На что направлена сила тяжести. Сила тяготения
Цели урока:
Объяснить учащимся смысл понятия силы тяжести, веса тела, состояния невесомости, научить изображать эти силы с помощью векторов;
Развить интеллект и речь учащихся, навыки самостоятельной и аналитической работы, практические умения и навыки при работе с приборами;
Воспитать интерес к изучению предмета и чтению научно-популярной литературы.
Задачи урока:
Актуализировать знания учащихся изученной по теме;
Организовать коллективную работу учащихся от постановки учебной задачи до конечного результата;
Обобщить и систематизировать материал по теме;
Организовать самоконтроль учащихся на уроке.
Ход урока
1. Оргмомент. Объяснение целей и задач урока. Оформление тетрадей учащихся.
2. Актуализация опорных знаний учащихся.
На прошлых уроках вы говорили о таком понятии как сила и познакомились с некоторыми видами сил. Давайте вспомним эти понятия.
- Что происходит с телами при их взаимодействии?
- Что называют силой?
- Какой величиной скалярной или векторной является сила?
- В системе СИ сила измеряется?
- Каким прибором измеряется сила?
На доске прикреплены кирпичики с названиями видов, изученных вами сил, на обратной стороне записан план характеристики силы.
План характеристики физической величины:
Определение физической величины;
Какой буквой обозначается и в чем измеряется;
Формула для нахождения.
3. Мотивация учебной деятельности учащихся.
Каждый урок для вас – это новые знания и радость победы над неизвестным.
Есть такая легенда о греческом философе, который гулял в саду и разговаривал со своим учеником.
Скажи мне, - спросил ученик, - почему тебя часто одолевают сомнения? Ты прожил долгую жизнь, у тебя богатый опыт. Так почему же для тебя осталось много неизвестного и вопросов без ответа?
Подумав, философ нарисовал на земле два шара: большой и маленький.
Твои знания – это маленький шар, а мои – большой. Чем больше шар, тем больше он касается неизвестного. Чем шире круг твоих знаний, тем больше его граница с тем, чего ты не знаешь. И дальше: чем больше ты будешь узнавать, тем больше будет возникать вопросов.
Сегодня мы попробуем расширить круг ваших знаний, чтобы в ваших головах рождались новые вопросы и появлялось желание находить на них ответы.
И поговорим о частном случае проявления всемирного тяготения - силе тяжести.
Тема нашего урока: “Сила тяжести. Вес”.
4. Изучение нового материала.
С гор текут реки, мяч падает на землю, с деревьев падают плоды. Как бы мы не прыгали вверх все равно опускаемся вниз.
Вопрос. Почему все тела падают на Землю?
4.1. Определение силы тяжести – сила тяжести - это сила, с которой Земля притягивает к себе тела.
Вопрос. От чего зависит сила тяжести?
Динамометр, комплект грузов на 4 человека и лист с ходом работы.
Задание 1. Определить цену деления, пределы и погрешность измерения.
Задание 2. Измерить силу тяжести, действующую на тела массой 0,1 кг, 0,2 кг, 0,3 кг.
Задание 3. Заполните таблицу:
| m, кг | 0 | 0,1 | 0,2 | 0,3 |
| F, Н |
Задание 4. Проанализировав табличные данные, ответьте на вопросы:
1. Что происходит с силой тяжести по мере увеличения массы тела?
2. При увеличении массы груза в 2 раза, сила тяжести увеличилась в … раза?
3. При уменьшении массы груза в 3 раза, сила тяжести …. в … раза?
4. Как называется такая зависимость в математике?
Вывод: между силой тяжести, действующей на тело, и массой тела существует прямо пропорциональная зависимость,т.е. чем больше масса тела, тем больше сила тяжести.
4.2. Построим график зависимости силы тяжести от массы тела.
Вопрос: что представляет собой это график?
4.3. Найдем отношение
1/0,1=2/0,2= 3/0,3=10 Н/кг.
g = 10 Н/кг – коэффициент пропорциональности.
