План-конспект открытого урока по физике
план-конспект урока по физике на тему

Сила тяжести, сила упругости.

Цель урока: установить связь между силой тяжести и силой упругости, на примере демонстраций физических экспериментов и явлений.

Задачи урока:

• систематизировать и обобщить знания учащихся о понятии “сила упругости” и “сила тяжести”;
• сформировать умения объяснять происходящие явления в технике и в природе, под действием различных сил;
• развивать умение делать логические выводы при решении качественных и графических задач.

Тип урока: комбинированный.

Приборы и материалы:

1. доска;
2. штатив;
3. набор гирь (100 гр.);
4. пружина;
5. динамометр;
6. линейка, тонкая, гибкая;
7. измерительные ленты;
8. жгут медицинский;
9. эспандер;
10.  листы с заданиями.

План конспект урока:

I. Организационный момент.

Здравствуйте ребята! Ранее мы познакомились с физической величиной – силой, как с мерой воздействия одного тела на другое. А так же выяснили, какие виды сил встречаются в природе и как они воздействуют на материальные объекты окружающего нас мира. Сегодня мы поговорим о взаимодействии силы тяжести и силы упругости и установим какая связь между ними существует. Для этого нам потребуется:

• вспомнить ранее изученный материал;
• провести анализ действия сил на материальные объекты;
• установить направление воздействия каждой силы при проведении физических демонстраций;
• научиться строить графические модели действия сил;
• анализируя и обобщая полученные результаты установить связь между силой тяжести и силой упругости.

II. Актуализация знаний.

        Давайте вспомним что мы уже знаем о различных силах в природе. Для этого я предлагаю вам ответить на следующие вопросы:

1. Какие силы, встречающиеся в природе вы знаете?
2. Назовите единицу измерения силы? (Н)
3. К какому выводу пришел Исаак Ньютон, когда рядом с ним упало яблоко? (Земля обладает силой притяжения)
4. С каким ускорением подало это яблоко на Землю? (С ускорением свободного падения g = 9.8 м/с2)
5. Под действием какой силы снежинки падают на поверхность Земли? (Под действием силы тяжести)
6. На действии какой силы основан принцип работы амортизаторов автомобиля? (Силы упругости)
7. Назовите формулу для расчета силы тяжести? (F = mg)
8. Назовите формулу для расчета силы упругости? (F = -k∙∆x)

III. Объяснение нового материала.

        Для того, чтобы определить наличие или отсутствие связи между силами тяжести и упругости, необходимо провести анализ степени воздействия их на материальные тела и определить направление вектора каждой из сил.

1. Сила тяжести - сила, действующая на любое физическое тело, находящееся вблизи поверхности Земли или другого астрономического тела, обладающего большой массой.

Сила тяжести Земли сообщает всем телам, независимо от их массы, одно и то же ускорение свободного падения g = 9,8 м/с2

Для того, чтобы определить направление действия силы тяжести, давайте посмотрим на подвешенный к нити груз. Как мы видим он находится в состоянии покоя и направлен вертикально вниз. Так как нам известно, что сила тяжести Земли действует на все материальные объекты и равна произведению массы тела на ускорение свободного падения – можно предположить, что направлена она вертикально вниз, к поверхности Земли.

Проверим правильность нашего предположения с помощью следующего эксперимента – что будет если я выпущу из рук два предмета разной массы, например листок бумаги и ключи, не предавая им начального ускорения. Как мы видим они падают на пол – с разной скоростью, но согласно силе тяжести: с одинаковым ускорением 9,8 м/с2. Разная скорость обусловлена различием масс предметов. Бумага легче, метала и поэтому падает медленнее.

Какой можно сделать вывод из данного эксперимента? Действие силы тяжести – всегда направлено вниз, к центру Земли.

2. Сила упругости — сила, возникающая в материальном объекте в результате его деформации и стремящаяся вернуть его в исходное (начальное) состояние.

Деформация - это изменение формы и размеров тела под действием внешних сил, при изменении температуры, влажности, фазовых превращениях и других воздействиях, вызывающих изменение положения частиц тела. При увеличении напряжения деформация может закончиться разрушением.

По характеру приложенной к телу силы виды деформации подразделяют следующим образом:

• Деформация растяжения;
• Деформация сжатия;
• Деформация сдвига (или среза);
• Деформация при кручении;
• Деформация при изгибе.

Давайте посмотрим на направление действия силы упругости – для этого нам потребуется пружина подвешенная к штативу и груз. Если подвешу груз к пружине – мы видим, как она деформировалась, то есть растянулась, под действием силы тяжести. А если груз снять – то она возвращается в прежнее состояние. Это происходит под воздействием силы упругости.

