Урок №219. Вага, перевантаження та невагомість: фізика у просторі.
Очікувані результати навчання:
формулює самостійно або у співпраці з іншими проблему дослідження [12 ПРО 1.1.1]
створює і аналізує самостійно або у співпраці з іншими моделі об’єктів і явищ, які необхідно дослідити [12 ПРО 1.4.1]
здійснює самостійно або у співпраці з іншими дослідження, фіксує результати [12 ПРО 1.4.2]
формулює самостійно або у співпраці з іншими висновки за результатами досліджень та обґрунтовує їх [12 ПРО 1.5.2]
планує, здійснює пошук, опрацьовує, порівнює, аналізує, оцінює самостійно або у співпраці з іншими надійність джерел і достовірність інформації для розв’язання життєвої/навчальної проблеми [12 ПРО 2.1.1]
порівнює, аналізує самостійно або у співпраці з іншими природні і техногенні об’єкти, явища і процеси на основі наукових методів пізнання та законів природи [12 ПРО 3.1.1]
оцінює самостійно або у співпраці з іншими значення природничих наук, техніки і технологій для суспільного прогресу і сталого розвитку [12 ПРО 3.4.1]
застосовує самостійно або у співпраці з іншими наукове знання і власний досвід для розв’язання життєвої/ навчальної проблеми [12 ПРО 4.3.2]
Мета уроку:
формувати розуміння поняття сили тяжіння, ваги тіла та відмінності між масою і вагою;
пояснити умови, за яких вага тіла змінюється, виникають стани перевантаження та невагомості, а також розкрити сутність явища мікрогравітації.
Цілі сталого розвитку:
Які цілі сталого розвитку опрацьовуємо на уроці:
ЦСР 9: Промисловість, інновації та інфраструктура
ЦСР 12: Відповідальне споживання та виробництво
ЦСР 17: Партнерство заради сталого розвитку
Ключові слова: астрономічна одиниця, світловий рік, зорі, сузір’я, змінні зорі, небесна сфера, зеніт, надир, математичний горизонт, коло висоти, вісь світу, полюси світу, Полярна зоря, небесний екватор, точки сходу та заходу, небесний меридіан, полуденна лінія, екліптика, зоряна карта, зимовий трикутник, літній трикутник, рух Землі, циркумполярні сузір’я.
План уроку:
Мотивація
Теоретичний блок
Практична частина
Попрактикуй самостійно
Рефлексія
Очікувані результатидля учнівства:
розуміє поняття сили тяжіння, невагомості, перевантаження та мікрогравітації
пояснює зміни ваги тіла під час руху з прискоренням
навчиться обчислювати вагу тіла на різних планетах
наводить приклади ситуацій, де можна відчути перезруз або невагомість
Очікувані результатидля вчителя:
учні розуміють поняття сили тяжіння, невагомості, перевантаження та мікрогравітації
учні пояснюють зміни ваги тіла під час руху з прискоренням
учні навчаться обчислювати вагу тіла на різних планетах
учні наводять приклади ситуацій, де можна відчути перезруз або невагомість
Тривалість: до 7 хв. Почніть із чіткого розмежування понять «маса» та «вага». Поясніть, що вага залежить від умов (стан спокою, прискорення), а маса — ні. Попросіть учнів пояснити різницю між F (сила тяжіння) і P (вага). Сконцентруйте увагу на залежності ваги від прискорення. Поясніть фізичний сенс поняття «перевантаження» та «невагомість», пов’язавши їх із формулою P=m(g±a). Чітко поясніть різницю між «невагомістю» та «мікрогравітацією».
На Землі ми постійно відчуваємо, що нас «тягне вниз». Завдяки цьому ми можемо стояти на поверхні, ходити, бігати і навіть утримувати предмети в руках.
1. Сила тяжіння Сила тяжіння – це сила, з якою Земля притягує до себе всі тіла.
Ця сила завжди напрямлена вертикально вниз – до центру Землі.
Позначається як Fтяж і визначається за формулою:
Fтяж=m⋅g
де m – маса тіла (кг), g ≈ 9,8 м/с² – прискорення вільного падіння.
2. Вага тіла Вага – це сила, з якою тіло тисне на опору або розтягує підвіс під дією сили тяжіння.
Якщо тіло перебуває у стані спокою або рухається рівномірно та прямолінійно, його вага дорівнює силі тяжіння:
P=m⋅g,
Зміна ваги тіла при русі з прискоренням
Якщо тіло рухається з прискоренням a, вага змінюється. Для руху у вертикальному напрямку:
При русі вгору з прискоренням a:
P=m⋅(g+a).
Вага збільшується (стан перевантаження). Перевантаження – це збільшення ваги тіла. Коефіцієнт перевантаження:
При русі вниз з прискоренням a (a < g):
P=m⋅(g−a).
Вага зменшується. При вільному падінні (a = g):
P=0.
Настає стан невагомості. Стан невагомості – це стан тіла, за якого вага тіла дорівнює нулю.
3. Мікрогравітація — стан, у якому прискорення, викликане гравітацією, вкрай незначне, сама сила гравітації не змінюється. Існують три способи досягти цього стану — такі ж, як і для досягнення невагомості:
Віддалення тіла досить далеко у відкритий космос для ослаблення гравітаційного впливу інших тіл;
Падіння тіла;
Обертання тіла навколо планети.
3. Практичний блок:
Дружня порада вчителю
Почніть із запитання: «Хто сьогодні їздив на ліфті? Що ви відчули, коли ліфт почав рухатися вгору або вниз?» Попросіть кількох учнів описати свої відчуття. Це допоможе створити асоціацію з фізичними процесами.
Кожному з вас неодноразово доводилося їздити на ліфті, а хтось користується ним щодня. Перші безпечні ліфти з’явилися в середині XIX століття завдяки винаходу Еліши Отіса. Під час поїздки ліфт не завжди рухається рівномірно — на початку та в кінці його руху кабіна ліфту або прискорюється або уповільнюється (середнє значення складає приблизно 0,75 м/с2). Саме в ці моменти змінюється сила, з якою ми тиснемо на підлогу, і відповідно змінюються наші відчуття (рис.2).
Можливі варіанти відповідей на питання: 1. Під час початку руху ліфта вгору з’являється відчуття, ніби тіло стає важчим (ніби притискає до підлоги)— це пов’язано зі збільшенням сили, з якою тіло тисне на підлогу через додаткове прискорення. 2. У цей момент вага стає більшою, ніж у стані спокою, оскільки розраховується за формулою P=m(g+a). 3. На початку руху вниз виникає відчуття полегшення (ніби трохи відриваєшся від підлоги), ніби тіло стає легшим — це викликано зменшенням сили реакції опори. 4. У цьому випадку вага зменшується, оскільки визначається за формулою P=m(g−a). 5. Під час рівномірного руху вага залишається незмінною, бо прискорення відсутнє і діє лише сила тяжіння. Покази ваг змінюються саме в моменти прискорення чи гальмування ліфта.
Завдання №2
Космічний корабель Crew Dragon запускається ракетою Falcon 9, яка за перші дві хвилини піднімає його на висоту понад 80 км (рис.4). У цей час прискорення зростає до 3g. Підйом на орбіту триває близько 8,5 хвилин, і за цей час ракета набирає швидкість понад 27000 км/год. Після відділення другої ступені двигуни вимикаються, і корабель виходить на орбіту навколо Землі, де екіпаж переходить у стан невагомості.
Якою стане твоя вага під час руху в цій ракеті з заданим прискоренням?
Як астронавти розуміють, що ракета рухається з прискоренням
Як космонавти визначають, що фаза прискорення закінчилася?
Чому під час старту ракети астронавти займають положення «напівлежачи» (рис.5)?
Можливі варіанти відповідей на питання:
Під час прискорення 3g вага збільшується утричі порівняно зі звичайною. Наприклад, людина масою 70 кг відчуватиме вагу приблизно P=70⋅3⋅9,8=2058 Н.
Вони відчувають сильніший тиск тіла на крісло та збільшене навантаження на м’язи і внутрішні органи, що є результатом дії перевантаження.
Закінчення прискорення помітне через раптове зникнення підвищеного тиску на тіло: вага стає рівною нулю, і все всередині корабля починає плавати в стані невагомості.
Така поза рівномірно розподіляє навантаження на тіло та полегшує роботу серця і кровоносної системи під час дії значних перевантажень.
5. Які тренування на Землі дозволяють підготувати організм до перевантажень і невагомості? Можливі варіанти відповідей на питання: Тренування для адаптації до перевантажень:
Центрифуга– спеціальний тренажер, що обертається з високою швидкістю, створюючи перевантаження (до 8–9g). Астронавти вчаться правильно дихати та напружувати м’язи, щоб уникнути втрати свідомості
Силові вправи та кардіотренування – для зміцнення серцево-судинної системи та м’язів, щоб краще витримувати тиск на органи під час 3–5g.
Симулятори польоту – крісла та капсули, що імітують вібрацію та прискорення під час старту ракети.
Тренування для адаптації до невагомості:
Параболічні польоти – спеціальні літаки виконують політ за параболою, під час якого пасажири 20–25 секунд перебувають у стані невагомості.
Тренування у гідролабораторії – занурення у великі басейни з макетами космічних модулів (наприклад, басейн NASA Neutral Buoyancy Laboratory). У воді досягається ефект майже повної нейтральної плавучості, що нагадує роботу в космосі.
Системи підвісів та тросів – наземні тренажери, що «знімають» частину ваги людини, дозволяючи імітувати роботу у стані мікрогравітації.
Завдання №3
Гравітація Землі притягує об’єкти вниз, до поверхні. Гравітація також притягує космічну станцію. В результаті вона постійно падає до поверхні Землі. (МКС) обертається навколо Землі на висоті приблизно 400 км, роблячи один оберт за близько 90 хвилин (рис.6).
Чому космічна станція, яка падає під дією гравітації, не досягає поверхні Землі, а залишається на орбіті?
Як можна пояснити рух Місяця навколо Землі за аналогією з космічним кораблем?
Яке значення має орбітальна швидкість для руху космічного корабля?
Чи могла б Міжнародна космічна станція рухатися повільніше та залишатися на орбіті?
Чому на борту Міжнародної космічної станції кажуть, що панує стан мікрогравітації, хоча сила тяжіння Землі там майже така ж, як на поверхні?
Можливі варіанти відповідей на питання:
Станція рухається з такою великою швидкістю по дотичній, що крива її падіння збігається з кривизною Землі, і вона постійно «промахується» повз поверхню, залишаючись на орбіті.
Місяць так само утримується гравітацією та рухається зі швидкістю, яка компенсує його падіння, тому він обертається навколо Землі замість того, щоб впасти на неї.
Орбітальна швидкість визначає баланс між притяганням планети та рухом по колу; якщо вона менша за потрібну, об’єкт впаде, якщо більша — залишить орбіту.
Зменшення швидкості призвело б до зниження орбіти та поступового входження станції в атмосферу, тому рух повільніше без втрати орбіти неможливий.
Тіла на борту разом із станцією перебувають у стані вільного падіння, тож не тиснуть на опору, хоча гравітаційне поле Землі там усе ще сильне.
Завдання №4
Мікрогравітацію ми можемо відчути не лише на Міжнародній космічній станції. Для цього використовують спеціальні літаки, що виконують політ за параболічною траєкторією. Під час підйому та різкого зниження літак створює умови, за яких пасажири відчувають короткий стан невагомості. Такий політ триває лише кілька десятків секунд, але цього достатньо, щоб відчути ефект «падіння без падіння». Подібні польоти використовують для навчання космонавтів та проведення наукових експериментів (рис.7).
Чи легко змінити положення (перевернути) людину в стані невагомості всередині літака, якщо її маса велика (рис.8)? Чому?
Які ще існують способи відчути стан невагомості та перегрузу не покидаючи нашу планету?
Можливі варіанти відповідей на питання:
Перевантаження виникає на етапах підйому та вирівнювання після пікірування (зони 1,8g на схемі), коли до звичайної сили тяжіння додається додаткове прискорення літака. Стан невагомості настає у верхній частині траєкторії (зона 0g на схемі), коли літак і пасажири всередині нього рухаються з однаковим прискоренням вільного падіння
Параболічний маневр дозволяє створити короткочасний стан вільного падіння всередині літака,
Пасажир продовжить рухатися з тією ж швидкістю, що й літак, і буде плавати відносно його стін,
У фазі розгону вага збільшується за формулою P=m(g+a), у фазі невагомості дорівнює нулю, а при виході з пікірування знову збільшується P=m(g+a)
Змінити положення легко, оскільки маса невагомості не зменшується, але сила тяжіння не діє, і рухи не потребують значних зусиль,
До таких способів належать тренування на центрифугах, польоти на атракціонах із сильним прискоренням, гідролабораторії з ефектом нейтральної плавучості, системи підвісів та віртуальні тренажери.
4. Попрактикуймо самостійно
Дружня порада вчителю
Тривалість: до 12 хв.
На різних планетах прискорення вільного падіння різне (табл.1), (рис.8).
Якою буде твоя вага у стані спокою на Нептуні? Меркурії?
У скільки разів твоя вага на Юпітері більша ніж на Землі? (у стані спокою)
У скільки разів твоя вага на Землі більша ніж на Марсі (у стані спокою)?
Якщо на планеті Земля ти можеш стрибнути на висоту 75 см. На які висоту ти зможеш стрибнути на Меркурії? Нептуні?
На Землі в ліфті, що рухається з прискоренням a=0,8 м/с² вгору, людина масою 70 кг відчуває збільшення ваги. Якою буде її вага в аналогічному ліфті на Марсі та на Нептуні?
Що впливає на відмінність значення прискорення вільного падіння на різних планетах?
Рівень А:№1,2 Рівень В: №1,2,3,4 Рівень С: №1,2,3,4,5,6
Рефлексія:
Дружня порада вчителю
Тривалість: до 3 хв.
Закінчи речення: Найбільше мене здивувало, що… Якби я потрапив у стан невагомості, я б спробував…
Урок №219. Вага, перевантаження та невагомість: фізика у просторі.
Очікувані результати навчання:
Мета уроку:
формувати розуміння поняття сили тяжіння, ваги тіла та відмінності між масою і вагою;
пояснити умови, за яких вага тіла змінюється, виникають стани перевантаження та невагомості, а також розкрити сутність явища мікрогравітації.
Цілі сталого розвитку:
Які цілі сталого розвитку опрацьовуємо на уроці:
ЦСР 9: Промисловість, інновації та інфраструктура
ЦСР 12: Відповідальне споживання та виробництво
ЦСР 17: Партнерство заради сталого розвитку
Ключові слова: астрономічна одиниця, світловий рік, зорі, сузір’я, змінні зорі, небесна сфера, зеніт, надир, математичний горизонт, коло висоти, вісь світу, полюси світу, Полярна зоря, небесний екватор, точки сходу та заходу, небесний меридіан, полуденна лінія, екліптика, зоряна карта, зимовий трикутник, літній трикутник, рух Землі, циркумполярні сузір’я.
План уроку:
Мотивація
Теоретичний блок
Практична частина
Попрактикуй самостійно
Рефлексія
Очікувані результатидля учнівства:
розуміє поняття сили тяжіння, невагомості, перевантаження та мікрогравітації
пояснює зміни ваги тіла під час руху з прискоренням
навчиться обчислювати вагу тіла на різних планетах
наводить приклади ситуацій, де можна відчути перезруз або невагомість
На Землі ми постійно відчуваємо, що нас «тягне вниз». Завдяки цьому ми можемо стояти на поверхні, ходити, бігати і навіть утримувати предмети в руках.
1. Сила тяжіння Сила тяжіння – це сила, з якою Земля притягує до себе всі тіла.
Ця сила завжди напрямлена вертикально вниз – до центру Землі.
Позначається як Fтяж і визначається за формулою:
Fтяж=m⋅g
де m – маса тіла (кг), g ≈ 9,8 м/с² – прискорення вільного падіння.
2. Вага тіла Вага – це сила, з якою тіло тисне на опору або розтягує підвіс під дією сили тяжіння.
Якщо тіло перебуває у стані спокою або рухається рівномірно та прямолінійно, його вага дорівнює силі тяжіння:
P=m⋅g,
Зміна ваги тіла при русі з прискоренням
Якщо тіло рухається з прискоренням a, вага змінюється. Для руху у вертикальному напрямку:
При русі вгору з прискоренням a:
P=m⋅(g+a).
Вага збільшується (стан перевантаження). Перевантаження – це збільшення ваги тіла. Коефіцієнт перевантаження:
При русі вниз з прискоренням a (a < g):
P=m⋅(g−a).
Вага зменшується. При вільному падінні (a = g):
P=0.
Настає стан невагомості. Стан невагомості – це стан тіла, за якого вага тіла дорівнює нулю.
3. Мікрогравітація — стан, у якому прискорення, викликане гравітацією, вкрай незначне, сама сила гравітації не змінюється. Існують три способи досягти цього стану — такі ж, як і для досягнення невагомості:
Віддалення тіла досить далеко у відкритий космос для ослаблення гравітаційного впливу інших тіл;
Падіння тіла;
Обертання тіла навколо планети.
3. Практичний блок:
Завдання №1
Кожному з вас неодноразово доводилося їздити на ліфті, а хтось користується ним щодня. Перші безпечні ліфти з’явилися в середині XIX століття завдяки винаходу Еліши Отіса. Під час поїздки ліфт не завжди рухається рівномірно — на початку та в кінці його руху кабіна ліфту або прискорюється або уповільнюється (середнє значення складає приблизно 0,75 м/с2). Саме в ці моменти змінюється сила, з якою ми тиснемо на підлогу, і відповідно змінюються наші відчуття (рис.2).
Космічний корабель Crew Dragon запускається ракетою Falcon 9, яка за перші дві хвилини піднімає його на висоту понад 80 км (рис.4). У цей час прискорення зростає до 3g. Підйом на орбіту триває близько 8,5 хвилин, і за цей час ракета набирає швидкість понад 27000 км/год. Після відділення другої ступені двигуни вимикаються, і корабель виходить на орбіту навколо Землі, де екіпаж переходить у стан невагомості.
5. Які тренування на Землі дозволяють підготувати організм до перевантажень і невагомості?
Завдання №3
Гравітація Землі притягує об’єкти вниз, до поверхні. Гравітація також притягує космічну станцію. В результаті вона постійно падає до поверхні Землі. (МКС) обертається навколо Землі на висоті приблизно 400 км, роблячи один оберт за близько 90 хвилин (рис.6).
Чому космічна станція, яка падає під дією гравітації, не досягає поверхні Землі, а залишається на орбіті?
Як можна пояснити рух Місяця навколо Землі за аналогією з космічним кораблем?
Яке значення має орбітальна швидкість для руху космічного корабля?
Чи могла б Міжнародна космічна станція рухатися повільніше та залишатися на орбіті?
Чому на борту Міжнародної космічної станції кажуть, що панує стан мікрогравітації, хоча сила тяжіння Землі там майже така ж, як на поверхні?
Завдання №4
Мікрогравітацію ми можемо відчути не лише на Міжнародній космічній станції. Для цього використовують спеціальні літаки, що виконують політ за параболічною траєкторією. Під час підйому та різкого зниження літак створює умови, за яких пасажири відчувають короткий стан невагомості. Такий політ триває лише кілька десятків секунд, але цього достатньо, щоб відчути ефект «падіння без падіння». Подібні польоти використовують для навчання космонавтів та проведення наукових експериментів (рис.7).
Якою буде твоя вага у стані спокою на Нептуні? Меркурії?
У скільки разів твоя вага на Юпітері більша ніж на Землі? (у стані спокою)
У скільки разів твоя вага на Землі більша ніж на Марсі (у стані спокою)?
Якщо на планеті Земля ти можеш стрибнути на висоту 75 см. На які висоту ти зможеш стрибнути на Меркурії? Нептуні?
На Землі в ліфті, що рухається з прискоренням a=0,8 м/с² вгору, людина масою 70 кг відчуває збільшення ваги. Якою буде її вага в аналогічному ліфті на Марсі та на Нептуні?
Що впливає на відмінність значення прискорення вільного падіння на різних планетах?
Рівень А:№1,2 Рівень В: №1,2,3,4 Рівень С: №1,2,3,4,5,6
Рефлексія:
Закінчи речення: Найбільше мене здивувало, що… Якби я потрапив у стан невагомості, я б спробував…
Ділись та обговорюй важливе