Конспект урока по физике. 9кл

Физика 9 класс

Урок № Дата :

Тема урока: Импульс тела . Закон сохранения импульса . Реактивное движение.

Тип урока. Комбинированный.

Метод. Словесный. Беседа, рассказ.

Литература / основная /

Образовательная цель урока:

1. Введения новой физической величины – импульса тела, ввести понятие – импульс силы.

2. Сформировать понятие о замкнутых системах, вывести закон сохранения импульса.

Задачи урока:

1. Способствовать развитию навыков учащихся в самостоятельном приобретении информации, в умении выделять главную мысль.

1. Добиться усвоения учащимися формулировки закона сохранения импульса, научить школьников записывать уравнение закона в векторной форме для двух взаимодействующих тел.

2. Продолжить формирование умения анализировать, устанавливать связи между элементами содержания ранее изученного материала по основам механики, навыки поисковой познавательной деятельности, способность к самоанализу.

3. Формировать умение применять полученные знания на практике при решении физических задач на закон сохранения импульса.

4. Требовать от учащихся анализа механического взаимодействия тел; умения выделять признаки явления, по которым оно обнаруживается; указывать условия, при которых происходит рассматриваемое явление; объяснять примеры использования явления.

5. Повторить принцип относительности Галилея, раскрыть смысл относительности в применении к закону сохранения импульса.

6. Продолжить формирование эстетического вкуса учащихся через демонстрацию и наглядность, вызвать желание постоянно пополнять свои знания; поддерживать интерес к предмету.

Оборудование и программное обеспечение к уроку:

• ученика, металлические шарики на нитях, тележки демонстрационные, грузы.

• Презентации к уроку «Импульс тела», «Рене Декарт» (презентация учащегося), «Закрепление»

Ход урока

1. Организационный этап.

2. Повторение изученного материала.

Актуализация базовых знаний. 

1. Явление сохранения скорости постоянной при отсутствии внешних воздействий или при их компенсации.

2. Явление изменения объема или формы тела.

3. Сила, возникающая при деформации, стремящая вернуть тело в первоначальное положение.

4. Английский ученый, современник Ньютона, установил зависимость силы упругости от деформации.

5. Единица массы.

6. Английский ученый, открывший основные законы механики.

7. Векторная физическая величина, численно равная изменению скорости за единицу времени.

8. Сила, с которой Земля притягивает к себе все тела.

9. Сила, возникающая в результате движения одного тела по поверхности другого и благодаря существованию сил взаимодействия между молекулами и атомами соприкасающихся тел, направленная всегда в сторону противоположную движению.

10. Мера взаимодействия тел.

11. Раздел механики, в которой изучают закономерности механического движения материальных тел под действием приложенных к ним сил.

Изучение нового материала.

Запись числа и темы урока на доске “Импульс тела и импульс силы. Закон сохранения импульса”

Цели урока для учащихся: усвоить понятие импульса тела и импульса силы, понятие замкнутой системы, изучить закон сохранения импульса, научиться решать задачи на закон сохранения.

Зная основные законы механики, законы Ньютона, казалось бы, можно решить любую задачу о движении тел. Проведём ряд экспериментов и выясним, можно ли в этих случаях, используя только законы Ньютона, рассчитать параметры движения?

Эксперимент 1.

Скатывание легкоподвижной тележки с наклонной плоскости. Она сдвигает тело, находящееся на ее пути.

Можно ли найти силу взаимодействия тележки и тела?

Ответ. Нет, так как столкновение тележки и тела кратковременное и силу их взаимодействия определить трудно.

Эксперимент 2.

Скатывание нагруженной тележки сдвигает тело дальше.

Можно ли в данном случае найти силу взаимодействия тележки и тела?

С помощью каких физических величин можно охарактеризовать движение тела?

Вывод: Законы Ньютона позволяют решать задачи, связанные с нахождением ускорения движущегося тела, если известны все действующие на тело силы, т.е. равнодействующая всех сил. Но часто бывает очень сложно определить равнодействующую силу, как это было в наших случаях.

Такие ситуации возникают при различных ударах и столкновениях твёрдых тел, их формы и условий столкновения, а также во время взрывов, когда давление газов от сгорания взрывчатки меняется по сложному закону. Для описания подобных ситуаций в механике введены специальные величины, значение которых не изменяется при взаимодействии тел: импульс тела и энергия тела.

С ообщение учащегося:

Слово “импульс” в переводе с латинского означает “толчок”.

Понятие импульса было введено в физику французским ученым Рене Декартом (1596-1650 г.), который назвал эту величину “количеством движения”: “Я принимаю, что во вселенной… есть известное количество движения, которое никогда не увеличивается, не уменьшается, и, таким образом, если одно тело приводит в движение другое, то теряет столько своего движения, сколько его сообщает”.

Презентация «Импульс тела»

Найдем взаимосвязь между действующей на тело силой, временем ее действия, и изменением скорости тела. 

Пусть на тело массой m начинает действовать сила F. Тогда из второго

закона Ньютона ускорение этого тела будет а.

Вспомните как читается 2 закон Ньютона?

Запишем закон в виде 

С другой стороны: 

Или  Получили формулу второго закона Ньютона в импульсной форме.

Эксперимент (на нитях подвешиваются два шарика)

Правый отклоняют и отпускают. Вернувшись в прежнее положение и ударившись о неподвижный шарик, он останавливается. При этом левый шарик приходит в движение и отклоняется практически на тот же угол, что и отклоняли правый шар.

Импульс обладает интересным свойством, которое есть лишь у немногих физических величин. Это свойство сохранения.

Но закон сохранения импульса выполняется только в замкнутой системе.

Система тел называется замкнутой, если взаимодействующие между собой тела, не взаимодействуют с другими телами

Столкновения тел

Импульс каждого из тел, составляющих замкнутую систему, может меняться в результате их взаимодействия друг с другом.

Векторная сумма импульсов тел, составляющих замкнутую систему, не меняется с течением времени при любых движениях и взаимодействиях этих тел.

В этом заключается закон сохранения импульса.

Примеры: ружье и пуля в его стволе, пушка и снаряд, оболочка ракеты и топливо в ней.

Закон сохранения импульса   

Проведём простое наблюдение-опыт. Если подуть на лежащий на столе теннисный шарик, то он откатится в сторону. Если подуть сильнее, то шарик откатится дальше. Однако, если снова дуть не сильно, но более долго, можно достичь прежней дальности отката.

То есть результат действия силы на тело зависит не только от силы, но и от времени её действия.

В физике

 произведение вектора силы на интервал времени её действия называют

импульсом силы:

Проведём второе наблюдение-опыт. Выстрелим из игрушечного пистолета в тележку с песком так, чтобы пуля застряла в песке, а тележка приобрела некоторую скорость. Вернём тележку назад и возьмём тяжёлую гирю, не забыв извлечь из песка пулю. Подбирая скорость броска гири в песок, добьёмся, чтобы тележка двигалась с прежней скоростью.

Пуля имела маленькую массу, но большую скорость. Гиря же имела маленькую скорость, но большую массу. Тем не менее, как говорят в физике, они передали тележке одинаковое количество движения.

В физике количеством движения или импульсом тела называют произведение массы тела на вектор его скорости:

Из сравнения формул видно, что импульс силы и импульс тела можно измерять общей единицей – килограммо-метрами в секунду:

1 Н · 1 с = 1 кг · 1 м/с = 1 кг·м/с

Импульс силы и импульс тела связаны друг с другом. Чтобы найти эту связь, подставим во второй закон Ньютона определение ускорения:

Преобразовав, получим новое равенство:

То есть вектор импульса силы равен изменению вектора импульса тела.

Передача импульса одним телом другому происходит при взаимодействии тел, которое длится некоторый интервал времени, и при этом выполняется третий закон Ньютона:

Дважды подставив сюда последнее равенство и проведя тождественные преобразования, получим

 закон сохранения импульса: сумма импульсов тел до их взаимодействия равна сумме импульсов после взаимодействия:

Подчеркнём, что закон сохранения импульса выполняется только если рассматриваются все тела, состояния которых меняются при их взаимодействии – замкнутая система тел.

Для иллюстрации векторного характера закона рассмотрим опыт. На бильярдном столе два одинаковых шара: слева розовый, в центре голубой.

Придадим розовому шарику скорость 5 м/с в направлении голубого, не по центру.

Допустим, что после удара шары разлетятся со скоростями 3 м/с и 4 м/с, угол между векторами которых 90°.

Мы будем считать, что при взаимодействии друг с другом шары пренебрежимо мало взаимодействуют со столом. То есть шары образуют замкнутую систему тел.

Суммы импульсов до взаимодействия и после него:

Приравнивая суммы импульсов, сократим равные массы обоих шаров:

       (важно: векторное равенство)

Это полностью соответствует результату опыта. Другие опыты также подтверждают закон сохранения импульса в замкнутых системах тел.

Закон сохранения импульса.

Закон сохранения импульса выводится из второго и третьего законов Ньютона.

Рассмотрим замкнутую систему, состоящую из двух тел – шаров с массами и , которые движутся вдоль прямой в одном направлении со скоростью и  .

С небольшим приближением можно считать, что шары представляют собой замкнутую систему

Из опыта видно, что второй шар движется с большей скоростью (вектор изображен более длинной стрелочкой). Поэтому он нагонит первый шар и они столкнутся.

Математический вывод закона сохранения

Используя законы математики и физики, сделаем математический вывод закона сохранения импульса.

, так как время действия сил одно и тоже, то можно записать 

-начальные скорости тел,  - конечные скорости

,  , так как левые части уравнений равны, то и правые тоже:  , сгруппируем члены уравнений

- закон сохранения импульса (для упругого удара)

Если удар неупругий  , то закон сохранения импульса примет вид:

Вывод: закон сохранения импульса – один из основных законов физики.

Между телами могут действовать любые силы, в том числе и силы трения, возможны слипание или дробление тел на более мелкие, взрыв, химическая реакция, ядерное превращение, но суммарное значение импульса не изменяется: 

Реактивное движение    

Наверняка вы неоднократно видели по телевидению, как взлетает космический корабль. Может, даже, во время празднования Нового Года кто-то из ваших друзей запускал в небо цветные ракеты. При их полёте постоянно выбрасывается струя раскалённых газов. Полёт космического корабля или ракеты – это примеры так называемого реактивного движения.

Реактивным движением называют движение тела, возникающее при отделении от него некоторой его части. 

Для пояснения причин возникновения реактивного движения рассмотрим пример решения задачи, в которой тело, двигавшееся как целое, разделяется на две части.

Задача. На тележке массой  = 50 кг, едущей горизонтально со скоростью   = 0,5 м/с, стоит мальчик массой   = 40 кг. Как изменится движение тележки, если мальчик с неё спрыгнет с горизонтальной скоростью   = 2 м/с относительно земли?

Решение. Поскольку в задаче даны массы тел и их скорости, применим закон сохранения импульса, считая тележку и мальчика замкнутой системой тел:

В зависимости от направления прыжка мальчика возможны случаи:

прыжок вперёд	прыжок назад
( m1 + m2 ) vo = m1 v1x + m2 v2	( m1 + m2 ) vo = m1 v1x – m2 v2
( 50 + 40 ) · 0,5 = 50 v1x + 40 · 2	( 50 + 40 ) · 0,5 = 50 v1x – 40 · 2
В этом случае: v1x = –0,7 м/с	В этом случае: vx = +2,5 м/с

Ответ: при прыжке мальчика вперёд тележка поедет назад с немного большим, чем до прыжка, модулем скорости; при прыжке мальчика назад тележка сохранит направление движения, в 5 раз увеличив модуль скорости.

Взаимодействие мальчика и тележки можно рассматривать как отделение от тела с общей массой (m1 + m2) некоторой части с массой m2, то есть как пример реактивного движения. Однако чаще всего под ним понимают не одномоментное отделение части, а длящееся некоторое время, как например, выброс раскалённых газов при старте космического корабля.

Самый впечатляющий пример реактивного движения – взлёт космического корабля или ракеты

Предположим, что сначала ракета находится на Земле с выключенными двигателями, а затем взлетает вверх, полностью сжигая топливо. Будем считать корпус ракеты и выбрасываемые продукты сгорания, газы, замкнутой системой. Применим к ней закон сохранения импульса:

Последняя формула значит, что, во-первых, вектор скорости корпуса ракеты направлен противоположно вектору скорости газов, во-вторых, скорость ракеты тем больше, чем больше скорость выбрасываемых ею газов, образующихся при сгорании топлива, в-третьих, скорость ракеты тем больше, чем больше доля массы топлива (то есть образующихся из него газов) от массы корпуса ракеты или космического корабля.

Эта формула не точна с количественной точки зрения, так как топливо сгорает не мгновенно, и, кроме того, выбрасываемые ракетой газы разгоняют как корпус ракеты, так и ещё несгоревшее топливо. Впервые уточнённая формула была выведена российским учёным К.Э.Циолковским.

4. Закрепление изученного материала.

5. Решение задач

1. Тело массы небольшой (10 кг.) 
скорость развивает (5м/с). И какой же это тело импульс получает?
P= m , P=10кг.*5м/с=50кг*м/с

2. Разбор решения задачи из учебника стр. 145.

6. Домашнее задание: Выучить формулы