Урок физики "Изучение природы гравитационных сил"; 9-10 класс

Урок физики «Изучение природы гравитационных сил». 9 - 10 класс.

Автор: Игнатова Евгения Савельевна

Учитель физики

МБОУ СОШ № 16 города Кропоткин

муниципального образования Кавказский район Краснодарский край

Урок физики «Изучение природы гравитационных сил». 9 - 10 класс. Игнатова Е.С.

Цели урока: ознакомить учащихся с историческими фактами, ведущими к открытию закона всемирного тяготения, изучить области применения закона, его значения для науки.

Задачи урока:

Образовательные: обеспечить усвоение учащимися физического смысла закона всемирного тяготения, гравитационной постоянной, изучение формул ускорения свободного падения и скорости движения спутников, научить применять закон при решении задач.

Развивающие:

• Развитие познавательного интереса с применением исторических материалов и физических терминов.

• развитие умения видеть физические явления в окружающем мире.

• Развитие синтезирующего мышления – развитие умения устанавливать единые, общие признаки и свойства целого, составлять план изученного материала, делать выводы.

• Формирование умений выделять главное, составлять план, тезисы, вести конспекты.

Воспитательные:

• Воспитание мотивов учения, положительного отношения к знаниям.

• Воспитание дисциплинированности.

Тип урока – урок изучения нового материала с элементами самостоятельной поисковой и практической деятельности учащихся.

Вид урока – беседа.

Оборудование:

1. Мультимедийная система.

2. Презентация.

Урок «Изучение природы гравитационных сил» подготовлен для 10-ых классов, но может быть использован в 9-ых классах при изучении данной темы, а также на различных элективных курсах, тематических мероприятиях.

План-Хронометраж урока.

Ход урока:

I. Организация начала урока.

Объявление темы урока. Постановка целей.

II. Изучение нового материала.

Учитель.

Почему все тела падают на Землю? Этот вопрос занимал еще древних ученых. В древности люди считали Землю плоскостью, на которую опирается небесный свод.

Это представление возникло из непосредственного зрительного впечатления. Видя, что все тела на земной поверхности падают вниз, они решили, что и во Вселенной есть «верх» и «низ». Поэтому-то тела и падают. Такое представление было тесно связано с понятием об абсолютном «верхе» и «низе», вполне согласовавшимися со взглядами рабовладельческого общества древнего мира.

Из древних наук лишь в конце 13 века было разрешено преподавать учение греческого философа Аристотеля. Однако, этому ученому уже было известно, например, что Земля – шар, а это противоречило библейскому взгляду на строение мира. Поэтому сочинения Аристотеля были снабжены различными комментариями, приводящими его учение в согласие с библией. Греческие астрономы принимали все видимые ими движения космических тел за действительные. Для объяснения петлеобразного движения планет была придумана сложнейшая геометрическая схема: планета будто бы движется по кругу, центр которого обращается вокруг Земли. Такова была система мира греческого астронома Клавдия Птолемея, господствовавшая в науке до середины 16 века.

В 16 веке польский ученый Николай Коперник решил «обернуть» механизм Вселенной. Не проще ли объяснить сложные пути планет, если считать, что Земля описывает круговой путь вокруг Солнца? Николай Коперник доказал, что геоцентрическая система мира, (с Землей, как его центром), выдвинутая греческим ученым Клавдием Птолемеем и монопольно господствовавшая в течение почти полутора тысяч лет, неверна. Копернику принадлежит честь создания современных представлений о строении Солнечной системы. Над разработкой своей системы мира Коперник работал всю жизнь. Он описал ее в книге «Об обращении небесных сфер», которую долго не решался опубликовать, чтобы не навлечь на себя преследование католической церкви. Его книга вышла в свет в 1543 году. Она была настоящим откровением для ученых. Она заключала в себе ответ тем из них, которые в

отчаянии думали, будто человек не может познать движения небесных светил и ему доступно знание движений лишь в «подлунном» мире, то есть на Земле. Но представления Коперника о Вселенной не отличалось от того, какое было у его современников.

В 1610 году весь культурный мир был взволнован удивительной вестью: профессор университета в Падуе устроил трубу, в которую можно было увидеть на небе неизвестные до сих пор звезды и спутники планет. И направленная на небо зрительная труба далеко раздвинула пределы мира. Галилей торопился оповестить весь мир о сделанных им открытиях, издав свой знаменитый «Звездный вестник». Он рассказывал в нем о горах, впадинах, возвышенностях на поверхности Луны. «Звездный вестник» раскрывал тайну светящегося Млечного Пути, который некоторые древние ученые считали местом «спайки» хрустальных небесных сфер. Наконец, он сообщал весть о новом мире планет – Юпитере, окруженном обращающимися вокруг него спутниками. Но какая сила удерживает на орбитах планеты? На этот вопрос тогда никто не пытался еще ответить.

