Цели урока:
- продолжить формирование знаний учащихся о движении тел под действием силы притяжения;
- рассчитать значение 1 космической скорости и показать ее значение для искусственных спутников;
- применить физические законы для изучения небесных тел, например планет солнечной системы;
- воспитание патриотических чувств и гордости учащихся на примере истории развития космонавтики в России;
- на примерах продемонстрировать познаваемость мира, в котором живет человечество.
План урока:
- Организационный момент.
- Актуализация знаний учащихся в форме устного фронтального опроса.
- Постановка учебной проблемы и объяснение нового материала.
- Первичное закрепление знаний в форме решения задач.
- Домашнее задание. Итог урока.
Деятельность учащихся по подготовке к уроку.
Для подготовки этого урока все учащиеся класса были распределены в группы – экипажи космических ракет. Первая группа готовила краткие сообщения о биографиях и основных трудах таких ученых, как Кибальчич Н.И., Кондратюк Ю.В., Циолковский К.Э., Цандер М. В., Королев С.П.
Вторая группа учащихся готовили исторические справки об основных вехах развития космонавтики в России.
Третья группа готовила сообщения о современных космических станциях.
Оформление урока.
Для проведения урока использовались плакаты с рисунками первых космических спутников Земли, траекторий их движения, фотографии С.П.Королева, Ю.А. Гагарина, а также видео фрагменты с видеокассеты “Астрономия”, часть1 (посадка искусственных спутников на поверхность Венеры и Луны), “Уроки из космоса”.
Данный урок - урок изучения нового материала проводится с целью выяснения условий необходимых для того, чтобы тело стало искусственным спутником Земли или других планет солнечной системы и их использования для изучения планет солнечной системы. Основная форма проведения урока – лекционная. На этапе активизации знаний учащихся и подготовки их к восприятию нового материала проводится устный фронтальный опрос в форме беседы учащихся с учителем. Во время объяснения нового материала учащиеся из разных групп делают сообщения по заранее подготовленным вопросам.
Ход урока
Ребята, сегодня у нас не совсем обычный урок. Все мы находимся на стартовой площадке по запуску ракет, экипажами которых являются ваши группы. Ракеты полностью заправлены топливом, экипажи готовы. Остался только один вопрос: “ С какой скоростью должна двигаться ракета, чтобы вывести корабль на околоземную круговую орбиту?”. Чтобы стартовать мы должны дать ответ на этот вопрос. На последних уроках мы занимались применением законов динамики к движению различных тел. Давайте вспомним законы Ньютона. (Учащиеся отвечают законы Ньютона и на доске воспроизводят их математическую запись). Помимо 3-х законов движения, которые мы повторили, Ньютоном был открыт еще один важный закон- закон всемирного тяготения. Как формулируется этот закон? А что можно сказать о силе всемирного тяготения, если одним из тел будет Земля? Эту силу мы называем силой тяжести. Одинаковая ли сила тяжести будет действовать на тела, которые находятся на разной высоте над поверхностью Земли? (нет).
Как в этом случае можно рассчитать силу
тяжести? (
),
где М- масса Земли, R - радиус Земли, G=6,67.10-11Н.м2/кг2
– гравитационная постоянная.
А что можно сказать об ускорении свободного
падения? Постоянно ли оно? (нет.) (
),
g – ускорение свободного падения , g=9,8 м/с2
вблизи поверхности Земли.
Если тело движется по окружности, имеет ли оно ускорение? (да).
Как оно называется? (Центростремительное).
Как его можно вычислить? (
)
Движение по окружности обычно движение
периодическое. Что называют периодом обращения?
Как его можно вычислить? (
)
На последнем уроке мы с вами говорили о движении тела, брошенного с горизонтально направленной начальной скоростью. Во всех задачах мы считали, что тело всегда должно упасть на поверхность Земли, то есть мысленно мы предполагали, что Земля плоская и что ускорение свободного падения постоянно и равно g= 9,8 м/с2. Но всегда ли так будет? (выслушиваются ответы учащихся).
Но ведь на самом деле Земля – шар и при определенных начальных скоростях, тело за счет притяжения к Земле будет к ней приближаться, а Земля, наоборот, будет “уходить” от него за счет кривизны своей поверхности. (рисунок №1). Тогда тело никогда не упадет на поверхность Земли, а станет искусственным спутником.
Какую же скорость, направленную горизонтально, необходимо сообщить телу, чтобы оно стало искусственным спутником Земли? Давайте рассчитаем эту скорость.
Если тело движется по круговой орбите, то у него
обязательно будет центростремительное
ускорение 
. С
другой стороны движение тела происходит под
действием силы тяжести, которую можно рассчитать
по формуле: 
По II закону Ньютона можно найти ускорение,
которое сообщит телу сила тяжести: 
, 
Мы получили два выражения для одного и того же
ускорения, которые можно приравнять и выразить
из них скорость: 
, 
Давайте оценим значение этой скорости при h=0.
Тогда 
, 
.
Эту скорость называют первой космической
скоростью. Такую скорость необходимо сообщить
телу, чтобы оно стало искусственным спутником
Земли. Кроме первой космической скорости
существует и вторая 
. Если сообщить телу такую скорость, то
оно сможет преодолеть силу земного притяжения и
навсегда уйти от Земли. Рассчитана и третья
космическая скорость, которую необходимо
сообщить телу, чтобы оно покинуло пределы
Солнечной системы. Значение этой скорости 
.
