Для чего нужна трубка ньютона
Открытый урок изучения новых знаний в 9-м классе по теме: «Свободное падение тел»
Разделы: Физика
Открытый урок изучения новых знаний.
9 класс. Базовый курс
Задачи:
Ход урока
1. Мотивация
Однажды великого мыслителя Сократа спросили о том, что, по его мнению, легче всего в жизни.
Он ответил: “Легче всего – научить других, а труднее – познать самого себя”.
На уроках физики мы говорим о познании природы, так как физика – наука о природе.
И как истинные мыслители мы рассмотрим экспериментальный метод исследования.
Обратимся к стихам Ф. И. Тютчева:
Не то, что мните Вы, природа:
Не слепок, не бездушный лик –
В ней есть душа, в ней есть свобода,
В ней есть любовь, в ней есть язык…
Учитель: Запишите в тетради несколько слов, в состав которых входил бы корень пад с лексическим значением падения
Ученик: Листопад, камнепад, снегопад, водопад, падалица.
Учитель: Все эти слова являются примерами падения тел на земле.
2. История открытия свободного падения
Первое общеизвестное учение о падении тел принадлежит Аристотелю, который считал, что тяжелый камень падает быстрее сухого листа.
Учитель: От чего зависит скорость падения тел по Аристотелю?
Ученик: От массы.
Учитель: Проверим справедливость этого утверждения на опытах.
Методические замечания: Каждой группе предлагается пронаблюдать падение разных тел и выдвинуть своё предположение по поводу результатов опыта.
I группа
Ученик: Тела разной массы достигают поверхности одновременно. Аристотель не прав.
II группа
Ученик: Диски достигают поверхности не одновременно.
Учитель: Почему? Какие силы действуют на диски?
Ученик: Сила тяжести. Сила сопротивления.
так как Fc1= Fc2
Поэтому диски с большей массой падают быстрее.
III группа
Два бумажных листа одинаковой формы, один из которых сминают в ходе эксперимента.
Ученик: В данном опыте видно, что действуют силы сопротивления воздуха.
IV группа
Тела в трубке Ньютона с воздухом.
Ученик: Тела достигают конца трубки по-разному.
Учитель: Что необходимо сделать, чтобы тела в трубке падали одновременно?
Ученик: Откачать из трубки Ньютона воздух.
3. Опыт с трубкой Ньютона
Учитель: Откачаем из трубки воздух. Что мы видим?
Ученик: Скорость падения тел в вакууме одинакова.
Учитель: Какое падение тел называется свободным?
Ученик: Падение тел в безвоздушном пространстве называется – свободным падением.
4. Биография Г.Галилея
Почему 200 лет мысли Аристотеля не подвергались сомнению. Но в конце XVI века учение Аристотеля о падении тел было опровергнуто великим итальянским физиком Г.Галилеем.
5. Опыт Г.Галилея
Методические замечания: На этом этапе урока с учащимися необходимо повторить, как зависит путь от времени при равномерном и равноускоренном движении.
Учитель: К какому же виду движения относится свободное падение? Для ответа на этот вопрос повторим опыты Г.Галилея.
Как гласит легенда, Г.Галилей изучал свободное падение, бросая шары с Пизанской башни, которая находится в г. Пизе. Представим, что перед вами Пизанская башня.
Методические замечания: Для имитации Пизанской башни можно взять высокую стремянку.
Необходимо бросать шары с разной высоты 1 м и 3 м.
Результаты опыта запишем в виде таблицы.
| S1 | S2 | t1 | t2 |  |  |
| 1 | 3 | 0,4 | 0,8 | 0,16 | 0,64 |
Учитель: На основе опыта проверим, пропорционален ли путь времени.
Для этого по результатам опыта составим пропорцию.
или 
Какое это движение?
Ученик: Движение не равномерное.
Ученик: По результатам опыта равенство справедливо.
Учитель: Какой вывод можно сделать из этого опыта?
Ученик: Свободное падение является равноускоренным. Все тела на Земле падают с одинаковым ускорением.
