Личный кабинет

В мире гравитации

Задача по физике на базе краеведческого материала. Раздел динамика, тема гравитационные силы.


Представляю задачу из сборника «Пермский край в физических задачах». Ее можно предложить учащимся 9-10 классов на занятиях кружка, в рамках недели физики, при прохождении краеведческого квеста

Пояснительная записка

Физика – наука о природе. Объект ее изучения - изменения в окружающем мире, выражаясь научны языком физические явления. Они многочисленны и разнообразны. Наблюдая то или иное явление, часто нелегко объяснить его с позиции физики. Поэтому нам кажется, что на уроках физики мы изучаем, что угодно, только не природу. В нашей школе ребята с природой общаются часто: походы, экскурсии, соревнования. Но редко, столкнувшись с интересным и ярким явлением, не связывает его именно с физикой, особенно с физикой в задачах.

А ведь это не так. Именно решение физических задач позволяет объяснить наблюдаемое качественно и количественно.

Пересмотрев и проанализировав имеющийся у нас краеведческий материал по нашему Пермскому краю на предмет составления физических задач, мы с ребятами подготовили сборник «Пермский край в физических задачах».

Начну с задачи, которая рассказывает о моем родном городе Краснокамске. Ее решали ребята 9-10 классов в рамках конкурса при проведении в школе недели физики и участники квеста «Путешествие по Пермскому краю». Задача учениками была хорошо принята и положительно оценена.

Задача «В мире гравитации»

Есть у нас на Урале такие места, куда хочется возвращаться снова и снова. Летом здесь все утопает в зелени! В эту пору хочется бродить по лесу, посидеть на крутом камском берегу. Можно научиться слушать и слышать природу, случается и она откровенничает. Вот о чем однажды рассказал мне мой старый знакомый черный коршун:

- Мы хищные птицы. Наш девиз: «Ни дня без охоты!». Для этого нужны зоркий глаз, мощные крылья, острые когти. Все это есть у нас. Люди считают нас умными птицами. Они правы. Для нас не составляет труда отличить обычного человека от охотника. Мы не даем в обиду ни себя, ни птенцов. А кто попытается отбить у нас гнездо или отобрать пищу - получает по заслугам и больше никогда не приближается к нашему жилью.

С высоты полета хорошо просматривается весь наш город. Каждую весну я возвращаюсь в свой бор, и вижу все больше изменений: увеличивается свалка у окраины города, растет число дорог, разбросанных повсюду, все меньше становится вековых сосен.

В городе я очень редкая птица! Вы меня можете увидеть только в парках и сосновом бору. Я стараюсь не летать низко, для планирования поднимаюсь повыше, вдруг кто-нибудь бросит камень и попадет. Я не доверяю людям, хотя знаю, что все они разные.

А как я охочусь! Планирую или прячусь, жду подходящего момента. Заметив добычу, камнем падаю вниз и ловлю ее. Помогает мне в этом матушка Земля. Мы все живем в ее невидимом гравитационном поле. Каждый из нас окружен таким полем, но в сравнении с полем Земли они ничтожны.

-А что же такого особенного у Земли, что ее так любит гравитация?- невольно вырвалось у меня.

- Какая ты невнимательная, хоть и старшеклассница. Напомню: gravitas слово латинское, переводится как «тяжесть». «Тяжесть» определяется массой, а на планете Земля самая большая масса, а значит и гравитационное поле именно у Земли. Все живые существа давно приспособились жить в мире, где правит гравитация. Мы - коршуны прекрасно научились ее использовать и преодолеть. Смотри!

Медленно и плавно взмахивая крыльями, коршун поднимался все выше и выше. Скоро различить его невооруженным взглядом уже невозможно. Но вот он снова появился в поле зрения. Долго любовалась я своим другом, а он парил в воздухе, даже не взмахивая крыльями. Я присела на скамейку, подняла голову и от страха зажмурилась. Коршун падал прямо на меня!

- Испугал? спросил он, устраиваясь рядом.

- Было страшновато,- призналась я. Так и казалось, сейчас случится беда…

- Да, скорость моя в пике немалая! Люблю я острые ощущения, а как охотнику мне это просто необходимо.

