Сила тяжести движение искусственных спутников земли 10 класс конспект урока

Обновлено: 05.07.2024

Если тело выведено за пределы земной атмосферы, на него действуют только силы тяготения со стороны Земли, Солнца и других небесных тел.

Первая космическая скорость — это минимальная скорость, которую необходимо сообщить телу у поверхности Земли, чтобы оно стало искусственным спутником

Вселенная — это всё, что существует: от атомов и молекул до огромных космических образований

Фундаментальное свойство всех тел притягиваться друг к другу называют всемирным тяготением или гравитацией.

Сила тяжести — это сила, создаваемая тяготением массивного тела.

Ускорение свободного падения вблизи поверхности других планет:

Ключевые слова

Искусственный спутник Земли, первый ИСЗ, первая космическая скорость, Вселенная, гравитация.

Цель урока: изучить физические основы запусков искусственных спутников Земли.

Задачи урока:

Образовательные: изучить движение тел в гравитационном поле Земли; вывести формулу первой космической скорости, используя закон всемирного тяготения и закономерность движения тел по окружности; ознакомить учащихся с ролью отечественной науки в освоении космического пространства; формировать информационную и коммуникационную компетенции учащихся; совершенствовать учебные умения: делать умозаключения, строить выводы; изучить сущность новых понятий: баллистика, первая космическая скорость, вторая космическая скорость, искусственный спутник Земли.
Развивающие: развивать аналитическое и критическое мышление: выделять причинно-следственные связи, осмысливать новые знания в контексте уже имеющихся, проводить критический анализ и систематизировать информацию; стимулировать самообразование и самоорганизацию учащихся; развивать эмоции, речь, внимание, память.
Воспитательные: формировать интерес учащихся к новому материалу через практическую значимость изучаемой темы; развивать научное мировоззрение учащихся; воспитывать патриотизм и чувство гордости за свою Родину при знакомстве с историческими фактами и личностями.

Конспект урока

Подготовила

учитель физики

Шляханова С.Д.

Цель урока: изучить физические основы запусков искусственных спутников Земли.

Задачи урока:

Образовательные: изучить движение тел в гравитационном поле Земли; вывести формулу первой космической скорости, используя закон всемирного тяготения и закономерность движения тел по окружности; ознакомить учащихся с ролью отечественной науки в освоении космического пространства; формировать информационную и коммуникационную компетенции учащихся; совершенствовать учебные умения: делать умозаключения, строить выводы; изучить сущность новых понятий: баллистика, первая космическая скорость, вторая космическая скорость, искусственный спутник Земли.

Развивающие: развивать аналитическое и критическое мышление: выделять причинно-следственные связи, осмысливать новые знания в контексте уже имеющихся, проводить критический анализ и систематизировать информацию; стимулировать самообразование и самоорганизацию учащихся; развивать эмоции, речь, внимание, память.

Воспитательные: формировать интерес учащихся к новому материалу через практическую значимость изучаемой темы; развивать научное мировоззрение учащихся; воспитывать патриотизм и чувство гордости за свою Родину при знакомстве с историческими фактами и личностями.

Тип урока: урок усвоения новых знаний

І. Организационный момент

ІІІ. Актуализация опорных знаний

Мы знаем, что движение тела по окружности всегда происходит с ускорением.

Куда же направлено ускорение тела при его движении по окружности с постоянной по модулю скоростью? (Ускорение направлено по радиусу окружности к ее центру)

Как называется это ускорение? Что это за ускорение? (Центростремительное ускорение - ускорение, с которым тело движется по окружности с постоянной по модулю скоростью)

По какой формуле можно вычислить модуль вектора центростремительного ускорения? ()

ІV. Изучение нового материала

. Как сделать тело искусственным спутником Земли?

Давайте поставим мысленный эксперимент и обсудим его в диалоге.

Вам приходилось играть в мяч. Как движется мяч, если его бросить параллельно земле (по кривой – параболе и падает на землю)

А как будет меняться траектория мяча, если вы увеличите скорость броска? (Траектория станет более длинной, а кривизна уменьшится)

Всё верно. Такое движение рассматривает баллистика – наука, изучающая полёты артиллерийских снарядов. Одним из её основоположников в 17 веке был Исаак Ньютон.

