Розв’язування задач з теми «Закон Всесвітнього тяжіння. Космічні швидкості. Закони Кеплера»
Матеріал
Урок 62. Розв’язування задач з теми «Закон Всесвітнього тяжіння. Космічні швидкості. Закони Кеплера»
Мета уроку: сформувати в учнів цілісне розуміння закону Всесвітнього тяжіння, космічних швидкостей та законів Кеплера, навчити застосовувати їх у розв’язуванні тестових і розрахункових задач.
Очікувані результати для вчителя:
Очікувані результати для учнівства:
Ключові слова:
- закон Всесвітнього тяжіння
- маса тіла
- гравітаційна стала
- сила тяжіння
- прискорення вільного падіння
- космічні швидкості
- закони Кеплера
План уроку:
- Мотиваційна частина
- Теоретичний блок
- Практичний блок
- Попрактикуймо самостійно
- Рефлексія
Дружня порада вчителю
Тривалість — до 3 хв.
До уроку можна добрати 2-3 питання за класом і рівнем підготовки.
Вони пробуджують інтерес і допитливість, активують критичне мислення через реальні приклади та актуальні ситуації.
Ці питання можна використати як вхідне опитування або «гарячу дискусію» в парах.
Проблемне питання
- Як Земля утримує супутники на орбіті?
- Чому планети рухаються по еліптичних орбітах, а не по колах?
- Що буде з космічним кораблем, якщо він перевищить другу космічну швидкість?
- Чому ми важимо менше на Місяці, ніж на Землі?
- Чому існує обмеження швидкості для виходу з гравітаційного поля планети?
- Чому різні планети мають різну першу космічну швидкість?
- Як закони Кеплера допомагають передбачати рух комет?
- Що буде, якщо змінити масу супутника?
- Як впливає гравітація на час руху супутника навколо планети?
- Що станеться з рухом планети, якщо раптово зміниться маса Сонця?
Відповідь:
- Земля утримує супутники на орбіті завдяки гравітаційній силі, яка притягує їх до центру планети. Одночасно супутники мають достатню орбітальну швидкість, щоб не падати на Землю, а рухатися по кривій траєкторії навколо неї.
- Через взаємодію гравітаційних сил і початкові умови руху планет їхні орбіти приймають еліптичну форму, яка є природною траєкторією тіл, а не ідеальним колом.
- Якщо корабель перевищить другу космічну швидкість, він вийде з гравітаційного поля планети і продовжить рухатися у відкритому космосі, більше не повертаючись на орбіту чи на Землю.
- У Місяця менша маса і слабше гравітаційне поле, тому сила тяжіння, яка діє на тіло, і вага людини на поверхні менша.
- Щоб покинути гравітаційне поле планети, тілу необхідно набрати мінімальну швидкість, відому як друга космічна, яка забезпечує, що гравітація не зупинить його рух і воно не повернеться на планету.
- Перша космічна швидкість залежить від маси та радіуса планети: чим більша маса або менший радіус, тим сильніше поле тяжіння і тим більшу швидкість потрібно розвинути.
- Закони Кеплера дозволяють визначати форму орбіти комети, її період обертання навколо Сонця та швидкість у різних точках орбіти, що дає змогу прогнозувати, коли і де комета буде спостережувана з Землі.
- Зміна маси супутника майже не впливає на його орбітальну швидкість чи форму орбіти, оскільки гравітаційна сила і рух по орбіті залежать переважно від маси планети та відстані до неї.
- Гравітація визначає доцентрове прискорення супутника: сильніше поле або менша відстань до планети зменшують період обертання, а слабше поле або більша висота – збільшують його.
- Якщо маса Сонця зміниться, сила тяжіння на планети зміниться, що призведе до зміни швидкості руху, форми орбіти або навіть до виходу планети з колишньої орбіти, оскільки рівновага між гравітацією і рухом буде порушена.
Посилання на відео джерела:
Відео
Відео
Дружня порада вчителю
Тривалість — до 5 хв.
Нагадайте учням основну теорію та розрахункові формули
- Закон Всесвітнього тяжіння:
(1) ![]()
де F – сила гравітаційної взаємодії, Н, G – гравітаційна стала, Н×м2/ кг2, m1, m2 – маса тіл, кг, R – відстань між тілами, м.
Гравітаційна стала:
(2) ![]()
- Перша космічна швидкість:
(3) ![]()
або
(4) ![]()
Для Землі
- Друга космічна швидкість:
(5) ![]()
або
(6) ![]()
де M – маса планети, м, R – відстань від центра планети до тіла (радіус орбіти), м, G – гравітаційна стала, Н×м2кг2, g – прискорення вільного падіння, м/с².
Для Землі
- Третя космічна швидкість:
- Перший закон Кеплера:
«Кожна планета рухається по еліптичній орбіті, в одному з фокусів якої знаходиться Сонце».
- Другий закон Кеплера:
«Радіус-вектор планети за однакові проміжки часу описує однакові площі»:
(7) ![]()
- Третій закон Кеплера:
(8) ![]()
де T1, T2 – періоди обертання першої та другої планети у роках або секундах, a1, a2 – великі піввісь орбіт першої та другої планети у астрономічних одиницях або метрах.
Дружня порада вчителю
Тривалість — до 30 хв.
Завдання з вибором правильної відповіді
Завдання № 1
Супутник рухається навколо Землі на малій висоті. Яка швидкість потрібна, щоб утримувати його на «круговій» орбіті?
- А) 7,9 км/с;
- Б) 7,9 м/с;
- В) 11,2 км/с;
- Г) 42,1 км/с.
Відповідь: А) 7,9 км/с
Завдання № 2
Який закон Кеплера пояснює, що планета рухається швидше, коли ближче до Сонця?
- А) Перший;
- Б) Другий;
- В) Третій;
- Г) Жоден.
Відповідь: Б) Другий
Завдання № 3
Велика піввісь другої планети в 4 рази більша, ніж у першої. У скільки разів довший її період обертання?
- А) 2;
- Б) 4;
- В) 8;
- Г) 16
Відповідь: В) 8
Завдання № 4
Прискорення вільного падіння на планеті визначається за формулою:
(9) ![]()
(10) ![]()
(11) ![]()
(12) ![]()
Відповідь: Г
(13) ![]()
Розрахункові задачі
Завдання № 5
Супутник масою 500 кг рухається на орбіті Землі радіусом 7*106 м. Обчисліть швидкість руху супутника. Маса Землі 5,97*1024 кг

