Разработки уроков (конспекты уроков)

Среднее общее образование

Линия УМК Б. А. Воронцова-Вельяминова. Астрономия (10-11)

Внимание! Администрация сайта сайт не несет ответственности за содержание методических разработок, а также за соответствие разработки ФГОС.

Цель урока

Раскрыть эмпирические и теоретические основы законов небесной механики, их проявления в астрономических явлениях и применение на практике.

Задачи урока

• Проверить справедливость закона всемирного тяготения на основе анализа движения Луны вокруг Земли; доказать, что из законов Кеплера следует, что Солнце сообщает планете ускорение, обратно пропорциональное квадрату расстояния от Солнца; исследовать явление возмущенного движения; применить закон всемирного тяготения для определения масс небесных тел; объяснить явление приливов как следствие проявления закона всемирного тяготения при взаимодействии Луны и Земли.

Виды деятельности

Строить логичные устные высказывания; выдвигать гипотезы; выполнять логические операции - анализ, синтез, сравнение, обобщение; формулировать цели исследования; составлять план исследования; включаться в работу группы; реализовывать и корректировать план исследования; представлять результаты работы группы; осуществлять рефлексию познавательной деятельности.

Ключевые понятия

Закон всемирного тяготения, явление возмущенного движения, явление приливов, уточненный третий закон Кеплера.

№	Название этапа	Методический комментарий
1	1. Мотивация к деятельности	В ходе обсуждения вопросов подчеркиваются содержательные элементы законов Кеплера.
2	2. Актуализация опыта и предшествующих знаний учащихся и фиксация затруднений	Учитель организует беседу о содержании и границах применимости законов Кеплера, закона всемирного тяготения. Обсуждение происходит с опорой на знания учащихся из курса физики о законе всемирного тяготения и его применениях к объяснению физических явлений.
3	3. Постановка учебной задачи	Используя слайд-шоу, учитель организует беседу о необходимости доказательства справедливости закона всемирного тяготения, исследования возмущенного движения небесных тел, нахождения способа определения масс небесных тел и исследования явления приливов. Учитель сопровождает процесс деления учащихся на проблемные группы, решающие одну из астрономических задач, и инициирует обсуждение целей деятельности групп.
4	4. Составление плана по преодолению затруднений	Учащиеся в группах, исходя из поставленной цели, формулируют вопросы, на которые хотят получить ответы, и составляют план достижения поставленной цели. Учитель корректирует совместно с группой каждый из планов деятельности.
5	5.1 Реализация выбранного плана деятельности и осуществление самостоятельной работы	Портрет И. Ньютона представлен на экране в ходе выполнения учащимися самостоятельной групповой деятельности. Учащиеся реализуют план, используя содержание учебника § 14.1 - 14.5. Учитель корректирует и направляет работу в группах, поддерживая деятельность каждого учащегося.
6	5.2 Реализация выбранного плана деятельности и осуществление самостоятельной работы	Учитель организует представление учащимися Группы 1 результатов работы, основываясь на заданиях, представленных на экране. Остальные учащиеся конспектируют основные идеи, высказываемые участниками группы. После представления данных учитель акцентирует внимание на коррекции плана, которую осуществляли участники в процессе его реализации, просит сформулировать понятия, с которыми учащиеся впервые встретились в процессе работы.
7	5.3 Реализация выбранного плана деятельности и осуществление самостоятельной работы	Учитель организует представление учащимися Группы 2 результатов работы. Остальные учащиеся конспектируют основные идеи, высказываемые участниками группы. После представления данных учитель акцентирует внимание на коррекции плана, которую осуществляли участники в процессе его реализации, просит сформулировать понятия, с которыми учащиеся впервые встретились в процессе работы.
8	5.4 Реализация выбранного плана деятельности и осуществление самостоятельной работы	Учитель организует представление учащимися Группы 3 результатов работы. Остальные учащиеся конспектируют основные идеи, высказываемые участниками группы. После представления данных учитель акцентирует внимание на коррекции плана, которую осуществляли участники в процессе его реализации, просит сформулировать понятия, с которыми учащиеся впервые встретились в процессе работы.
9	5.5 Реализация выбранного плана деятельности и осуществление самостоятельной работы	Учитель организует представление учащимися Группы 4 результатов работы. Остальные учащиеся конспектируют основные идеи, высказываемые участниками группы. После представления данных учитель акцентирует внимание на коррекции плана, которую осуществляли участники в процессе его реализации, просит сформулировать понятия, с которыми учащиеся впервые встретились в процессе работы.
10	5.6 Реализация выбранного плана деятельности и осуществление самостоятельной работы	Учитель, используя анимацию, обсуждает динамику возникновения прилива на определенной части поверхности Земли, подчеркивает влияние не только Луны, но и Солнца.
11	6. Рефлексия деятельности	В ходе обсуждения ответов на рефлексивные вопросы необходимо акцентировать внимание на методике выполнения заданий группами, коррекцию плана деятельности в ходе ее выполнения, практической значимости полученных результатов.
12	7. Домашнее задание

