Урок 49. Рух тіл у полі сили тяжіння. Вільне падіння.
Очікувані результати навчання
розуміє зв’язки між теоретичними закономірностями та спостережуваними явищами
пояснює природу сили тяжіння та фізичний зміст прискорення вільного падіння
навчиться застосовувати формули рівноприскореного руху для опису та розрахунку параметрів руху тіла під час вільного падіння
наводить приклади використання знань про силу тяжіння у техніці, спорті, космосі, побуті
спостерігає результати експериментів, що демонструють вплив сили тяжіння та опору повітря
Мета уроку: сформувати в учнів цілісне уявлення про рух тіл у полі сили тяжіння; пояснити природу вільного падіння та фізичний зміст прискорення вільного падіння; навчити застосовувати формули рівноприскореного руху для опису та розрахунку параметрів руху тіла під час вільного падіння.
Очікувані результати для вчителя:
учні розуміють зв’язки між теоретичними закономірностями та спостережуваними явищами
учні пояснюють природу сили тяжіння та фізичний зміст прискорення вільного падіння
учні навчяться застосовувати формули рівноприскореного руху для опису та розрахунку параметрів руху тіла під час вільного падіння
учні наводять приклади використання знань про силу тяжіння у техніці, спорті, космосі, побуті
учні спостерігають результати експериментів, що демонструють вплив сили тяжіння та опору повітря
Очікувані результати для учнівства:
розуміє зв’язки між теоретичними закономірностями та спостережуваними явищами
пояснює природу сили тяжіння та фізичний зміст прискорення вільного падіння
навчиться застосовувати формули рівноприскореного руху для опису та розрахунку параметрів руху тіла під час вільного падіння
наводить приклади використання знань про силу тяжіння у техніці, спорті, космосі, побуті
спостерігає результати експериментів, що демонструють вплив сили тяжіння та опору повітря
Висвітлення теоретичного матеріалу важливо поєднувати з дослідами та демонстраціями:
Падіння листів паперу.
Візьміть два листа паперу, підпишіть їх 1,2. Одночасно відпускайте їх з однакової висоти. Повторіть дослід декілька разів. Майже завжди листочки падають одночасно (якщо невелика висота і вони не потрапляють в потоки повітря). Тепер нехай учні колегіально виберуть листочок, за який вони вболівають. Наприклад вони вибрали 1, тоді 2 ви зминаєте і відпускаєте їх одночасно. Саме опір повітря в даному випадку вирішує, який впаде першим. Можна також змінювати орієнтацію листків у просторі, що також вплине на результат.
Падіння куль різної маси (футбольний м’яч та м’яч для великого тенісу).
Вакуумна трубка. Падіння монети та пір’їнки з повітрям та без.
Кінематика вивчає рух тіл, не зважаючи на причини, які його викликають. Але коли мова заходить про вільне падіння, нам доводиться перейти від абстрактного опису до реальних причин, що викликають цей рух.
Уявімо, що ти тримаєш книжку у руці. Якщо її відпустити, то вона починає падати вниз. Щось змусило її швидкість змінюватися — це сила тяжіння, тобто взаємодія тіла із Землею. Саме вона спричиняє появу прискорення, тобто наша книжка в процесі падіння рухається не рівномірно, а збільшує свою швидкість.
Від часів Арістотеля людей цікавило, чи однаково рухаються легкі й важкі тіла. Існувала думка, що легкі тіла падають повільно, а важкі – швидко. Якщо взяти, до прикладу, легке та важке тіло, й відпустити їх одночасно, то можна помітити, що легке тіло справді відстане від важкого (рис.1). Так повсякденний досвід сформував хибне уявлення, що прожило впродовж століть.
Чому ж легке тіло падає повільніше, а важке – швидше? Виявляється, тут має значення вплив повітря, яке сповільнює падіння. Якби не повітря, всі тіла під дією тяжіння земної кулі падали б з однаковим прискоренням.
Щоб опір повітря був незначним, тіло повинно мати малу площу поверхні й велику масу. А малі розміри за значної маси можливі для речовин з великою густиною. Саме тому Галілео Галілей для свого експерименту обрав свинцеву кулю та чавунне ядро. Скинувши їх одночасно з Пізанської вежі, він спостерігав, як обидва тіла досягли землі майже водночас (рис.2). Отже, якщо на тіло діє лише сила тяжіння, усі тіла падають одночасно (рухаються з однаковим прискоренням), незалежно від маси.
Такий рух тіла, що відбувається лише під дією сили тяжіння називається вільним падінням, а прискоренням з яким рухаються тіла називають прискоренням вільного падіння і позначають літерою g. Прискорення є векторною величиною, напрямленою вертикально вниз — у бік центра Землі. Його значення трохи змінюється залежно від широти й висоти місцевості, але поблизу поверхні Землі приймають g = 9,8 м/с², а для спрощених обчислень — g ≈ 10 м/с².
Ісаак Ньютон підтвердив результати Галілея, провівши експеримент із трубкою, з якої було відкачано повітря. У безповітряному просторі пір’їнка та свинцева кулька падали абсолютно однаково (рис.3). Це показало, що саме повітря спричиняє відмінність у швидкості падіння легких і важких тіл. Таким чином, опір повітря впливає переважно на легкі предмети, тоді як для масивних тіл його дія майже непомітна.
Оскільки вільне падіння — це різновид рівноприскореного руху, усі формули, які описують рівноприскорений рух, застосовуються і для випадків вільного падіння.
Рівноприскорений рух уздовж осі OX
Вільне падіння уздовж осі OY
Проекція швидкості руху
(1)
(2)
Проекція переміщення
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
Рівняння координати
(9)
(10)
Якщо тіло просто відпустити з якоїсь висоти — це вільне падіння (v0=0). Якщо ж тіло підкинути, його рух також буде від початку вільним падінням, проте в процесі підйому швидкість буде зменшуватися і у найвищий точці буде становити v=0. Не має значення, у який спосіб тіло змусили рухатися. Важливо те, що, крім Землі, на нього нічого не діє
3. Практичний блок
Дружня порада вчителю
Тривалість: до 17 хв
Завдання № 1
Бурдж Халіфа — найвища споруда у світі, розташована в Дубаї (Об’єднані Арабські Емірати) (рис.4). Висота будівлі становить 828 метрів, що майже удвічі перевищує висоту Ейфелевої вежі. ЇЇ збудували за 6 років — з 2004 до 2010 року, а урочисте відкриття відбулося 4 січня 2010 року. На будівництво витратили приблизно 1,5 мільярда доларів США.
Який час буде падати масивне тіло (без врахування опору повітря) з вершини цієї будівлі?
Якою біде швидкість тіла в момент удару об землю?
Яку відстань подолає тіло за перші 5 секунд падіння?
Яку відстань подолає тіло за останню секунду падіння?
Скільки часу знадобиться, щоб подолати останні 50 м?
Давай пофантазуємо та уявимо, що в далекому майбутньому люди колонізують Марс та матимуть постійну людську колонію на Місяці. На цих космічних об’єктах також будуть збудовані неймовірно високі споруди, такої ж висоти, як і Бурдж Халіфа (рис.5).
Скільки часу з цих будівель буде падати масивний предмет (без врахування опору атмосфери).
Відповідь:
Завдання № 2
Під час зйомок бойовика каскадер має виконати стрибок із даху будівлі висотою 40 м на повітряну подушку. ЇЇ в потрібну точку повинні підвести два автомобілі (рис.6). Висота накачаної подушки становить 3 м (від рівня землі до верхньої поверхні). У момент, коли каскадер починає падіння, автомобілі стартують з місця, перебуваючи на відстані 20 м від точки приземлення. З яким прискоренням мають рухатися автомобілі, щоб каскадер під час падіння потрапив на повітряну подушку (опором повітря знехтувати)?
Ремарка координатора трюків: «Ми, звісно, любимо ефектні трюки, але ще більше цінуємо здоров’я наших каскадерів! Тому беремо g=9,8 м/с2. Точні розрахунки—менше травм!»
Під час яких ситуацій та розрахунків потрібно використовувати точні значення прискорення вільного падіння?
Прискорення вільного падіння на Землі дещо відрізняється від місця до місця. Точне прискорення вільного падіння можна розрахувати на основі даних, отриманих у наступному досліді (рис.7). Об’єкт (металева куля), для якої опір повітря незначний, кидають, і вимірюють час, необхідний для падіння з певної висоти.
3.1. Визначте відстань, пройдену об’єктом протягом першої секунди.
3.2. Визначте кінцеву швидкість, з якою об’єкт падає на землю.
3.3. Визначте відстань, пройдену об’єктом протягом останньої секунди руху перед падінням на землю.
Дуже сильний, але невмілий штовхач ядра кидає ядро вертикально вгору з початковою швидкістю 11 м/с. Скільки часу йому потрібно, щоб ухилитися, якщо ядро на початку руху було на висоті 2,2 м, а зріст спортсмена 1,80 м?
Обчисліть висоту скелі, якщо камінь падає на землю за 2,35 с, якщо його кинути прямо вгору зі скелі з початковою швидкістю 8 м/с. Скільки часу знадобиться, щоб досягти землі, якщо його кинути прямо вниз з такою ж швидкістю?
Відповідь:
Час останню секунду 75-41,19=33,81 м
Висота на яку підлетіло ядро по відношенню до початкового положення
Час польоту вгору
Час падіння до голови штовхача ядра (h1=6,45 м)
Загальний час tз=2,24 с
Висота на які піднявся камінь по відношенню до скелі
Час підйому на цю висоту
Час за який камінь падав униз
Висота, яку він подолав під час падіння
Висота скелі ∆h=8,81 м
Час падіння, якщо його кинули вниз
(11)
Розв’язуємо квадратне рівняння t=0,75 с
5. Рефлексія
Дружня порада вчителю
Тривалість: до 3 хв
Якби ти міг провести власний досвід про вільне падіння — що б ти хотів перевірити чи з’ясувати?
Урок 49. Рух тіл у полі сили тяжіння. Вільне падіння.
Очікувані результати навчання
Мета уроку: сформувати в учнів цілісне уявлення про рух тіл у полі сили тяжіння; пояснити природу вільного падіння та фізичний зміст прискорення вільного падіння; навчити застосовувати формули рівноприскореного руху для опису та розрахунку параметрів руху тіла під час вільного падіння.
Очікувані результати для учнівства:
розуміє зв’язки між теоретичними закономірностями та спостережуваними явищами
пояснює природу сили тяжіння та фізичний зміст прискорення вільного падіння
навчиться застосовувати формули рівноприскореного руху для опису та розрахунку параметрів руху тіла під час вільного падіння
наводить приклади використання знань про силу тяжіння у техніці, спорті, космосі, побуті
спостерігає результати експериментів, що демонструють вплив сили тяжіння та опору повітря
Кінематика вивчає рух тіл, не зважаючи на причини, які його викликають. Але коли мова заходить про вільне падіння, нам доводиться перейти від абстрактного опису до реальних причин, що викликають цей рух.
Уявімо, що ти тримаєш книжку у руці. Якщо її відпустити, то вона починає падати вниз. Щось змусило її швидкість змінюватися — це сила тяжіння, тобто взаємодія тіла із Землею. Саме вона спричиняє появу прискорення, тобто наша книжка в процесі падіння рухається не рівномірно, а збільшує свою швидкість.
Від часів Арістотеля людей цікавило, чи однаково рухаються легкі й важкі тіла. Існувала думка, що легкі тіла падають повільно, а важкі – швидко. Якщо взяти, до прикладу, легке та важке тіло, й відпустити їх одночасно, то можна помітити, що легке тіло справді відстане від важкого (рис.1). Так повсякденний досвід сформував хибне уявлення, що прожило впродовж століть.
Чому ж легке тіло падає повільніше, а важке – швидше? Виявляється, тут має значення вплив повітря, яке сповільнює падіння. Якби не повітря, всі тіла під дією тяжіння земної кулі падали б з однаковим прискоренням.
Щоб опір повітря був незначним, тіло повинно мати малу площу поверхні й велику масу. А малі розміри за значної маси можливі для речовин з великою густиною. Саме тому Галілео Галілей для свого експерименту обрав свинцеву кулю та чавунне ядро. Скинувши їх одночасно з Пізанської вежі, він спостерігав, як обидва тіла досягли землі майже водночас (рис.2). Отже, якщо на тіло діє лише сила тяжіння, усі тіла падають одночасно (рухаються з однаковим прискоренням), незалежно від маси.
Такий рух тіла, що відбувається лише під дією сили тяжіння називається вільним падінням, а прискоренням з яким рухаються тіла називають прискоренням вільного падіння і позначають літерою g. Прискорення є векторною величиною, напрямленою вертикально вниз — у бік центра Землі. Його значення трохи змінюється залежно від широти й висоти місцевості, але поблизу поверхні Землі приймають g = 9,8 м/с², а для спрощених обчислень — g ≈ 10 м/с².
Ісаак Ньютон підтвердив результати Галілея, провівши експеримент із трубкою, з якої було відкачано повітря. У безповітряному просторі пір’їнка та свинцева кулька падали абсолютно однаково (рис.3). Це показало, що саме повітря спричиняє відмінність у швидкості падіння легких і важких тіл. Таким чином, опір повітря впливає переважно на легкі предмети, тоді як для масивних тіл його дія майже непомітна.
Оскільки вільне падіння — це різновид рівноприскореного руху, усі формули, які описують рівноприскорений рух, застосовуються і для випадків вільного падіння.
Рівноприскорений рух уздовж осі OX
Вільне падіння уздовж осі OY
Проекція швидкості руху
(12)
(13)
Проекція переміщення
(14)
(15)
(16)
(17)
(18)
(19)
Рівняння координати
(20)
(21)
Якщо тіло просто відпустити з якоїсь висоти — це вільне падіння (v0=0). Якщо ж тіло підкинути, його рух також буде від початку вільним падінням, проте в процесі підйому швидкість буде зменшуватися і у найвищий точці буде становити v=0. Не має значення, у який спосіб тіло змусили рухатися. Важливо те, що, крім Землі, на нього нічого не діє
3. Практичний блок
Завдання № 1
Бурдж Халіфа — найвища споруда у світі, розташована в Дубаї (Об’єднані Арабські Емірати) (рис.4). Висота будівлі становить 828 метрів, що майже удвічі перевищує висоту Ейфелевої вежі. ЇЇ збудували за 6 років — з 2004 до 2010 року, а урочисте відкриття відбулося 4 січня 2010 року. На будівництво витратили приблизно 1,5 мільярда доларів США.
Який час буде падати масивне тіло (без врахування опору повітря) з вершини цієї будівлі?
Якою біде швидкість тіла в момент удару об землю?
Яку відстань подолає тіло за перші 5 секунд падіння?
Яку відстань подолає тіло за останню секунду падіння?
Скільки часу знадобиться, щоб подолати останні 50 м?
Давай пофантазуємо та уявимо, що в далекому майбутньому люди колонізують Марс та матимуть постійну людську колонію на Місяці. На цих космічних об’єктах також будуть збудовані неймовірно високі споруди, такої ж висоти, як і Бурдж Халіфа (рис.5).
Скільки часу з цих будівель буде падати масивний предмет (без врахування опору атмосфери).
Завдання № 2
Під час зйомок бойовика каскадер має виконати стрибок із даху будівлі висотою 40 м на повітряну подушку. ЇЇ в потрібну точку повинні підвести два автомобілі (рис.6). Висота накачаної подушки становить 3 м (від рівня землі до верхньої поверхні). У момент, коли каскадер починає падіння, автомобілі стартують з місця, перебуваючи на відстані 20 м від точки приземлення. З яким прискоренням мають рухатися автомобілі, щоб каскадер під час падіння потрапив на повітряну подушку (опором повітря знехтувати)?
Ремарка координатора трюків: «Ми, звісно, любимо ефектні трюки, але ще більше цінуємо здоров’я наших каскадерів! Тому беремо g=9,8 м/с2. Точні розрахунки—менше травм!»
Під час яких ситуацій та розрахунків потрібно використовувати точні значення прискорення вільного падіння?
Прискорення вільного падіння на Землі дещо відрізняється від місця до місця. Точне прискорення вільного падіння можна розрахувати на основі даних, отриманих у наступному досліді (рис.7). Об’єкт (металева куля), для якої опір повітря незначний, кидають, і вимірюють час, необхідний для падіння з певної висоти.
3.1. Визначте відстань, пройдену об’єктом протягом першої секунди.
3.2. Визначте кінцеву швидкість, з якою об’єкт падає на землю.
3.3. Визначте відстань, пройдену об’єктом протягом останньої секунди руху перед падінням на землю.
Дуже сильний, але невмілий штовхач ядра кидає ядро вертикально вгору з початковою швидкістю 11 м/с. Скільки часу йому потрібно, щоб ухилитися, якщо ядро на початку руху було на висоті 2,2 м, а зріст спортсмена 1,80 м?
Обчисліть висоту скелі, якщо камінь падає на землю за 2,35 с, якщо його кинути прямо вгору зі скелі з початковою швидкістю 8 м/с. Скільки часу знадобиться, щоб досягти землі, якщо його кинути прямо вниз з такою ж швидкістю?
Ділись та обговорюй важливе