Это приблизительное значение, связанное с погрешностью измерений. Более точное значение g = 9,8 Н/кг – это ускорение свободного падения. Точные измерения в разных точках земного шара показали, что значение постоянной g зависит от географической широты местности.
На полюсе – 9,832 Н/кг
На экваторе – 9,78 Н/кг.
4.4. Формула для нахождения силы тяжести F т = mg
4.5. Сила тяжести - это векторная величина, значит, она имеет направление и точку приложения.
Вопрос: куда направлена и к чему приложена сила тяжести?
Сила тяжести направлена вниз к центру Земли.
Центр тяжести – точка приложения силы тяжести, действующей на тело.
В поле силы земного притяжения центр тяжести совпадает с центром масс. В случае однородного твердого тела, обладающего центром симметрии, центр масс совпадает с центром симметрии.
4.6. Если тело находится на опоре или подвесе, то благодаря действию силы тяжести, оно давит на опору или растягивает подвес с силой, которая называется вес тела.
4.7. Определение веса.
Силу, с которой тело вследствие притяжения к Земле, действует на горизонтальную опору или вертикальный подвес, называют весом тела.
P – вес, P = mg, (P) = 1Н.
4.8. Изображение веса.
Вопрос: чем сила тяжести отличается от веса тела?
4.9. Тело висит на нити, нить растянута. Сила, с которой груз растягивает нить – вес. Обрежем нить. Во время падения тело не растягивает нить, зн. у него нет веса, т.е. P = 0.
4.10. Определение невесомости.
Невесомость – это состояние, при котором вес тела равен нулю.
4.11. Все мы имеют свой вес. Давайте попробуем перенести свой вес:
Весь вес приложен к стулу;
Вес приложен частично к стулу и полу;
Весь вес приложен к полу.
Вы ощутили свой вес и попробовали его переносить. А доводилось ли вам терять свой вес, т.е. находиться в состоянии невесомости?
Кто быстро ехал по выпуклому мосту и его подбрасывало на сидении?
Кто прыгал в высоту и длину, ощущая состояние полета?
Кто попадал в воздушные ямы, находясь в самолете?
В состоянии частичной невесомости находились все!
4.12. Плюсы состояния невесомости для человека очень ярко описаны в рассказе Циолковского “Вне Земли”:
Легко и просто проводить разнообразные работы. Все части сооружений одинаково доступны. Не нужно никаких лестниц. Кранов, блоков, домкратов;
Сила нужна, но она может быть малой; нужно только больше времени;
Нет обвалов, падений, разрушений. Где бы вы ни были, вы никуда не можете упасть и разбиться;
Ни один предмет не может оторваться и свалиться на вас
Не может двигаться лавина, не обваливаются горы, люди не падают в трещины, не тонут в колодцах, не падают никакие сооружения, какими старыми они бы не были.
4.13. Но невесомость приносит и определенные неудобства. Представьте себе, что вы проснулись утром на борту космического корабля и хотите умыться, позавтракать и перемещаться по кабине.
Задание. Предложите способ, как умыться, поесть, попить и ходить в состоянии невесомости. 4 человека.
1. Как умыться в состоянии невесомости?
Сначала отсутствие тяготения создавало много неудобств. Умыться можно было только с помощью …. . Вода, оставленная в незакрытой посуде, выливалась через край и растекалась вокруг. Ее капли собирались в радужные шарики, которые плавно перемещались в воздухе, как мыльные пузыри. Встреча с ними не предвещала ничего хорошего: вода мгновенно впитывалась одеждой.
Г. Бовин “Дети Земли”
2. Как пить в состоянии невесомости?
Елена Николаевна принесла ….. – вода в этом мире без тяготения сама не выливается из стакана, ее нужно только выталкивать с помощью резиновой груши.
Ю Сафронов, С. Сафронов “Внуки наших внуков”
3. Как есть в состоянии невесомости?
Еду готовили с постоянным риском ожога, потому что этот процесс протекал в …. … ….Особенно трудно было есть: о тарелках можно было забыть. Жидкую пищу …. из широких стаканов через резиновые … . Твердую пищу прикрывали …., чтобы она не разлеталась.