Відповідь:
(14) ![]()
M = 5,97×1024 кг – маса Землі,
R=7×106 м – радіус Землі,
G=6,67×10-11(Н×м2)/кг2– гравітаційна стала;

Завдання № 6
Чому дорівнює прискорення вільного падіння на висоті, що дорівнює трьом радіусам Землі? Маса Землі 5,97×1024 кг, а радіус 6,4×106 м.

Відповідь:
(15) ![]()
M = 5,97×1024 кг – маса Землі,
R=6,4×106 м – радіус Землі,
G=6,67×10-11(Н×м2)/кг2– гравітаційна стала;
h=3R – висота.
(16) ![]()
(17) ![]()
(18) ![]()

Завдання № 7
Визначте прискорення вільного падіння на поверхні планети, якщо її маса 1,9×1027 кг, а радіус 6,9×106 м.

Відповідь:
(19) ![]()
M = 1,9×1027 кг – маса планети,
R=6,9×106 м – радіус планети,
G=6,67×10-11(Н×м2)/кг2– гравітаційна стала.

Завдання № 8
Комета рухається навколо Сонця по еліптичній орбіті, велика піввісь якої a = 27 астрономічних одиниць. Визначте період її обертання навколо Сонця. (1 а.о. =1,496×1011 м – середня відстань від Землі до Сонця).

Відповідь:
(20) ![]()
a1=27 а.о. – велика піввісь орбіти комети;
a2=1 а.о. – велика піввісь орбіти Землі (через майже кругову орбіту приблизно дорівнює середній відстані від Землі до Сонця);
T2= 1 рік – період обертання Землі навколо сонця.
(21) ![]()
(22) 

Завдання № 9
Установлення відповідності
Установіть відповідність між фізичною величиною (1-4) та формулою (А-Г), що їй відповідає:
- Сила тяжіння між двома тілами
- Прискорення вільного падіння на поверхні планети
- Перша космічна швидкість
- Друга космічна швидкість
Відповідь: 1 – В 2 – Г 3 – А 4 – Б
Завдання № 10
Установіть відповідність між фізичною величиною (1-3) та зміною її значення (А-В):
- Висота супутника збільшилася в 4 рази
- Маса планети зменшилась у 9 разів, радіус залишився той самий
- Відстань між двома тілами на орбіті зросла в 3 рази
- А Прискорення вільного падіння зменшиться у 9 разів
- Б Орбітальний період супутника збільшиться у 8 разів
- В Сила тяжіння зменшиться у 9 разів
Відповідь: 1 – Б 2 – А 3 – В
Дружня порада вчителю
Тривалість — до 5 хв.
Ситуація:
Малий супутник зв’язку масою 800 кг виводять на кругову низьку орбіту на висоті 300 км над поверхнею Землі. Маса Землі
5,97*1024 кг, а радіус 6,4*106 м.
Рівень А
- Яке прискорення вільного падіння на висоті 300 км над поверхнею Землі?