ЗНАЧЕНИЕ ЗАКОНА ВСЕМИРНОГО ТЯГОТЕНИЯ

Закон всемирного тяготения лежит в основе небесной механики - науки о движении планет.

С помощью этого закона с огромной точностью определяются положения небесных тел на небесном своде на многие десятки лет вперед и вычисляются их траектории.

Закон всемирного тяготения применяется также в расчетах движения искусственных спутников Земли и межпланетных автоматических аппаратов.

Возмущения в движении планет

Планеты не движутся строго по законам Кеплера. Законы Кеплера точно соблюдались бы для движения данной планеты лишь в том случае, когда вокруг Солнца обращалась бы одна эта планета. Но в Солнечной системе планет много, все они притягиваются как Солнцем, так и друг другом. Поэтому возникают возмущения движения планет. В Солнечной системе возмущения невелики, потому что притяжение планеты Солнцем гораздо сильнее притяжения другими планетами.

При вычислении видимого положения планет приходится учитывать возмущения. При запуске искусственных небесных тел и при расчете их траекторий пользуются приближенной теорией движения небесных тел - теорией возмущений.

Открытие Нептуна

Одним из ярких примеров триумфа закона всемирного тяготения является открытие планеты Нептун. В 1781 г. английский астроном Вильям Гершель открыл планету Уран.

Была вычислена ее орбита и составлена таблица положений этой планеты на много лет вперед. Однако проверка этой таблицы, проведенная в 1840 г., показала, что данные ее расходятся с действительностью.

Ученые предположили, что отклонение в движении Урана вызвано притяжением неизвестной планеты, находящейся от Солнца еще дальше, чем Уран. Зная отклонения от расчетной траектории (возмущения движения Урана), англичанин Адамс и француз Леверрье, пользуясь законом всемирного тяготения, вычислили положение этой планеты на небе.

Адамс раньше закончил вычисления, но наблюдатели, кото­рым он сообщил свои результаты, не торопились с проверкой. Тем временем Леверрье, закончив вычисления, указал немец­кому астроному Галле место, где надо искать неизвестную пла­нету.

Оба открытия, как говорят, были сделаны «на кончи­ке пера».

Правильность открытого Ньютоном закона всемирно­го тяготения подтверждается и тем, что с помощью этого зако­на и второго закона Ньютона можно вывести законы Кеплера. Мы не будем приводить этот вывод.

При помощи закона всемирного тяготения можно вычислить массу планет и их спутников; объяснить такие явления, как приливы и отливы воды в океанах, и многое другое.

2.1 Открытие Нептуна

Одним из ярких примеров триумфа закона всемирного тяготения является открытие планеты Нептун. В 1781 г. английский астроном Вильям Гершель открыл планету Уран. Была вычислена ее орбита и составлена таблица положений этой планеты на много лет вперед. Однако проверка этой таблицы, проведенная в 1840 г., показала, что данные ее расходятся с действительностью.