Г. Бовин “Дети Земли”
4. Как сберечь равновесие в состоянии невесомости?
Главное неудобство заключалось в том, что нужно было постоянно … …. к сидениям. Как только вы забывали это сделать, то сразу плавно поднимались вверх и беспомощно барахтались в воздухе до тех пор, пока вас не прибьёт к стене или к потолку. Такая же участь ждала и все незакрепленные предметы.
Г. Бовин “Дети Земли”
5. Закрепление ранее изученного.
Пока будущие покорители бескрайних просторов Вселенной думают, как справиться с неудобствами, мы попытаемся применить полученные знания для выполнения следующих задания.
Найти силу тяжести, действующую на медный брусок, размеры которого 10 см на 20 см на 30 см, если плотность меди 8900 кг/м?.
Найти силу, с которой ведро с водой объемом 10л давит на поверхность стола, если плотность воды 1000 кг/м?.
Проверка заданий о невесомости.
3. Выполнение теста.
Ответьте да или нет
1 вариант
1. Сила тяжести увеличивается с увеличением массы тела.
2. Сила тяжести зависит от места наблюдения.
3. Сила тяжести на Луне меньше, чем на Земле.
4. Сила тяжести уменьшается у тел, погруженных в воду.
5. Сила тяжести не действует на плавающие тела.
6. Сила тяжести, действующая на тело массой 0,5 кг равна 0,5 Н?
2 вариант
1. Сила тяжести измеряется динамометром.
2. Сила тяжести действует на любое тело.
3. Сила тяжести всегда направлена вниз.
4. Сила тяжести на Земле везде одинакова.
5. Сила тяжести при движении тела вниз уменьшается.
6. Сила тяжести, действующая на тело массой 200 г равна 0,2 кг?
3 вариант
1. Сила тяжести уменьшается при удалении от Земли в космос.
2. Сила тяжести измеряется в килограммах.
3. Сила тяжести при движении тела вверх увеличивается.
4. Сила тяжести тела увеличится, если его сжать.
5. Сила тяжести не действует на воздушный шарик.
6. Сила тяжести, действующая на тело массой 100 г равна 1 Н?
6. Подведение итогов урока, выставление оценок учащимся.
На обратной стороне листа с тестом нарисованы лица, характеризующие состоянию человека. Выберите то изображение, которому соответствует ваше состояние после урока.
Все знают, что облака состоят из мелких капелек воды или кристалликов льда. Водяные капли в облаке имеют различный диаметр - от долей микрометра до нескольких миллиметров. Как бы ни была мала ледяная капля, она все же тяжелее воздуха. Поэтому возникает естественный вопрос: каким образом водяные капли (а вместе с тем и облако в целом) удерживаются в воздухе и не падают на землю? Одновременно возникает и другой вопрос: при каких условиях водяные капли перестают удерживаться в воздухе и падают на землю в виде дождя?
Начнем с наиболее мелких капелек, радиус которых составляет доли микрометра. Таким капелькам не дают падать вниз беспорядочные удары со стороны молекул воздуха, находящихся в хаотичном тепловом движении. Такое движение называют броуновским - по имени английского ботаника Р. Броуна, открывшего его в 1828 г. Удары молекул воздуха вынуждают капельку отскакивать в самых различных направлениях; в итоге она движется по причудливо изломанной траектории.
Чем тяжелее капля, тем труднее молекулам воздуха сдвинуть ее с места, и, следовательно, тем меньше роль броуновского движения. Но при этом возрастает влияние земного притяжения. Когда радиус капли становится больше микрометра, ее движение перестает быть броуновским. Капля начинает падать под действием силы тяжести, постепенно ускоряясь. И тогда начинает играть большую роль новый фактор, препятствующий падению капли вниз, - сопротивление воздушной среды. Одновременно с ускорением капли возникает и начинает расти действующая на каплю сила сопротивления воздуха. Она направлена противоположно силе тяжести и пропорциональна скорости капли.