Відповідь:
- Прискорення вільного падіння:
(27) ![]()
M = 5,97×1024 кг – маса Землі;
R=6,4×106 м – радіус Землі;
G=6,67×10-11(Н×м2)/ кг2– гравітаційна стала;
h=300 км = 3×105 м – висота над поверхнею Землі.

Рівень В
- Яка перша космічна швидкість (швидкість супутника для кругової орбіти) на цій висоті?

Відповідь:
- Швидкість супутника для кругової орбіти:
(28) ![]()

Рівень С
- Обчисліть довжину шляху, який він пройде за один повний оберт.

Відповідь:
- Шлях при одному повному оберті (довжина кола):
(29) ![]()
L=2×3,14×(6,4×106 м +3×105 м)=4,2×107 м
Дружня порада вчителю
Тривалість до 2 хв.
Заохочуйте учнів бути чесними та відвертими у своїх роздумах
- Що сьогодні було для мене легким?
⬜ Розраховувати прискорення вільного падіння на висоті
⬜ Знаходити першу космічну швидкість
⬜ Аналізувати взаємодію гравітаційної сили та руху
- Що виявилось складним?
⬜ Визначити точну висоту орбіти для розрахунків
⬜ Пам’ятати формули для різних космічних швидкостей
⬜ Розуміти різницю між першою та другою космічною швидкістю
- Як я працював(ла)?
⬜ Усе розв’язав(ла) самостійно
⬜ Потребував(ла) підказки вчителя / однокласника
⬜ Не зрозумів(ла) частину завдань
⬜ Працював(ла) уважно та впевнено
- Оціни свою роботу (1-5): _____
Дружня порада вчителю
Запропонуйте учням творче завдання у стилі компетентнісного підходу з акцентом на життєвий досвід учня
Створи власну фізичну задачу на гравітаційну взаємодію тіл, рух природних чи штучних супутників, космічних апаратів тощо.
Інструкція:
- Опиши реальну або уявну ситуацію, де можна спостерігати дію закону Всесвітнього тяжіння, законів Кеплера чи реалізацію космічних швидкостей.
- Сформулюй питання до ситуації (що треба знайти).
- За бажанням – розв’яжи свою задачу.

Урок 62. Розв’язування задач з теми «Закон Всесвітнього тяжіння. Космічні швидкості. Закони Кеплера»
Робочий аркуш учнівства
Мета уроку: сформувати в учнів цілісне розуміння закону Всесвітнього тяжіння, космічних швидкостей та законів Кеплера, навчити застосовувати їх у розв’язуванні тестових і розрахункових задач.
Очікувані результати для учнівства:
Ключові слова:
- закон Всесвітнього тяжіння
- маса тіла
- гравітаційна стала
- сила тяжіння
- прискорення вільного падіння
- космічні швидкості
- закони Кеплера
План уроку:
- Мотиваційна частина
- Теоретичний блок
- Практичний блок
- Попрактикуймо самостійно
- Рефлексія
Проблемне питання
- Як Земля утримує супутники на орбіті?
- Чому планети рухаються по еліптичних орбітах, а не по колах?
- Що буде з космічним кораблем, якщо він перевищить другу космічну швидкість?
- Чому ми важимо менше на Місяці, ніж на Землі?
- Чому існує обмеження швидкості для виходу з гравітаційного поля планети?
- Чому різні планети мають різну першу космічну швидкість?
- Як закони Кеплера допомагають передбачати рух комет?
- Що буде, якщо змінити масу супутника?
- Як впливає гравітація на час руху супутника навколо планети?
- Що станеться з рухом планети, якщо раптово зміниться маса Сонця?
Посилання на відео джерела:
Відео
Відео
- Закон Всесвітнього тяжіння:
(30) ![]()
де F – сила гравітаційної взаємодії, Н, G – гравітаційна стала, Н×м2/ кг2, m1, m2 – маса тіл, кг, R – відстань між тілами, м.
Гравітаційна стала:
(31) ![]()
- Перша космічна швидкість:
(32) ![]()
або
(33) ![]()
Для Землі
- Друга космічна швидкість:
(34) ![]()
або
(35) ![]()
де M – маса планети, м, R – відстань від центра планети до тіла (радіус орбіти), м, G – гравітаційна стала, Н×м2кг2, g – прискорення вільного падіння, м/с².
Для Землі
- Третя космічна швидкість:
- Перший закон Кеплера:
«Кожна планета рухається по еліптичній орбіті, в одному з фокусів якої знаходиться Сонце».
- Другий закон Кеплера:
«Радіус-вектор планети за однакові проміжки часу описує однакові площі»:
(36) ![]()
- Третій закон Кеплера:
(37) ![]()
де T1, T2 – періоди обертання першої та другої планети у роках або секундах, a1, a2 – великі піввісь орбіт першої та другої планети у астрономічних одиницях або метрах.
Завдання з вибором правильної відповіді
Завдання № 1
Супутник рухається навколо Землі на малій висоті. Яка швидкість потрібна, щоб утримувати його на «круговій» орбіті?
- А) 7,9 км/с;
- Б) 7,9 м/с;
- В) 11,2 км/с;
- Г) 42,1 км/с.
Завдання № 2
Який закон Кеплера пояснює, що планета рухається швидше, коли ближче до Сонця?
- А) Перший;
- Б) Другий;
- В) Третій;
- Г) Жоден.
Завдання № 3
Велика піввісь другої планети в 4 рази більша, ніж у першої. У скільки разів довший її період обертання?
- А) 2;
- Б) 4;
- В) 8;
- Г) 16
Завдання № 4
Прискорення вільного падіння на планеті визначається за формулою:
(38) ![]()
(39) ![]()
(40) ![]()
(41) ![]()
Розрахункові задачі
Завдання № 5
Супутник масою 500 кг рухається на орбіті Землі радіусом 7*106 м. Обчисліть швидкість руху супутника. Маса Землі 5,97*1024 кг

