Основная цель урока заключается в том, чтобы показать, что сила тяжести, действующая на тела вблизи поверхности Земли, и сила, с которой Земля притягивает Луну, Солнце притягивает планеты, имеют одинаковое происхождение. Широчайший диапазон природных явлений описывается одними и теми же законами физики. Решать задачи на описание движения самых разных тел под действием этих сил приходится огромному количеству людей в своей профессиональной деятельности: военным; инженерам; учёным; космонавтам и т. д.
Необходимое для урока оборудование и материалы:
- штатив с муфтой,
- баллистический пистолет,
- рулетка,
- подушка для чёткого приземления пули,
- транспортир,
- спички,
- нарисованные на ватмане Земной шар и Луна.
Описание и ход урока
Вводное слово учителя:
Тема урока: “Движение искусственных спутников”. На предыдущих занятиях мы подробно рассмотрели вопрос о “движении бросаемых тел”. Мы применяли при этом знания, которые вы приобрели при изучении других школьных предметов, таких как алгебра и геометрия. И в последующем будем это делать. Эти темы: “движение бросаемых тел” и “движение искусственных спутников” тесно связаны друг с другом. Вы увидите это во время проведения урока.
План урока будет следующим:
- вспомним и закрепим предыдущую тему, а для этого проведём фронтальный опрос по домашнему материалу и решим экспериментальную задачу
- перейдём к изучению новой темы
- закрепим новый материал
- подведём итоги урока и запишем домашнее задание: §45 (учебник физики 9 класса авторов: С. В. Громова и Н. А. Родиной)
Фронтальный опрос по домашнему материалу:
- Дайте формулировку закона Всемирного тяготения.
- Чему равно значение гравитационной постоянной и какой она имеет физический смысл?
- Какую силу мы называем силой тяжести?
- Что мы понимаем под словами “свободное падение”?
- Как вычисляется ускорение свободного падения?
Решение экспериментальной задачи:
С помощью горящей спички пережигаем нить, удерживающую пулю в пистолете и производим выстрел. С помощью рулетки определяем дальность полёта, с помощью транспортира угол, который составляет вектор начальной скорости с горизонтом. Записываем краткое условие задачи, делаем чертёж, решаем задачу.
Дано: a=60о т. е. cos=0,5; sin=0,87
L – дальность полёта из опыта
Найти: vo, t, h (начальную скорость, время полёта и максимальную высоту подъёма)
Определить начальную скорость вызывается к доске ученик. Когда он это сделает весь класс, в тетрадях для самостоятельных работ, определяет время полёта и максимальную высоту подъёма.
Рисунок 1
Проверка самостоятельной работы.
Учитель подводит итог данного этапа урока словами: многим людям приходится решать подобные задачи в своей профессиональной деятельности (военным, баллистикам, инженерам, учёным и т. д.).
Сообщение 1-го ученика [2]:
Баллистика (“балло” - бросать) – наука, изучающая движение брошенного тела в атмосфере Земли. Наука позволила выяснить, как дальнобойность орудий зависит от того, с какой скоростью и под каким углом выстрелили снаряд.
А если бы мы стреляли из чего угодно – пистолета, лука, пушки, стеклянной трубочки с жёваной бумажкой – на Луне? Мы быстро бы узнали, что все наши стрелы и снаряды полетели бы дальше всего при наклоне орудий в 45о к горизонту. На Земле сопротивление воздуха, конечно, искажает точную траекторию полёта и намного уменьшает его дальность. Это интуитивно учитывают спортсмены-метатели, а баллистики составляют целые таблицы поправок для стрельбы из артиллерийских орудий.
Если стрелять с большой начальной скоростью и под определённым углом, можно достичь выхода снаряда в разреженные слои атмосферы. Тогда дальность его полёта очень возрастает. Этого сумели добиться немецкие артиллеристы, обстреливая в конце первой мировой войны Париж с расстояния 115 км из огромной, массой 750 т, пушки.
Возможно, вы слышали и о баллистической экспертизе, которую проводят криминалисты, расследуя преступление. Порой они удивительно точно могут рассчитать положение стрелка и траекторию выпущенной им пули.
Новый материал – объяснение учителя:
Тело можно бросить и так, что его начальная скорость будет направлена горизонтально (a=0).
На доске заготовлен рисунок:
Рисунок 2
Как рассчитать высоту и дальность полёта? (
; 
t). От чего зависит
дальность полёта? (
и t). Представим, что мы бросаем тело с
высокой горы, с каждым разом увеличивая . Таким образом
можно перейти от движения тела по параболе к
орбитальному движению тела вокруг Земли.
