Урок 13. Бросок вверх и невесомость
Описывать движение тела, брошенного вертикально вверх, находить время подъёма, максимальную высоту, скорость и высоту в любой момент; различать силу тяжести и вес тела; считать вес при движении с ускорением и объяснять, почему в свободном полёте тело находится в состоянии невесомости.
Если не сказано иначе, берём , сопротивлением воздуха пренебрегаем.
Все уроки · Перейти к заданиям
Материалы к уроку
Главное
Бросок вверх. После броска на тело действует только сила тяжести. Ускорение всё время равно и направлено вниз: и когда тело летит вверх (замедляясь), и когда падает (разгоняясь), и в самой верхней точке. Направим ось вверх. Тогда проекция ускорения , а начальная скорость :
Если , тело движется вверх, если — вниз. Откуда формулы: это формулы равноускоренного движения , при .
Верхняя точка. Скорость обращается в ноль: . Время подъёма и наибольшая высота:
Высота получается подстановкой в или из . Важно: в верхней точке скорость равна нулю, а ускорение нет — оно по-прежнему вниз. Именно поэтому тело там не остаётся, а начинает падать.
Симметрия. Подъём и падение на ту же высоту занимают одинаковое время. Время всего полёта до возвращения в точку броска . На любой высоте скорость при подъёме и при падении одна и та же по модулю, а при возвращении в точку броска скорость по модулю равна и направлена вниз.
Вес тела. Сила тяжести действует на тело со стороны Земли. Вес — сила, с которой тело действует на опору или подвес (из-за притяжения к Земле). Это сила упругости (урок 11): весы и динамометр показывают именно вес. По третьему закону Ньютона вес равен по модулю силе реакции опоры и направлен противоположно.
Если тело вместе с опорой неподвижно или движется равномерно, . Если опора движется с ускорением по вертикали, то по второму закону Ньютона для тела (ось вверх) , откуда:
При ускорении вверх вес больше (перегрузка), при ускорении вниз — меньше.
Невесомость. Если ускорение направлено вниз и , то . Это невесомость: тело не давит на опору и не растягивает подвес. Сила тяжести при этом не исчезает, она как раз и сообщает ускорение . Невесомость возникает при любом свободном движении, когда на тело действует только сила тяжести: при свободном падении, при полёте тела, брошенного вверх, на всей траектории, и на орбите (станция и космонавт «падают» вокруг Земли с одним и тем же ускорением).
Наглядная схема
flowchart TD A["Тело брошено вверх со скоростью v0"] --> B["Действует только сила тяжести"] B --> C["Ускорение g направлено вниз всё время"] C --> D["Подъём: скорость уменьшается до 0"] D --> E["Верхняя точка: v = 0, но a = g"] E --> F["Падение: скорость растёт вниз"] B --> G["a = g, значит вес P = 0"] G --> H["Невесомость в полёте"] classDef law fill:#d0ebff,stroke:#1971c2,color:#212529; class B,C,E,G,H law;
Тренировка по шагам
Выбери ось вверх, запиши и , затем формулу. Проверяй знак скорости: вверх — плюс, вниз — минус.
Шаг 1. Куда направлено ускорение
Тело брошено вверх. Куда направлено его ускорение на подъёме, в верхней точке и при падении? Каков знак проекции , если ось направлена вверх?
Ответ ученика
Не путай направление скорости и направление ускорения.
Правильный ответ к шагу 1
Во всех трёх случаях ускорение равно и направлено вниз: действует только сила тяжести. При оси вверх . На подъёме скорость направлена вверх, а ускорение вниз, поэтому скорость уменьшается.
Шаг 2. Верхняя точка
Чему равны скорость и ускорение тела в верхней точке траектории?
Ответ ученика
Разделяй «скорость равна нулю» и «ускорение равно нулю».
Правильный ответ к шагу 2
Скорость равна нулю (тело на мгновение останавливается), а ускорение по-прежнему , направлено вниз. Если бы ускорение было нулём, тело осталось бы в этой точке.
Шаг 3. Скорость через время
Тело брошено вверх со скоростью 30 м/с. Найди скорость через 1 с и через 4 с. Что означает знак результата?
Ответ ученика
Используй .
