Сила тяжести и вес невесомость конспект
Обновлено: 06.07.2024
Преподаватель: Жилязко Ирина Владимировна - преподаватель физики.
Тип урока: урок изучения нового материала.
Вид урока: лекция, соревнование команд, работа с учебником, самостоятельная работа, решение позновательных задач.
Комплексно-методическое обеспечение урока: В.Ф. Дмитриева Физика. Учебник для профессий и специальностей технического профиля; П.К. проектор, демонстрационный экран, презентация к уроку; раздаточный материал (конспект для обучающегося); мешочек с песком для демонстрации; рабочий конспект [Приложение № 4]; карточки обратной связи.
Цель урока: организация продуктивной деятельности обучающихся, направленной на достижение ими результатов:
предметных:
- осмысление и закрепление знаний о направлении скорости и ускорения при равнопеременном движении;
- понимание смысла таких физических величин как сила тяжести, вес тела; таких понятий как невесомость, перегрузка и правильное употребление этих терминов в устной речи;
- знание и применение формул II и III законов Ньютона для решения задач;
- осмысленное понимание отличий между весом тела и силой тяжести;
- знание и понимание того, что вес одного и того же тела может быть различным, так как зависит от ускорения, с которым движется это тело. (P=Fт, P>Fт, P F45>Fэ.
Преподаватель: Сверьтесь с эталоном, запишите себе 1 балл.
- Вес тела Р – это сила, с которой тело из-за притяжения к Земле давит на опору или растягивает подвес.
- приложен к опоре или подвесу;
- измеряется в ньютонах;
- вес – векторная величина;
- вес – это сила.
След на песке, когда мы стоим - это наш вес.
Преподаватель: Если вы меня поняли, то подскажите: К какому телу приложен вес мухи, ползущей по потолку?
Обучающиеся: возможные ответы обучающихся: к потолку
Преподаватель: Поднимите карточку обратной связи к преподавателю зеленой стороной, если согласны с ответом.
Преподаватель: Вес давит на опору или растягивает подвес; значит, вес мухи, приложен к опоре (потолку). Если Вы правильно ответили, не забудьте записать себе 1 балл.
Преподаватель: Давайте порассуждаем. Когда мы начинаем подъем в лифте, то какая-то сила прижимает нас к полу, а в начальный момент движения вниз чувствуем, что какая-то сила нас приподнимает. Значит, вес меняется. От чего же зависит наш вес?
(возможные ответы обучающихся:
- в момент движения лифта вверх вес тела увеличивается, в момент остановки – уменьшается, а при равномерном движении лифта вес остается постоянным;
- вес одного и того же тела может быть различным, т.к. вес тела зависит от ускорения, с которым движется тело).
Преподаватель: Вес тела зависит от ускорения, с которым движется тело. Докажите это.
(преподаватель на слайде 8 объясняет вывод формулы веса, когда тело покоится или движется прямолинейно равномерно)
Р.S: группам дается определенное задание, необходимые опоры; задание разбирают, обсуждают группой, и представитель группы записывает это с объяснением на доске.
Задание 1: Понятие и вывод формулы веса тела:
1 группа: когда тело движется с ускорением a, направленным вверх (стр. 93 учебника)
2 группа: когда тело движется с ускорением a, направленным вниз (стр. 93-94).
3 группа: когда тело движется с ускорением a = g, направленным в любую сторону (стр. 95)
На этом уроке мы познакомимся с понятием веса в физике и убедимся, что он может зависеть от того, с каким ускорением двигается тело. С этим связаны понятия невесомости и перегрузки.
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобретя в каталоге.
Получите невероятные возможности
Конспект урока "Сила тяжести. Вес, невесомость, перегрузки"
Вы уже знакомы с понятием силы тяжести — это сила, с которой Земля притягивает тело, находящееся на её поверхности (или вблизи этой поверхности). Именно под действием силы тяжести, тела могут находиться в свободном падении. Находясь в свободном падении можно ясно ощутить состояние невесомости, то есть, отсутствие веса. Рассмотрим эти явления более подробно.