До сих пор при решении задач мы считали, что
поверхность Земли плоская. Такое упрощение
допустимо, если дальность полёта невелика. В
действительности Земля шар. И если тело,
брошенное горизонтально и падающее под
действием силы тяжести при этом приближается к
поверхности Земли, то поверхность Земли, из-за
своей кривизны будет………? (удаляться от тела). И
можно подобрать такое значение , при котором………? (на
сколько тело за 1с приблизится к поверхности
Земли, на столько же поверхность Земли удалится
от тела за 1с).
Рисунок 3
Тогда тело будет двигаться на постоянном
расстоянии h от поверхности Земли, то есть по
окружности радиусом (Rз+h). Тело падает
всё время на Землю, но никогда не упадёт, то есть
становится искусственным спутником Земли. Такое
движение происходит под действием
гравитационного поля Земли. Если тело движется
по окружности, то его ускорение
центростремительное и по модулю равно: 
. Данное
ускорение сообщается телу…….? (силой тяжести),
которая направлена к центру Земли, значит g=, следовательно 
. Если h много
меньше Rз, то 
=
=8
км/с. Это скорость, которую нужно сообщить телу у
поверхности Земли, чтобы оно стало ИСЗ. Её
называют первой космической скоростью. Это
скорость очень большая по сравнению с теми, к
которым мы привыкли в своей жизни. Придумать
способ, с помощью которого можно было бы сообщить
такую скорость и осуществить это на практике,
было очень трудно. Над этим работали учёные
разных стран. Но сделали это первыми наши учёные
под руководством С.П. Королёва. Послушайте
сообщение о том, как это было, и после этого
ответьте на следующие вопросы (написаны на
доске):
Почему скорость полёта спутника со временем уменьшается?
Какие цели преследует человек, запуская ИСЗ?
Сообщение 2-го ученика [1]:
4 октября 1957 года считается началом космической эры. В этот день был осуществлён запуск первого космического аппарата искусственного спутника Земли. Его вывела на орбиту ракета-носитель, которая, развив скорость 8 км/с, взлетела вертикально. Автоматические устройства по заданной программе управляли движением ракеты. Она, пройдя 200 км, постепенно приняла горизонтальное направление, легла на курс и отправила в путь блестящий шар из алюминиевых сплавов диаметром 58 см, массой 84 кг, с четырьмя двухметровыми антеннами. На Земле принимали радиосигналы из космоса, расшифровывали их. Вслед за первым спутником были запущены второй с собакой Лайкой, потом третий с разными приборами для изучения атмосферы Земли, солнечного излучения. Последующие спутники сфотографировали обратную сторону Луны, сбросили на Луну вымпел. В настоящее время трудно даже сосчитать, сколько спутников запущено в разных странах. Каждый запуск преследует какую-то цель: есть спутники для изучения погоды, для радиосвязи, для телевизионной передачи, спутники-разведчики. Но по орбите вокруг Земли они могут вращаться вечно лишь теоретически. Скорость спутника постепенно снижается, хотя он и движется на большой высоте, где воздуха почти нет. Даже при ничтожной плотности воздуха спутник испытывает сопротивление. Полёт его со временем тормозится. Спутник может вращаться годами, но, в конце концов, снизится, войдёт в плотный слой атмосферы, сгорит и рассыплется. Некоторые спутники уничтожают сигналом с Земли. Некоторые могут быть возвращены назад с помощью других аппаратов. В современных условиях запущено уже в разных странах такое большое количество спутников, что для астрономов это становится помехой при наблюдениях за небесными светилами. За некоторыми спутниками ведут специальные наблюдения. Особенности в их движении указывают на неравномерное притяжение Земли. Это даёт возможность изучать строение нашей планеты, уточнить её форму, обнаружить скрытые в её недрах полезные ископаемые. С помощью спутников разведывают радиационную опасность, исследуют космическое излучение, изучают атмосферу, ионосферу, влияние на неё солнечной активности и многое другое.
Закрепление нового материала:
Нужно решить задачу: найти первую космическую
скорость для искусственного спутника,
запускаемого с Меркурия, если его радиус равен 2440
км, а его масса 36
1022 кг.
Подведение итогов урока.
Литература
- Я познаю мир: Детская энциклопедия: Космос/Автор составитель Т.И. Гонтарчук – М.: АСТ, 1996
- Я познаю мир: Детская энциклопедия: Физика/Составитель и художник А.А. Леонович – М.: ТКО “АСТ”, 1996
- Физика: Учебник для 9 класса общеобразовательных учреждений/С.В. Громов, Н.А. Родина – М.: Просвещение, 2001