Учитель: Вычислим величину ускорения свободного падения, пользуясь результатами опыта.
Ученик:
t2= 0,8с
Вывод: Свободное падение – это равноускоренное движение с ускорением свободного падения g = 9,8 
6. Законы, характеризующие свободное падение
если V0 = 0; V = gt
если V0 = 0; 
7. Свободное падение без начальной скорости
При свободном падении часто рассматриваются случаи, когда тело падает без начальной скорости.
Выясним, чему равны пути проходимые телом за равные, последовательные промежутки времени.
Учитель: Если 
, то чему пропорциональны пути проходимые телом за равные последовательные промежутки времени?
Методические замечания: (Это отношение было получено методом математического расчета при прохождении темы: “Равноускоренное движение”.)
Учитель: Получим это выражение более простым способом.
Для этого построим график зависимости V(t) для свободного падения.
Пусть g 
10 м/с для простоты , то 
Методические замечания: Для любого движения в координатных осях V(t) пройденный путь равновелик площади фигуры ограниченной сверху графиком зависимости, а снизу осью времени. В данном случае это будет площадь треугольника.
Учитель: Чему будет равен путь, проходимый телом при свободном падении за 1-ю секунду?
Ученик: 
Учитель: Чему равен путь пройденный телом за 2-ю, 3-ю, 4-ю секунды.
Посмотрите внимательно на рисунок, сколько треугольников, равных первому, можно разместить на площади этой трапеции?
Ученик: 
Учащимися: Из данных вычислений можно сделать вывод l1:l2:l3:…ln = 1 : 3 : 5…(2n–1)
8. Наблюдение свободного падения капель
Методические замечания: Отрегулировав капельницу так, что бы частота падения капель была постоянна, и равнялась бы частоте вспышек стробоскопа.
Тогда создаётся впечатление, что капли как бы висят в пространстве, так как мы их видим только через определённый промежуток времени.
9. Подведение итогов работы по теме “Свободное падение”
Опишем свободное падение кинематически.
Учитель: К какому виду движения относится свободное падение?
Учитель: Каковы особенности свободного падения?
Ученик: Это движение с постоянным ускорением направленным постоянно вниз.
Учитель: Запишите уравнения, по которым меняются величины, характеризующие свободное падение.
если v0 = 0.
Учитель: Какие опыты проведенные на уроке доказывают, что свободное падение является равноускоренным?
Учитель: Какой опыт показывает, что все тела на Земле падают с одинаковым ускорением?
Ученик: Опыт с трубкой Ньютона.
Закон падения тел
Ньютон, так же как и Галилей, начал исследования механического движения с изучения закона падения тел, но его задача была уже несколько проще. В распоряжении Ньютона имелся воздушный насос, о котором Галилей мог только мечтать. 
Трубка Ньютона
Свои опыты Галилей проводил, бросая с Пизанской башни железные ядра, (подробнее: Галилей о свободном падении тел). Ньютон взял длинную стеклянную трубку, запаянную с одного конца, положил в нее маленький кусочек пробки и дробинку и присоединил трубку к воздушному насосу. Насос выкачал большую часть воздуха.
Ученый запаял второй конец трубки. И дробинка с кусочком пробки осталась в сильно разреженном воздушном пространстве. Ньютон поворачивал трубку то одним концом вверх, то другим — кусочек пробки и дробинка падали вниз с равной скоростью. Так удалось доказать, что в пустоте предметы разного веса падают с одинаковой скоростью. Теперь эти простенькие приборы — «трубки Ньютона» — имеются в каждой школе. 
Скорость падения не зависит от веса
Скорость падения не зависит от веса. Падающие предметы веса не имеют, (подробнее: Вес падающего тела), говорил еще Галилей. Значит, сделал вывод Ньютон, вес — это не коренное свойство всех предметов или веществ. Весом любые предметы обладают лишь до тех пор, пока они на чем-либо лежат или висят, а когда падают — лишаются веса.
