В.В.МАЙЕР < varaksina_ei@list.ru >, Е.С.МАМАЕВА,
ГГПИ им. В.Г.Короленко, г. Глазов, Удмуртская Респ.

Введение понятий силы тяжести, силы упругости, веса и невесомости

Введение начальных понятий физики в 7-м классе обязательно нужно сопровождать простыми и яркими экспериментами, носящими не только иллюстративный, но и доказательный характер. Оборудование для таких опытов обычно всегда имеется под руками. Нужны лишь желание и изобретательность учителя, чтобы показать школьникам все изучаемые в курсе физики явления.

1. Сила тяжести

Традиционно понятие силы тяжести вводят, рассматривая примеры падения камня, выпущенного из рук, падения груза, подвешенного на нити, после её пережигания, криволинейного движения мяча, брошенного горизонтально, движения искусственного спутника Земли. Указывают силу тяжести как причину такого движения тел. Мы полагаем, что введение понятия силы тяжести необходимо начать с анализа опытов по взаимодействию тел.

Экспериментальная установка состоит из баллистического пистолета, закреплённого на штативе с возможностью поворота вокруг горизонтальной оси. Учащимся показывают, что баллистический пистолет состоит из пластмассовой или металлической трубки, стальной пружины и резинового снаряда.

Впрочем, лучше использовать самодельную стрелялку, которая позволит учащимся непосредственно наблюдать взаимодействие тел. Основным её элементом является стальная пружина, например, от школьного прибора «Ведёрко Архимеда». Пружину возле одного из концов слегка зажимают в лапке штатива. Во второй конец пружины плотно вставляют резиновую пробку. В качестве снарядов удобно использовать пластмассовые корпуса отслуживших фломастеров диаметром примерно 10 мм и длиной около 150 мм.

Вначале стрелялку ориентируют горизонтально и рядом с ней горизонтально закрепляют доску, например, от трибометра. Пружину за свободный конец немного растягивают, внутрь неё вставляют снаряд и пружину отпускают.

Учащиеся наблюдают, что пружина сжимается, толкает снаряд, он вылетает из стрелялки, скользит по доске и останавливается.

Анализируют опыт: до взаимодействия скорость снаряда была равна нулю; в результате взаимодействия растянутой пружины и снаряда скорость снаряда изменилась и достигла некоторой величины v. После вылета из стрелялки снаряд попал на доску и затормозился так, что скорость его вновь стала равна нулю.

Делают вывод: опыт показывает, что скорость тела изменяется при взаимодействии с другим телом.

Обобщают полученный результат: если в опыте скорость некоторого тела изменилась, значит, произошло взаимодействие этого тела с другим телом.

Затем стрелялку располагают вертикально и повторяют опыт. Учащиеся наблюдают, что неподвижный вначале снаряд под действием сжимающейся пружины приобретает направленную вертикально вверх скорость и вылетает из стрелялки. Ещё раз говорят о взаимодействии двух тел: пружины и снаряда.

Обращают внимание школьников на то, что при движении вертикально вверх скорость снаряда непрерывно уменьшается до нуля, а затем, когда снаряд падает, вновь возрастает.

После вылета снаряда из стрелялки пружина на него уже не действует. Однако скорость движущегося по вертикали снаряда изменяется не только по величине, но и по направлению. Следовательно, во время свободного полёта снаряд взаимодействует с другим телом, под действием которого его скорость изменяется.

Показывают, что в каком бы направлении снаряд ни вылетел из стрелялки, он неизменно падает вниз.

Анализируя полученный результат, приходят к выводу, что есть только одно тело, взаимодействуя с которым свободно падающий снаряд изменяет свою скорость, – это Земля. Отмечают, что поскольку масса снаряда много меньше массы Земли, то изменение скорости движения снаряда учащиеся видят, а Земли – не наблюдают.

Говорят, что сила, с которой Земля действует на снаряд, называется силой тяжести. Затем рассказывают о явлении тяготения и рассматривают закон всемирного тяготения. Анализируют движения тел, брошенных горизонтально, говорят о движении искусственного спутника Земли.

2. Сила упругости

При введении понятия силы упругости, как правило, ссылаются на умозрительный опыт по деформации горизонтально лежащей на двух опорах доски, на середину которой помещают гирю. Затем обсуждают опыт, в котором груз подвешен на нити, и вновь говорят о деформации. Однако в подобных умозрительных опытах учащиеся не могут наблюдать деформацию всех взаимодействующих тел. Кроме того, школьники приучаются к тому, что в физике нужно верить на слово, а не проводить доказательные эксперименты. Поэтому на уроке целесообразно поставить следующую серию простых опытов.

На штативе за верхний крючок подвешивают стальную пружину от прибора «Ведёрко Архимеда». Резиновый шарик наполняют водой (примерно 0,8 л), прочно завязывают шнурком и рядом делают небольшую петлю. Петлю набрасывают на нижний крючок пружины, держа шарик в руке (рис. а).

Постепенно отпускают руку, и учащиеся наблюдают, что под действием силы тяжести шарик начинает двигаться вниз, при этом пружина растягивается, а шарик изменяет свою форму. Обращают внимание школьников на то, что в опыте при взаимодействии деформируются оба тела: и пружина, и висящий на ней шарик (рис. б).

Говорят, что силы, возникающие при деформации тел, называют силами упругости.

Снизу под шарик подводят мягкую сетчатую подставку (дуршлаг из металлической сетки) и несколько поднимают подставкой шарик. При этом деформированными оказываются все три взаимодействующих тела (рис. в).

Таким образом, на шарик с водой действуют: сила тяжести, сила упругости со стороны растянутой пружины и сила упругости со стороны прогнутой подставки. В свою очередь, деформированный шарик действует на пружину и подставку, вызывая появление в них сил упругости.

3. Вес, невесомость и перегрузка

Фактически на предыдущем уроке всё сделано для того, чтобы ввести понятие веса. Но дидактический эффект урока окажется более значительным, если вместе с учащимися выполнить ещё одну серию опытов.

На демонстрационный стол помещают сетчатую подставку или кусок мягкого поролона. Берут пружину за верхний крючок, к нижнему крючку подвешивают шарик с водой и располагают его над подставкой. Медленно опускают пружину так, чтобы шарик ложился на подставку. Учащиеся наблюдают, что растяжение пружины уменьшается, начинает прогибаться подставка, а шарик меняет свою форму (рис. г–е).

Говорят, что точно такие же процессы происходят, если любое твёрдое тело поместить на горизонтальную поверхность другого твёрдого тела или подвесить на нити. После этого общепринятым методом вводят понятие веса тела как силы упругости деформированного тела, приложенной к опоре или подвесу.

Далее поднимают пружину с шариком на высоту около полуметра над ровной поверхностью демонстрационного стола. Верхний конец пружины держат в одной руке, а шарик придерживают другой рукой так, чтобы пружина не растягивалась. Просят школьников сосредоточить внимание на шарике и резко отводят вниз руку, на которой лежал шарик, одновременно опуская вниз руку, держащую конец пружины. Учащиеся видят, что шарик, из-под которого убрана опора и над которым исчез подвес, приобретает сферическую форму (рис. ж).

Делают вывод, что тело, на которое действует только сила тяжести, недеформировано, поэтому в нём не возникают силы упругости. Такое состояние тела называется невесомостью. Всякое свободно падающее тело находится в состоянии невесомости, поскольку на него действует только сила тяжести.

Ставят опыт, позволяющий выяснить, что происходит в момент соприкосновения свободно падающего тела с неподвижной опорой. Выпускают поднятый над столом шарик с водой из руки и одновременно второй рукой слегка придерживают пружину так, чтобы скорость падающего шарика не оказалась чрезмерно большой. Учащиеся наблюдают, что в момент удара шарик с водой деформирован гораздо сильнее, чем когда он просто лежит на твёрдой поверхности (рис. з, и). Тело, деформация которого превышает нормальную, находится в состоянии перегрузки. В таком состоянии нередко оказываются лётчики и космонавты, когда ускорение их движения превышает ускорение свободного падения.

В заключение резиновый шарик с водой привязывают к верёвке и, зажав в руке свободный её конец, из состояния покоя приводят шарик в колебательное движение (рис. к–н). Предлагают учащимся указать состояния невесомости, нормальной весомости и перегрузки шарика.

4. Лирика

Все описанные здесь опыты не требуют никакого дополнительного времени на уроках. Конечно, при их подготовке учитель должен немного потренироваться, чтобы на уроке уверенно бросать шарик с водой. Возможно, возникнет проблема с дуршлагом, но мы уже говорили о мягком поролоне, разумеется, есть и другие решения. Резина шарика должна быть мягкой, для этого достаточно перед заполнением водой раздуть шарик воздухом. Стальную пружину в принципе можно заменить резиновой нитью. Одним словом, подготовка опытов займёт не слишком много времени и практически ничего не будет стоить.

Зато какой результат! Школьники глаз не могут оторвать от демонстрационного стола. Дома не только девочки, но и мальчики аккуратно пишут «Опыт 22. Невесомость» и разноцветными карандашами с любовью рисуют падающие шарики. Самые отчаянные продолжают изучение темы на улице, наполняя резиновые шарики водой, приводя их в свободное падение и экспериментально исследуя взаимодействие таких шариков с неподвижными телами.

Громов С.В., Родина Н.А. Физика-7. – М.: Просвещение, 2000.

Пёрышкин А.В. Физика-7. – М.: Дрофа, 2000.

Разумовский В.Г., Орлов В.А., Дик Ю.И., Никифоров Г.Г., Шилов В.Ф. Физика-8: Под ред. В.Г.Разумовского, В.А.Орлова. – М.: Владос, 2003.

Пинский А.А., Разумовский В.Г., Дик Ю.И. и др. Физика и астрономия: Учеб. для 7 кл. образоват. учреждений: Под ред. А.А.Пинского, В.Г.Разумовского. – М.: Просвещение, 2000.

Хижнякова Л.С., Синявина А.А. Физика: Механика. Термодинамика и молекулярная физика: Учеб. для 7–8 кл. общеобразоват. учрежд. – М.: Вита-Пресс, 2000.