Цели урока
: дать понятие реактивного
движения; показать применение закона сохранения
импульса для реактивного движения.
Оборудование
: многоступенчатая ракета;
реактивное движение; космический корабль
“Восток”; К.Э.Циолковский. Жизнь и деятельность
учёного; Ю.А.Гагарин.
Ход урока
I. Организационный момент
II. Повторение
Первый ученик записывает у доски закон сохранения импульса в векторной и скалярной форме.
В это время проводится фронтальный опрос всего класса.
Вопросы:
Что такое импульс тела? В каких единицах измеряется эта величина? Как определяют импульс силы? Дать определение замкнутой системы тел. Как определяют знак проекции импульса на
выбранную ось?
Ответ учащегося.
Затем класс слушает объяснение ученика о законе сохранения импульса.
III. Демонстрация (создание проблемной ситуации)
Сегнерово колесо
1750 - В.Я. Сегнер изобрёл колесо, которое вращалось за счёт вытекания с двух сторон струй воды.
Сегнер Янош Андрош (1704 - 1777). Венгерский математик и физик. Занимался конструированием и совершенствованием различных научных приборов. Разработал теорию капиллярности. Изобретенное им “сегнерово” колесо явилось прообразом первых реактивных гидравлических турбин.
Движение ракеты
Движение ракеты, укреплённой на тележке, по поверхности демонстрационного стола.
Запуск ракеты
Ученики помогают учителю показать опыт по запуску модели ракеты вертикально вверх.
Учитель просит объяснить причину вращения колеса и движения ракеты.
Даётся определение реактивного движения – т. е. движения, возникающего за счет выброса вещества (отделяется какая-то часть движущегося тела).
IY. Задача на применение закона сохранения импульса тела для определения скорости поднимающейся ракеты.(Учитель вовлекает учащихся в решение задачи)
Принцип реактивного движения находит широкое практическое применение в авиации и космонавтике. В космическом пространстве нет среды, с которой тело могло бы взаимодействовать и тем самым изменять направление и модуль своей скорости, поэтому для космических полетов могут быть использованы только реактивные летательные аппараты, т. е. ракеты.
Скорость ракеты. Закон сохранения импульса позволяет оценить скорость ракеты. Предположим сначала, что весь газ, образующийся при сгорании топлива, выбрасывается из ракеты сразу, а не постепенно, как это происходит в действительности. Обозначим массу газа через mг, а скорость газа через vг. Массу и скорость оболочки обозначим соответственно mоб и vоб. Направим координатную ось вдоль направления движения оболочки, тогда проекции скоростей газа и оболочки по модулю будут равны модулям векторов, но знаки их противоположны.
Так как сумма импульсов оболочки и газа должна быть равна нулю, то нулю должна быть равна и сумма их проекций: mгvг - mобvоб = 0, или mгvг = mобvоб.
Отсюда находим скорость оболочки: vоб = mгvг /mоб
Из формулы видно, что скорость оболочки тем больше, чем больше скорость выбрасываемого газа и чем больше отношение массы газа к массе оболочки.
Мы считали, что весь газ выбрасывается из ракеты мгновенно. На самом деле он вытекает постепенно, хотя довольно быстро. Это значит, что после выброса какой-то части газа оболочке приходится “возить” с собой еще не вылетевшую часть топлива. Кроме того, мы не учли, что на ракету действуют сила тяжести и сила сопротивления воздуха. Все это приводит к тому, что отношение массы топлива к массе оболочки много больше, чем мы получили. Более точный расчет показывает, что при скорости газа 2000 м/с, для достижения скорости, равной первой космической, масса топлива должна быть в 55 раз больше массы оболочки. Для межпланетных полетов (с возвращением на Землю) масса топлива должна быть в тысячи раз больше массы оболочки.
Y. Работа с плакатами “реактивное движение” и "многоступенчатая ракета"
Учитель кратко рассказывает по плакатам.
В любой ракете, независимо от ее конструкции, всегда имеется оболочка и топливо с окислителем. На рисунке изображена ракета в разрезе. Мы видим, что оболочка ракеты включает в себя полезный груз (в данном случае это космический корабль), приборный отсек и двигатель (камера сгорания, насосы и пр.)
