Урок на конкурс

1001 идея интересного занятия с детьми
Семинарское занятие по теме: «Объяснение природных явлений с помощью законов Ньютона»
Данилкова Светлана Петровна, МБОУ СОШ №67 города Краснодара,
учитель физики, Краснодарский край
Физика и астрономия
Возраст детей: 9-е классы
Место проведения: класс
Цель урока: объяснить известные природные явления с помощью
законов Ньютона, классифицировать силы, вызывающие их, обсудить как происходящие явления влияют на жизнь человека.
Учитель: Итак, мы закончили изучать с вами законы Ньютона,
прорешали задачи, сделали лабораторную работу. Одним словом
закрепили полученные знания на деле. Но сегодня у нас необычный
урок. Давайте посмотрим на окружающий нас мир шире. Сколько интересных явлений происходит вокруг нас! И всегда ли мы можем объяснить происходящее? И как сделать так, чтобы явления природы
служили не во вред человеку, а во благо? Если вы достаточно наблюдательны, то наверняка задавали себе вопрос: "Почему Луна не падает на Землю", или "Почему реки имеют извилистую форму?", "Из-за
чего земной шар сплюснут у полюсов?" А тем не менее, ответить на
эти и многие другие вопросы вы уже можете. Именно знание законов
Ньютона позволяет вам это.
Целью нашего урока будет не только объяснение этих явлений,
но и классификация сил, вызывающих эти явления, определение
направления сил, а так же творческий подход. Поэтому к концу урока
вы должны заполнить таблицу и сдать мне для оценки.
ПриродСилы выНаправлеЧто проное явление
зывающие это ние этих сил изошло
бы,
явление
относительно
если бы не
Земли
было этих сил.
Учитель: А теперь давайте послушаем рассуждения по первому
вопросу.
1-й ученик 1) Почему Луна не падает на Землю?
Ньютон утверждал, что между Землей и всеми телами
существует сила притяжения, которая обратно пропорциональна
квадрату расстояния между телами.
Все тела у поверхности Земли имеют ускорение g=9,8 м/с², а Луна удалена от Земли на расстояние равное 60 земным радиусам. (Показать с помощью слайда). Следовательно, рассуждал Ньютон, уско-
1
1001 идея интересного занятия с детьми
рение на этом расстоянии будет в 60 раз меньше, чем у поверхности
Земли, т.е. g=(9,8м/с²)/60=0,0027м/с².
Если Луна будет падать на Землю с таким ускорением, то за 1
секунду она приблизится к земле на 1,3 мм. Значит, в принципе, благодаря силе тяготения Луна может упасть на Землю. Но почему же
она не падает?
Значит, есть еще одна сила, которая компенсирует силу тяготения и к тому же придает Луне центростремительное ускорение. Этой
силой является центробежная сила. Именно эта сила заставляет Луну
двигаться по инерции вокруг Земли. Если бы не было силы притяжения к Земле, то Луна по инерции улетела бы в пространство. Но в
действительности получается, что оба эти движения складываются. В
результате Луна движется по кривой линии, близкой к окружности.
Учитель: Какой можно сделать вывод?
Ученик: На Луну действуют две силы. 1-я - сила тяготения, которая направлена к центру Земли и 2-я - центробежная сила, которая
направлена по радиусу окружности, но от центра.
Учитель: Итак, именно две силы действуют на Луну. Складываясь, они заставляют ее двигаться по окружности. Простейший опыт
может доказать это.
2-й Ученик: Металлический шарик скатывается с наклонного желоба, при этом движется прямолинейно, т.к. на него действует только
одна сила. Но если сбоку приложить магнит, то траектория шарика
искривляется. Влияние магнита на движение шарика аналогично влиянию силы тяготения на движение Луны. Если бы не было силы притяжения к Земле, то Луна по прямой линии умчалась бы в бездну космического пространства. Это утверждение тоже можно доказать с
помощью центробежной машины. (Демонстрация опыта). Два шарика
разной массы нанизаны на стержень, который может вращаться вокруг своей оси. Если шарики связаны нитью, то они вращаются вокруг
единого центра. Если же нить разорвать, то шарики разлетятся в разные стороны. Это имитирует связь между Землей и Луной.
Учитель: А за какое время Луна упала бы на Землю?
3-й ученик:
Прекратись движение по инерции, и Луна упала бы на Землю.