По мере возрастания силы сопротивления скорость падающей капли нарастает все медленнее. Когда сила сопротивления воздуха выравнивается по модулю с силой тяжести, дальнейшее увеличение скорости капли прекращается, и далее капля падает равномерно. Такую равномерно движущуюся капельку может затормозить и даже подбросить вверх восходящий поток теплого воздуха. А земля, которую нагревает солнце, является постоянным источником таких восходящих воздушных потоков.
Кроме того, в процессе падения капля может просто-напросто испариться. Или раздробиться на более мелкие капельки.
Но капля может и, наоборот, укрупниться: слиться с другими или сконденсировать на своей поверхности дополнительный пар и тогда она все-таки упадет на землю. Так и выпадают осадки. В каком-то смысле можно даже сказать, что осадки (дождь или снег) - это падение облаков на землю, только на самом деле капельки дождя или снежинки слишком велики и тяжелы, чтобы они могли быть составляющими облаков.
Если во время дождя посмотреть на тучу со стороны,
то кажется, что она падает на землю.
Все тела Вселенной, как небесные, так и находящиеся на Земле, подвержены взаимному притяжению. Если же мы и не наблюдаем его между обычными предметами, окружающими нас в повседневной жизни (например, между книгами, тетрадями, мебелью и т.д.), то лишь потому, что оно в этих случаях слишком слабое.
Взаимодействие, свойственное всем телам Вселенной и проявляющееся в их взаимном притяжении друг к другу, называют гравитационным, а само явление всемирного тяготения - грави-тацией .
Гравитационное взаимодействие осуществляется посредством особого вида материи, называемого гравитационным полем. Такое поле существует вокруг любого тела, будь то планета, камень, человек или лист бумаги. При этом тело, создающее гравитационное поле, действует им на любое другое тело так, что у того появляется ускорение, всегда направленное к источнику поля. Появление такого ускорения и означает, что между телами возникает притяжение.
Особенностью гравитационного поля является его всепроникающая спо-собность. Защититься от него ничем нельзя, оно проникает сквозь любые материалы.
Гравитационные силы обусловлены взаимным притяжением тел и направлены вдоль линии, соединяющей взаимодействующии точки, поэтому называются центральными силами. Они зависят только от координат взаимодействующих точек и являются потенциальными силами.
В 1682 г. И.Ньютон открыл закон всемирного тяготения:
Все тела во Вселенной притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональ-ной квадрату расстояния между ними:
Коэффициент пропорциональности G называется гравитационной постоянной,
G = 6,67*10 -11 (Н*м 2)/кг 2 .
Скорость, которую необходимо сообщить телу у поверхности планеты, чтобы оно стало ее спутником, движущимся по круговой орбите, называется первая космическая скорость. Любое тело может стать искусственным спутником другого тела, если сообщить ему необходимую скорость.
где g – ускорение свободного падения на планете, R – радиус планеты. Для Земли первая космическая скорость составляет приблизительно 7,9 км/с.
Сила, с которой тела притягиваются к Земле вследствие гравитационного взаимодействия, назы-вается силой тяжести . Согласно закону всемирного тяготения
где g - ускорение свободного падения, R - рассто-яние от центра Земли до тела, М - масса Земли, т - масса тела.
Направлена сила тяжести вниз к центру Земли. В теле же она проходит через точку, которая называется центром тяжести .
Весом тела называют силу, с которой тело дей-ствует на опору или подвес вследствие притяжения к Земле. Вес тела Р, в отличие от силы тяжести, приложен не к данному телу, а к его опоре или под-весу.
Р =mg .
В случае свободного падения вес тела равен нулю (это состояние невесомости), поскольку само тело и его опора движутся с одинаковым ускорением g . Несмотря на то, что в состоянии невесомости вес тела равен нулю, на него продолжает действовать сила тяжести, которая не равна нулю. Невесомость – состояние, возникающее при движении опоры с ускорением свободного падения. Вес тела при невесомости равен нулю.
Абсолютно на все тела во Вселенной действует волшебная сила, каким-то образом притягивающая их к Земле (точнее к ее ядру). Никуда не сбежать, нигде не укрыться от всеобъемлющего магического тяготения: планеты нашей Солнечной системы притягиваются не только к огромному Солнцу, но и друг к другу, все предметы, молекулы и мельчайшие атомы также взаимно притягиваются. известный даже маленьким детям, посвятив жизнь изучению этого явления, установил один из величайших законов — закон всемирного тяготения.
