Закон сохранения импульса и его применимость к явлениям природы

Тип проекта: Реферативно-исследовательский, межпредметный.

Формируемые компетенции: Общеучебные, информационные, исследовательские (комплексное сравнение и анализ, классификация полученных результатов, обобщение).

Какую бы систему взаимодействующих тел мы не рассматривали, будь то Солнечная система или сталкивающиеся бильярдные шары, у тел системы с течением времени непрерывно изменяются координаты и скорости. В этом, разумеется, нет ничего неожиданного. Замечательным является то, что в системе тел, на которую не действуют внешние силы, имеется ряд величин, которые при движении тел не изменяются со временем. Именно к таким величинам относится импульс (или количество движения), который, как говорят, подчиняется соответствующему закону сохранения.

Значение закона сохранения импульса в механике и физике огромно. Особенно отчетливо значение закона сохранения механических величин выяснилось после того, как в XX в. была установлена связь закона сохранения импульса с однородностью пространства, с тем, что все точки пространства совершенно равноправны. Перенос (сдвиг) в пространстве какой-либо механической системы никак не влияет на процессы внутри нее.

Отсюда вытекают цель работы: Понимание всеобщности закона сохранения импульса и его применимость к явлениям природы.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

1. Изучить и проанализировать научно-популярную и художественную литературу.
2. Ознакомиться с понятием реактивного движения на примерах животного и растительного мира.
3. Предоставить материалы по освоению и исследованию космического пространства (К.Э.Циолковский, СП. Королев).
4. Подготовить компьютерную презентацию.

• Введение.
• Понятие импульса материальной точки. Другая формулировка и форма записи второго закона Ньютона. Изменение импульса системы тел. Закон сохранения импульса. Реактивное движение, реактивные двигатели. Успехи в освоении космического пространства.
• Закон сохранения импульса в живой природе.
• Закон сохранения импульса в художественной и научно- популярной литературе.

План урока: Объяснение новой темы.

Второй закон Ньютона может быть записан в несколько иной формулировке, которая приведена самим Ньютоном в его главном труде “Математические начала натуральной философии”.

Если на тело действует постоянная сила, то постоянным будет и ускорение

Где V₂ и Vi – начальное и конечное значения скорости тела.

Подставив это значение ускорения во второй закон Ньютона, получим:

В уравнении 1 появляется новая физическая величина - импульс материальной точки

Импульсом материальной точки называют величину, равную произведению массы на скорость. Импульс материальной точки является векторной величиной и имеет тоже направление, что и скорость. Единица измерения импульса [р] в СИ = 1 кг * 1 м/с

Так, например, при прыжках с какой-то высоты остановка тела происходит за счет действия силы со стороны земли или пола. Чем меньше продолжительность столкновения, тем больше тормозящая сила. Для уменьшения этой силы необходимо, чтобы торможение происходило постепенно. Именно по этой причине спортсмены приземляются на мягкие маты. Прогибаясь, они постепенно тормозят спортсмена.

Закон сохранения импульса.

Выясним, как изменяются импульсы двух тел при их взаимодействии:

По третьему закону Ньютона силы, действующие на тела при их взаимодействии равны по модулю и противоположны по направлению.

– векторная сумма импульсов двух тел до взаимодействия равна векторной сумме их импульсов после взаимодействия.

Система тел, на которую не действуют внешние силы или сумма всех внешних сил равна нулю, называется замкнутой. В замкнутой системе тел импульс сохраняется.

Под реактивным движением понимают движение тела, возникающее при отделении некоторой его части с определенной скоростью относительно тела.

Главная особенность реактивной силы состоит в том, что она возникает без какого-либо взаимодействия с внешними телами.

Найдем выражение для реактивной силы при движении ракеты. Пусть в некоторый момент времени скорость ракеты относительно инерциальной системы отсчета, связанной со звездами равна V, а масса ракеты М, через малый интервал времени At масса ракеты станет равной M_i = М – m Δt,

где m – расход топлива. (Расход топлива – это отношение массы сгоревшего топлива ко времени его сгорания.)

За этот же промежуток времени скорость ракеты изменится на станет равной Скорость истечения газов относительно выбранной ИСО равна v + u, т.к. до начала сгорания, топливо имело ту же скорость, что и ракета. Запишем Закон сохранения импульса для системы ракета-газ:

Раскрывая скобки и пренебрегая слагаемым , получим:

Это одно и из уравнений Мещерского, для движения тела переменой массы, полученное им в 1897 г.

Если ввести обозначение , то уравнение (1) совпадет по форме записи со вторым законом Ньютона. Однако масса тела Ь здесь не постоянна, а убывает со временем из-за потери вещества.

Изучение физики природных явлений имеет, прежде всего, огромную познавательную ценность.

Так, например, спруты, кальмары, осьминоги и кракены применяют для плавания не плавники и хвост, а особенное приспособление вроде реактивного двигателя: Втягивают в себя воду и силой отталкивают ее. Так и движутся толчками.

Но если бы осьминоги стремительно носились только в воде! Они и по суше странствуют, прихватив с собой запас морской воды. Запас кислорода, содержащегося в такой воде, им хватает на четыре часа.

По берегу, они не ползают, а с помощью своих восьми проворных ног бегают. Бывает, что и лошадь могут обогнать. Эти причудливые существа способны полностью сплющить свое тело и проникнуть невероятно узкую щель. Ученый Рой Майнер как-то поймал в море небольшого осьминога -длиной 30см; посадил его в деревянный ящик, а крышку забил гвоздями, крепко перевязал веревкой. После этого оставил ящик на дне лодки и отправился на охоту за следующим осьминогом. Вскоре он возвратился, вскрыл ящик и ... Осьминога там не было! Впрочем, вскоре он заметил беглеца, который притаился за веслом. Майнер смог лишь высказать догадку, что хитрецу удалось протиснуть щупальца через узкую щель под крышку ящика, уцепиться за борт лодки, а затем вытащить себя из неволи. При этом ему следовало стать тоньше листа бумаги! Невероятно, но другого объяснения происшедшему нет.

И это далеко не уникальный случай. Известно, что спруты сбегали из котлов, в которых их собирались сварить. Они поднимались сквозь дымоход на крышу дома. Один восьминогий пленник, попав в научную библиотеку, устроил там настоящий погром - снимал с полок книги и в ярости швырял их на пол. Вероятно, ему не понравились издания о жизни обитателей океанов. Может быть, этот восьминогий мудрец счел, что все написанное в них чепуха.

Ну и, кроме того, они еще умеют строить дома. Известный французский исследователь Жак-Ив Кусто писал “На плоском дне отмели мы наткнулись на город осьминогов: причудливые постройки, сооруженные явно самими спрутами. Конструкция имела крышу в виде плоского камня полуметровой длины, весом килограммов”, под крышей, установленной на “колоннах”, была вырыта просторная выемка – “зал” для хозяина. Перед входом насыпана “крепостная стена”. Дверь в этот дом могла открываться или закрываться в случае опасности.

До сих пор мы говорили лишь о сравнительно небольших осьминогах: каракатицах, кальмарах и прочих. А ведь есть еще и огромные кракены. В исторических хрониках Скандинавии повествуется о том, как подобное чудовище было занесено мощным приливом в узкий залив - фьорд. Кракен там основательно застрял и в гневе стал вырывать могучие сосны, растущие на берегу. Однако это ему не помогло: ему не удалось освободиться, и он через какое-то время умер. Туша его занимала почти весь залив, и люди долгое время боялись подходить к этому месту.

Спрутов следовало бы назвать третьей цивилизацией разумных землян, после людей и дельфинов. Но ограничимся тем, что скажем о самом очевидном свидетельстве в пользу разумности этих созданий – о наличии их огромных выразительных глаз, которыми они смотрят на нас. Смотрят то насмешливо, то – с тревогой, а бывает, что с невыразимой грустью.

И, наверное, следовало бы отметить, что знание законов физики очень часто помогает героям научно-фантастической литературы находить выход из самых тяжелых ситуаций. Примером может служить рассказ Клиффорда Саймака “Золотой астероид” Именно знание закона сохранения импульса помогло двум братьям избежать гибели и добраться до своего корабля сквозь пустое пространство космоса.

Шарик массой 500 г равномерно катится со скоростью 2 м/с. Чему равен импульс шарика?

• 1000 кг м/с (У)
• 250 кг м/с (Me)
• 1 кг м/с (Ор)

Какова масса тела, если его импульс равен 500 кг м/с при скорости 20 м/с

• 25 кг (лё)
• 10 кг (ду)
• 10000 кг (ра)

С какой скоростью равномерно катится тележка массой 0,5 кг, если ее импульс равен 5 кг м/с.

• 2,5 м/с (за)
• 10 м/с (нок)
• 1 м/с (ган)

Ответив правильно на поставленные вопросы узнаешь, как назывался космический корабль братьев в рассказе “Золотой астероид”.