Что такое вес
Один из предшественников Ньютона — французский философ-математик Рене Декарт утверждал, что вес — это давление, которое оказывают вещи на землю или на подставку, на которой они лежат. Ньютон вспомнил опыты Галилея с ведрами. Пока вода переливалась из одного ведра в другое, их общий вес был меньше, чем раньше, — падающая вода двигалась свободно, ее ничто не задерживало, она действительно ничего не весила во время падения.
Как только вся вода оказывалась в нижнем ведре, равновесие весов восстанавливалось. И это тоже не удивляло Ньютона. Раз вся вода собралась в нижнем ведре, то и давление ее на дно должно в точности равняться сумме давлений воды в двух ведрах. Вода как бы снова обрела свой вес.
Почему тела давят на подставку
Но почему тела давят на подставку? Этого Декарт не знал. Возьмем гирю и подвесим ее на пружине. Пружина растянется. Теперь снимем эту гирю и возьмемся рукой за крючок пружины. Мы можем, приложив усилие, растянуть пружину настолько же, насколько ее растягивала своей тяжестью гиря. Тяжесть гири и сила руки оказывают на пружину одинаковое действие. Значит, причиной давления тел на подставку — их вес — является какая-то сила. Ее определил Ньютон.
Закон всемирного тяготения
Это земной шар притягивает к себе гирю и другие тела, удерживая их возле себя. Мы всюду и везде наблюдаем это явление и называем его тяготением. Изучением силы тяжести и ускорения свободного падения также занимался Галилей. Все тела, и большие и маленькие, притягиваются друг к другу, подчиняясь закону всемирного тяготения, открытому Ньютоном. Итак, вес — сила, с которой предметы, притягиваемые Землей, давят на удерживающие их подставки. Вес — проявление всемирного тяготения. Ньютон смог довести до логического завершения закон падения тел, которому положил начало Галилео ГалилеЙ.
Свободное падение тел
Урок 13. Физика 9 класс (ФГОС)
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, приобрев в каталоге.
Получите невероятные возможности
Конспект урока «Свободное падение тел»
На прошлых уроках мы с вами говорили о том, что любое действие тел друг на друга носит характер взаимодействия. При этом силы, с которыми тела действуют друг на друга, направлены по одной прямой, равны по модулю и противоположны по направлению.
В механике мы с вами будем рассматривать три вида сил: гравитационные силы, силы трения и силы упругости.
Силы трения и упругости являются силами электромагнитной природы. Они определяются тем, как взаимодействуют между собой атомы и молекулы вещества.
Гравитационные силы — это силы, связанные с взаимодействием тел, обладающих массой. Одним из видов гравитационных сил является сила тяжести. Из седьмого класса вы знаете, что сила тяжести — это сила, которая определяет взаимодействие тела вблизи поверхности Земли непосредственно с самой Землёй.
Жизненный опыт нам подсказывает, что всякое тело, если его ничто не поддерживает, падает на поверхность Земли. Законы падения тел интересовали людей с древних времён. Ведь кажется очевидным, что если взять два одинаковых листа бумаги, одновременно отпустить их с одинаковой высоты, то они практически одновременно упадут на поверхность пола. Однако, если один из листов бумаги скомкать, то скомканный лист бумаги упадёт на пол гораздо быстрее, чем не скомканный лист.
Или вот ещё пример. Возьмём разные предметы (мяч, монету, шестерёнку, карту и небольшой кусочек ваты) и одновременно отпустим их с некоторой высоты. Пронаблюдав за падением, мы заметим, что время падения лёгких предметов больше, чем более тяжёлых. Как вы объясните результаты опыта?
Наиболее вероятно такое объяснение: время падения зависит от массы тела — чем больше масса тела, тем быстрее оно падает. Так думал и древнегреческий учёный Аристотель, считая, что более тяжёлые тела падают быстрее лёгких. Взгляды Аристотеля казались настолько очевидными, что на протяжении почти восемнадцати столетий никто не подвергал их сомнению.