Чтобы понять при каких условиях тело может стать ИСЗ, обратимся к рисунку, сделанному Ньютоном. Здесь изображен земной шар, а на нем показана высокая гора, с вершины которой бросают камни, придавая им различные скорости.

Продолжая эти рассуждения, Ньютон приходит к выводу, что при отсутствии сопротивления воздуха и при достаточно большой скорости тело вообще может не упасть на Землю, а будет описывать круговые траектории, оставаясь на одной и той же высоте над Землей.

Такое тело становится искусственным спутником Земли.

Значит, для того чтобы некоторое тело стало ИСЗ, его нужно вывести за пределы атмосферы и придать ему определенную скорость.

Выведем эту скорость из формулы центростремительного ускорения

Запись в тетрадь: Минимальная скорость, которую нужно сообщить телу у поверхности Земли, чтобы оно стало ИСЗ, называется первой космической скоростью .

Значение первой космической скорости можно получить и другим способом.

Согласно 2-му закону Ньютона , где . Тогда . С другой стороны, по закону всемирного тяготения

При

Формирование представлений о второй космической скорости.

Если скорость тела, запускаемого на высоте h над Землей, превышает первую космическую, то его орбита представляет собой эллипс. Чем больше скорость, тем более вытянутой будет эллиптическая орбита. При скорости, равной 11,2 км/с, которая называется второй космической, тело преодолевает притяжение к Земле и уходит в космическое пространство. При такой скорости тело становится спутником Солнца.

Информация о третьей космической скорости.

Третья космическая скорость равна 16,7 км/с, она необходима для преодоления телом притяжения Солнца и выхода за пределы Солнечной системы.

V. Закрепление материала

Пример. Какую скорость должен иметь спутник, чтобы двигаться вокруг земли по круговой орбите на высоте над её поверхностью? Радиус Земли , масса Земли

Дано: СИ: Решение:

Работа в группах

Определить первую космическую скорость для спутников, вращающихся вокруг Земли на различных высотах. ,

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Конспект урока физики в 10 классе по теме:

"Искусственные спутники Земли. Космические скорости"

Задачи урока:

- Рассмотреть траекторию движения тел в гравитационном поле.

- Ввести понятие искусственного спутника Земли.

- Вычислить первую и вторую космические скорости.

Тип урока: урок усвоения новых знаний

Ход урока:

1. Организационный момент.

2. Изучение нового материала.

Из курса физики 9-го класса вам известно, что под действием силы гравитационного притяжения происходит движение Земли вокруг Солнца, движение спутников планет.

Как вы думаете, что необходимо сделать, чтобы тело стало искусственным спутником Земли? Какую скорость необходимо для этого развить телу? Прежде чем ответить на этот вопрос, давайте посмотрим небольшой кинофрагмент. (Демонстрируется фрагмент из кинофильма "Морозко", в котором главный герой подбрасывает дубинки разбойников, которые возвращаются спустя полгода).

А теперь, ребята, рассчитаем, возможно ли это. Если бросить тело с некоторой высоты, сообщив телу скорость V ₀ в горизонтальном направлении, то тело упадет, двигаясь по траектории, вид которой парабола. Это в том случае, если поверхность Земли плоская, что допустимо при небольших скоростях тела и сравнительно небольших расстояниях. В действительности же Земля - шар, и с продвижением тела по его траектории поверхности Земли несколько удаляется от него. Можно подобрать такое значение скорости тела V _{0 ,} при котором поверхность Земли (из-за её кривизны) будет удаляться от тела как раз на столько, на сколько тело приблизится к Земле, благодаря притяжению к ней. В этом случае тело будет двигаться на постоянном расстоянии h от поверхности Земли, т.е по окружности радиуса ( R ₃ + h ).

Вычислим, какой скоростью должен обладать искусственный спутник Земли, чтобы он двигался по круговой орбите на высоте h над поверхностью Земли. На больших высотах воздух сильно разряжен и оказывает незначительное сопротивление движущимся телам. Будем считать, что на спутник действует только гравитационная сила, направленная к центру Земли.

М – масса Земли

m – масса спутника

R – радиус Земли

h – высота спутника над поверхностью Земли.

Эта сила сообщает спутнику центростремительное ускорение :

Но по второму закону Ньютона : Отсюда:

Или:

То есть, имеем выражение для скорости:

Из формулы видно, что: а) скорость спутника зависит от его высоты над поверхностью Земли; б) скорость не зависит от массы спутника.

