В чем заключается явление перегрузки и невесомости. Влияние невесомости и перегрузки на живые организмы

Цели урока: повторить понятие веса тела, установить, как изменяется вес тела при движении его с ускорением, рассмотреть, в чем состоит причина невесомости и перегрузок.

Оборудование: два бруска, металлическая планка, груз, штатив, пружина, динамометр, фильм "Невесомость", пружинные весы, диафильм "Явление тяготения".

План урока.

I. Мотивация.

Ребята, наш сегодняшний урок я хочу начать со слов К.Э.Циолковского: "Человечество не останется вечно на Земле, но в погоне за светом и пространством, сначала робко проникнет за пределы атмосферы, а затем завоюет себе все околосолнечное пространство".

На сегодняшний день люди сумели проникнуть за пределы атмосферы, но еще пока не завоевали все околосолнечное пространство. Какие были трудности и сложности в самом начале этого тернистого пути? Да и вообще нужно ли было человечеству осваивать космос? На эти вопросы нам предстоит ответить на уроке.

Итак, тема нашего урока: "Вес тела. Невесомость. Перегрузки".

II. Ход урока.

"Как это удивительно – обнаружить, что все явления природы управляются небольшим числом сил!" (М.Фарадей).

В механике выделяют силы тяготения, упругости, трения.

А что такое вес тела?

(Диалог учащихся).

В обиходе часто вес путают с массой, силой тяжести: "Сколько весит ведро воды?" или "Взвесьте 0,5 кг конфет". Чтобы в дальнейшем избежать путаницы, дадим определение понятия "вес тела": сила, с которой тело, вследствие его притяжения к Земле действует на опору или подвес. Обратим внимание: вес действует на опору или подвес, а не на тело.

Ученик II.

Возникает неожиданный вопрос: а почему, собственно, тела действуют на опоры и подвесы?

Действует: это знают все, кто носил тяжелые сумки и чемоданы, кому рюкзак натирал плечи в походе.

Ученик II.

Так почему же тела давят на опору?

Обычный ответ: "Потому что тело притягивается к Земле". Согласны все?

Ученик II.

Возражаю: действительно, тело притягивается к Земле с силой тяжести F = mg, но ведь это взаимодействие тела и Земли, при чем здесь опора?

Другой аргумент: если бы не было опоры, то тело падало бы, а опора этому препятствует силой упругости, возникающей при её деформации.

Ученик II.

Тоже верно, но это объясняет только действие опоры на тело, а не тела на опору, и вопрос остался открытым.

Вспомним третий закон Ньютона: "Если опора действует на тело, то и тело должно действовать на опору с такой же по значению силой". Действие и противодействие - силы одной природы. Реакция опоры N есть сила упругости, значит, и вес тела возникает при деформации тела. Не только тело, падая, деформирует опору или подвес, но и опора деформирует тело. Да-да, все тела, стоящие сейчас на столе перед вами, слегка сжаты, настолько мало, что никто на это не обращает никакого внимания. И лично вы, встав с постели на пол ногами и деформируя пол, сами деформируетесь (сжимаетесь) на 2-3см.

И действительно, деформацию тела пронаблюдать трудно, а вот деформацию опоры и подвеса - пожалуйста.

1) Два бруска, металлическая планка, груз.

Под действием силы тяжести некоторое время груз будет двигаться вниз, прогибая доску, а затем, остановится, при этом возникает сила, с которой опора действует на тело. Деформируется не только опора, но и тело притягивается Землей.

2) Штатив, пружина, груз.

Пружина окажется деформированной, появится сила упругости пружины, но возникнет ещё одна сила - сила упругости деформированного тела.

Когда тело находится в покое или движется прямолинейно и равномерно относительно инерциальной системы отсчета, то вес тела по модулю равен силе тяжести.

Ребята, я сейчас возьму пружинные весы. Рука покоится относительно Земли, весы покажут, что вес тела по модулю равен силе тяжести. Теперь весы выпустим из рук, и они вместе с грузом свободно падают. В этом случае стрелка весов установится на нуле. Вес исчез: груз, как говорят, стал невесомым. В чем состоит причина невесомости?