Наблюдая падения разных тел, Галилей открыл один из важнейших законов механики, который носит его имя: все тела под действием земного тяготения падают на Землю с одинаковым ускорением.
С помощью насоса откачаем воздух из трубки и закроем кран. Сняв резиновый шланг, перевернём трубку. Слышим стук кусочка свинца и наблюдаем одновременное с ним падение пёрышка и пробки.
Одновременное падение тел в разреженном воздухе доказывает, что тела падают с одинаковым ускорением. Падение тел в вакууме под действием только гравитационного поля Земли называется свободным падением.
Поскольку сила тяжести, действующая на тело вблизи поверхности Земли в данной её точке, постоянна, то, согласно второму закону Ньютона, свободно падающее тело движется равноускорено. Причём ускорение свободного падения для всех тел в одном и том же месте одинаково. Оно обозначается буквой g и направлено по вертикали вниз.
В седьмом классе коэффициент g мы выражали в Н/кг, а согласно формуле, он измеряется в метрах на секунду в квадрате. В действительности никакого противоречия нет, достаточно расписать единицу силы через основные единицы системы СИ.
О важности закона Галилея говорит тот факт, что равенство ускорений при падении тел проверяется непрерывно и со всё возрастающей точностью в течение почти четырёх столетий. Но стоит отметить, его значение различно для различной местности. Оно колеблется от девяти целых семидесяти восьми сотых метра на секунду в квадрате на экваторе, до девяти целых восьмисот тридцати двух тысячных на полюсах.
Однако при решении большинства школьных задач, где не нужна высокая точность результатов, обычно используют значение девять целых восемь десятых или даже десять метров на секунду в квадрате.
Следует отметить, что при падении тел в воздухе на их движение влияет сопротивление воздуха. Например, если рассматривать падение в воздухе металлического шарика, то силой сопротивления воздуха можно пренебречь по сравнению с силой тяжести шарика, так как их равнодействующая мало отличается от силы тяжести. Однако падение в воздухе птичьего пера нельзя считать свободным, так как в этом случае сила сопротивления воздуха составляет значительную часть силы тяжести. Так же и при движении тел с большими скоростями (например, полет снаряда или пули) сопротивлением воздуха пренебречь нельзя: оно существенно влияет на движение тел.
Таким образом, движение тел можно рассматривать как свободное падение, если движутся сравнительно массивные тела с небольшими скоростями.
— Но каков характер движения тела при его свободном падении?
С помощью современных технических средств гипотеза Галилея о падении тел может быть проверена с высокой степенью точности. На экране вы видите стробоскопическую фотографию свободно падающего вдоль линейки шарика. Её анализ даёт основание считать движение шарика равноускоренным, поскольку за равные промежутки времени он совершает разные перемещения. Докажем или опровергнем наши предположения.
Как видим, пути, совершаемые шариком за последовательные равные промежутки времени, относятся как ряд последовательных нечётных чисел. А мы уже знаем, что данное свойство выполняется только для равноускоренного движения тела без начальной скорости. Таким образом, действительно свободное падение тел является равноускоренным.
С крыши дома отрывается сосулька и падает на землю через 3 секунды. Определите высоту дома и скорость сосульки в момент касания поверхности земли?
Для чего нужна трубка ньютона
Выше мы говорили о падении легких и тяжелых тел, иначе говоря, предметов легкого и тяжелого веса. Интересно, а какой вес у этих предметов в падении, т. е. пока они летят вниз, разумеется, без учета сопротивления воздуха. Взвешивание дает нулевой результат – ничего не весят, ни легкое, ни тяжелое. А если нет веса – следовательно, невесомость? Что, так легко получить невесомость даже на Земле?
Зададимся вопросом: что такое вес? Это сила, с которой тело давит на опору – чашу весов, пол и т. д. Нет опоры – нет и веса. Галилей, о котором мы так много говорили, писал: «Мы ощущаем груз на наших плечах, когда стараемся мешать его падению. Но если станем двигаться вниз с такой же скоростью, как и груз, лежащий на нашей спине, то как же может он давить и обременять нас?» Вот и описание невесомости уже в XVII в.