Падение продолжалось бы четверо суток девятнадцать часов пятьдесят четыре минуты пятьдесят семь секунд, так рассчитал Ньютон.
Учитель: А с какой силой Земля притягивает Луну?
3-й ученик: Это можно определить по формуле, выражающей
закон всемирного тяготения: F=G*M*m/R², где G-гравитационная постоянная, М и m - массы Земли и Луны, R - расстояние между ними.
Земля притягивает Луну с силой равной 2*10 H.
Учитель: Ребята, а где же здесь выполнение законов Ньютона?
4-й ученик: Так как Луна движется по окружности, то она имеет
центростремительное ускорение, а значит, выполняется второй закон
Ньютона:
2
1001 идея интересного занятия с детьми
Сила, действующая на тело, равна произведению массы этого
тела на сообщаемое ему этой силой ускорение.
Значит, Луне сообщает ускорение сила тяготения, и зависит это
ускорение от массы Луны. Но так же выполняется и третий закон Ньютона:
Силы, с которыми два тела действуют друг на друга, равны по
модулю и противоположно направлены.
Поэтому, с какой силой Земля притягивает к себе Луну, с такой
же силой Луна притягивает Землю.
Учитель: Следующий вопрос нашей беседы связан с весом тел
на разных широтах. Оказывается, на экваторе тело весит меньше, чем
на полюсе. Почему это происходит?
5-й ученик: Из-за вращения Земли на все тела находящиеся на
ней действует центробежная сила. Но чем дальше тело от оси вращения, тем больше модуль центробежной силы. Так, как земля шар, то
чем ближе к полюсу (слайд 2) тем меньше радиус вращения и следовательно меньше и центробежная сила. На экваторе же центробежная
сила максимальна, т.к. максимален радиус вращения:
F=mv²/R
Ускорение свободного падения на экваторе, напротив - минимально, поэтому на экваторе тела весят меньше, чем на полюсе:
P=mg
Именно из-за существования центробежной силы наша планета
имеет сплюснутую форму.
Учитель: Мы знаем, что во вращающихся системах появляется
центробежная сила. Однако ее действие не может служить причиной
искривления пути - ведь она направлена вдоль радиуса. Значит, во
вращающихся системах кроме центробежной силы возникает еще
дополнительная сила. Ее называют силой Кориолиса, в честь ученого
который изучил действие этой силы. Давайте послушаем об интересном явлении, которое связано с этой силой.
6-й ученик: Многие, наверное, бывали в Ленинграде и видели
знаменитый маятник в Исаакиевском соборе или хотя бы слышали о
нем (слайд 3). Этот маятник не только колеблется, но плоскость его
колебаний еще медленно поворачивается. Такое наблюдение впервые провел французский ученый Фуко в 1851 г. Опыт проводился в
огромном зале Парижского Пантеона, шар маятника имел массу 28 кг,
а длина нити была 67 м. С тех пор такой маятник называется маятником Фуко. Как же объяснить его движение? Если бы на Земле строго
выполнялись законы Ньютона, то, маятник колебался бы в одной
плоскости. Значит, в системе отсчета, связанной с Землей, законы
Ньютона надо "исправить". Силы инерции приходится вводить в любой системе отсчета, движущейся относительно Солнца с ускорением.
Такие системы называют неинерциальными системами. Земля, строго
говоря, не является инерциальной системой отсчета, так как она вращается вокруг Солнца и вокруг своей оси. Однако ускорениями, свя3
1001 идея интересного занятия с детьми
занными с этими движениями, обычно можно пренебречь и пользоваться в системе Земли законами Ньютона. Но вот поворот маятника
Фуко как раз объясняется действием особой силы инерции - силы
Кориолиса. Чтобы доказать это проведем опыт.
Возьмем вращающийся диск, на котором крепится маятник. Если
диск находится в покое, то плоскость колебаний маятника не меняется. Если же диск привести во вращение, то плоскость колебаний маятника не сохраняет своего положения относительно земной поверхности, она медленно повертывается навстречу вращению Земли. Таков видимый результат опыта Фуко.
Учитель: Давайте разберемся как направлена сила Кориолиса ?
7-й ученик: Чтобы ответить на этот вопрос проведем эксперимент. Возьмем диск, на котором в центре прикреплен наклонный желоб. Шарик скатывается по желобу и дальше по инерции движется
прямолинейно. Если же диск привести во вращение, то скатывающийся по желобу шарик движется по искривленной траектории. В этом
случае на него действует сила Кориолиса.