Еще в седьмом классе вы познакомились с весом тела. Вес тела — это сила, с которой тело действует на горизонтальную опору или растягивает подвес. Надо сказать, что вес — это частный случай силы упругости. Рассмотрим простой пример. В помещении вы видите сидящего человека, горшки с растениями, часы, висящие на стене и так далее. На все эти тела, несомненно, действует сила тяжести.
Несмотря на это, все тела находятся в состоянии покоя. Дело в том, что опора, по третьему закону Ньютона, действует, например, на горшок, с той же силой, что и горшок давит на неё. Эта сила называется реакцией опоры. Итак, мы выяснили что, исходя из третьего закона Ньютона, реакция опоры равна по модулю весу тела. Поскольку тело покоится, равнодействующая сила равна нулю. Следовательно, реакция опоры должна уравновешивать силу тяжести (в противном случае, тело бы падало по направлению к центру Земли).
Таким образом, если тело покоится на горизонтальной поверхности, или двигается равномерно и прямолинейно, то вес тела равен силе тяжести.
А теперь, давайте рассмотрим, что произойдет, если опора будет двигаться с ускорением. Классический пример подобной ситуации — это движение лифта. При начальном движении лифта вверх, ускорение, конечно, направлено вверх.
Применим второй закон Ньютона:
Из этого уравнения, мы видим, что вес тела увеличивается при ускоренном движении опоры вверх. Это явление называется перегрузкой. Действительно, при рывке лифта вверх, мы чувствуем некое давление.
Нетрудно догадаться, что при ускоренном движении вниз, происходит противоположное явление: вес тела уменьшается.
В этом можно убедиться, если вновь применить второй закон Ньютона:
Как видно, из уравнения, при движении вниз с ускорением свободного падения, вес тела обратится в ноль:
Это явление называется невесомостью. И правда, при рывке лифта вниз, мы ощущаем некую легкость.
Так, космонавты, находящиеся на космической станции, испытывают состояние невесомости. Они, фактически находятся в свободном падении, но падают, как бы, вокруг Земли. Дело, конечно, в их орбитальной скорости, достаточной для того, чтобы находиться на околоземной орбите.
Приведем пару примеров. Допустим, вы поставите стакан с водой на поднос. Очевидно, что стакан будет действовать на поднос с силой: Fт = mg. Но, как вы знаете, если вы отпустите поднос, то и стакан, и поднос будут находиться в свободном падении.
При этом, стакан не будет оказывать никакого воздействия на поднос, то есть не будет обладать весом. Точно также, мотоциклист, едущий с постоянной скоростью, будет действовать на сиденье мотоцикла силой тяжести. Но после прыжка на трамплине, и мотоциклист, и мотоцикл будут находиться в свободном падении.
Таким образом, вес мотоциклиста будет равен нулю, до тех пор, пока он не приземлится.
Примером перегрузки может быть выход пилота из пике.
В нижней точке, его центростремительное ускорение будет направлено вверх, что приведет увеличению веса пилота. Пилоты истребителей испытывают перегрузки до 30g. Перегрузки часто измеряются в единицах измерения g. То есть, например, перегрузка 5g означает, что вес пилота увеличился в 6 раз (в состоянии покоя наша перегрузка равна g). Иногда перегрузку обозначают буквой n, и она является безразмерной величиной, равной отношению ускорения движения к ускорению свободного падения.
Таким образом, вес тела при перегрузках можно вычислить по формуле: .
Для примера вычислим перегрузку, которую испытывает пилот в нижней точке пике в вертикальной плоскости, если радиус кривизны траектории полёта равен 400 м, а скорость самолёта равна 1080 км/ч.
- Для учеников 1-11 классов и дошкольников
- Бесплатные сертификаты учителям и участникам
Конспект урока физики 8 класс
Сила тяготения. Вес и невесомость
Цель урока: дать ученикам сведения о силе тяжести и весе тела; познакомить с природой этих сил.
Тип урока: комбинированный урок.
1. Падение тел на землю.
3. Определение веса тела, находящегося в покое.
Изучение нового материала
Закрепление изученного материала
1. Контрольные вопросы.
2. Учимся решать задачи.
3. Подумай и ответь
Изучение нового материала
Еще в древности Аристотель утверждал, что легкие тела имеют свойство падать медленнее, чем тяжелые.