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 .

Выводы:

Скорость спутника зависит от его высоты над поверхностью Земли

Скорость не зависит от массы спутника

Если принять h = 0, то вблизи поверхности Земли:

Первая космическая скорость равна = 7,9 км/с.

Если скорость тела будет выше первой космической, то сила гравитации Земли удержит её, но спутник будет двигаться по эллиптической орбите. При дальнейшем увеличении скорости запуска, тело все дальше удаляется от Земли, при этом эллиптическая орбита существенно вытягивается.

Наконец найдется такая скорость, начиная с которой тело способно вырваться в космическое пространство, преодолев притяжение Земли, т.е оно удалится от Земли на бесконечное большое расстояние. (Траектория параболическая.)

Если космическому телу нужно преодолеть силы притяжения Солнца, то ему необходимо двигаться со скоростью свыше 16,6 км/с. Траектория движения такого тела будет гипербола.

3. Решение задач.

1. На какой высоте от поверхности Земли сила тяжести, действующая на тело, уменьшится в 4 раза?

2. Какую скорость должен иметь искусственный спутник, чтобы обращаться по круговой орбите на высоте 400 км над поверхностью Земли?

3. Определить массу земного шара, зная её радиус и ускорение свободного падения.

4. Определить чему равно ускорение свободного падения на высоте равной половине радиуса Земли.

4. Подведение итогов урока.

1. Какую скорость называют первой космической?

2. Что вы можете сказать о траектории движения этого тела?

3. Как вычислить вторую космическую скорость?

4. От каких величин зависит ускорение свободного падения?

5. Домашнее задание.

Цели урока: Деятельностная: научить обучающихся новым способам нахождения знания, ввести новые понятия, термины.

Задачи урока:

Обучающие: формировать умения анализировать, сравнивать, переносить знания в новые ситуации, планировать свою деятельность при выполнении заданий и поисковой деятельности, составлять алгоритм предстоящей работы.
Развивающие: развивать у учащихся умение анализировать и делать выводы; формировать навыки работы с предметными материалами, иллюстрациями и текстом учебника; формировать умение применять знания, полученные на уроке, в жизни; логически мыслить и оценивать продукт деятельности другого учащего; развивать адекватную самооценку личности ребёнка; развивать мотивацию достижения успеха в учебной деятельности.
Воспитательные: создать условия для развития ценностно-смысловой сферы обучающегося: получение радости от труда, преодоления трудностей, от завершённости творческого процесса; воспитывать чувство уважения к другому и его труду; формирование деловой культуры общения.

Планируемые образовательные результаты:

Предметные: дать понятие искусственного спутника Земли; вывести формулу расчета первой космической скорости; познакомить учащихся при каких условиях тело может стать искусственным спутником Земли.

Метапредметные:

Регулятивные УУД: определять и формулировать цель урока; соотносить результат своей деятельности с целью и оценивать его; умение осуществлять самоконтроль и взаимоконтроль;
Познавательные УУД: находить информацию из разных источников; умение экспериментировать, наблюдать, анализировать, выдвигать гипотезы, сравнивать, делать выводы; устанавливать причинно-следственные связи; объяснять явления, процессы, связи и отношения, строить логическое рассуждение, включающее установление причинно-следственных связей.
Коммуникативные УУД: задавать вопросы, необходимые для организации собственной деятельности, формулировать собственное мнение; умение грамотно выражать речью свои мысли.

Личностные: осознавать личностное значение изучения темы.

Обучающиеся получат возможность научиться: ставить проблему, аргументировать её актуальность; искать наиболее эффективные средства достижения поставленной задачи; выраженной устойчивой учебно-познавательной мотивации и интереса к учению, готовности к самообразованию.

Вид используемых на уроке средств ИКТ: мультимедиа (компьютер, проектор, интерактивная доска), Электронная форма учебника физики 9 класса Пёрышкина А.В.

Ход урока

Организационный момент

Эпиграфом к нашему уроку послужит высказывание древнегреческого философа Аристотеля:

I. Актуализация знаний:

1. Фронтальный опрос

Наша природа таит в себе множество загадок, и раскрыть хотя бы некоторые из них – задача настоящего исследователя. Сегодня мы продолжим знакомство с особенностями гравитационного взаимодействия. Каждый из вас продолжит открытие новых тайн и загадок всемирного тяготения, и мы вместе попробуем в них разобраться. Но вначале проверим, как вы усвоили материал прошлого урока.