Учитель: Какой можно сделать вывод?
Ученик: Во вращающейся системе на покоящиеся тела действует только центробежная сила, а на движущиеся еще и сила Кориолиса.
Сила Кориолиса зависит:
от скорости движения тела во вращающейся системе;
от направления скорости тела по отношению к оси
вращения.
Направлена сила Кориолиса перпендикулярно оси вращения и
скорости движения тела. (Слайд 4 ).
Учитель: Действием силы Кориолиса объясняются многие интересные явления, например, пассаты.
8-й Ученик: Пассаты - это ветры, дующие от тропиков к экватору.
Известно, что эти ветры всегда отклоняются к западу. Но почему?
Чтобы в этом убедиться, расположим левую руку так, чтобы ось вращения Земли входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца направим
вдоль - перпендикулярно оси вращения. Мы увидим, что сила Кориолиса направлена прямо на нас, т.е. перпендикулярно чертежу, т.е. на
запад. ( См. модель Земли).
В южном полушарии пассаты дуют, наоборот, с севера на юг, но
так как ни направление оси вращения, ни направление перпендикуляра не изменились, следовательно, сила Кориолиса направлена также
к Западу.
Учитель: Закон Бэра.
9-й ученик: Этот рисунок (слайд 5) иллюстрирует закон Бэра.
У рек текущих в северном полушарии, правый берег более крутой
и подмытый, чем левый. (В южном полушарии -наоборот).
В этом случае действие силы Кориолиса приводит к тому, что вода прижимается к правому берегу. Мы знаем, что на все движущиеся
4
1001 идея интересного занятия с детьми
тела во вращающейся системе действует сила Кориолиса. В рассмотренном нами случае движущееся тело - это текущая река, а вращающаяся система - наша Земля.
Учитель: Почему существуют меандры рек?
10-й Ученик: Из-за трения воды о дно (Слайд 6), скорость течения реки у дна всегда меньше, чем у поверхности. Соответственно и
сила Кориолиса у поверхности воды больше. В результате возникает
циркуляция воды. Почва у правого берега подмывается, а у левого
остается. Поверхность воды наклоняется в сторону поворота так, чтобы разность сил давления сообщала необходимое центростремительное ускорение. Таким образом, к основному течению реки добавляется циркуляция воды. Такая циркуляция приводит к эрозии (разрушению) почвы. Это явление аналогично размыванию берега при
повороте реки. Так возникают меандры рек - так называемые периодические изгибы русла.
Учитель: Почему возникает отклонение падающих тел к востоку?
11-й ученик: Кориолисова сила приводит к отклонению падающих тел к востоку. Поэтому эту силу должны учитывать артиллеристы.
Пушка Бэра, из которой немцы вели обстрел Парижа во время 1ой мировой войны, находилась в 110 км от цели. Отклонение Кориолисова в этом случае достигает 1600 метров. Как видите это уже не
маленькая величина!
Учитель: И последний вопрос - это влияние силы Кориолиса на
железную дорогу.
12-й ученик: На железной дороге один рельс, под действием Кориолисовой силы, стирается изнутри значительно больше другого. В
северном полушарии это будет правый, а в южном - левый рельс.
Лишены хлопот по этому поводу лишь железнодорожники экваториальных стран.
Учитель: Ребята, мы прослушали множество примеров, в которых рассказывается влияние сил на движущиеся и покоящиеся тела
на Земле. Какой же вывод можно сделать из прослушанного материала?
Итак, мы приходим к выводу, что не учитывать эти силы нельзя.
А теперь попрошу сдать ваши таблицы. В ходе урока вы проделали
большую работу, проанализировав все силы, о которых мы говорили.
И каждый учащийся за это получит соответствующую оценку. За устные ответы оценки следующие:... Урок окончен.
ЛИТЕРАТУРА И ССЫЛКИ
1. М.И. Блудов «Беседы по физике», Москва, Просвещение,
1974 г.
2. О.Ф. Кабардин, С.И. Кабардина, Н.И. Шифер, «Факультативный курс физики», Москва, Просвещение, 1986 г.
5
1001 идея интересного занятия с детьми
3.
4.
В.А. Буров, А.И. Иванов, В.И. Свиридов «Фронтальные экспериментальные задания по физике, Москва, Просвещение
1987 г.
Дж. Уокер «Физический фейерверк», Москва, Мир, 1989 г.
6