Невесомость объясняется тем, что сила всемирного тяготения, а значит и сила тяжести, сообщают всем телам одинаковое ускорение g . Поэтому всякое тело, на которое действует только сила тяжести или вообще сила всемирного тяготения, находится в состоянии невесомости. Но надо помнить, что если в нашем опыте стрелка весов стоит на нуле, то это не значит, что исчезла сила тяжести. Исчез вес, т.е. сила, с которой груз действует на подвес. Сила тяжести остается – она причина свободного падения.

А теперь представим, что вы купили молоко, и оно вытекает.

Испытывает ли человек состояние невесомости?

Кратковременное состояние невесомости испытывал каждый. В таком состоянии находится прыгун с момента отрыва от Земли и до момента приземления; пловец, прыгающий с вышки, до соприкосновения с водой. Даже бегун в короткие промежутки времени между касаниями ногой земли. Длительное состояние невесомости возникает при свободном полете космического корабля.

Перед вами приборы: часы, песочные часы, весы, спиртовка. Какой из этих приборов сможет использовать космонавт по назначению во время космического полета?

(Фрагмент фильма "Невесомость").

А все-таки невесомость – друг или враг? (Выслушиваю ответы учащихся).

Вывод: невесомость далеко не безобидна для человеческого организма, но для науки она открывает новые возможности. Можно, например, смешивать жидкости, которые на Земле невозможно перемешать; получать в 50-100 раз быстрее и в 10-20 раз чище, чем на Земле, вещества, необходимые для изготовления лекарств и полупроводников, и многое другое…

Нужно подчеркнуть, что люди упорны в своих исследованиях.

А теперь рассмотрим случай, когда тело с пружинными весами движется относительно Земли с ускорением, но не совершает свободное падение.

Опыт: не выпуская весы из рук, просто резко опустим их вниз, сообщив им и грузу некоторое ускорение а , направленное вниз. Что вы пронаблюдали?

Если тело вместе с опорой или подвесом движется с ускорением, которое направлено так же, как и ускорение свободного падения, то его вес меньше веса покоящегося тела.

Тестовая задача №2 (устно) (см. Приложение).

Тестовая задача №3 (письменно) (см. Приложение).

Дано:	СИ:	Решение:
Найти:

Уравнение, выражающее второй закон Ньютона в векторной форме, имеет вид:

Направим координатную ось Y вертикально вниз и напишем это уравнение для проекций векторов на эту ось:

mg y + N y = ma y

Ясно, что g y = g, N y = –N, a y = a = v 2: R

mg – N = mv 2: R

Вес автомобиля Р по третьему закону Ньютона по модулю равен N.

mg – P = mv 2: R

P = mg – mv 2: R P = m (g – v 2: R)

P= 500 кг (10 м/с 2 – 400 м 2 /с 2: 500 м) = 4600 Н

(Ответ: Р = 4600 Н)

Если весы с подвешенным к ним грузом резко поднять вверх, сообщим им ускорение а , направленное вверх. Ребята, что вы пронаблюдали в этом случае?

Если тело движется с ускорением, направленным противоположно ускорению свободного падения, то его вес больше веса покоящегося тела.

P = m (g + a)

Дано:	СИ:	Решение:
Найти:

Запишем уравнение второго закона Ньютона в векторной форме:

F + F т = ma

где F – сила упругости опоры.

Направим координатную ось Y вверх и найдем проекции сил:

P = F
(по модулю вес тела равен силе упругости опоры)

F – mg = ma

F = ma + mg = m (a + g)

a = v 2: R

F = m (v 2: R + g)

F = 40 кг (36 м 2 / с 2: 4 м + 10 м/с 2) = 760 Н

(Ответ: F = 760 Н)

Увеличение веса тела, вызванное его ускоренным движением, называется перегрузкой.

Перегрузки испытывают космонавты, когда ракета устремляется ввысь.

(Фрагмент фильма).

Вычислим, какую перегрузку испытывают летчики – космонавты.

Задача №216 из "Сборника задач по физике" Рымкевича(см. Приложение).

Ребята, перегрузки влияют на организм человека, так как увеличивают свой вес внутренние органы летчика, увеличивается сила, с которой они действуют друг на друга и на самолет или кабину космического корабля. Это вызывает болезненные ощущения, и поэтому пилотам нужны тренировки, чтобы выдержать их. Невесомость и перегрузки – эти сложности были преодолены людьми при освоении дороги в космос. А зачем человеку осваивать космос?

(Выступление учащихся с их рефератами

Механическая работа животного. Эргометрия

Механикой называют раздел физики, в котором изучается механическое движение материальных тел.

Механическая работа, которую способно совершить животное в течение дня, зависит от многих факторов, поэтому трудно указать какую-либо определенную величину. Это замечание относится и к мощности.

Так, например, при ходьбе животное совершает работу, так как при этом энергия затрачивается на периодическое небольшое поднятие тела и на ускорение и замедление конечностей.

Работа обращается в ноль, если перемещения нет. Поэтому когда груз находится на подставке или подвешен на нити, сила тяжести не совершает работу. Однако каждому из нас знакома усталость мышц руки и плеча, если держать неподвижно на вытянутой руке гирю или гантель. Точно так же устают мышцы спины и поясничной области, если сидячему человеку поместить на спину груз. В обоих случаях груз неподвижен и работы нет. Усталость же свидетельствует о том, что мышцы совершают работу. Такую работу называют статической работой мышц .

Статики (неподвижности) такой, как ее понимают в механике, на самом деле нет. Происходят очень мелкие и частые, незаметные глазу сокращения и расслабления, и при этом совершается работа против сил тяжести. Т.о., статическая работа на самом деле является обычной динамической работой.

Для измерения работы мышц применяют приборы, называемые – эргометрами . Соответствующий раздел измерительной техники называется эргометрией .

В обычных условиях на животное действуют сила тяжести и сила реакции опоры. При отсутствии ускорения эти силы равны и противоположено направлены. Такое состояние естественно.

При ускоренном движении системы могут возникнуть особые состояния, называемые перегрузками и невесомостью.

Рисунок 1.

Рассмотрим некоторые примеры.

Пусть человек находится в кабине лифта (в ракете), который поднимается вверх с ускорением а (рисунок 1а). На человека действует сила тяжести mg и сила реакции опоры N. По второму закону Ньютона

или в скалярной форме с учетом направления сил

В этом случае сила реакции опоры больше силы тяжести, и возникают перегрузки . Перегрузка выражается отношением

Перегрузки могут оказывать существенное влияние на организм, так как в этих состояниях происходит отток крови, изменяется взаимное давление внутренних органов друг на друга, возникает их деформация и т.п. Поэтому животные способны выдерживать лишь ограниченные перегрузки.

Если лифт (или космический корабль) ускоренно движется вниз (рис.1б) или замедленно вверх, то

Как видно, сила реакции опоры меньше чем сила тяжести. Если а=g, то N=0 – состояние невесомости . Это такое состояние, при котором действующие на систему внешние силы не вызывают взаимных давлений частиц системы друг на друга.

Для биологических объектов невесомость – необычное состояние, хотя в обыденной жизни встречается кратковременные периоды частичной невесомости: прыжки, качели, начало движения вниз скоростного лифта и т.п.

Отсутствие действия опоры при невесомости приводит к общей детренированности организма и связанному с этим снижению работоспособности. При этом уменьшается мышечная масса, происходит деминерализация костной ткани, кров равномерно распределяется в организме, это означает, что верхняя часть тела переполнена кровью по сравнению с обычным состоянием, ощущается тяжесть в голове, появляется отечность лица.

>>Физика: Перегрузки и невесомость

«...Взгляд мой остановился на часах. Стрелки показывали 9 часов 7 минут по московскому времени. Я услышал свист и все нарастающий гул, почувствовал, как гигантская ракета задрожала всем своим корпусом и медленно, очень медленно оторвалась от стартового устройства... Могучие Двигатели ракеты создавали музыку будущего, наверное, еще более волнующую и прекрасную, чем величайшие творения прошлого...» Так описывал свой старт в космос 12 апреля 1961 г. первый космонавт Юрий Алексеевич Гагарин (1934-1968).
Что же должен чувствовать человек, находящийся на борту космического корабля?
После включения ракетного двигателя, когда ракета-носитель начинает разгоняться, на человека массой m в космическом корабле будут действовать две силы: сила тяжести mg и сила реакции опоры N . Так как ускорение ракеты а направлено вверх, то преобладающей оказывается сила реакции опоры: N>mg . Их равнодействующая F=N-mg по второму закону Ньютона равна произведению массы на ускорение:

откуда

Вес космонавта Р по третьему закону Ньютона равен по величине силе реакции N , поэтому

До старта ракеты вес космонавта был равен силе тяжести mg . Теперь, как это видно из последнего равенства, его вес увеличился, превысив силу тяжести на величину mа .
Состояние тела, при котором его вес превышает силу тяжести, называют перегрузкой .
«Я почувствовал,- вспоминал Гагарин,- какая-то непреоборимая сила все больше и больше вдавливает меня в кресло. И хотя оно было расположено так, чтобы до предела сократить влияние огромной тяжести, наваливающейся на мое тело, было трудно пошевелить рукой и ногой...»
При перегрузке не только все тело начинает давить сильнее на опору, но и отдельные части этого тела начинают сильнее давить друг на друга. У человека в состоянии перегрузки затрудняется дыхание , ухудшается сердечная деятельность, происходит перераспределение крови, ее прилив или отлив к голове и т. д. Поэтому переносить значительные перегрузки могут только хорошо тренированные люди.
Количественно перегрузку характеризуют отношением а/g , которое обозначают буквой n и называют коэффициентом перегрузки. При n -кратной перегрузке, т е. когда а=ng , вес человека (и любого другого тела) увеличивается в (1+n ) раз.
Чем меньше время действия перегрузки, тем большую перегрузку способен выдержать человек. Так, установлено, что человек, находясь в вертикальном положении, достаточно хорошо переносит перегрузки от 8g за 3 с до 5g за 12-15 с. При мгновенном действии, когда они длятся менее 0,1 с, человек способен переносить двадцатикратные и даже большие перегрузки.
После выключения двигателей, когда космический корабль выходит на орбиту вокруг Земли, его ускорение, как мы знаем, становится равным ускорению свободного падения: а=g . Точно такое же ускорение будет и у космонавта, находящегося внутри корабля. Это ускорение направлено вниз, к центру Земли, и поэтому теперь из двух сил N и mg , действующих на космонавта, преобладающей оказывается сила тяжести. Их равнодействующая F=mg-N по второму закону Ньютона равна произведению массы на ускорение космонавта, т.е. тg. Поэтому

откуда

Это означает, что опора никак не реагирует на присутствие космонавта. По третьему закону Ньютона такое возможно лишь в том случае, если и сам космонавт не оказывает никакого действия на свою опору, т. е. его вес равен нулю.
Состояние тела, при котором его вес равен нулю, называется невесомостью .
Следует помнить, что невесомость означает отсутствие веса, а не массы. Масса тела, находящегося в состоянии невесомости, остается такой же, какой и была.
В состоянии невесомости все тела и их отдельные части перестают давить друг на друга. Космонавт при этом перестает ощущать собственную тяжесть; предмет, выпущенный из его пальцев, никуда не падает; маятник замирает в отклоненном положении; исчезает различие между полом и потолком. Все эти явления объясняются тем, что гравитационное поле сообщает всем телам в космическом корабле одно и то же ускорение. Именно поэтому выпущенный космонавтом предмет (без сообщения ему скорости) никуда не падает: ведь он не может ни «догнать» какую-нибудь стенку кабины, ни «отстать» от нее; все они - и предметы и стены - движутся с одинаковым ускорением.
Наряду с этим невесомость в условиях орбитального полета играет роль специфического раздражителя, действующего на организм че¬ловека. Она оказывает существенное влияние на многие его функции: слабеют мышцы и кости, организм обезвоживается и т. д. Однако все эта изменения, вызванные невесомостью, обратимы. С помощью лечебной физкультуры , а также лекарственных препаратов нормальные функции организма могут быть снова восстановлены.
В состоянии невесомости может находиться не только космонавт в орбитальной космической станции, но и любое свободно падающее (без вращения) тело. Чтобы испытать это состояние, достаточно совершить простой прыжок: между моментом отрыва от Земли и моментом приземления вы будете невесомы!
Готовя космонавтов к космическому полету, состояние невесомости моделируют в специальных самолетах-лабораториях. Для воспроизведения на самолете состояния невесомости надо перевести самолет в режим набора высоты по параболической траектории с ускорением, равным ускорению свободного падения. Пока самолет будет двигаться по восходящей, а затем по нисходящей части параболы, пассажиры в нем будут невесомы.

???
1. Что такое перегрузка? Когда она наступает?
2. Что называют коэффициентом перегрузки?
3. Во сколько раз увеличивается вес тела при n-кратной перегрузке? Почему?
4. Какие силы действуют на космонавта в стартующей ракете? Как они направлены? Какая из них больше? Сделайте соответствующий рисунок.
5. Что такое невесомость? Когда она возникает?
6. Как невесомость влияет на организм человека?

Скачать учебники и книги онлайн, планирование по физике , курсы и задания по физике для 9 класса

Содержание урока конспект урока опорный каркас презентация урока акселеративные методы интерактивные технологии Практика задачи и упражнения самопроверка практикумы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания дискуссионные вопросы риторические вопросы от учеников Иллюстрации аудио-, видеоклипы и мультимедиа фотографии, картинки графики, таблицы, схемы юмор, анекдоты, приколы, комиксы притчи, поговорки, кроссворды, цитаты Дополнения рефераты статьи фишки для любознательных шпаргалки учебники основные и дополнительные словарь терминов прочие Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике обновление фрагмента в учебнике элементы новаторства на уроке замена устаревших знаний новыми Только для учителей идеальные уроки календарный план на год методические рекомендации программы обсуждения Интегрированные уроки

Если у вас есть исправления или предложения к данному уроку,

Во время старта космического корабля космонавты испытывают перегрузок. Этот термин означает, что вес космонавта по модулю становится больше силу тяжести. Выясним, почему это происходит.

После включения ракетного двигателя, когда ракета начинает разгоняться, ее движение и движение космонавта осуществляются с ускорением, направленным вертикально вверх. При этом вес космонавта будет больше силу тяготения:

P = m (g + a)> mg.

^ Отношение силы, с которой тело давит на опору в случае ускоренного движения вверх, к его весу в инерциальной системе отсчета называют перегрузкой. Когда вес тела больше силы тяжести, говорят, что тело испытывает перегрузки. Перегрузка испытывают пассажиры лифтов, космонавты при взлете на ракете в космос, летчики при выходе из пикирования и т.д.. Вследствие перегрузки увеличивается не только вес человека в целом, но и каждого ее органа. Здоровый человек может без вреда для своего здоровья выдерживать кратковременные трехкратные перегрузки, т.е. увеличение веса втрое. Космонавтам же во время старта и посадки космического корабля приходится выдерживать многократные перегрузки.

Вопрос к ученикам во время изложения нового материала

1. При каких условиях вес тела равен по модулю силе тяжести, действующей на это тело?

2. Ли вес гиря, висит на нитке? Чему равна вес, если нить перерезать?

3. Ли вес у дерева, растущего во дворе?

4. Камень бросили вертикально вверх. В какие моменты полета он находится в состоянии невесомости, если можно пренебречь сопротивлением воздуха? Изменится ответ, если камень бросить под углом к горизонту?

5. Почему необходимо учитывать перегрузки?

6. Что общего в падении тел на Землю, вращении Луны вокруг Земли, приливах и отливах?

Закрепление изученного материала

1. Тренируемся решать задачи

1. В лифте установили динамометр, на котором подвесили тело массой 1 кг. Что покажет динамометр, если:

а) лифт движется равномерно;

б) лифт поднимается вверх с ускорением 5 м/с2;

в) лифт опускается вниз с ускорением 5 м/с2?

2. Самолет делает «мертвую петлю», описывая в вертикальной плоскости окружность радиусом 250 м. Во сколько раз вес летчика в нижней части траектории больше силы тяжести, если скорость самолета - 100 м / с?

3. Ученик утверждает, что вес человека, находящегося в лифте, обязательно увеличивается, когда лифт движется вверх, и уменьшается, когда лифт движется вниз. Согласны ли вы с этим утверждением? Решение

Утверждение неверно: вес зависит не от скорости лифта, а от его ускорения.

4. Космический корабль сразу же после старта движется вертикально вверх с ускорением 40 м/с2. С какой силой космонавт массой 70 кг давит на кресло кабины? Чему равна в этом случае коэффициент перегрузки?

2. Контрольные вопросы

1. Приведите примеры движений, когда вес тела равен силе тяжести, действующей на это тело.

2. Приведите примеры движений, при которых вес тела меньше силу тяжести, действующая на него (больше силы тяжести, действующей на него).

3. Или исчезает сила притяжения тела к Земле во время перехода тела в состояние невесомости?

4. Когда возникают перегрузки?

5. Зависит вес тела от его местонахождения?