Датский астроном Тихо Браге возглавлял обсерваторию Ураниборг, которую построил на острове Вен в проливе Эресунн, близ Копенгагена, и снабдил превосходными инструментами, изготовленными под его руководством. Здесь в течение 21 года он наблюдал звёзды, планеты и кометы, производя определения положений светил с весьма высокой точностью. В этом его главная заслуга. Браге не признавал гелиоцентрической системы мира и взамен её предложил другую, представляющую неудачное сочетание учения Птолемея с системой Н. Коперника (Солнце движется вокруг Земли, стоящей в центре мироздания, а планеты — вокруг Солнца). В 1597 Браге был принуждён покинуть Данию (после его отъезда обсерватория Ураниборг была заброшена) и после двух лет, проведённых в Германии, переехал в Прагу. Здесь к нему поступил в помощники И. Кеплер, у которого после смерти Браге остались ценнейшие наблюдения.

В 1609 году немецкий астроном Иоганн Кеплер, завершая труд Коперника, сумел разгадать тайны орбит, по которым движутся планеты вокруг Солнца, а их спутники – вокруг самих планет. Эти орбиты оказались не кругами, как полагал Коперник, а эллипсами.

По мере того как развивалась наука, человек узнавал и изучал все новые силы, действующие в природе. Однако, без сомнения, самой первой из сил, ставшей известной человеку и поразившей его воображение, была сила тяготения. Кто из нас не падал на землю под действием этой силы, не сталкивался с ней каждый день, каждый миг? Нельзя себе представить жизнь на земле без силы тяготения.

Но хотя проявления силы тяготения известны людям столько времени, сколько они сами существуют, наукой эта сила была открыта сравнительно недавно, немногим более 300 лет назад. В 1687 году, когда была опубликована историческая книга великого английского ученого Исаака Ньютона «Математические принципы натуральной философии» (так называлась тогда наука о природе, известная теперь в качестве физики).

Чтобы вывести законы движения планет, нужно было знать, как меняется сила тяготения при изменении расстояния. Ньютон предположил, что сила тяготения изменяется подобно тому, как и освещение предмета при приближении или удалении от источника света: если расстояние станет в три раза больше, сила тяготения уменьшится в девять раз, и наоборот. Из второго закона динамики следует, что ускорение, которое получает тело под действием силы, обратно пропорционально массе тела. Но ускорение свободного падения не зависит от массы тела. Это возможно только в том случае, если сила, с которой Земля притягивает тело, изменяется пропорционально массе тела. По третьему закону силы, с которыми взаимодействуют тела, равны. Если сила, действующая на одно тело, пропорциональна массе этого тела, то равная ей сила, действующая на второе тело, очевидно, пропорциональна массе второго тела. Но силы, действующие на оба тела равны, следовательно, они пропорциональны массе первого и второго тела. Ньютон рассчитал отношение радиуса орбиты Луны к радиусу Земли. Отношение равнялось 60. А отношение ускорения свободного падения на Земле к центростремительному ускорению, с которым обращается вокруг Земли Луна, равнялось 3600. Следовательно, ускорение обратно пропорционально квадрату расстояния между телами. По второму закону сила и ускорение связаны прямой зависимостью, следовательно, сила обратно пропорциональна квадрату расстояния между телами.

Впервые гравитационная постоянная была измерена английским физиком Г. Кавендишем в 1788 г. с помощью прибора, называемого крутильными весами. Г. Кавендиш закрепил два маленьких свинцовых шара (диаметром 5 см и массой 775 г каждый) на противоположных концах двухметрового стержня. Стержень был подвешен на тонкой проволоке. Два больших свинцовых шара (20 см диаметром и 45,5 кг) близко подводились к маленьким. Силы притяжения со стороны больших шаров заставляли маленькие перемещаться, при этом проволока закручивалась. Степень закручивания была мерой силы, действующей между шарами. Эксперимент показал, что гравитационная G = 6,67 * 10^-11 Н*м²/кг².

Созданная Ньютоном теория тяготения одерживала одну блистательную победу за другой. Она с высокой степенью точности объяснила особенности планетных орбит, найденные Кеплером. Ей удалось измерить массы планет, раскрыть загадки движения комет, тайны приливов. Но, пожалуй, наибольшим триумфом было предсказание еще не сделанных открытий – появление кометы Галлея в заданный теорией срок, открытие неизвестных астрономам планет и звезд.

Точные наблюдения за движением планеты Уран показали, что это движение не строго подчиняется закону Ньютона. Значит, имеется какая-то пока неизвестная причина, вызывающая отклонение планеты от пути, предначертанного ей теорией. По расчетам французского ученого Леверье выходило, что где-то в глубинах космоса, дальше Урана, должна находиться еще одна планета. И стоило только направить телескоп в указанную расчетами точку (это случилось в 1846 году), как тотчас же перед ищущим взором астронома заблистала желанная звездочка! Так был открыт Нептун, а за ним и Плутон.