Ученые предположили, что отклонение в движении Урана вызвано притяжением неизвестной планеты, находящейся от Солнца еще дальше, чем Уран. Зная отклонения от расчетной траектории (возмущения движения Урана), англичанин Адаме и француз Леверрье, пользуясь законом всемирного тяготения, вычислили положение этой планеты на небе. Адаме раньше закончил вычисления, но наблюдатели, которым он сообщил свои результаты, не торопились с проверкой. Тем временем Леверрье, закончив вычисления, указал немецкому астроному Галле место, где надо искать неизвестную планету. В первый же вечер, 28 сентября 1846 г., Галле, направив телескоп на указанное место, обнаружил новую планету. Ее назвали Нептуном.

Таким же образом 14 марта 1930 г. была открыта планета Плутон. Открытие Нептуна, сделанное, по выражению Энгельса, на "кончике пера", является убедительнейшим доказательством справедливости закона всемирного тяготения Ньютона.

При помощи закона всемирного тяготения можно вычислить массу планет и их спутников; объяснить такие явления, как приливы и отливы воды в океанах, и многое другое.

Силы всемирного тяготения - самые универсальные из всех сил природы. Они действуют между любыми телами, обладающими массой, а массу имеют все тела. Для сил тяготения не существует никаких преград. Они действуют сквозь любые тела.

Астрономия

XV--XVI вв. были эпохой великих географических открытий и связанного с ними расширения торговли, укрепления класса буржуазии и усиления ее борьбы с феодализмом. Развитие торговли требовало развития мореплавания...

Возникновение планетных систем и Земли

Проблема особенностей химического состава Солнечной системы. Хотя идея множественности планетных систем прочно утвердилась в астрономической картине мира еще со времен Дж. Бруно...

Галактика NGC 1275 - ядро скопления галактик в Персее

В 1905 г. Вольф в Германии обнаружил скопление туманностей в созвездии Персея, которое группировалось как раз вокруг NGC 1275. В 20 годах нашего столетия было открыто красное смещение в спектрах излучения многих слабых туманностей каталога NGC...

Гравитационные измерения

Открытие закона всемирного тяготения стало возможным лишь в итоге развития цепочки идей. Существенный шаг в понимании тяготения был сделан в учении Коперника, согласно которому тяжесть существует не только на Земле...

Двойные звёзды

Как правило, двойные звезды на небе обнаруживаются визуально (первая и них была открыта еще древними арабами) по изменению видимого блеска (тут опасно перепутать их с цефеидами) и близкому нахождению друг к другу. Иногда бывает...

Планета Сатурн

Самая "оригинальная" из планет, планета Сатурн, так же, как и Марс, находится под пристальным вниманием астрономического населения Земли. XVII ВЕК: "Ясно вижу кольцо" Необычный вид планеты Сатурн впервые подметил Галилео Галилей летом 1610 года...

Солнечная система

Вступление астрономии в ХХI в. ознаменовалось выдающимся достижением - открытием планет за пределами Солнечной системы, планетных систем у других звезд. С помощью нового поколения средств и методов астрономического наблюдения начиная с 1995 г...

Урок 1 (записать тему и цель урока в тетрадях)

Закон всемирного тяготения. Ускорение свободного падения на Земле и других планетах

Цель урока:

Изучить закон всемирного тяготения, показать его практическую значи­мость.

Ход урока

I . Новый материал (Сделать конспект в тетрадях)

Датский астроном Тихо Браге, многие годы наблюдая за движением пла­нет, накопил многочисленные данные, но не сумел их обработать. Это сделал его ученик Иоганн Кеплер. Используя идею Коперника о гелиоцентрической системе и результаты наблюдений Тихо Браге, Кеплер установил законы дви­жения планет вокруг Солнца. Но Кеплер не сумел объяснить динамику дви­жения. Почему планеты обращаются вокруг Солнца именно по таким зако­нам? На этот вопрос сумел ответить Исаак Ньютон, использую законы движе­ния, установленные Кеплером, и общие законы динамики.