Озадачив меня, коршун взмахнул мощными крыльями и улетел, а я занялась решением задачи. Давай решим вместе  задачу.

Как ежесекундно изменяется моя скорость при пикировании, какой она бывает у поверхности земли, если я падаю камнем вниз с высоты 45 метров. Восходящие потоки какого давления я должен поймать, чтобы парить неограниченное время. Моя масса 1000 г. Общая площадь расправленных крыльев и хвоста 3000 см2. Все недостающие данные можно найти в справочнике по физике.

Озадачив меня, коршун взмахнул мощными крыльями и улетел, а я занялась решением задачи.

  1. Решение

По закону всемирного тяготения сила взаимодействия между двумя телами

F=G Мз m/R2

Эта же сила по 2-му закону Ньютона F=m а

Решаем уравнения совместно

G Мз m/R2= m а

Отсюда ускорение а=GМз/R2=6,67 10-11 Нм2/кг26 1024 кг/(64 105 м)2=

0,0098 103 м/с2=9,8м/с2

Это ускорение называют ускорением свободного падения и обозначают g

g = а =9,8м/с2

  1. Не учитывая работу сил трения, найдем скорость в пике, используя закон сохранения энергии. При падении потенциальная энергия переходит в кинетическую mgh =mv2/2

Отсюда v2= 2gh=2 9,8м/с2 45 м=900 (м/с)2

Извлечем корень квадратный и получаем v=30 м/с=108 км/ч

  1. При парении по 1закону Ньютона сумма всех сил, действующих на тело, равна 0, т.е. сила тяжести по модулю равна силе давления восходящих потоков воздуха Fт= Fд

Учитывая, что сила тяжести Fт=mg

Сила давления восходящих потоков Fд=ps

выразим давление Р

mg= ps получим р= mg/s=1 кг 9,8 м/с2/03 м2= 33Па

Ответ: при пикировании ежесекундно скорость птицы увеличивается на 9,8м/с; у поверхности земли, при падении с высоты 45 м, она составляет 108км/ч; для парения птица с такими параметрами должна поймать восходящие потоки теплого воздуха давлением 33,3 Па

Только я закончила расчеты, мой друг присел рядом.

- Решила? Молодец! Видишь, как долго считала, а я все мгновенно чувствую. Люди давно это поняли и многое у птиц переняли. Ты слышала про беспилотный самолет с моим именем? Его еще в 1982 г. начали разрабатывать.

А началось все гораздо раньше.

- А все же, как вы преодолеваете притяжение Земли?- поинтересовалась я.

- Если коротко, летаем за счёт аэродинамической подъёмной силы. Видишь, слова какие - мудреные, научные. Когда я машу крыльями, перья по-особому располагаются: при опускании они распушаются, а при подъёме вверх – сузятся. Получается, при опускании давление под крылом будет больше, чем над крылом, это и есть аэродинамическая подъёмная сила. Она превышает мой вес. Так и летаем. Мы давно подружились с гравитацией, а Земля дала нам добро на полеты и маневры.

А при парении, заметила какая форма у моих крыльев? Здесь тоже работает подъёмная сила, и я планирую… А уж если найду восходящие воздушные потоки, просто наслаждаюсь! Могу неограниченно долго парить, не снижая высоты, а даже поднимаясь вверх!

Мы еще долго беседовали с коршуном…

Я еще раз убедилась, насколько все в природе продумано и совершенно. Людям надо быть внимательнее к окружающему миру и тогда откроются нам новые тайны, появятся у человека технические устройства, давно работающие в живой природе.

Надеюсь, что ребята, решившие эту задачу, не останутся равнодушными к проблемам, обозначенным в разговоре коршуном. Хочется чтобы люди поняли - помогая природе, помогаешь себе!

Краснокамск, Кама, сосновый бор

Парит черный коршун

Работает гравитация или маневры черного коршуна

Все фотографии авторские

Добавлено: 06.01.2021
Рейтинг: 8.94
Комментарии:
0
Сказали спасибо 0
Сказать спасибо
footer logo © Образ–Центр, 2021. 12+