Аналогичную ситуацию мы можем наблюдать при растяжении жгута – под воздействием приложенной силы он удлиняется, а затем возвращается в исходное положение.

Какой вывод мы можем сделать о направлении действия силы упругости? Из проведенных экспериментов следует, что вектор силы упругости всегда противоположен по направлению силе, приводящей тело к деформации. На примере деформации пружины под тяжестью груза – очевидно, что сила упругости направленна вертикально вверх, в сторону противоположную силе тяжести.  

        Следовательно, взаимосвязь между силами упругости и тяжести существует. Давайте еще раз обратимся к опыту с пружиной и грузом. Пружина деформировалась под тяжестью груза до определенного момента и затем деформация прекратилась. Рассматриваемая система находится в состоянии покоя. Согласно третьему закону Ньютона – сила действия равна силе противодействия. Это означает в нашем случае – что действие силы упругости компенсировано силой тяжести.

        Для того чтобы рассчитать силу упругости по формуле – нам необходимо знать коэффициент жесткости пружины. А как быть если мы его не знаем? Зато теперь мы знаем, что для этого достаточно рассчитать силу тяжести и тогда полученный результат будет равен по модулю силе упругости.

        Рассчитать силу тяжести можно двумя способами – по формуле F = mg, или при помощи специального прибора для измерения силы – динамометра. Давайте воспользуемся вторым способом – подвешиваем груз к динамометру и смотрим на шкалу значений. Мы получили величину силы тяжести, а так она по модулю равна силе упругости, то таким образом нашли сразу две силы.

        Вследствие проведенного эксперимента можем сделать вывод: что если сила упругости направлена вертикально вверх, то она равна по модулю и противоположна по направлению силе тяжести, в покоящихся системах отсчета.

IV. Закрепление изученного материала.

        А теперь запишите следующие определения:

• Сила тяжести всегда направлена к центру Земли.
• Сила упругости всегда направлена в сторону противоположную направлению деформации.
• Если действие силы упругости и силы тяжести противоположны по направлению, то равны по модулю.

Мы можем более подробно разобрать действие каждой силы и их взаимодействие – разбирая качественные задачи и анализируя различные демонстрации.

1. Как вы думаете под действием какой силы – на Землю падают объекты из Космоса? (Под действием силы притяжения Земли)

Совершенно верно - она очень важна для формирования структуры внутреннего строения Земли. Чем больше сила тяжести, тем большая масса метеоритного материала выпадает на поверхность планеты. За время существования Земли её масса существенно увеличилась благодаря силе тяжести: ежегодно на Землю оседает 30-40 млн. тонн метеоритного вещества, в основном в виде пыли.

2. В процессе многих млн лет вокруг нашей планеты сформировалась атмосфера – как можно объяснить этот процесс?

Воздействием силы тяжести на газы вблизи поверхности земли. Вследствие силы тяжести, действующей на воздух, существует и атмосферное давление.

Роль силы тяжести в процессах жизнедеятельности организмов изучает гравитационная биология.

3. Как вы думаете для чего предназначен противовес на подъемном кране? (Чтобы подъемный кран не потерял равновесие под весом поднимаемого груза)

В технике также сила тяжести используются для определения масс предметов путём их взвешивания на весах. Точные измерения силы тяжести используются при исследовании внутреннего строения Земли и при разведке различных полезных ископаемых.

4. Вы, наверное, не раз наблюдали такую картину, как под порывом ветра сгибаются растения или под тяжестью снега прогибаются ветки деревьев, а затем возвращаются в свою предыдущую форму, почему это происходит? (Под действием силы упругости)

Сила упругости довольно значимую роль играет в природе. Ведь только благодаря этой силе, ткани растений, животных и человека способны выдерживать огромные нагрузки и при этом не сломаться и не разрушиться.

Все находящиеся на Земле тела способны выдерживать силу атмосферного давления только благодаря силе упругости.

А сейчас я предлагаю вам провести эксперименты с выполнением расчетов действия сил на предметы.  

1. Перед вами груз, неизвестной массы, как нам рассчитать величину силы тяжести действующей на него со стороны Земли? (С помощью динамометра)

Давайте произведем расчёт с его помощью. (один из учащихся выполняет расчеты)

А как вы думаете действует ли на груз сила упругости? В каком направлении? Как называется этот вид деформации?

2. Для второго опыта нам потребуется штатив, с подвешенным к пружине грузом. Как вы видите – пружина деформировалась под тяжестью груза, этот вид деформации называется - растяжение. Необходимо рассчитать какая величина силы упругости действует на пружину. Какие физические величины нам должны быть известны для расчетов? (Коэффициент жесткости пружины и удлинение)

А что делать если мы не знаем какой коэффициент жесткости у данной пружины?

Мы видим, что когда пружина с грузом находятся в состоянии покоя, действие всех сил скомпенсировано. И следовательно сила упругости уравновешена какой-то другой силой – какой? (Силой тяжести).

А по какой формуле мы можем рассчитать силу тяжести? (F=mg)

Верно: масса груза нам известна, а чему равно ускорение свободного падения? (9,8 м/с2)

Теперь можем произвести расчёты. (учащиеся решают в тетрадях)

Давайте подведем промежуточный итог: какой вывод мы можем сделать из проведенного опыта о направлении сил тяжести и упругости? Если система находится в состоянии покоя: сила тяжести направлена вертикально вниз, а сила упругости вертикально вверх.

Какая связь существует между численным значением силы тяжести и упругости? Мы можем выразить одну силу, через другую, то есть они равны по модулю.

На следующем уроке мы с вами продолжим изучать взаимосвязь сил и научимся строить графические модели действия силы упругости и силы тяжести на физические предметы.

(2 урок)

Давайте проанализируем и решим еще несколько качественных задач, для более глубокого анализа взаимодействия сил тяжести и упругости.

1. Все тела на Земле и во Вселенной притягиваются друг к другу. Почему же мы не ощущаем притяжения большинства тел? Почему, например, притяжение Земли чувствуется на каждом шагу, а даже громадные горы «притягивают» к себе разве что альпинистов?

Если подсчитать, какую долю от силы притяжения Земли, действующей на человека, составляет, например, сила притяжения Эвереста, то окажется, что она составляет около тысячной доли процента. Это очень маленькая величина. Огромными гравитационные силы становятся, когда они вызваны космическими объектами с очень большими массами. Например, Земля и Луна за счет гравитационного взаимодействия притягиваются друг к другу с силами, модули которых равны примерно 2 · 1017 Н. За счет притяжения Земли Луна является спутником нашей планеты. А в результате притяжения Луны на Земле происходят морские приливы и отливы.

Силы гравитационного взаимодействия определяют движение небесных тел, заставляют звездные системы объединяться в галактики, а галактики – во Вселенную.

2. В природе у всех живых организмов с нервной системой есть рецепторы, определяющие величину и направление силы тяжести и служащие для ориентировки в пространстве. Что у позвоночных организмов, в том числе человека, определяет величину и направление силы тяжести? (вестибулярный аппарат)
3. Как вы думаете для чего в процессе эволюции у человека сформировался прочный скелет?

Наличие силы тяжести привело к возникновению у всех многоклеточных наземных организмов прочных скелетов, необходимых для её преодоления. У водных живых организмов силу тяжести уравновешивает гидростатическая сила.

4. Если в легковой автомобиль сядут четыре пассажира, то пружины амортизации деформируются и подвеска уменьшится на несколько сантиметров, под действием какой силы это произойдет? (Под действием силы упругости).

В технике знание физики позволяет изменять свойства материалов, меняя их упругость и прочность так, как нам это удобно и нужно. Упругость металла, а вместе с тем и прочность можно изменить, вводя в него примеси других элементов. Идея комбинирования, сочетания используется и в строительстве при использовании армированных материалов, например железобетона. При изготовлении лыж склеивание слоев из различных пород дерева улучшает их упругость. Такой же эффект достигается при армировании пластмасс и металлов различными волокнами. Такие материалы называются композитными.

Для следующего эксперимента нам потребуется груз, измерительная лента и тонкая доска. Края доски закреплены, а на ее центр мы установим груз известной массы. Под тяжестью груза доска прогнулась. Этот вид деформации называется – изгиб. Давайте схематически изобразим все силы действующие на груз. И теперь рассчитаем силу упругости, если нам известно, что коэффициент жесткости доски k = 0.3. Какую еще физическую величину нам необходимо знать для расчёта по формуле силы упругости? (Удлинение)

Давайте выполним необходимые расчёты. (Учащийся измеряет расстояние и выполнят расчеты на доске)

Какой вывод вы можете сделать – как зависит сила упругости от коэффициента жесткости материала? (Чем больше коэффициент жесткости – тем больше сила упругости)

В тетрадях выполните графическую схему с изображением направления силы тяжести и силы упругости при процессе перемещения прямоугольного груза по наклонной плоскости.  

Теперь я предлагаю вам выполнить индивидуальные задания: необходимо заполнить таблицу, записав формулы, единицы измерения и решить графические задачи. Время выполнения 10 минут. (См. приложения)

V. Подведение итогов.

        Итак, мы с вами сегодня вспомнили какие силы встречаются в природе. Обсудили их проявление в природе и в быту, научились решать качественные и количественные задачи на основе физических экспериментов. А также установили связь между силой упругости и силой трения.

Вариант 1

Вариант 2