Какую тему мы изучали на прошлом уроке? (Движение тела по окружности с постоянной по модулю скоростью)
Приведите примеры движения по окружности. (Стрелки часов, колеса автомобиля, планеты вращаются вокруг Солнца и др.)

Мы знаем, что движение тела по окружности всегда происходит с ускорением.

Куда направлено ускорение тела при его движении по окружности с постоянной по модулю скоростью? (Ускорение направлено по радиусу окружности к ее центру).
Как называется это ускорение? (Центростремительное ускорение – ускорение, с которым тело движется по окружности с постоянной по модулю скоростью).
По какой формуле можно вычислить модуль вектора центростремительного ускорения? ( a_ц = v 2 /R )
С помощью каких опытов можно убедиться, что мгновенная скорость тела, движущегося по окружности, направлена по касательной к окружности? (Частицы вращающегося точильного камня, отрываясь от него при трении о металлический прут, летят по касательной к окружности в точке отрыва).
Можно ли считать движение по окружности с постоянной по модулю скоростью равномерным? Почему? (При движении тела по окружности модуль вектора скорости может меняться или оставаться постоянным, но направление вектора скорости обязательно меняется, т. е. вектор скорости тела, движущегося по окружности, является величиной переменной (независимо от того, меняется скорость по модулю или нет). Значит, движение по окружности всегда происходит с ускорением).

2. Самостоятельная работа

1. Тело движется равномерно по окружности по часовой стрелке. Какая стрелка указывает направление вектора скорости при таком движении?

2. Тело движется по окружности с постоянной по модулю скоростью. Как изменится его центростремительное ускорение при увеличении скорости в 2 раза и уменьшении радиуса окружности в 2 раза?

3. Поезд движется со скоростью 72 км/ч по закруглению дороги. Определите радиус дуги, если центростремительное ускорение поезда равно 0,5 м/с 2 .

1. Тело движется равномерно по окружности по часовой стрелке. Какая стрелка указывает направление вектора ускорения при таком движении?

2. Тело движется по окружности с постоянной по модулю скоростью. Как изменится его центростремительное ускорение при уменьшении скорости в 2 раза и увеличении радиуса окружности в 2 раза?

3. Автомобиль массой 1 т движется по закруглению радиусом 100 м. Определите силу, действующую на автомобиль при скорости 36 км/ч.

Время выполнения самостоятельной работы 10 минут.

Выполнить взаимопроверку самостоятельной работы.

Ответы:

2. Увеличится в 8 раз

2. Уменьшится в 8 раз

3. F = 1 000 Н = 1 кН

II. Изучение нового материала

Посмотрите на доску. Что мы видим на доске? (На экране модель Солнечной системы: солнце и планеты солнечной системы)

Как эти планеты движутся вокруг Солнца? (по круговым орбитам)

Посмотрите внимательно, какое небесное тело вращается не только вокруг Солнца? (Луна)

Чем является Луна? (Луна – это естественный спутник Земли).

В космическом пространстве властвует тяготение, заставляя вращаться звездные системы вокруг центра Галактики, планеты вокруг своих звезд и спутники вокруг своих планет.

Вспомните, от чего зависит сила притяжения тел и запишите формулу закона всемирного тяготения.

Чем отличаются силы притяжения Луны к Земле и Земли к Луне? (Направления сил противоположны, силы приложены к разным телам, но равны по модулю).
Почему же Луна – спутник Земли, а не наоборот? (Масса Луны меньше, поэтому её ускорение больше, чем у Земли).

Некоторые планеты Солнечной системы имеют естественные спутники, они созданы природой, но можно создать и искусственные.

Мы попытаемся с вами рассмотреть детально вопрос о запуске и движении ИСЗ, раскрыть понятие и значение первой, второй и третьей космических скоростей и научиться рассчитывать первую космическую скорость.

Сформулируйте цель нашего урока: изучить физические основы запусков искусственных спутников Земли.

Тема важна для нас потому, что в настоящее время искусственные спутники Земли выполняют многие незаменимые функции в обеспечении связи, навигация, картографии, оборонной отрасли, научных исследованиях, то есть имеют широкое практическое и научное применение.