Основную массу ракеты составляет топливо с окислителем (окислитель нужен для поддержания горения топлива, поскольку в космосе нет кислорода).
Топливо и окислитель с помощью насосов подаются в камеру сгорания. Топливо, сгорая, превращается в газ высокой температуры и высокого давления. Благодаря большой разности давлений в камере сгорания и в космическом пространстве, газы из камеры сгорания мощной струей устремляются наружу через раструб специальной формы, называемый соплом. Назначение сопла состоит в том, чтобы повысить скорость струи.
Мы рассмотрели устройство и принцип действия одноступенчатой ракеты, где под ступенью подразумевается та часть, которая содержит баки с горючим и окислителем и двигатель.
В практике космических полетов обычно используют многоступенчатые ракеты, развивающие гораздо большие скорости и предназначенные для более дальних полётов, чем одноступенчатые.
На рисунке показана схема трехступенчатой ракеты. После того как топливо и окислитель первой ступени будут полностью израсходованы, эта ступень автоматически отбрасывается и в действие вступает двигатель второй ступени.
Уменьшение общей массы ракеты путем отбрасывания уже ненужной ступени позволяет сэкономить топливо и окислитель и увеличить скорость ракеты. Затем таким же образом отбрасывается вторая ступень.
Если возвращение космического корабля на Землю или его посадка на какую-либо другую планету не планируется, то третья ступень, как и две первых, используется для увеличения скорости ракеты. Если же корабль должен совершить посадку, то она используется для торможения корабля перед посадкой. При этом ракету разворачивают на 180о, чтобы сопло оказалось впереди. Тогда вырывающийся из ракеты газ сообщает ей импульс, направленный против скорости ее движения, что приводит к уменьшению скорости и дает возможность осуществить посадку.
YI. Демонстрация кадров из диафильма
Показывается где ещё встречается реактивное движение (движение водометного катера, движение кальмаров, осьминогов, каракатиц).
YII. История создания реактивной техники
После небольшого вступления учителя, ученики знакомят класс с К. Э. Циолковским, Георгием Бахчаванджи, Ю. А. Гагариным.
Слова учителя
Яркую страницу в историю науки вписал участник русской революционной организации “Народная воля” Н.И. Кибальчич (1853-1881). За участие в покушение на царя он был приговорен к смертной казни. Во время короткого тюремного заключения Кибальчич подготовил рукопись “Проекта воздухоплавательного прибора”. Талантливый изобретатель описал “предварительную конструкцию ракетного самолета”. Его рукопись потонула в жандармском архиве.
Иной проект космического корабля с реактивным двигателем предложил в 1893 г. немецкий изобретатель Герман Гансвиндт (1856-1934). Его двигатель должен был работать отдельными взрывами динамитных патронов. С 1907 г. работал в области ракетостроения и межпланетных полетов американский инженер Роберт Годдард (1882-1945). С 1912 г. активно занимался проблемами космических полетов крупный французский ученый и авиаконструктор Робер Эно-Пельтри (1881-1957). Он ввел в употребление термин астронавтика.
Выдающееся место среди пионеров космонавтики принадлежит русскому ученому и философу К.Э. Циолковскому (1857-1935).
Скромный учитель из захолустного губернского города Калуги, страдавший глухотой и не находивший поддержки своим научным устремлениям, К.Э. Циолковский сумел преодолеть на жизненном пути все преграды. Величайшая заслуга Циолковского перед человечеством состоит в том, что он открыл людям глаза на реальные пути осуществления космических полетов.
К.Э. Циолковский первым показал, что ракета - единственно возможное средство овладения космическим пространством. В то время как первые аэропланы с трудом перелетали с холма на холм, из города в город, Циолковский разработал теорию реактивного движения - основу современной ракетно-космической техники.
В двадцатые и тридцатые годы нашего века рекорд за рекордом ставят летательные аппараты легче воздуха: дирижабли и стратостаты. Одновременно, в этот период развернулись интенсивные работы по практическому созданию реактивных двигателей и ракет. Прогресс в этой области стал фундаментом космонавтики.
Первый запуск ракеты с жидким топливом в 1926 г. произвел американец Р. Годдард. За 2,5 сек. полета ракета покрыла расстояние в 56 м, поднявшись на высоту 12,5 м.
В 1927 г. в Германии под влиянием Г. Оберта начинает работу Общество межпланетных сообщений. Он предложил проект “двойной ракеты”. Двигатели нижней части ракеты используют спирт, водород и кислород, двигатели верхней части - чистые водород и кислород. Управление осуществляется регулированием горения и “плавниками”.
В апреле-июне 1927 г. в Москве прошла Первая всемирная выставка проектов и моделей межпланетных аппаратов и механизмов.
В Ленинграде проблемами ракет занимался автор многих ракетных двигателей В.П. Глушко. В Москве разворачивалась деятельность Группы изучения реактивного движения (ГИРД) во главе с Ф. А. Цандером и С.П. Королевым. С конца 1933 г. в Москве начал работу Реактивный научно-исследовательский институт. В этом же году под Москвой были осуществлены первые запуски отечественных ракет ГИРД-09 и ГИРД-Х.
Толчком к дальнейшему развитию ракетостроения послужило военное применение ракет как грозного оружия второй мировой войны.
Военное и мирное использование ракетной техники шагало рука об руку. Арсенал боевых ракет второй мировой войны в послевоенное время видоизменялся и приспосабливался для запуска в верхние слои атмосферы Земли научных приборов. Если самолеты могли вести исследования лишь на высотах до 10 км, а потолок аэростатов и беспилотных шаров-зондов не превышал 30 км, то с помощью ракет зондирование атмосферы можно было осуществлять до высот в несколько сотен километров. Контейнеры с научным оборудованием на ракетах снабжались парашютами, которые обеспечивали их благополучное возвращение на Землю.
4 октября 1957 г. в 22 часа 28 минут московского времени с космодрома Байконур в СССР принял старт первый в мире искусственный спутник Земли (ИСЗ). При поперечнике в 580 мм масса первого спутника составляла 83,6 кг. Он просуществовал 92 суток.
Сообщения учащихся ([11], [12], [9])
Затем учитель подводит итоги сообщений и сообщает о перспективах создания использования космических ракет.
И обращает внимание учеников на подготовленный стенд, который отражает труд многих ученых, инженеров, летчиков, людей других специальностей, ставивших своей целью освоение космоса. В начале XX века люди мечтали о возможности космических полётов, теперь уже работают многоцелевые орбитальные станции. Недавно, а именно в 2001 году, с помощью телескопа, выведенного на космическую орбиту, определили 10 планету в солнечной системе. Невозможное сегодня станет возможным завтра. Циолковский мечтал о времени, когда люди запросто смогут “поехать” в гости на любую планету, смогут путешествовать во всей Вселенной. И вы, ребята, также можете внести свой вклад в интересное дело – в освоение космического пространства.
YIII. Закрепление
Вопросы:
Что такое реактивное движение?
Привести примеры реактивного движения.
От чего зависит скорость ракеты?
Как осуществляется торможение ракеты (спуск), космического корабля.
IX. Домашние задание
42, стр.118 самое важное в 6 главе [1]
Вопросы.
1) Как будет вести себя сегнерово колесо в вакууме?
2) Почему в космос не летают на вертолетах?
Литература
1. Кикоин А. К., Кикоин И. К.Учебник физики (Физика - 9).
2. Саенко. Учебник физики (Физика - 9).
3. Шахмаев Н. М., Шахмаев С.А., Шодиев Д.Ш. Учебник физики (Физика - 9).
4. Методика преподавания физики под редакцией А.В. Усовой.
5. Кузей М.С. Уроки физики в 8 классе. 1974.
6. Турышев И.К., Лукьянов Ю. И. Преподавание физики в 8 классе. 1984.
7. Атлас для детей. Человек и Вселенная.
8. Кай Ц.Б. Биофизика на уроках физики.
9. Материалы периодической печати разных лет.
10. Перышкин А.В., Гутник Е.М. Учебник физики (Физика - 9)
11. Энциклопедический словарь юного техника.
12. Энциклопедический словарь юного астронома.