ВВЕДЕНИЕ

Ни для кого не секрет, что ничем не удерживаемые тела падают на землю. Это происходит потому, что существует земное тяготение – притяжение тел Землёй. Разные тела притягиваются к ней по-разному. Взгляните на рисунок: одинаковые по размерам гирьки из алюминия и чугуна подвешены к одинаковым пружинам. Однако растяжение пружин различно, поэтому говорят, что вес и масса правой гирьки больше, чем левой.

ГЛАВА 1. Явление тяготения и масса тела

Ни для кого не секрет, что ничем не удерживаемые тела падают на землю. Это происходит потому, что существует земное тяготение – притяжение тел Землёй. Разные тела притягиваются к ней по-разному. Взгляните на рисунок: одинаковые по размерам гирьки из алюминия и чугуна подвешены к одинаковым пружинам. Однако растяжение пружин различно, поэтому говорят, что вес и масса правой гирьки больше, чем левой.

Изучению физической величины «вес» мы уделим особое внимание в теме 3, а пока запомним, что когда речь идёт о притяжении тела к Земле, правильнее употреблять термин «масса».

Оказывается, что тела притягиваются не только к Земле, но и друг к другу! Это можно обнаружить опытами. Упрощённая схема одного из них изображена на рисунке. На очень длинной нити подвешен шарик. Сначала нить висела вертикально. Но, когда слева подкатили большой и очень тяжёлый шар, нить отклонилась. Это произошло из-за притяжения большим шаром маленького шарика. Чтобы этот опыт удался, нить должна быть длиной несколько десятков метров, а масса большого шара – несколько тонн.

Взаимное притяжение всех тел в мире имеет собственное название: явление гравитации или явление всемирного тяготения.

Гравитационное притяжение любого тела проявляется тем заметнее, чем больше его масса. Поэтому притяжение Земли, масса которой огромна, мы замечаем постоянно, а притяжение других тел можно обнаружить лишь специальным опытом.

Гравитационное притяжение Земли (или другой планеты) позволяет нам измерять массу тел с помощью измерительного прибора – весов. Существуют весы различных конструкций, например, пружинные и рычажные, торговые и лабораторные. Рассмотрим рычажные весы, которые изображены на рисунке. Цифрами обозначены: 1 – левая чаша, 2 – указатель равновесия, 3 – коромысло (рычаг), 4 – футляр с гирями (разновесом), 5 – правая чаша, 6 – основание.

Измерение массы при помощи рычажных весов основано на сравнении гравитационного притяжения гирь и взвешиваемого тела к Земле.

Измерение массы при помощи рычажных весов основано на сравнении гравитационного притяжения гирь и взвешиваемого тела к Земле.

Гири с надписью «1 кг», используемые в лабораториях или магазинах, имеют массу 1 кг лишь приблизительно. Массу точно 1 кг имеет только единственная в мире гиря – так называемый международный эталон килограмма. Он сделан из особого металла, имеет цилиндрическую форму и хранится в специальном помещении в городе Севре близ Парижа. Там созданы условия для сохранения эталона в неизменном виде на много веков. Все гири, которые применяются в нашей жизни, сравниваются с копиями этого эталона, хранящимися в каждой стране.

Закон всемирного тяготения

Представленные материалы могут быть использованы при проведении урока, конференции или практикума по решению задач на тему “Закон всемирного тяготения”.

ЦЕЛЬ УРОКА: показать универсальный характер закона всемирного тяготения.

ЗАДАЧИ УРОКА:

• изучить закон всемирного тяготения и границы его применения;

• рассмотреть историю открытия закона;

• показать причинно-следственные связи законов Кеплера и закона всемирного тяготения;

• показать практическое значение закона;

• закрепить изученную тему при решении качественных и расчетных задач.

ОБОРУДОВАНИЕ: проекционная аппаратура, телевизор, видеомагнитофон, видеофильмы “О всемирном тяготении”, “О силе, что правит мирами”.

Начнем урок с повторения основных понятий курса механики.

Какой раздел физики называется механикой?

Что мы называем кинематикой? (Раздел механики, описывающий геометрические свойства движения без учета масс тел и действующих сил.) Какие виды движения вам известны?

Какой вопрос решает динамика? Почему, по какой причине, так или иначе, движутся тела? Почему возникает ускорение?

Перечислите основные физические величины кинематики? (Перемещение, скорость, ускорение.)

Перечислите основные физические величины динамики? (Масса, сила.)

Что такое масса тела? (Физическая величина, количественно характеризующая свойства тел, приобретать разные скорости при взаимодействии, то есть характеризующая инертные свойства тела.)

Какую физическую величину называют силой? (Сила – физическая величина, количественно характеризующая внешнее воздействие на тело, в результате которого оно приобретает ускорение.)

Когда тело движется равномерно и прямолинейно?

В каком случае тело движется с ускорением?

Сформулируйте III закон Ньютона – закон взаимодействия. (Тела действуют друг на друга с силами, равными по величине и противоположными по направлению.)

Мы повторили основные понятия и главные законы механики, которые помогут нам изучить тему занятия.

(На доске или экране вопросы и рисунок.)

Сегодня мы должны ответить на вопросы:

• почему наблюдается падение тел на Земле?

• почему планеты движутся вокруг Солнца?

• почему Луна движется вокруг Земли?

• чем объяснить существование на Земле приливов и отливов морей и океанов?