Рис. 37. «Гора Ньютона», с которой якобы стреляет пушка, и траектории пушечного ядра, выпущенного с различной скоростью: а – до 8 км/с; б – 8 км/с.
При дальнейшем увеличении скорости ядра оно будет вращаться вокруг Земли по эллипсу, а при скорости свыше 11,2 км/с навсегда покинет Землю как спутник. Но во всех случаях оно будет в невесомости.
Значит ли это, что ядро не притягивается Землей? Нет, на него действует сила гравитации, но нет опоры, и ядро это движется с ускорением. Но оно ни на что не давит, и поэтому веса не имеет. Масса, разумеется, сохраняется той же, более того, тела внутри ядра (или космической станции) притягиваются друг к другу силами гравитации (конечно, ничтожно малыми), просто эти тела летят все вместе и независимо.
В романе «Из пушки на Луну» Жюль Верн тоже предполагал невесомость, но только тогда, когда ядро с пассажирами, выпущенное из огромной пушки на Луну, достигло точки, в которой притяжение Земли и Луны было одинаково. Вот тогда наступили все удивительные явления, которые мы так обыденно наблюдаем в репортажах с космических станций, – космонавты свободно парят в воздухе, вода не выливается из бутылки, предметы висят в пространстве в самых нелепых положениях. Но тут Жюль Верн ошибался – эта невесомость должна была наступить сразу же после преодоления ядром земной атмосферы.
Часто сравнивают невесомость с плаванием тел, когда их сила тяжести компенсирована выталкивающей силой воды. Это совсем не одно и то же. Выталкивающие силы действуют на поверхность тела, но все, что находится внутри, имеет вес. Не летают же матросы внутри подводной лодки, как космонавты. Вместе с тем вся подводная лодка в воде уравновешена и, стало быть, веса не имеет.
Ныряльщик, находящийся в воде, тоже «не имеет веса» в ней, но и его сердце, и желудок, и мозги продолжают весить свое и давить на соответствующие места ныряльщика.
Именно падающие без сопротивления тела невесомы. Основываясь на этом, был создан аттракцион для любителей острых ощущений. В обтекаемом, наподобие бомбы, большом контейнере помещаются эти любители, затем контейнер поднимается вертолетом на большую высоту над озером и сбрасывается вниз. И на всем протяжении полета пассажиры этой «бомбы» ощущают невесомость. Вернее, почти невесомость, так как какое-то сопротивление действует на «бомбу». Ну а при падении «бомбы» в воду пассажиры испытывают перегрузки – расплату за невесомость.
Таким же образом можно создавать «невесомость» и в самолете, например, пикирующем вниз, да еще с некоторой тягой двигателей, компенсирующей сопротивление воздуха. Такой самолет падает с ускорением свободного падения – 9,81 м/с 2 и внутри него почти полная невесомость. Но под конец падения приходится делать вираж, чтобы не стукнуться о Землю. Вот здесь-то природа отыгрывается на пассажирах перегрузками!
Аналогичная ситуация у космонавтов: в первые секунды полета, когда работают двигатели, на космонавтов действуют перегрузки, соизмеримые с перегрузками летчиков при сильных виражах.
Что же, идея полета из пушки на Луну, да и вообще в космическое пространство, порочна? Автор полагает, что нет. Еще известный популяризатор науки Я. И. Перельман подсчитал, что если подвергнуть пассажиров «только» десятикратному увеличению веса, то можно было бы обойтись пушкой, длиной в 600 км. Что ж, это уже ближе к реальности, но и это много.
Рис. 38. Космическая пушка в Антарктиде ученых-коллег!
Одним словом, вот вам и конвейер по запуску спутников, дешевый и производительный! Остается добавить, что проект этот автор опубликовал в одной из московских газет в 1996 г. в рубрике «Проекты века». Но под псевдонимом – чтобы не дразнить.