Это убеждение считалось правильным более две тысячи лет, пока его не опроверг итальянский ученый Галилей, что перешел от наблюдений к опытам.
Если Аристотель прав, то тела равной массы должны падать одинаково. Проверим на опыте: так ли это?
Отпустим с одной и той же высоты лист бумаги и сделанный из такого же листа бумажный комок. Лист падает гораздо медленнее комка, хотя их массы одинаковы.
Выходит, тела равной массы не обязательно падают одинаково — опыт опровергает это положение Аристотеля, а это значит, что оно неправильное.
Галилей предположил, что в идеальной ситуации — если бы сопротивления воздуха не было вовсе — все тела падали бы одинаково. Чтобы проверить свое предположение, Галилей бросил с Пизанской башни одновременно пулю и пушечное ядро. Хотя их массы различаются во много раз, пуля и ядро упали почти одновременно, подтвердив предположение Галилея.
Падение тел при отсутствии сопротивления воздуха называют свободным падением. Итак,
при свободном падении все тела падают одинаково.
Замеры показали, что при свободном падении скорость тела каждую секунду увеличивается на 9,8 м/с.
2. Сила притяжения
Камень падает на Землю потому, что его притягивает Земля. Камень тоже притягивает Землю. Силы взаимодействия между камнем и Землей — это силы всемирного тяготения.
Изучив известные в то время данные о движении небесных тел, Ньютон пришел к выводу, что сила притяжения двух тел пропорциональна массам этих тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.
Сила тяжести определяется как сила, с которой тело притягивается к Земле в данном месте. Признаком действия силы всегда является изменение скорости движения тела. Для подтверждения этого можно предложить ученикам визуально сравнить скорость падающего тела в начале и конце падения.
Силу, с которой Земля притягивает к себе тело, называют силой притяжения.
Исходя из того, что во время свободного падения скорость любого тела увеличивалась каждую секунду на 9,8 м/с, Ньютон доказал, что сила тяжести прямо пропорциональна массе тела, а коэффициент пропорциональности — 9,8 Н/кг. Этот коэффициент называют ускорением свободного падения.
Поэтому модуль силы тяжести можно выразить через массу тела m и ускорение свободного падения g так:
Положите на ладонь яблоко. Вы почувствуете, что яблоко давит на ладонь с определенной силой, направленной вниз. Как мы уже знаем, эта сила обусловлена притяжением яблока к Земле.
Следовательно, все тела вследствие притяжения к Земле давит на опору или растягивает подвес. Для характеристики такого действия в физике вводят физическую величину-вес тела.
Силу, с которой тело вследствие притяжения его Землей давит на опору или растягивает подвес, называют весом тела.
Необходимо обратить внимание учеников на то, что сила тяжести определяется как сила, с которой тело притягивается к Земле, а вес — сила, с которой тело под действием силы тяжести действует на опору или растягивает подвес. Эти силы действуют на разные тела: сила тяжести — на само тело, а вес — на подставку или подвес. Если тело неподвижно или движется равномерно, то сила тяжести и вес равны по модулю.
Вес тела обозначают буквой Р. Расчеты показывают, что
вес тела в состоянии покоя равен силе тяжести, действующей на это тело:
Если на столе неподвижно лежит книга массой 500 г, то на эту книгу действует сила тяжести 5 Н, но и вес этой книги также равна 5 Н. Однако это не означает, что вес и сила тяжести — та самая сила. Эти силы существенно отличаются друг от друга.
Во-первых, эти силы приложены к разным телам: сила тяжести приложена к телу, а вес тела — к опоре или подвесу. Во-вторых, эти силы имеют разную физическую природу: сила тяжести — это проявление сил притяжения, действующих на расстоянии, а вес — обычно сила упругости, которая действует при непосредственном контакте.
И, наконец, сила тяжести действует на тело, находящееся вблизи Земли, всегда, а вес тела может при этом равен нулю.
Из телевизионных передач и фильмов мы знаем, что на орбитальной космической станции, движущейся вокруг Земли, тела находятся в состоянии, называемом невесомостью.
Космонавт, как и все остальные тела, может свободно парить на космической станции. В этом случае он не давит на опору и его вес равен нулю.
