковое сопротивление этим телам). Я обнаружил, что более тяжелые шары опережают легкие всего на несколько дюймов. А если бы воздуха и вовсе не было? Тогда бы все тела двигались  с одинаковым ускорением и приобретали  в конце падения  одну и ту же скорость. Проверить свою гениальную догадку я так и не смог до конца жизни, но попробовал измерить это ускорение: по моим расчетам с высоты 60 метров шары падали в течении 5 секунд, следовательно ускорение составило 4,9м/с². Конечно, я допустил большую ошибку, но произошло это по причине того, что пользовался я не секундомером, а собственным пульсом или своими водяными часами. В 1656 году Христиан Гюйгенс  с помощью маятниковых часов уже более точно измерил ускорение свободного падения, оно составило 9,8 м/с².»(слайд№6)
Но истинность любой гипотезы нуждается в проверке  на опыте, проверку осуществил  Исаак Ньютон с помощью устройства, изобретенного им - трубки Ньютона (слайд №7)
Демонстрационный эксперимент №1.
Ребята! С помощью трубки Ньютона мы с вами наблюдаем свободное падение - движение тела в вакууме под действием  силы тяжести, которая сообщает всем телам, независимо от массы, одинаковое ускорение.
Ребята! Как вы думаете во всех ли точках земной поверхности одинаково ускорение свободного падения?  Учащиеся выдвигают предположения.
Давайте запишем в тетрадь выводы:
1) g зависит от высоты над Землей.
На небольших высотах, когда расстояние до тела можно считать равным радиусу Земли, g можно найти по формуле:
На высоте h над Землей g можно найти по формуле:
Мы видим из формулы, что по мере увеличения  высоты над Землей, ускорение свободного падения уменьшается.
Вопрос: Во сколько раз уменьшится ускорение свободного падения на высоте 3600км?(слайд №8)
Обсуждение ответа
2) g зависит от небесного тела. Например, на Луне ускорение свободного падения в 6 раз меньше и составляет 1,6 м/с².
3) g зависит от широты места на земной поверхности: вследствие  своего суточного вращения вокруг оси земной шар слегка "приплюснут" у полюсов и поэтому экваториальный радиус немного больше, чем полярный радиус Земли. Поэтому g на экваторе имеет несколько меньшее значение - 9,78 м/с, а g на полюсах равно 9,83м/с.
Вопрос: Следует ли учитывать, в каком месте на Земле проводить соревнования по прыжкам в высоту?
Обсуждение ответа.

2. Движение искусственных спутников Земли.
Тяготение властвует в космическом пространстве, заставляя вращаться звездные системы вокруг центра Галактики, планеты вокруг своих звезд и  спутники вокруг своих планет. (слайд №9)
Ребята! Что было бы, если бы не было всемирного тяготения?
 Учащиеся предлагают варианты ответов.

Вот как рассуждал по этому поводу Константин Эдуардович Циолковский, великий ученый, основоположник космонавтики, в своей книге «Грезы о Земле и небе»
«Что было бы с Землей, если бы Солнце перестало простирать не нее свою притягивающую руку. Тяготение удерживает планеты близ Солнца и спутники близ их планет и не позволяет им удаляться в бесконечное и холодное пространство. (слайд №10)
Если бы Солнце как веревкой, не удерживало Землю, то не прошло бы и года, как все живое и незащищенное бы на ней погибло. Солнце превратилось бы в очень яркую звезду, сила света и тепла которой была бы в 37 раз меньше, чем теперешнего Солнца. Через 2-3 года температура атмосферы и наружных частей планеты немногим бы отличалось от температуры небесного пространства (градусов на 200 ниже нуля); затем бы исчез и свет – последнее утешение – напоминающий игривое электрическое солнце, осталась бы леденящая ночь с прекрасным, но печальным небом. Океаны бы замерзли, а воздух сгустился бы в жидкость и уничтожил бы человека, греющегося в норах у последнего очага. Все разбрелось бы в разные стороны, планетная система не существовала бы… Вот какую роль играет тяготение».
Ребята! А как вы думаете, почему же Луна, притягиваясь к Земле,  не падает на Землю, почему Земля не падает на Солнце, почему же спутники  под действием тяготения не падают на Землю? И вообще, что нужно сделать, чтобы тело не падало на Землю, а вращалось вокруг нее?
Давайте проведем эксперимент: у вас на столах стоит штатив и к нему подвешен шарик на нити. Что произойдет, если толкнуть шарик? А если еще сильней толкнуть? Почему он останавливается?
Учащиеся выполняют фронтальный эксперимент №3 и обсуждают его результаты с учителем.
А как будет двигаться шарик, если убрать все мешающие факторы - трение, сопротивление воздуха и толкнуть с еще большей силой?
Учащиеся продолжают выполнять фронтальный эксперимент №3 и обсуждают его результаты.
Какой вывод можно сделать из данного эксперимента?
Действительно, если сообщить шарику большую скорость, то он сделает оборот, т.е. будет двигаться по круговой траектории !
В трудах  И.Ньютона был обнаружен удивительный рисунок (слайд №11), а рядом с ним пояснение: «Брошенный камень под действием силы тяжести отклоняется от прямолинейного пути и падает на Землю. Если же его бросить с большей скоростью, то он упадет дальше». Гениальная догадка! И.Ньютон (слайд №12) в результате рассуждений приходит к выводу, что можно сообщить телу такую   скорость, которая позволит ему двигаться вокруг Земли,  оставаясь на одной высоте и не падая на Землю. Хочется вспомнить слова Гете "Блажен, кто явственно узрел хотя бы скорлупу природы"!
Три столетия догадка оставалась только догадкой, и лишь в 20 веке удалось  создать первые искусственные спутники Земли.
Искусственный спутник - это тело, двигающееся по круговой орбите вокруг Земли с первой космической скоростью. Первая космическая скорость - это скорость, необходимая для обращения спутника по круговой орбите вокруг Земли или другого космического объекта.
(слайд №13)
Выведем формулу для расчета первой космической скорости:

Мы знаем, что если тело движется по круговой орбите радиусом R, то на тело действует одна сила - центростремительная, которая сообщает телу центростремительное ускорение . В данном случае это ускорение сообщает сила тяжести Земли, следовательно, центростремительное ускорение равно ускорению свободного падения:. (слайд№14)
Отсюда можно рассчитать первую космическую скорость на небольших высотах, она будет равна 7,9 км/с. Первую космическую скорость можно также рассчитать, используя формулу: . Если R - радиус орбиты, а G - гравитационная постоянная, то . По мере увеличения расстояния от Земли первая космическая скорость уменьшается, т.к в этом случае  к радиусу Земли добавляется высота над Землей: , где g на высоте h равно:
, тогда V можно рассчитать по формуле: . Так, на высоте 300 км космическому аппарату для этого достаточно иметь скорость на 45 м/сек меньшую, чем  над Землей.(слайд№15)
Вторая космическая скорость - минимальная скорость, которую должно иметь свободно движущееся тело на расстоянии R от центра Земли или другого космического тела, чтобы, преодолев силу гравитационного притяжения, навсегда покинуть его. Для Земли вторая космическая  скорость v =11.2 км/с.(слайд№16)
Кроме этих общепринятых скоростей существуют еще две редко употребляемые  величины: 3-я и 4-ая космические скорости - это скорости ухода, соответственно, из Солнечной системы и Галактики. (слайд №17) Их точные значения нельзя определить по ряду причин. Приблизительно 3-ю космическую скорость обычно принимают равной 42 км/с. Весьма неопределенным является и значение 4-й космической скорости, необходимой для межзвездных и межгалактических путешествий. Солнце обращается вокруг центра Галактики со скоростью около 220 км/с. Поэтому для путешествия к центру нашей звездной системы эту скорость нужно погасить. А чтобы отправиться к периферии Галактики или выйти за ее пределы, необходимо к орбитальной скорости Солнца добавить еще 250-300 км/с (точное значение не известно, поскольку нет точных данных о распределении вещества в Галактике) .

