Перегрузки и невесомость.

Цель урока: познакомить учащихся с понятием веса тела, с явлением перегрузок и невесомости, научить определять вес тела в различных случаях.

Демонстрации: изменение веса тела при равнопеременном движении вверх и вниз, невесомость тел при падении.

Методические рекомендации: обратить внимание учащихся, что вес и сила тяжести всегда приложены к разным телам: вес — к опоре или поднесу, а сила тяжести — к телу; они имеют различную природу: вес относится к упругим силам (проявление электромагнитных), сила тяжести — к силам тяготения (гравитационным).

Ход урока

I. Проверка домашнего задания.

1. Ответы на вопросы после параграфа. (В предыдущем уроке в закреплении).

2. Проверка решения домашних задач.

II. Изучение нового материала.

Е сли подвесить тело на динамометр, то на него действует сила тяжести, направленная вертикально вниз. Согласно 2-му закону Ньютона на пружину со стороны тела действует такая же сила по величине, направленная вертикально вверх Т — сила натяжения пружины (тело покоится а = 0, F_т + Т = 0 и F_т = Т). Если пружина действует на тело с силой Т, значит, и тело действует на пружину с силой, равной — Т, ее обозначают через P = - Т и называют весом тела.

Вес тела определяется суммарной силой притяжения между атомами, возникающем вследствие растяжения тела под действием силы тяжести. Если тело лежит на опоре, то Р = - N, где N — сила реакции опоры. В этом случае вес тела определяется приростом суммарной силы отталкивания между атомами возникающим из-за сжатия тела силой тяжести. Сила тяжести приложена к телу, а вес — к опоре или подвесу. Вес тела — суммарная сила упругости тела, действующая при наличии силы тяжести на опоры или подвесы.

При движении ракеты вверх с ускорением а на тело человека действуют силы: сила тяжести F_т = mg и сила реакции опоры N. Тогда по 2-му закону Ньютона ma = mg + N, N = ma – mg. Т.к. Р = - N, то Р = mg – ma = m(g – a) (1). В проекции на ось Ох: Р_х = mg_x - ma_x (2), если ось Ох направить вниз, то проекции всех сил будут с (+), кроме mа (а направлено вверх) и Р = mg + ma = mg + mga/g = mg (1+a/g). Вес тела направлен вниз и по модулю Р mg.

С остояние, при котором вес превышает силу тяжести, называют перегрузкой. Части тела сильнее давят друг на друга, затрудняется дыхание, ухудшается сердечная деятельность, происходит перераспределение крови, ее прилив или отлив к голове и т. д. Перегрузку характеризуют величиной n = a/g, где n — коэффициент перегрузки. Чем меньше время действия перегрузки, тем перегрузку может выдержать человек. В вертикальном положении человек хорошо переносит перегрузки от 5g до 88g за 12-15 с. При действии менее 0,1 с человек может перенести 20-кратные и большие перегрузки.

На участке разгона ракеты-носителя n составляет несколько единиц, после выключения двигателей, когда космический корабль выходит на орбиту, а = g , подставляя это значение а в (1), получим Р = m(g - g) = 0. Состояние тела, при котором его вес равен нулю, называется невесомостью. Все тела и отдельные части перестают давить друг на друга, предметы никуда не падают, маятник замирает в отклоненном положении, слабеют мышцы и кости, организм обезвоживается. С помощью лечебной физкультуры и лекарственных препаратов нормальные функции восстанавливаются. При движении самолета по параболе наблюдается невесомость. При этом время t = 2υ₀sinα/g (3), где υ₀ -

скорость самолета, с которой он выходит на параболическую траекторию, α - угол между направлением этой скорости и горизонтом (обычно 45-65º).

Если тело находится вдали от небесных тел, то g = 0 и, подставляя в (1): Р = - ma. Вес направлен противоположно ускорению.

Если ускорение тела вблизи поверхности Земли направлено вниз, то проекция а в формуле (2) будет положительна и Р = mg – ma, т. е. вес уменьшается. При движении по выпуклому мосту (а_ц направлено вниз) вес уменьшается, а при движении по вогнутому мосту (а_ц направлено вверх) вес увеличивается.

Ускорение свободного падения является силовой характеристикой гравитационного поля. Выполняется принцип эквивалентности гравитационного заряда и массы. Область применимости классической теории тяготения: макроскопические движения с небольшими скоростями в несильных гравитационных полях. Если в законе всемирного тяготения передвинуть массу, то мгновенно это повлияет на другие тела через силу (на этом основана теория тяготения). Однако гравитационное взаимодействие распространяется со скоростью света с.

III. Закрепление.

1) Что такое перегрузка? Когда она наступает? При ускоренном движении тела.

2). Что такое коэффициент перегрузки? 5g в течение 12-15 с, 8 g – в течение 3 c.

3). Какие перегрузки способен выдержать человек? 5g в течение 12-15 с, 8 g – в течение 3c.

4). Что такое невесомость? Когда она возникает? Как она влияет на организм человека? Когда гравитационное поле сообщает всем телам одно и то же ускорение.

5). Выведите формулу (3). у = (υ₀sinα)t – gt²/2, у = 0 в момент взлета и посадки. Отсюда: (υ₀sinα)t = gt²/2, t = 2 υ₀sinα/g.

6). Воспользовавшись формулой (3), определите продолжительность невесомости в самолете — лаборатории, для которого υ₀ = 750 м/с, α = 55º.

t = 2 ×750 м/с × sin55º = 2 ×750 м/с × 0,82 ≈ 125 с.

9,8 м/с² 9,8 м/с²

7). Как можно создать на космическом корабле «искусственную тяжесть»? Вращением вокруг своей оси.

IV. Решение задач.

Задача 1.

Космонавт на Луне бросает камень. Этот камень находится в состоянии невесомости: а) только при движении вверх; б) только при движении вниз; в) только в верхней точке траектории полета; г) в течение всего полета, после того как он выпущен из руки. (Ответ: (г), поскольку на камень после толчка руки не действуют никакие «опоры и подвесы», то в течение всего полета вес камня (сила, с которой камень действует на опору или подвес) равен нулю. Иными словами, камень находится в состоянии невесомости все время, пока он летит).

З адача 2.

На рисунке представлен график зависимости вертикальной составляющей ускорения парашютиста от времени. Парашютист находится в состоянии невесомости в течение следующего промежутка времени: а) от 0 до t₁; б) от t₁ до t₂; в) от t₂ до t₃; г) от t₃ до t₄. ((а), т.к. а = g, в этом промежутке и направлено вниз).

Задача 3.

Мальчик массой 50 кг совершает прыжок в высоту с ускорением 2 м/с². Сила тяжести, действующая на него во время прыжка, примерно равна... а) 600 Н; б) 50 Н; в) 500 Н; г) 5 Н; д) 0. Ответ: в), так как F_m = mg = 500 Н.

Задача 4.

Автомобиль движется с постоянной по модулю скоростью 72 км/ч по выпуклому мосту. При каком значении радиуса круговой траектории автомобиля в верхней точке траектории водитель испытает состояние невесомости?

Задача 5.

На рисунке камень, привязанный к веревке длиной L = R = 2,5 м, равномерно вращается в вертикальной плоскости. Масса камня 2 кг. При каком значении периода обращения камня его вес в точке А станет равным нулю? (R = υ²/g — из предыдущей задачи, υ = 2πR/T, υ² = 4π²R²/Т²; Т² = 4πR/g = π², T = 3,14 с.

Ответ: Т = 3,14 с.

V. Итоги урока.

Домашнее задание.

§ 25 (76-78). Задача 116. Задача 117.