Состояние, при котором вес тела равен нулю, называют невесомостью.
Для человека невесомость, как правило, сопровождается расстройством вестибулярного аппарата, нервными расстройствами, тошнотой.
Космонавты на орбите находятся в состоянии невесомости длительное время. Чтобы выдержать это состояние, они проходят специальную длительную подготовку.
Если вы хотите ощутить на себе кратковременный состояние невесомости, для этого необязательно записываться в космонавты — достаточно просто подпрыгнуть.
В длительном состоянии невесомости находятся космонавты в космическом корабле, когда его двигатели выключены. При этом космонавты вместе с космическим кораблем движутся под действием только сил притяжения (со стороны Земли, Луны или каких-либо других космических тел).
Вопросы к ученикам в ходе изложения нового материала
Почему камень, брошенный в горизонтальном направлении, не летит прямолинейно?
Что свидетельствует о существовании силы тяжести?
От чего зависит сила тяжести?
При каком условии тело находится в состоянии невесомости?
Где можно наблюдать невесомость?
Закрепление изученного материала
1. Учимся решать задачи
1. Какая сила тяжести действует на мяч массой 400 г?
2. Чему равен вес 2 л керосина?
3. Спортсмен удерживает на вытянутых руках штангу весом 800 Н.
Чему равна масса штанги?
2. Подумай и ответь
1. Обладает ли весом тело, плавающее на поверхности воды?
2. Приходилось ли вам чувствовать (хотя бы кратковременно) состояние невесомости? Если да, то когда именно?
3. Находится в невесомости легкий пух, что весной и летом летает в воздухе?
Масса обозначается символом \(m \), является скалярной величиной и в СИ измеряется в килограммах.
Иногда массу в условии некоторых задач задают в граммах или, например, в тоннах. Чтобы перевести массу в килограммы, используют такие формулы:
\[ \large \boxed < \beginm = \left( \text \right) \cdot 10^ \left( \text\right) \\ m = \left( \text \right) \cdot 10^ \left( \text\right) \\ m = \left( \text \right) \cdot 10^ \left( \text\right) \\ m = \left( \text \right) \cdot 10^ \left( \text\right) \\ \end> \]
- \( \large \text \) – подставьте количество тонн вместо этой скобки;
- \( \large \text \) – вместо этой скобки подставьте количество сотен килограммов;
- \( \large \text \) – подставьте количество граммов вместо этой скобки;
- \( \large \text \) – вместо этой скобки подставьте количество миллиграммов;
От массы зависят инерционные и гравитационные свойства физических тел.
Масса в природе проявляет себя двумя способами. Поэтому, выделяют:
- массу инертную и
- массу гравитационную.
Инертная масса
Масса инертная влияет на способность тела двигаться по инерции. Такая масса используется в формуле второго закона Ньютона.
Гравитационная масса
Гравитационная масса определяет силу, с которой тело притягивается к другим телам. Эта масса используется в формуле закона всемирного тяготения.
Так же, масса входит в формулы для расчета импульса и механической энергии.
Массой обладают все макроскопические тела, а, так же, такие элементарные частицы, как протоны, нейтроны, электроны и т. д. Однако, существуют и частицы, у которых нет массы покоя, например – фотоны.
Примечание: Фотон – элементарная частица, переносчик электромагнитного взаимодействия, движется со скоростью света, часто проявляет волновые свойства. Подробнее о фотонах вы узнаете в основах квантовой физики.
Сила тяжести
Сила тяжести — это сила, с которой Земля притягивает к себе тело.
\(\large \vec>> \left(H\right) \) — сила тяжести, она действует на тело со стороны планеты (или другого крупного небесного тела, например, астероида, или звезды).
\(\large m \left(\text\right) \) — масса тела;
\(\large \vec \left(\frac>>\right) \) — ускорение свободного падения, это не постоянная величина, она может меняться. Читайте подробнее о ускорении свободного падения .
Вес – это сила. Этой силой тело давит на опору, когда опирается на нее, или растягивает подвес, когда на нем висит.
Является векторной величиной и обозначается символом \(\vec \).
\(\vec \left(H\right) \) – вес тела, как любая сила в СИ измеряется в Ньютонах.