Согласно II закону Ньютона, тело движется с ускорением только под действием силы. Сила и ускорение направлены в одну сторону.

ОПЫТ. Шарик поднять на высоту и выпустить. Тело падает вниз. Мы знаем, что его притягивает к себе Земля, то есть на шарик действует сила тяжести.

А только ли Земля обладает способностью действовать на все тела с силой, которую называют силой тяжести?

Исаак Ньютон

В 1667 году английский физик Исаак Ньютон высказал предположение о том, что вообще между всеми телами действуют силы взаимного притяжения.

Их называют теперь силами всемирного тяготения или гравитационными силами.

И так: между телом и Землей, между планетами и Солнцем, между Луной и Землей действуют силы всемирного тяготения, обобщенные в закон.

ТЕМА. ЗАКОН ВСЕМИРНОГО ТЯГОТЕНИЯ.

В ходе занятия мы будем использовать знания истории физики, астрономии, математики, законы философии и сведения из научно-популярной литературы.

Познакомимся с историей открытия закона всемирного тяготения. Несколько учеников выступят с небольшими сообщениями.

Сообщение 1. Если верить легенде, то в открытии закона всемирного тяготения “виновато” яблоко, падение которого с дерева наблюдал Ньютон. Есть свидетельство современника Ньютона, его биографа, на этот счет:

“После обеда… мы перешли в сад, и пили чай под тенью нескольких яблонь. Сэр Исаак сказал мне, что точно в такой обстановке он находился, когда ему впервые пришла мысль о тяготении. Она была вызвана падением яблока. Почему яблоко всегда падает отвесно, подумал он про себя. Должна существовать притягательная сила материи, сосредоточенная в центре Земли, пропорциональная ее количеству. Поэтому яблоко притягивает Землю так же, как Земля яблоко. Должна, следовательно, существовать сила, подобная той, которую мы называем тяжестью, простирающаяся по всей Вселенной”.

Эти мысли занимали Ньютона уже в 1665-1666 годах, когда он, начинающий ученый, находился в своем деревенском доме, куда он уехал из Кембриджа в связи с эпидемией чумы, охватившей большие города Англии.

Опубликовано было это великое открытие спустя 20 лет (1687 г). Не все сходилось у Ньютона с его догадками и расчетами, а будучи человеком высочайшей требовательности к себе, не доведенных до конца результатов он публиковать не мог. (Биография И. Ньютона.) (Приложение № 1.)

Спасибо за сообщение. Мы не можем проследить подробно ход мыслей Ньютона, но всё же постараемся в общих чертах воспроизвести их.

ТЕКСТ НА ДОСКЕ ИЛИ ЭКРАНЕ. Ньютон в своей работе использовал научный метод:

• от данных практики,

• путем их математической обработки,

• к общему закону, а от него

• к следствиям, которые и проверяются вновь на практике.

Какие же данные практики были известны Исааку Ньютону, что было открыто в науке к 1667 году?

Сообщение 2. Еще тысячи лет назад было замечено, что по расположению небесных светил можно предсказать разливы рек, а значит, и урожаи, составлять календари. По звездам – находить правильный путь для морских кораблей. Люди научились вычислять сроки затмений Солнца и Луны.

Так родилась наука астрономия. Название ее произошло от двух греческих слов: “астрон”, что значит звезда, и “номос”, что по-русски значит закон. То есть наука о звездных законах.

Чтобы объяснить движение планет, высказывались различные предположения. Знаменитый греческий астроном Птолемей во II веке до нашей эры считал, что центром Вселенной является Земля, вокруг которой вращаются Луна, Меркурий, Венера, Солнце, Марс, Юпитер, Сатурн.

Развитие торговли между Западом и Востоком в XV веке предъявило повышенные требования к мореплаванию, дало толчок к дальнейшему изучению движения небесных тел, астрономии.

В 1515 году великий польский ученый Николай Коперник (1473 – 1543), очень смелый человек, опровергнул учение о неподвижности Земли. По учению Коперника, в центре мира находится Солнце. Вокруг Солнца обращается пять известных к тому времени планет и Земля, которая также является планетой, и ничем не отличается от других планет. Коперник утверждал, что вращение Земли вокруг Солнца совершается за год, а вращение Земли вокруг своей оси происходит за сутки.

Идеи Николая Коперника продолжали развивать итальянский мыслитель Джордано Бруно, великий ученый Галилео Галилей, датский астроном Тихо Браге, немецкий астроном Иоганн Кеплер. Высказаны первые догадки, что не только Земля притягивает к себе тела, но и Солнце притягивает к себе планеты.

Первыми количественными законами, открывшими путь к идее всемирного тяготения, были законы Иоганна Кеплера. О чем же говорят выводы Кеплера?

Сообщение 3. Иоганн Кеплер, выдающийся немецкий ученый, один из творцов небесной механики, в течение 25 лет в условиях жесточайшей нужды и невзгод обобщал данные астрономических наблюдений за движением планет. Три закона, говорящие о том, как движутся планеты, были им получены.

Согласно, первого закона Кеплера, планеты движутся по замкнутым кривым, которые называются эллипсами, в одном из фокусов которых находится Солнце. (Образец оформления материала для проецирования на экран представлен в приложении.) (Приложение № 2.)

Движутся планеты с изменяющейся скоростью.

Квадраты периодов обращения планет вокруг Солнца относятся, как кубы их больших полуосей.