Завдання № 6
Чому дорівнює прискорення вільного падіння на висоті, що дорівнює трьом радіусам Землі? Маса Землі 5,97*1024 кг, а радіус 6,4*106 м.

Завдання № 7
Визначте прискорення вільного падіння на поверхні планети, якщо її маса 1,9*1027 кг, а радіус 6,9*106 м.

Завдання № 8
Комета рухається навколо Сонця по еліптичній орбіті, велика піввісь якої a = 27 астрономічних одиниць. Визначте період її обертання навколо Сонця. (1 а.о. =1,4961011 м – середня відстань від Землі до Сонця).

Завдання № 9
Установлення відповідності
Установіть відповідність між фізичною величиною (1-4) та формулою (А-Г), що їй відповідає:
- Сила тяжіння між двома тілами
- Прискорення вільного падіння на поверхні планети
- Перша космічна швидкість
- Друга космічна швидкість
Завдання № 10
Установіть відповідність між фізичною величиною (1-3) та зміною її значення (А-В):
- Висота супутника збільшилася в 4 рази
- Маса планети зменшилась у 9 разів, радіус залишився той самий
- Відстань між двома тілами на орбіті зросла в 3 рази
- А Прискорення вільного падіння зменшиться у 9 разів
- Б Орбітальний період супутника збільшиться у 8 разів
- В Сила тяжіння зменшиться у 9 разів
Ситуація:
Малий супутник зв’язку масою 800 кг виводять на кругову низьку орбіту на висоті 300 км над поверхнею Землі. Маса Землі
5,97*1024 кг, а радіус 6,4*106 м.
Рівень А
- Яке прискорення вільного падіння на висоті 300 км над поверхнею Землі?

Рівень В
- Яка перша космічна швидкість (швидкість супутника для кругової орбіти) на цій висоті?

Рівень С
- Обчисліть довжину шляху, який він пройде за один повний оберт.

- Що сьогодні було для мене легким?
⬜ Розраховувати прискорення вільного падіння на висоті
⬜ Знаходити першу космічну швидкість
⬜ Аналізувати взаємодію гравітаційної сили та руху
- Що виявилось складним?
⬜ Визначити точну висоту орбіти для розрахунків
⬜ Пам’ятати формули для різних космічних швидкостей
⬜ Розуміти різницю між першою та другою космічною швидкістю
- Як я працював(ла)?
⬜ Усе розв’язав(ла) самостійно
⬜ Потребував(ла) підказки вчителя / однокласника
⬜ Не зрозумів(ла) частину завдань
⬜ Працював(ла) уважно та впевнено
- Оціни свою роботу (1-5): _____
Створи власну фізичну задачу на гравітаційну взаємодію тіл, рух природних чи штучних супутників, космічних апаратів тощо.
Інструкція:
- Опиши реальну або уявну ситуацію, де можна спостерігати дію закону Всесвітнього тяжіння, законів Кеплера чи реалізацію космічних швидкостей.
- Сформулюй питання до ситуації (що треба знайти).
- За бажанням – розв’яжи свою задачу.

Ділись та обговорюй важливе