Ньютон предположил, что ряд явлений, казалось бы, не имеющих ничего общего (падение тел на Землю, обращение планет вокруг Солнца, движение Луны вокруг Земли, приливы и отливы и т. д.), вызваны одной причиной. Про­ведя многочисленные расчеты, Ньютон пришел к выводу, что небесные тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведе­нию их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Покажем, как Ньютон пришел к такому заключению.

Из второго закона "динамики следует, что ускорение, которое получает тело под действием силы, обратно пропорционально массе тела. Но ускоре­ние свободного падения не зависит от массы тела. Это возможно только в том случае, если сила, с которой Земля притягивает тело, изменяется пропорцио­нально массе тела.

По третьему закону силы, с которыми взаимодействуют тела, равны. Если сила, действующая на одно тело, пропорциональна массе этого тела, то рав­ная ей сила, действующая на второе тело, очевидно, пропорциональна массе второго тела. Но силы, действующие на оба тела, равны, следовательно, они пропорциональны массе и первого и второго тела.

Ньютон рассчитал отношение радиуса орбиты Луны к радиусу Земли. От­ношение равнялось 60. А отношение ускорения свободного падения на Земле к центростремительному ускорению, с которым обращается вокруг Земли Луна, равнялось 3600. Следовательно, ускорение обратно пропорционально квадрату расстояния между телами.

Но по второму закону Ньютона сила и ускорение связаны прямой зависи­мостью, следовательно, сила обратно пропорциональна квадрату расстояния между телами.

Исаак Ньютон открыл этот закон в возрасте 23 лет, но 9 лет не публиковал, так как неверные данные о расстоянии между Землей и Луной не подтвержда­ли его идею. И только когда было уточнено это расстояние, Ньютон в 1667 г. опубликовал закон всемирного тяготения.

Сила гравитационного взаимодействия двух тел (материальных точек) с массами т 1 и т 2 равна:

где G - гравитационная постоянная, r - расстояние между телами.

Гравитационная постоянная численно равна модулю силы тяготения, дей­ствующей на тело массой 1 кг со стороны другого тела такой же массы при расстоянии между телами равном 1 м.

Впервые гравитационная постоянная была измерена английским физиком Г. Кавендишем в 1788 г. с помощью прибора, называемого крутильными ве­сами. Г. Кавендиш закрепил два маленьких свинцовых шара (диаметром 5 см и массой 775 г каждый) на противоположных концах двухметрового стержня. Стержень был подвешен на тонкой проволоке. Два больших свинцовых шара (20 см диаметром и массой 45,5 кг) близко подводились к маленьким. Силы притяжения со стороны больших шаров заставляли маленькие перемещаться, при этом проволока закручивалась. Степень закручивания была мерой силы, действующей между шарами. Эксперимент показал, что гравитационная по-тоянная G = 6,66 · 1011 Нм2/кг2.

Пределы применимости закона

Закон всемирного тяготения применим только для материальных точек, т. е. для тел, размеры которых значительно меньше, чем расстояния между ними; тел, имеющих форму шара; для шара большого радиуса, взаимодей­ствующего с телами, размеры которых значительно меньше размеров шара.

Но закон неприменим, например, для взаимодействия бесконечного стержня и шара. В этом случае сила тяготения обратно пропорциональна только расстоянию, а не квадрату расстояния. А сила притяжения между те­лом и бесконечной плоскостью вообще от расстояния не зависит.

Сила тяжести

Частным случаем гравитационных сил является сила притяжения тел к Земле. Эту силу называют силой тяжести. В этом случае закон всемирного тяготения имеет вид:

где т - масса тела [кг],

М - масса Земли [кг],

R - радиус Земли [м],

h - высота над поверхностью [м].

Но сила тяжести F T = mg , отсюда , а ускорение свободного падения .

На поверхности Земли (h = 0) .