Что такое сила тяжести?
Определение и формула давно и многим известны. Напомним, сила тяжести — это определенная величина, одно из естественных проявлений всемирного тяготения, а именно: сила, с которой всякое тело неизменно притягивается к Земле.
Сила тяжести обозначается латинской буквой F тяж.
Сила тяжести: формула
Как вычислить направленную на определенное тело? Какие другие величины необходимо знать для того? Формула расчета силы тяжести довольно проста, ее изучают в 7-м классе общеобразовательной школы, в начале курса физики. Чтобы ее не просто выучить, но и понять, следует исходить из того, что сила тяжести, неизменно действующая на тело, прямо пропорциональна его количественной величине (массе).
Единица силы тяжести названа по имени великого ученого— Ньютон.
Сила тяжести (гравитация) всегда направлена строго вниз, к центру земного ядра, благодаря ее воздействию все тела равноускоренно падают вниз. Явления тяготения в повседневной жизни мы наблюдаем повсеместно и постоянно:
- предметы, случайно или специально выпущенные из рук, обязательно падают вниз на Землю (или на любую препятствующую свободному падению поверхность);
- запущенный в космос спутник не улетает от нашей планеты на неопределенное расстояние перпендикулярно вверх, а остается вращаться на орбите;
- все реки текут с гор и не могут быть обращены вспять;
- бывает, человек падает и травмируется;
- на все поверхности садятся мельчайшие пылинки;
- воздух сосредоточен у поверхности земли;
- тяжело носить сумки;
- из облаков и туч капает дождь, падает снег, град.
Наряду с понятием "сила тяжести" используется термин "вес тела". Если тело расположить на ровной горизонтальной поверхности, то его вес и сила тяжести численно равны, таким образом, эти два понятия часто подменяют, что совсем не правильно.
Ускорение свободного падения
Понятие "ускорение свободного падения" (иначе говоря, связано с термином "сила тяжести". Формула показывает: для того чтобы вычислить силу тяжести, нужно массу умножить на g (ускорение св. п.).
"g" = 9,8 Н/кг, это постоянная величина. Однако более точные измерения показывают, что из-за вращения Земли значение ускорения св. п. неодинаково и зависит от широты: на Северном полюсе оно = 9,832 Н/кг, а на знойном экваторе = 9,78 Н/кг. Получается, в разных местах планеты на тела, обладающие равной массой, направлена разная сила тяжести (формула же mg все равно остается неизменной). Для практических расчетов было принято решение на незначительные погрешности этой величины и пользоваться усредненным значением 9,8 Н/кг.
Пропорциональность такой величины, как сила тяжести (формула доказывает это), позволяет измерять вес предмета динамометром (похож на обычный бытовой бизмен). Обратите внимание, что прибор показывает только силу, так как для определения точной массы тела необходимо знать региональное значение "g".
Действует ли сила тяжести на любом (и близком, и далеком) расстоянии от земного центра? Ньютон выдвинул гипотезу, что она действует на тело даже при значительном удалении от Земли, но ее значение снижается обратно пропорционально квадрату расстояния от предмета до ядра Земли.
Гравитация в Солнечной системе
Есть ли Определение и формула относительно других планет сохраняют свою актуальность. С одной лишь разницей в значении "g":
- на Луне = 1,62 Н/кг (в шесть раз меньше земного);
- на Нептуне = 13,5 Н/кг (почти в полтора раза выше, чем на Земле);
- на Марсе = 3,73 Н/кг (более чем в два с половиной раза меньше, чем на нашей планете);
- на Сатурне = 10,44 Н/кг;
- на Меркурии = 3,7 Н/кг;
- на Венере = 8,8 Н/кг;
- на Уране = 9,8 Н/кг (практически такое же, как у нас);
- на Юпитере = 24 Н/кг (почти в два с половиной раза выше).