До 1957 года комические полеты были только теоретическими проектами, над которыми трудились такие ученые как Николай Иванович Кибальчич, Константин Эдуардович Циолковский, Сергей Павлович Королев, Фридрих Артурович Цандер, Мстислав Всеволодович Келдыш и многие другие. (Далее идут сообщения учащихся по заранее подготовленным темам).
Историческая справка:
Первый искусственный спутник Земли был запущен 4 октября 1957 года. Спутник был сферической формы (диаметром 58 см) и весил 83,6 кг. Он просуществовал 92 дня, совершив 1400 оборотов вокруг Земли.
Впервые в мире вторая космическая скорость была достигнута при полете советского космического аппарата “Луна-1”. Он был запущен 2 января 1959 года и стал первым искусственным спутником Солнца.
12 апреля 1961 года на космическом корабле “Восток” Ю. А. Гагарин совершил первый полет в космос.
16-19 июня 1963 года космический полет совершила первая в мире женщина-космонавт В.В. Терешкова.
18 марта 1965 года Алексей Архипович Леонов совершает первый выход в открытое космическое пространство.
3 февраля 1966 года советская АМС “Луна-9” совершила мягкую посадку на Луну и передала на Землю изображение с панорамой лунного ландшафта.
1 марта 1966 года советская космической скоростью АМС “Венера-3” достигла поверхности Венеры, осуществив первый полет на другую планету. (Видеофрагмент).
Информация, которую получают с помощью искусственных спутников, позволяет изучить планеты Солнечной системы, объяснить ее происхождение и ответить на многие важные вопросы. Очень долго на орбите работала космическая станция “Мир”. За годы ее работы проделано огромное количество различных экспериментов и в том числе для ребят были сняты специальные фильмы о том, как происходят физические явления в космосе. Давайте сейчас побываем на этой станции и посмотрим на нашу планету из космоса. (Видеофрагмент с кассеты “Уроки из космоса”).
Мы с вами побывали на станции “Мир”, увидели, как выглядит Земля из космоса, а сейчас давайте подумаем: “Что произойдет с искусственным спутником Земли, если сообщить ему скорость чуть меньше первой космической скорости? (Упадет на Землю), чуть больше? (будет двигаться по эллиптической орбите вокруг Земли).
А теперь давайте заглянем в будущее. Уже сейчас мы запускаем искусственные спутники к планетам Солнечной системы, а может, через несколько лет там будут созданы космические города и с них будет производиться запуск искусственных спутников к другим небесным телам. С какой же скоростью должны стартовать ракеты с поверхности Марса, Луны и Венеры, чтобы стать их искусственными спутниками? Ответы на этот вопрос будут искать I,III,V экипажи стартующих ракет, а экипажи II,IV, VI ракет будут искать скорость своих кораблей на разных высотах от поверхности Земли. Класс разбивается на группы-экипажи, и работают в группах. Текст заданий раздается учащимся. На доске дублируется текст задач. Ученики в тетрадях выполняют задачи. Представители экипажей на доске выписывают решение своей задачи. Сравнивая ответы в задачах I,III,V экипажей, учитель задает вопрос: “От чего зависит первая космическая скорость? Является ли она величиной постоянной для разных планет Солнечной системы?”. Анализируя ответы учащихся можно придти к выводу, что значение первой космической скорости для каждой планеты Солнечной системы свое и зависит оно от параметров планеты, с которой осуществляется запуск искусственного спутника. Решения полученные в задачах II,IV, VI экипажей позволяют сделать вывод, что значение I космической скорости не всегда равно 8 км/с. На разных высотах она различна. Чем с большей высоты производится запуск космического корабля, тем меньше становится значение I космической скорости.
Задачи для самостоятельной работы:
Задача №1.
Вычислить первую космическую скорость:
I экипаж: для Марса (R=3400 км, g=3, 6 м/с2)
III экипаж: для Луны (R= 1760 км, g=1, 7 м/с2)
V экипаж: для Венеры (R=6000км, g= 8, 4 м/с2)
Задача №2.
Какую скорость должен иметь искусственный спутник Земли, чтобы он обращался по круговой орбите на высоте:
II экипаж: равной радиусу Земли, h=R, R= 6400км.
IV экипаж: равной двум радиусам Земли, h=2R
VI экипаж: равной трем радиусам Земли, h=3R
Решение задачи №1:
; 
; 
; 
I экипаж: 
=3, 5 км/с
III экипаж: 
км/с
V экипаж: 
7,1
км/с
Решение задачи №2:
II экипаж: 
; 
.8км/с=5,66
км/с
IV экипаж: 
; 
.8 км/с=4,6
км/с
VI экипаж: 
; 
8 км/с.0,5= 4
км/с
В итоге мы с вами рассчитали скорость наших космических кораблей и можно смело покорять просторы Солнечной системы. Что нового вы, ребята, узнали на уроке? (Учащиеся делятся своими мнениями).
Домашнее задание: параграф 20 Учебник “ Физика 9” А. В. Перышкин, Е. М. Гутник, Дрофа 2006.