Правильный ответ к шагу 3
Через 1 с: м/с (вверх). Через 4 с: м/с. Минус означает, что тело уже движется вниз со скоростью 10 м/с.
Шаг 4. Время подъёма
Тело брошено вверх со скоростью 20 м/с. Через какое время оно достигнет верхней точки?
Ответ ученика
В верхней точке .
Правильный ответ к шагу 4
, откуда с.
Шаг 5. Максимальная высота
Тело брошено вверх со скоростью 20 м/с. Найди максимальную высоту подъёма.
Ответ ученика
Можно использовать или подставить время подъёма.
Правильный ответ к шагу 5
м. Проверка: м.
Шаг 6. Высота в заданный момент
Тело брошено вверх со скоростью 30 м/с. Найди высоту через 1 с и через 2 с и скорость в эти моменты.
Ответ ученика
Используй и .
Правильный ответ к шагу 6
Через 1 с: м, м/с. Через 2 с: м, м/с. Тело поднимается всё медленнее.
Шаг 7. Время полёта и возвращение
Тело брошено вверх со скоростью 30 м/с. Найди время до возвращения в точку броска и скорость в момент возвращения.
Ответ ученика
Используй симметрию подъёма и падения.
Правильный ответ к шагу 7
Время подъёма с, всё время полёта с. Скорость при возвращении по модулю равна начальной: 30 м/с, направлена вниз. Проверка: м/с.
Шаг 8. Скорость на высоте
Тело брошено вверх со скоростью 30 м/с. Найди модуль скорости на высоте 25 м. Сколько раз тело побывает на этой высоте?
Ответ ученика
Используй и симметрию.
Правильный ответ к шагу 8
, м/с. На высоте 25 м тело побывает дважды: при подъёме (через 1 с, скорость 20 м/с вверх) и при падении (через 5 с, скорость 20 м/с вниз). Модули скорости одинаковы.
Шаг 9. Вес в покое и в лифте
Масса человека 60 кг. Каков его вес в покое? Каков вес в лифте, который разгоняется вверх с ускорением 2 м/с²? А вниз с ускорением 2 м/с²? Прими .
Ответ ученика
Сначала выясни направление ускорения.
Правильный ответ к шагу 9
В покое Н. При ускорении вверх Н (перегрузка). При ускорении вниз Н.
Шаг 10. Невесомость
Трос лифта оборвался, и лифт падает с ускорением . Каков вес человека массой 60 кг в этом лифте? Исчезла ли сила тяжести?
Ответ ученика
Различай силу тяжести и вес.
Правильный ответ к шагу 10
: человек в невесомости, не давит на пол. Сила тяжести не исчезла: Н, именно она сообщает человеку и лифту ускорение .
Шаг 11. Мяч в полёте
Мяч массой 0,5 кг подбросили вверх. Каков его вес на подъёме, в верхней точке и при падении после того, как он покинул руку? Что можно сказать в момент броска, когда рука разгоняет мяч вверх?
Ответ ученика
Определи ускорение мяча в каждом случае.
Правильный ответ к шагу 11
После броска на мяч действует только сила тяжести, его ускорение равно : на подъёме, в верхней точке и при падении мяч находится в невесомости, вес равен нулю. Пока рука разгоняет мяч вверх, ускорение направлено вверх и больше , поэтому вес больше (перегрузка).
Шаг 12. Исправь ошибку
Ученик написал: «В верхней точке скорость равна нулю, значит, ускорение тоже равно нулю и сила тяжести не действует». Найди ошибки и объясни правильно.
Ответ ученика
Что сообщает телу ускорение в верхней точке?
Правильный ответ к шагу 12
Ошибка в том, что скорость и ускорение связаны не так: скорость равна нулю лишь на мгновение, ускорение же определяется силой. В верхней точке по-прежнему действует сила тяжести, поэтому вниз и тело начинает падать. Вес тела в этот момент равен нулю (невесомость), но сила тяжести не исчезла.
Как оценить результат
Можно переходить дальше, если не менее 10 из 12 шагов выполнены верно, ученик не путает скорость и ускорение в верхней точке, учитывает знак проекции, использует , , различает силу тяжести и вес и объясняет невесомость как состояние при ускорении .