Не менее блистательно было решение загадки Сириуса, давно мучившей астрономов. Сириус – самая яркая звезда нашего неба, она находится в созвездии Большого Пса, на расстоянии 8,8 световых лет от Земли. Более 100 лет назад было замечено, что Сириус движется не по прямой, как почти все остальные звезды, а как-то странно, по волнистой кривой. С помощью теории тяготения Ньютона было установлено, что «тайна» движения Сириуса связана с тем, что это не простая, а двойная звезда. Действительно, в этом случае центр масс обеих звезд двигался бы, как и полагается, по прямой, а Сириус в результате обращения вокруг этого центра отклонялся бы то в одну сторону от прямой, то в другую, выписывая видимую в небе волнистую кривую. Только через 18 лет после теоретического предсказания звездочка-спутник, получившая название Сириуса-В, была в действительности обнаружена в телескоп. Это произошло в 1862 году.

Существование всемирного тяготения было доказано. Но что такое за сила – всемирное тяготение? Не проявляет ли она себя на Земле? И на этот вопрос ответил Ньютон, связав в одной и той же математической формуле не только движение планет, но и падение камня на земной поверхности. Ньютон решил эту задачу в возрасте двадцати четырех лет. На уровне моря и на вершинах высочайших гор – везде тела падают вследствие тяжести. «Так, может быть, явление тяжести простирается до самой Луны?» - подумал Ньютон и принялся за проверку своего предположения. Если это так, то движение Луны можно сравнить с полетом ядра, выброшенного выстрелом из пушки.

Чем больше скорость ядра, тем его траектория становится все более плавной и ядро пролетает все дальше. Математический расчет показал удивительную вещь: если скорость полета ядра достигла бы 7906 метров в секунду, то кривизна траектории ядра стала бы одинаковой с кривизной земной поверхности. Не удерживается ли и Луна, подобно этому ядру, силой тяжести, которая не позволяет ей удалиться по прямой линии в мировое пространство? Вот что решил проверить Ньютон. Для этого нужно было вычислить, как велика сила тяжести на расстоянии Луны от Земли. Действие тяжести на расстоянии Луны оказалось одинаковым с действием всемирного тяготения. Значит сила тяжести и всемирное тяготение – одна и та же сила.

Казалось, теория Ньютона незыблема на века. Ведь даже сейчас, когда наука штурмует космос, движение спутников, космических ракет - с большой точностью рассчитывается именно с помощью теории Ньютона.

Спутником может стать любое тело, если ему сообщить на данной высоте необходимую скорость, направленную перпендикулярно радиусу Земли.

Скорость, которую необходимо сообщить телу, чтобы оно стало спутником планеты, называется первой космической скоростью.

И все же в сути этой теории были заключены её коренные пороки. Как ни точна теория, она не в состоянии дать ответ на роковой вопрос: каково же происхождение силы тяготения, какова её природа? Сам автор Исаак Ньютон признавал свое бессилие, говоря: «Причину свойств силы тяготения я не мог вывести из явлений, гипотез же я не измышляю».

То, что не удалось Ньютону, сделал другой великий ученый – Альберт Эйнштейн. В 1916 году он опубликовал свою знаменитую общую теорию относительности, содержащую в себе радикально новые идеи о природе тяготения. На ее основе он создал новую картину Вселенной. Теория Эйнштейна «вобрала в себя» закон Ньютона, сумев пойти и неизмеримо дальше, она объясняла тяготение не какой-то особой силой, действующей со стороны массивных тел – Земли, Солнца и т.д., а особенностями пространства вблизи таких тел.

Впервые наука сумела объяснить природу, происхождение тяготения. Ньютон вполне допускал абстрактную теоретическую возможность существования пространства, в котором вообще нет материи и тяготение действительно отсутствует даже теоретически, так что там свободное движение по инерции на самом деле прямолинейно и равномерно. Эйнштейн же считал, что это невозможно принципиально. По его теории без материи просто не существует ни пространства, ни времени. Однажды на вопрос репортера о том, в чем же, в самой краткой форме, суть общей теории относительности, Эйнштейн ответил: «Раньше полагали, что если бы из Вселенной исчезла вся материя, то пространство и время сохранились бы. Теория относительности утверждает, что вместе с материей исчезли бы также пространство и время». Пространство в поле тяготения, как говорил Эйнштейн, «искривлено» - именно это искривление и есть проявление тяготения, и есть само тяготение.

III. Рефлексивно-оценочный этап урока.

1. Подведение итогов.

2. Взаимная оценка работы на уроке.

Перечень используемой литературы и источников.

1. Учебник «Физика 10 класс. Базовый уровень», Н.С. Пурышева, Н.Е. Важеевская, Д.А. Исаев, Москва, Дрофа, 2010 г.

2. Физика.10 класс. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. М.: Просвещение, 2008

3. В.А. Волков Поурочные разработки по физике.9 класс. Москва «ВАКО», 2005