Люди давно строили догадки, как с Земли нужно бросить тело, чтобы оно на неё не упало, а двигалось подобно Луне.

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?

Мысленные опыты около 3-х веков до вас проводил и великий Исаак Ньютон.

В работах Ньютона можно найти интересный рисунок, показывающий, как можно осуществить переход от простого падения тела по параболе к орбитальному движению тела вокруг Земли.

(А.В.Перышкин, Физика – 9, ЭФУ, стр. 76, рис.42.Копия рисунка Ньютона)

Движение спутника является примером свободного падения, так как происходит только под действием силы тяжести. Но спутник не падает на Землю благодаря тому, что обладает достаточно большой скоростью, направленной по касательной к окружности, по которой он движется. Так, естественный спутник Земли Луна обращается вокруг планеты около четырёх миллиардов лет.

(А.В.Перышкин, Физика – 9, ЭФУ, стр. 77, рис.43.)

Следовательно, что необходимо, чтобы некоторое тело стало искусственным спутником Земли? (Это тело нужно вывести за пределы земной атмосферы и придать ему определённую скорость, направленную по касательной к окружности, по которой он будет двигаться).

Какой вывод можно сделать из рассуждений Ньютона? (задача запуска спутника сводится расчету скорости, которая позволит ему вращаться, совершая свободное падение и не достигая земли по той причине, что кривизна его траектории повторяет форму Земли).

Наименьшая высота над поверхностью Земли, на которой сопротивление воздуха практически отсутствует, составляет примерно 300 км. Поэтому обычно спутники запускают на высоте 300—400 км от земной поверхности.

Давайте выведем формулу для расчёта скорости, которую надо сообщить телу, чтобы оно стало искусственным спутником Земли, двигаясь вокруг неё по окружности.

Можно ли считать движение спутника свободным падением? (Да, движение спутника происходит под действием одной только силы тяжести.)
Какое ускорение сообщает ему сила тяжести? (Сила тяжести сообщает спутнику ускорение свободного падения g)

Это ускорение в данном случае выполняет роль центростремительного ускорения.

По какой формуле определяется центростремительное ускорение?

(Формулу записывает на доске ученик и выводит формулу для вычисления первой космической скорости):

Значит, для спутника

По этой формуле определяется скорость, которую надо сообщить телу, чтобы оно обращалось по окружности вокруг Земли на расстоянии r от её центра.

Эта скорость называется первой космической скоростью (круговой).

Если высота h спутника над поверхностью Земли мала по сравнению с земным радиусом, то ею можно пренебречь и считать, что r ≈ R_З. Обозначим ускорение свободного падения вблизи поверхности Земли g₀. Тогда формула для расчёта первой космической скорости спутника, движущегося вблизи поверхности Земли, будет выглядеть так:

Рассчитаем эту скорость, принимая радиус Земли равным 6400 км (или 6,4•10 6 м), а g₀ = 9,8 м/с 2 . (К доске выходит учащийся и решает задачу).

Дано: R_з = 6400 км = 6,4•10 6 м, g₀ = 9,8 м/с 2

Если же высотой h спутника над Землёй пренебречь нельзя, то расстояние r от центра Земли до спутника и ускорение свободного падения g на высоте h определяются по следующим формулам:

В этом случае формула для расчёта первой космической скорости примет вид:

По этой формуле можно рассчитать первую космическую скорость спутника любой планеты, если вместо массы и радиуса Земли подставить соответственно массу и радиус данной планеты.

Из формулы следует, что чем больше высота h, на которой запускается спутник, тем меньшую скорость v ему нужно сообщить для его движения по круговой орбите (так как h стоит в знаменателе дроби). Например, на высоте 300 км над поверхностью Земли первая космическая скорость приблизительно равна 7,8 км/с, а на высоте 500 км — 7,6 км/с.

III. Закрепление

1. Практическая работа в парах

Сегодня продолжим знакомство с планетами Солнечной системы. Вы определите первую космическую скорость для запуска спутника с поверхностей планет. Работаем в парах. На столах у вас лежат карточки с названиями планет. Необходимые данные для вычисления первой космической скорости необходимо взять из таблицы (таблица представлена на экране).

Читайте также: