Цель: выяснить сущность реактивного движения, назначение, конструкция и принцип действия ракет, реактивное движение в технике и в природе.
ТСО и наглядность:
- ПО: ОС Windows, Microsoft Power Point, мультимедиа-проектор, CD-диск курса “Физика. Библиотека наглядных пособий”, 1С: школа,
- Презентация “Реактивное движение”, Приложение 1,
- Реактивное движение (таблица),
- модель ракеты.
Класс разбивается на группы по 2-4 человека, в зависимости от наполняемости класса. Работа группы оценивается баллами: один верный ответ- один балл. В конце урока баллы суммируются, группа вправе разделить полученные баллы в зависимости от вклада каждого учащегося в работу группы. Учащимся получившим недостаточное количество баллов учитель дает дополнительное задание.
I. Организация класса: объявление темы, цели урока, озвучивание контрольных вопросов (т.е. вопросов ответы на которые должны быть получены в течении урока).
Контрольные вопросы:
1. Какое движение называется реактивным?
2. На каком законе основано реактивное движение?
3. От чего зависит скорость ракеты?
II. Повторение.
Работа в группах по вопросам:
- Всегда ли удобно пользоваться законами Ньютона для описания взаимодействия тел?
- Что такое импульс?
- Куда направлен вектор импульса?
- Сформулируйте закон сохранения импульса.
- Кто открыл закон сохранения импульса?
- Как проявляется закон сохранения импульса при столкновении тел?
После обсуждения отвечает один учащийся от группы.
III. Вступительное слово учителя.
В течение многих веков человечество мечтало о космических полётах. Писатели-фантасты предлагали самые разные средства для достижения этой цели. В XVII веке появился рассказ французского писателя Сирано де Бержерака о полёте на Луну. Герой этого рассказа добрался до Луны в железной повозке, над которой он всё время подбрасывал сильный магнит. Притягиваясь к нему, повозка всё выше поднималась над Землёй, пока не достигла Луны.
Слайд 4
А барон Мюнхгаузен рассказывал, что забрался на Луну по стеблю боба.
Слайд 5
Но ни один учёный, ни один писатель-фантаст за многие века не смог назвать единственного находящегося в распоряжении человека средства, с помощью которого можно преодолеть силу земного притяжения и улететь в космос. Это смог осуществить русский учёный Константин Эдуардович Циолковский (1857–1935). Он показал, что единственный аппарат, способный преодолеть силу тяжести - это ракета, т.е. аппарат с реактивным двигателем, использующим горючее и окислитель, находящиеся на самом аппарате.
Слайд 6
Демонстрация опытов.
Задание группам:
Опыт 1.Надуть резиновый шарик и отпустить его.
Вопрос: За счёт чего шарик приходит в движение? Обсуждение в группе
Вывод: Шарик приходит в движение за счёт того, что из него выходит воздух.
Учитель: Движение шарика является примером реактивного движения, и вы правильно указали причину движения шарика.
Опыт 2. Ученик встаёт на легкоподвижную тележку, спрыгивает с неё. Тележка движется в противоположную сторону.
Вопрос: Что общего в первом и во втором опытах? Обсуждение в группе
Вывод: Тележка и шарик пришли в движение, потому что от них что-то отделилось (ученик, воздух).
После этого учащиеся формулируют определение реактивного движения:
Под реактивным понимают движение тела, возникающее при отделении некоторой его части с определенной скоростью относительно тела.
Слайд 7
При этом возникает т.н. реактивная сила, сообщающая телу ускорение.
Реактивный двигатель - это двигатель, преобразующий химическую энергию топлива в кинетическую энергию газовой струи, при этом двигатель приобретает скорость в обратном направлении. На каких же принципах и физических законах основывается его действие?
Демонстрации:
1. Сегнеровое колесо.
2. Видеофрагмент “Реактивное движение”, Физика. Библиотека наглядных пособий.
После демонстрации опытов учитель задает вопросы:
За счет чего возникает такое движение?
Почему отклоняется трубка? Почему взлетает воздушный шарик?
Почему движется ракета?
Как рассчитать скорость , которую может развить ракета?
Обсуждение вопросов в группе. Отвечает один учащийся от группы.
Учитель: К.Э. Циолковский вывел формулу, позволяющую рассчитать максимальную скорость, которую может развить ракета. Попробуем и мы вывести формулу для расчета максимальной скорости движения.
Задание: используя закон сохранения импульса рассчитать максимальную скорость движения ракеты.
Учащиеся делают в тетради следующую запись:
Согласно третьему закону Ньютона:
где Fl - сила, с которой ракета действует на раскаленные газы, a F2 - сила, с которой газы отталкивают от себя ракету.
Модули этих сил равны: Fl=F2.
Именно сила F2 и является реактивной силой. Рассчитаем скорость, которую может приобрести ракета.
Если импульс выброшенных газов равен mгvг , а импульс ракеты mpvp, то из закона сохранения импульса получаем: mгvг = mpvp
Откуда скорость ракеты: vp = mгvг/mp
Таким образом, скорость ракеты тем больше, чем больше скорость истекания газов , и чем больше отношение - mг / mp
Слайд 8
Вопрос: В каких случаях справедлива эта формула?
Ответ: выведенная формула справедлива только для случая мгновенного сгорания топлива. Такого быть не может, так как мгновенное сгорание - взрыв. На практике масса топлива уменьшается постепенно, поэтому для точного расчета используют более сложные формулы.
Вопрос: От чего зависит скорость движения?
Ответ: Максимально достижимая скорость зависит в первую очередь от скорости истечения газов из сопла, которая в свою очередь зависит прежде всего от вида топлива и температуры газовой струи. Чем выше температура, тем больше скорость. Значит, для ракеты нужно подбирать самое калорийное топливо, дающее наибольшее количество теплоты. Отношение массы топлива к массе ракеты в конце работы двигателя (т.е. по существу к весу пустой ракеты) называется числом Циолковского. Основной вывод состоит в том, что в безвоздушном пространстве ракета разовьёт тем большую скорость, чем больше скорость истечения газов и чем больше число Циолковского.
Включение следует сказать, что современные технологии производства ракетоносителей не могут позволить превысить скорости в 8-12 км/с. Для третьей космической скорости (16,4 км/с) необходимо, чтобы масса топлива превосходила массу оболочки носителя почти в 55 раз, что на практике реализовать невозможно. Следовательно, нужно искать другие способы построения ракетоносителей.
Слайд 10
IV. Решение задач.
Задача 1.
Какую скорость Vp приобретает ракета, если масса mг мгновенно выброшенных газов составляет 0,3 m ракеты, а их скорость V=2км/с.
Задача 2.
Какую скорость приобретает ракета, если масса mг мгновенно выброшенных газов составляет 0,5 m ракеты, а их скорость V=2км/с.
Задача 3.
Определить скорость Vp ракеты, если выход газов происходит со Vг=300 м/c. До взлета mp с горючим равна 600 г, а горючего - 300 г.
Проверка решения задач. Выставление баллов.
V. Реактивное движение в природе.
(Сообщения учащихся)
Каракатицы, осьминоги при движении в воде также используют реактивный принцип перемещения. Набирая в себя воду, они, выталкивая ее, приобретают скорость, направленную в сторону, противоположную направление выброса воды.
Слайды 11, 12
VI. Проверка усвоения темы.
Тестирование:
1. Чему равно произведение массы ракеты m на ускорение её движения a по определению?
А. Импульсу. Б. Силе. С. Энергии. Д. Скорости.
2. Чему равен импульс ракеты и горючего до начала работы двигателей?
А. 2mv. Б. -2mv. В. Mv. Д. 0
3. Какой великий русский учёный смог доказать, что только ракета, т.е. аппарат с реактивным двигателем, использующим горючее и окислитель, находящиеся на самом аппарате, может преодолеть силу тяжести?
А. Королев. Б. Циалковский. В. Кибальчич. Д. Гагарин.
4. Как называется двигатель, преобразующий химическую энергию топлива в кинетическую энергию газовой струи, при этом двигатель приобретает скорость в обратном направлении?
А. Тепловой. Б. Реактивный. В. Электрический. Д. Газовый.
От чего зависит скорость ракеты?
А. Массы ракеты. Б. Массы газов. В. От силы притяжения к Земле. Д. Массы ракеты и массы газов.
VII. Сообщения учащихся о жизни и научной деятельности С.П. Королева, К.Э. Циолковского, о Ю.А. Гагарине и В.А. Терешковой.
VIII. Подведение итогов. Выставление оценок.