Ускорение свободного падения зависит

♦ от высоты над поверхностью Земли;

♦ от широты местности (Земля - неинерциальная система отсчета);

♦ от плотности пород земной коры;

♦ от формы Земли (приплюснута у полюсов).

В приведенной выше формуле для g последние три зависимости не учиты­ваются. При этом еще раз подчеркнем, что ускорение свободного падения не 1 зависит от массы тела.

Применение закона при открытии новых планет

Когда была открыта планета Уран, на основе закона всемирного тяготения рассчитали ее орбиту. Но истинная орбита планеты не совпала с расчетной. Предположили, что возмущение орбиты вызвало наличием еще одной плане­ты, находящейся за Ураном, которая своей силой тяготения изменяет его ор­биту. Чтобы найти новую планету, необходимо было решить систему из 12 дифференциальных уравнений с 10 неизвестными. Эту задачу выполнил анг - Яийский студент Адамc; решение он отправил в Английскую академию наук. Но там на его работу не обратили внимания. А французский математик Леверье, решив задачу, послал результат итальянскому астроному Галле. И тот, в первый же вечер наведя свою трубу в указанную точку, обнаружил новую пла­нету. Ей дали название Нептун. Подобным же рбразом в ЗО-е годы двадцатого века была открыта и 9-я планета Солнечной системы - Плутон.

На вопрос о том, какова природа сил тяготения, Ньютон отвечал: «Не знаю, а гипотез измышлять не желаю».

III . Упражнения и вопросы для повторения (устно)

Как формулируется закон всемирного тяготения?

Какой вид имеет формула закона всемирного тяготения для материаль­ных точек?

Что называют гравитационной постоянной? Какой ее физический смысл? Каково значение в СИ?

Что называется гравитационным полем?

Зависит ли сила тяготения от свойств среды, в которой находятся тела?

Зависит ли ускорение свободного падения тела от его массы?

Одинакова ли сила тяжести в различных точках земного шара?

Объясните влияние вращения Земли вокруг оси на ускорение свободно­го падения.

Как изменяется ускорение свободного падения при удалении от поверх­ности Земли?

Почему Луна не падает на Землю? (Луна обращается вокруг Земли, удерживаемая силой притяжения. Луна не падает на Землю, потому что, имея начальную скорость, движется по инерции. Если прекра­тится действие силы притяжения Луны к Земле, Луна по прямой ли­нии умчится в бездну космического пространства. Прекратись дви­жение по инерции - и Луна упала бы на Землю. Падение продолжалось бы четверо суток девятнадцать часов пятьдесят четыре минуты семь секунд. Так рассчитал Ньютон .)

IV . Решение задач (Письменно в тетрадях с оформлением!!!)

Задача 1

На каком расстоянии сила притяжения двух шариков массами по 1 г равна 6,7·10-17 Н?

Задача 2

На какую высоту от поверхности Земли поднялся космический корабль, если приборы отметили уменьшение ускорения свободного падения до 4,9 м/с2?

Задача 3

Сила тяготения между двумя шарами 0,0001 Н. Какова масса одного из шаров, если расстояние между их центрами 1 м, а масса другого шара 100 кг?

Домашнее задание

1. Выучить §11;

2. Выполнить упражнение 5.1-5.10 (устно), 5.11-5.5.20(письменно в тетрадях с оформлением);

3. Ответить на вопрос микротеста:

Космическая ракета удаляется от Земли. Как изменится сила тяготения, действующая со стороны Земли на ракету, при увеличении расстояния до цен­тра Земли в 3 раза?

а) увеличится в 3 раза; б) уменьшится в 3 раза;

в) уменьшится в 9 раз; г) не изменится.

ОТКРЫТИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ ЗАКОНА ВСЕМИРНОГО ТЯГОТЕНИЯ10-11 класс
УМК Б.А.Воронцова-Вельяминова
Разумов Виктор Николаевич,
учитель МОУ «Большеелховская СОШ»
Лямбирского муниципального района Республики Мордовия

Закон всемирного тяготения

Закон всемирного тяготения
Все тела во Вселенной притягиваются друг к другу
с силой, прямо пропорциональной произведению их
масс и обратно пропорциональной квадрату
расстояния между ними.
Исаак Ньютон (1643–1727)
где т1 и т2 – массы тел;
r – расстояние между телами;
G – гравитационная постоянная
Открытию закона всемирного тяготения во многом способствовали
законы движения планет, сформулированные Кеплером,
и другие достижения астрономии XVII в.

Знание расстояния до Луны позволило Исааку Ньютону доказать
тождественность силы, удерживающей Луну при ее движении вокруг Земли, и
силы, вызывающей падение тел на Землю.
Так как сила тяжести меняется обратно пропорционально квадрату расстояния,
как это следует из закона всемирного тяготения, то Луна,
находящаяся от Земли на расстоянии примерно 60 ее радиусов,
должна испытывать ускорение в 3600 раз меньшее,
чем ускорение силы тяжести на поверхности Земли, равное 9,8 м/с.
Следовательно, ускорение Луны должно составлять 0,0027 м/с2.

В то же время Луна, как любое тело, равномерно
движущееся по окружности, имеет ускорение
где ω – ее угловая скорость, r – радиус ее орбиты.
Исаак Ньютон (1643–1727)
Если считать, что радиус Земли равен 6400 км,
то радиус лунной орбиты будет составлять
r = 60 6 400 000 м = 3,84 10 м.
Звездный период обращения Луны Т = 27,32 суток,
в секундах составляет 2,36 10 с.
Тогда ускорение орбитального движения Луны
Равенство этих двух величин ускорения доказывает, что сила, удерживающая
Луну на орбите, есть сила земного притяжения, ослабленная в 3600 раз по
сравнению с действующей на поверхности Земли.

При движении планет, в соответствии с третьим
законом Кеплера, их ускорение и действующая на
них сила притяжения Солнца обратно
пропорциональны квадрату расстояния, как это
следует из закона всемирного тяготения.
Действительно, согласно третьему закону Кеплера
отношение кубов больших полуосей орбит d и квадратов
периодов обращения Т есть величина постоянная:
Исаак Ньютон (1643–1727)
Ускорение планеты равно
Из третьего закона Кеплера следует
поэтому ускорение планеты равно
Итак, сила взаимодействия планет и Солнца удовлетворяет закону всемирного тяготения.

Возмущения в движениях тел Солнечной системы

Движение планет Солнечной системы не в точности подчиняется законам
Кеплера из-за их взаимодействия не только с Солнцем, но и между собой.
Отклонения тел от движения по эллипсам называют возмущениями.
Возмущения невелики, так как масса Солнца гораздо больше массы не только
отдельной планеты, но и всех планет в целом.
Особенно заметны отклонения астероидов и комет при их прохождении
вблизи Юпитера, масса которого в 300 раз превышает массу Земли.

В XIX в. расчёт возмущений позволил открыть планету Нептун.
Вильям Гершель
Джон Адамс
Урбен Леверье
Вильям Гершель в 1781 г. открыл планету Уран.
Даже при учете возмущений со стороны всех
известных планет наблюдаемое движение
Урана не согласовывалось с расчетным.
На основе предположения о наличии еще
одной «заурановой» планеты Джон Адамс в
Англии и Урбен Леверье во Франции
независимо друг от друга сделали вычисления
ее орбиты и положения на небе.
На основе расчетов Леверье немецкий
астроном Иоганн Галле 23 сентября 1846 г.
обнаружил в созвездии Водолея неизвестную
ранее планету – Нептун.
По возмущениям Урана и Нептуна была
предсказана, а в 1930 году и обнаружена
карликовая планета Плутон.
Открытие Нептуна стало триумфом
гелиоцентрической системы,
важнейшим подтверждением справедливости
закона всемирного тяготения.
Уран
Нептун
Плутон
Иоганн Галле