            Сообщения учащихся:
           1-й учащийся: единственным транспортным средством, способным сообщить аппарату первую космическую скорость и вывести его на орбиту в космос является на сегодняшний день ракета. Идейным творцом первой космической ракеты является великий русский ученый К.Э.Циолковский – создатель теории реактивного движения. (слайд №18). Ракету для межпланетных сообщений он спроектировал еще в 1903г., когда он опубликовал статью «Исследование мировых пространств реактивными приборами», где впервые доказал, что аппаратом, способным совершить космический полет, является ракета и разработал некоторые идеи теории ракет и использования жидкостного ракетного двигателя. В 1926 году К.Э.Циолковский для достижения первой космической скорости предложил применить двухступенчатую ракету, а в 1929 году в работе "Космические ракетные поезда" дал стройную математическую теорию многоступенчатой ракеты.(слайд №19) В 1934-1935 гг. в рукописи "Основы построения газовых машин, моторов и летательных аппаратов" предложил еще один способ достижения космических скоростей, получивший название "эскадры ракет". Особенно большое значение придавал ученый проблеме создания межпланетных станций. В решении этой задачи он видел возможность осуществления давней мечты о завоевании человеком околосолнечного пространства, создания в будущем "эфирных поселений". К.Э.Циолковский наметил грандиозный план завоевания мировых пространств, который в настоящее время успешно осуществляется.
2-й учащийся:    В 1957 году под руководством С.П. Королёва (слайд №20) была создана первая в мире межконтинентальная баллистическая ракета Р-7, которая в том же году была использована для запуска первого в мире искусственного спутника Земли. Запуск первого ИСЗ, ставшего первым искусственным небесным телом, созданным человеком, был осуществлен в СССР 4 октября 1957г. (слайд№21). С помощью этого ИСЗ впервые была измерена плотность верхней атмосферы (по изменениям его орбиты), исследованы особенности распространения радиосигналов в ионосфере, проверены теоретические расчёты и основные технические решения, связанные с выведением ИСЗ на орбиту. Первый советский ИСЗ находился в момент выхода на орбиту на высоте около 228 км над поверхностью Земли и имел почти горизонтальную скорость около 7,97 км/сек. Спутник существовал до 4 января 1958, когда он, вследствие возмущений его орбиты, вошёл в плотные слои атмосферы. В настоящее время более двух тысяч космических летательных аппаратов выведены на орбиты вокруг Земли и используются  для решения научных и прикладных задач.

Закрепление
Итак, ребята, наш урок подходит к концу. Давайте проверим, кто из вас усвоил материал урока. Сделаем мы это с помощью игры "Физическое лото". У каждого из вас на столе лежат  специальные карточки. Подпишите их. Ваша задача - слушать внимательно вопрос и, найдя правильный ответ на карточке, зачеркнуть его. Победителем будет тот, кто быстрее  всех зачеркнет одну строку с правильными ответами.
Вопросы для «физического лото»:

1. Как изменяется первая космическая скорость при увеличении радиуса орбиты спутника?
2. Какая сила удерживает искусственный спутник Земли на орбите?
3. Из ружья произведен выстрел. Что раньше упадет на Землю: гильза или пуля, если считать, что они вылетели одновременно в горизонтальном направлении (воздух не учитывать)?
4. Можно ли считать движение искусственных спутников свободным падением?
5. Какую скорость нужно сообщить телу, чтобы оно стало искусственным спутником Земли?
6. На какой высоте над Землей первая космическая скорость  становиться меньше в 2 раза, чем у поверхности Земли?
7. Зависит ли сила тяжести от географической  широты местности?
8. Чему равно ускорение свободного падения при подъеме на высоту, равную радиусу Земли?

Карточки для лото:

Домашнее задание.
Параграф 12, ответить на вопросы, в сборнике задач (авторы Л.Э.Генденштейн, Л.А.Кирик, И.М.Гельфгат, И.Ю.Ненашев) - №№6.22,6.26,6.29.
Ребята! Сегодня мы с Вами хорошо потрудились. Спасибо всем за работу! Каждый из вас был исследователем и приобрел новые знания в ходе урока. Оставайтесь всегда не только исследователями, но и мечтателями, такими как К.Э.Циолковский. Хочется закончить урок замечательными словами 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 околоземное пространство!"

Приложение