Вес отличается от массы. Вес, как и любая сила, измеряется в Ньютонах, а масса измеряется в килограммах.
Когда тело опирается о горизонтальную поверхность, его вес равен по модулю силе реакции опоры по третьему закону Ньютона. Поэтому, в задачах для нахождения веса удобно вычислять силу \(\large \vec\). Как только мы найдем реакцию опоры \(\large \vec\), мы найдем вес тела, давящего на эту опору.
Примечание: Векторы равны по модулю, когда обладают одинаковыми длинами. Так как длина вектора обозначается числом, то физики о равных по модулю векторах сил могут сказать: силы численно равны.
Чем вес отличается от силы тяжести
Вес — это сила, принадлежащая телу. А сила тяжести — это сила, действующая на тело со стороны планеты, или любого другого (крупного) тела.
Что такое невесомость
Подбросим мяч вверх и рассмотрим свободный полет мяча. Пока он в полете, он не давит на опору и не растягивает подвес. Проще говоря, мяч находится в невесомости – то есть, не имеет веса.
Масса есть всегда, а вес может отсутствовать! Как убедимся чуть позже, одна и та же масса может обладать различным весом.
Как изменяется вес тела лифте
Давайте выясним, какой вес имеет тело, находящееся в покоящемся лифте, или в лифте, который будет двигаться вверх или вниз с ускорением, или без него.
Если скорость лифта не изменяется
Сначала рассмотрим покоящийся лифт (рис. 1а), либо движущийся вверх (рис. 1б), или вниз (рис. 1в) с неизменной скоростью.
Рис. 1. Тело опирается на пол в покоящемся – а) лифте, движущемся с одной и той же скоростью верх – б), или вниз – в)
По первому закону Ньютона, когда действие других тел скомпенсировано, тело, не меняющее свою скорость, находится в инерциальной системе отсчета.
Как видно из рисунка, взаимодействуют два объекта: тело и опора. Тело давит своим весом на опору, а опора отвечает телу (рис. 1) силой своей реакции.
Будем записывать для рассмотренных случаев рисунка 1 векторные силовые уравнения:
\[ \large N – m \cdot g = 0 \]
А в этой статье подробно и с объяснениями написано о том, как составлять силовые уравнения (ссылка).
Прибавив к обеим частям уравнения величину \( m \cdot \vec \), получим
\[ \large N = m \cdot g \]
По третьему закону Ньютона, вес тела и реакция опоры направлены противоположно и равны по модулю. Поэтому, найдя силу реакции опоры, мы автоматически находим вес тела.
Воспользуемся тем, что \( \left|\vec \right|= \left|\vec \right|\), получим
То есть, вес тела в покоящемся лифте, или движущемся вверх или вниз с неизменной скоростью, будет равен \( mg \). Если вектор скорости лифта не изменяется ни по направлению, ни по модулю, лифт можно считать инерциальной системой отсчета.
Если скорость лифта изменяется
Теперь выясним, каким весом будет обладать тело в лифте, движущемся с ускорением (рис. 2).
Примечание: Лифт, движущийся с ускорением, не является инерциальной системой отсчета. Читайте подробнее о инерциальных системах.
Запишем силовые уравнения. Для рисунка 2а, уравнение выглядит так:
\[ \large N – m \cdot g = m \cdot a \]
А для рисунка 2б, так:
\[ \large N – m \cdot g = — m \cdot a \]
Прибавим теперь к обеим частям уравнений величину \( m \cdot g \), получим:
\( \large N = m \cdot a + m \cdot g \) – для случая рис. 2а;
\( \large N = — m \cdot a + m \cdot g \) – для рис. 2б;
Вынесем массу за скобки
\( \large N = m \cdot \left( a + g \right) \) – для рис. 2а;
\( \large N = m \cdot \left( -a + g \right) \) – для рис. 2б;
Учтем, что \( \left|\vec \right|= \left|\vec \right|\), окончательно запишем
Для рисунка 2а — движение лифта вверх с ускорением:
Вес тела в движущемся с ускорением вверх лифте, будет равен \( m \cdot \left( g + a \right) \), то есть, превышает величину \( m \cdot g \).
