Тип урока: комбинированный с элементами Теории решения изобретательских задач (ТРИЗ) и Информационно-коммуникационных технологий (ИКТ).
Задачи урока:
образовательная: знать условия, при которых тело может стать искусственным спутником Земли; уметь рассчитывать первую космическую скорость.
воспитательная: формировать уважение к труду учёных, гордость за российских изобретателей космической техники.
развивающая: развивать речь, мышление, способность выделять существенные признаки, находить межпредметные связи.
Оборудование:
Интерактивная доска.
Диск 1С: Школа. Физика 7–11-е классы. Библиотека наглядных пособий.
Таблица «Искусственные спутники Земли».
Портреты К.Э.Циолковского и С.П.Королёва; фотографии спутников.
Учебник А.В.Пёрышкина, Е.М.Гутник «Физика. 9-й класс». Москва. «Дрофа», 2008.
|
№ |
Этап урока |
Время |
|
1 |
Организация начала урока, постановка задач. |
1 мин. |
|
2 |
Проверка знаний и выполнения домашнего задания. Подготовка к усвоению нового материала. |
7 мин. |
|
3 |
Усвоение новых знаний. |
20 мин. |
|
4 |
Закрепление новых знаний. |
5 мин. |
|
5 |
Первичная проверка понимания учащимися нового материала. |
5 мин. |
|
6 |
Подведение итогов урока. |
1 мин. |
|
7 |
Информация о домашнем задании. |
1 мин. |
Этап № 1
Здравствуйте, ребята.
(Презентация – Приложение 1)
Совсем недавно наша страна и весь мир отметили три славных юбилея: 150-летие основоположника космонавтики, автора первых проектов ракет Константина Эдуардовича Циолковского и 100-летие Сергея Павловича Королёва – генерального конструктора первых Искусственных спутников Земли (ИСЗ) и пилотируемых космических кораблей. 4 октября 2007 года исполнилось 50 лет со дня запуска первого искусственного спутника Земли (ИСЗ). Это событие, ставшее возможным благодаря труду и таланту российских учёных, назвали началом космической эры человечества. Сегодня на уроке вы узнаете, при каких условиях тело может стать ИСЗ, для чего и как их запускают. Вы научитесь вычислять первую космическую скорость и моделировать движение тел в гравитационном поле с помощью компьютера. Запишите тему урока: Искусственные спутники Земли.
Этап № 2
Фронтальный опрос. Вопросы и задания:
Вспомните, от чего зависит сила притяжения тел. Запишите формулу закона всемирного тяготения.
Дома вам нужно было определить силу притяжения между Землёй и Луной. Запишите на доске краткое условие и решение задачи 5 а) из упр. 18.
Чем отличаются силы притяжения Луны к Земле и Земли к Луне? (Направления сил противоположны, силы приложены к разным телам, но равны по модулю)
Почему же Луна – спутник Земли, а не наоборот? (Масса Луны меньше, поэтому её ускорение больше, чем у Земли)
Как определить это ускорение, пользуясь 2-м законом Ньютона? Чему равно ускорение Луны при её движении вокруг Земли? Выпишите на доску решение задачи 5 б) из упр. 18. (Примечание: правильный ответ 0,0027 м/с²; в ответах учебника допущена ошибка)
Каково направление ускорения Луны? Запишите формулу центростремительного ускорения.
Выразите модуль мгновенной скорости. Как она направлена?
Этап № 3
Люди давно строили догадки, как с Земли нужно бросить тело, чтобы оно на неё не упало, а двигалось подобно Луне.
А что вы думаете по этому поводу?
Мысленные опыты около 3-х веков до вас проводил и великий Исаак Ньютон. Чуть позже мы их смоделируем на компьютере.
Найдите рассуждения учёного в учебнике (§ 20 стр. 74 абзацы 4, 5).
Можно ли считать движение спутника свободным падением? (Да, оно происходит под действием только силы тяжести)
Получается, что центростремительное ускорение и есть ускорение свободного
падения. Запишите а=g=v²/r.
Выразите скорость через ускорение свободного падения: v= √g ∙ r По этой формуле можно рассчитать скорость, которую нужно сообщить телу в горизонтальном направлении, чтобы оно двигалось по окружности и стало искусственным спутником Земли. Такая скорость называется первой космической (ПКС).
Вспомните, чему равно ускорение свободного падения вблизи поверхности Земли и её средний радиус. (g = 9,8 м/с² ≈ 10 м/с² R ≈ 6400000 м)
Вычислите ПКС вблизи Земли. (Примерно 8 км/с)
Более точно ПКС вблизи поверхности Земли составляет 7,9 км/с. Выразите эту скорость в км /ч. (28840)
Сообщить телу скорость почти 29000 км/ч, конечно, непросто. Это удалось сделать советским учёным буквально на несколько месяцев раньше, чем американцам. Послушайте доклады о первых ИСЗ, применении и проблемах современных спутников.
(Примечание: Материал можно взять, например, из Детской энциклопедии «Я познаю мир» - Космос; Москва, «АСТ», 1999 год.)
Сообщение 1-го учащегося:
(Презентация – Приложение 2)
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 алюминиевого сплава диаметром 58 см, массой 84 кг, с четырьмя двухметровыми усами – антеннами. На Земле, в Центре управления полётами, принимали радиосигналы из космоса, расшифровывали их. Вслед за первым спутником были запущены второй с собакой Лайкой, третий с приборами для изучения атмосферы Земли и солнечного излучения. Последующие спутники сфотографировали обратную сторону Луны, сбросили на неё вымпел. В настоящее время трудно даже сосчитать, сколько спутников запущено в разных странах. Они даже становятся помехой для наблюдения за небесными телами, представляют некоторую опасность и для космических кораблей.
Сообщение 2-го учащегося:
Но стоит помнить, что каждый запуск преследует какую – то цель: есть спутники для изучения погоды, для радиосвязи, для телевизионной передачи, спутники – разведчики. Здесь они незаменимые помощники человека. Спутник может вращаться годами, но в конце концов снизится, войдёт в плотные слои атмосферы, сгорит и рассыпится. Некоторые спутники уничтожают сигналом с Земли, «нужные» могут быть возвращены на орбиту с помощью других космических аппаратов. За спутниками ведутся и специальные наблюдения, особенности в их движении указывают на неравномерное притяжение Земли, что даёт возможность изучать строение нашей планеты, уточнять её форму, обнаруживать скрытые в недрах полезные ископаемые. С помощью спутников разведывают радиационную опасность, исследуют космическое излучение, изучают атмосферу, влияние на неё солнечной активности, предсказывают стихийные бедствия и многое другое.
Вернёмся к ПКС и выясним, от чего она зависит. Для этого вспомните, как найти ускорение свободного падения на большом расстоянии от Земли. (g=G∙ M/r, r = R + h). Подставьте выражение для ускорения свободного падения в формулу ПКС. Запишите v = √ G ∙ M /(R + h).
Обратите внимание, что в формулу не входит масса спутника. Значит, ПКС от массы спутника не зависит.
А от чего и как зависит ПКС? (От высоты над Землёй, чем больше высота, тем меньше ПКС). Например, на высоте 500 км ПКС приблизительно равна 7,6 км/с.
Обладая ПКС, тело не упадёт на Землю. Но эта скорость мала для того, чтобы удалить его на расстояние, где притяжение Земли перестанет играть существенную роль. Скорость, которую нужно сообщить телу, чтобы оно преодолело гравитационное поле Земли, называют второй космической скоростью (ВКС). Она в √2 раз больше ПКС и вблизи поверхности составляет 11,2 км/с.
Траектории небесных тел в зависимости от их скорости определил Исаак Ньютон. Если скорость равна ПКС, то тело движется по окружности; больше ПКС, но меньше ВКС – по эллипсу; равна ВКС – по параболе; больше ВКС – по гиперболе.
Благодаря компьютеру, мы можем в этом убедиться. Модель называется «Гора Ньютона». Высоту запуска можно менять до 4000 км. Например, 1800 км. Компьютер вычисляет: ПКС = 7 км/с. ВКС ≈ √2 ∙ 7 км/с ≈ 10 км/с. Вводим скорости:
а) 6 км/с – тело упало на Землю,
б) 7 км/с – тело движется по окружности, стало ИСЗ,
в) 8 км/с – тело движется по эллипсу,
г) 10 км/с – тело движется по параболе,
д) 12 км/с – тело движется по гиперболе.
Этап № 4
Задача 1. Определите, по какой траектории относительно Земли двигалось бы тело, запущенное горизонтально со скоростью 5 км/с на высоте 3 радиусов Земли. (Примечание: «ТРИЗовский» подход - можно вычислить ПКС без калькулятора. Знаем, что ПКС у поверхности Земли около 8 км/с. Если расстояние от центра Земли увеличить в 4 раза, то ПКС уменьшится в 2 раза и станет ≈ 4 км/с, а ВКС ≈ 5,6 км/с. Т.к. ПКС < 5 км/с< ВКС, то тело двигалось бы по эллипсу)
Задача 2. Как легче запустить ИСЗ: вдоль экватора или меридиана? Почему? (Вдоль экватора по направлению суточного вращения Земли, т.к. Земля будет «подталкивать» ИСЗ со скоростью около 460 м/с)
Этап № 5
(Презентация – Приложение 3)
Тест:
1. Когда был запущен первый ИСЗ?
А. 4 октября 1957 года В. 12 апреля 1957 года
Б. 12 апреля 1961 года Г. 4 октября 1961 года
2. Какова траектория тела при сообщении ему ПКС?
А. Гипербола В. Окружность
Б. Парабола Г. Эллипс
3. Какое из утверждений является верным:
1) ПКС зависит от массы спутника; 2) ПКС зависит от высоты запуска?
А. 1); Б. 2); В.1) и 2); Г. Оба не верны
4. Вблизи поверхности Земли ПКС составляет
А. 16,7 км/с Б. 11,2 км/с В. 9,3 км/с Г. 7,9 км/с
5. Чему была бы равна ПКС спутника на высоте 15 радиусов Земли?
А ≈ 32 км/с; Б ≈ 16 км/с; В ≈ 8 км/с; Г ≈ 2 км/с
(Правильные ответы: 1. А; 2. В; 3. Б; 4. Г; 5. Г)
Этап № 6
Что нового вы узнали сегодня об ИСЗ?
(Выставление оценок предложившим правильные и оригинальные способы решения задач, подготовившим сообщения об ИСЗ, остальным – после проверки теста.)
Этап №7
Домашнее задание:
Прочитать § 20, устно ответить на вопросы к § 20; решить задачи 1, 2 из упр. 19.