Когда лифт движется вниз с ускорением (рис. 2б), вес тела, наоборот — уменьшается:
Напомним, что вес в покоящемся, или движущемся вверх или вниз с неизменной скоростью лифте, в точности равен \( m \cdot g \).
Вес тела в движущемся вниз с ускорением лифте, равен \( m \cdot \left( g — a \right) \), это меньше величины \( m \cdot g \).
Значит, одна и та же масса может обладать разным весом, мало того, в некоторых случаях вес вообще может отсутствовать. Масса есть всегда, а вес может отсутствовать!
Что такое перегрузка
Когда вес тела больше силы тяжести, говорят, что возникает перегрузка.
\[ \large \boxed < P >m \cdot g >\]
Когда говорят о перегрузке, принято сравнивать ускорение движения вверх с ускорением свободного падения \(\large \vec\).
Например, при движении ракеты с ускорением вверх, космонавт может испытывать перегрузки до 7g. Это значит, что его вес увеличивается в 7 раз.
Подобным образом мы испытываем перегрузки в самолете во время взлета — эти перегрузки вдавливают нас в кресло. Правда, эти перегрузки значительно меньше, чем перегрузки летчиков — спортсменов, или военных, летчиков — космонавтов. Представители этих профессий тренируют свое тело для того, чтобы перегрузки легче переносить.
Подведем итоги
\(P = m \cdot g \) — вес тела в покоящемся или движущемся вверх или вниз с постоянной скоростью лифте.
\( P = m \cdot \left( g + a \right) \) — вес, когда лифт движется с ускорением вверх;
\( P = m \cdot \left( g — a \right) \) — вес в движущемся вниз с ускорением;
Если ускорение лифта при его движении вниз \( a = g \), наступит невесомость, вес тела исчезнет \( P = 0 \).
Код ОГЭ 1.13. Всемирное тяготение. Закон всемирного тяготения. Сила тяжести. Ускорение свободного падения. Формула для вычисления силы тяжести вблизи поверхности Земли. F = mg. Искусственные спутники Земли.
Закон всемирного тяготения не объясняет причин тяготения, а только устанавливает количественные закономерности.
Закон всемирного тяготения (И. Ньютон, 1667 г.): Тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению масс этих тел и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними: , где F – сила тяготения, m1 и m2 – массы взаимодействующих тел, r – расстояние между телами (центрами масс), G – гравитационная постоянная .
Закон справедлив для: 1) материальных точек; 2) однородных шаров и сфер; 3) концентрических тел.
Физический смысл гравитационной постоянной G: гравитационная постоянная G численно равна модулю силы тяготения, действующей между двумя точечными телами массой по 1 кг каждое, находящимися на расстоянии 1 м друг от друга.
Гравитационная постоянная G очень мала, и гравитационное взаимодействие существенно только при больших массах взаимодействующих тел.
Внимание! Силы притяжения – центральные. В соответствии с третьим законом Ньютона: .
Сила тяжести – частный случай силы всемирного тяготения. Рассмотрим взаимодействие планеты и тела (по сравнению с планетой тело можно считать материальной точкой).
Изображённая на рисунке сила F12 – сила притяжения тела к планете, которая и называется силой тяжести .
Применительно к ней формулу закона всемирного тяготения можно записать так: , где m – масса тела, М – масса планеты, г –расстояние между телом и центром планеты, g – ускорение свободного падения. Тогда для ускорения свободного падения получаем: . Если обозначить через R радиус планеты, а через h –расстояние до тела от поверхности планеты, то
Сила тяжести и ускорение свободного падения направлены к центру масс планеты (перпендикулярно сферической поверхности планеты в данной точке).
Ускорение, сообщаемое телу силой тяжести (ускорение свободного падения), зависит от:
- массы планеты;
- радиуса планеты;
- высоты над поверхностью планеты;
- географической широты (на Земле на полюсах g ~ 9,83 м/с 2 , на экваторе g ~ 9,79 м/с 2 );
- наличия полезных ископаемых.
Внимание! Ускорение силы тяжести (свободного падения) не зависит от массы и других параметров тела!
Внимание! При решении задач ускорение силы тяжести (свободного падения) принимается равным 10 м/с 2 .
Читайте также: