Реактивное движение. Ракеты. 9-й класс

План урока:

Цели урока:

1. Познавательные:дать понятие реактивного движения; рассмотреть устройство ракеты, показать применение закона сохранения импульса для реактивного движения (на примере движения ракеты).
2. Развивающие:способствовать развитию познавательной деятельности и расширению кругозора; дать представление ореактивном движении в природе и технике.
3. Воспитательные:показать огромный вклад ученых, инженеров в дело создания многоступенчатой ракеты для освоения космического пространства; показать роль предприятий г. Химки в ракетостроении.

Оборудование:

1. Плакаты:многоступенчатая ракета; реактивное движение; живые ракеты.
2. Стенды сегодня на уроке – представлена полная информация о предприятиях г. Химки в области ракетостроения и "Информация для желающих учиться в г. Химки".
3. Демонстрациидвижение воздушного шара, укреплённой на тележке; запуск ракеты, явление "отдачи" при вытекании воды из шланга.
4. Кадры из фильма

ХОД УРОКА

I. Актуализация

Мы продолжаем изучать один из важнейших законов природы – закон сохранения импульса, вспомним некоторые определения:

1. Что такое импульс тела?
2. Что такое замкнутая система тел?
3. Что утверждает закон сохранения импульса?

А теперь проведем тестирование для  всех.

Самостоятельная работа на 10 мин.

Вариант I

1. Тележка массой 0,2 кг движется равномерно по горизонтальной поверхности стола со скоростью 2м/с . Чему равен ее импульс?

А. 0,4 кг х м/с
Б. 0,2 кг х м/с
В. 4 кг х м/с

2. На рисунке представлен график зависимости скорости тела от времени. Определите импульс тела через 4 с: после начала движения, если масса этого тела 2 кг

А. 8 кг х м/с
Б. 40 кг х м/с
В. 80 кг х м/с

3.  На рисунке изображены два шара, движущиеся с одинаковыми скоростями. Сравните импульс первого шара Р1 с импульсом второго шара Р2.

А. Р1 = Р2
Б. Р1 > P2
В. P1 < P2

4. Чему равно изменения импульса тела, если на него подействовала сила 15Н в течении 5 с?

А. 3 кг х м/с
Б. 75 кг х м/с
В. 1/3 кг х м/с

5. Тележка массой кг движется со скоростью 3 м/с , сталкивается с неподвижной тележкой массой  4 кг и сцепляется с ней. Определить скорости тележек после взаимодействия.

6. Шарик, подвешенный на нити, движется так, как показано на рисунке. При этом, на него действуют сила тяжести и сила упругости нити. Куда направлен импульс шарика?

Вариант 2

1.  Мяч массой 0,5 кг летит со скоростью 5 м/с. Чему равен импульс мяча?

А. 0,5 кг х м/с
Б.2,5 кг х м/с
В. 2 кг х м/с

2.  На рисунке представлен график зависимости скорости телаот времени. Определите импульс тела через 4 с    после начала движения, если масса этого тела 2 кг

3. На рисунке изображены два движущихся шара, имеющиходинаковую массу. Сравните импульс первого шара Р1 с импульсом второго шара Р2

А. Р1= Р2
Б. P1 > P2
В. P < P

4. Чему равно изменения импульса, если в течение 4с  на него действовала сила 20Н?

А. 8 кг х м/с
Б. 40 кг х м/с
В. 80 кг х м/с

5.  На неподвижную тележку массой 10 кг прыгает мальчик массой 40 кг. Скорость движения мальчика равна 2 м/с и направлена горизонтально. Определите скорость движения тележки с мальчиком.

А. 80 кг х м/с
Б. 5 кг х м/с
В. 1/5 кг х м/с

6. Шарик катится по гладкой горизонтальной поверхности. На него действуют сила тяжести сила упругости. Куда направлен импульс шарика?

II. Сегодня мы познакомимся с явлением, в основе которого лежит закон сохранения импульса

Откройте рабочие тетради, запишите число и тему урока: "Реактивное движение. Ракеты."

Для начала рассмотрим несколько примеров, подтверждающих справедливость закона сохранения импульса. (Опыт с шариками на доске, напомнить про шарики в Политех. музее. Ученики до урока посетили лекцию в политехническом музее на тему: "Законы механики и закон сохранения импульса").

Рис. 1

На нитях подвешиваются два шарика (см. рис. 1 а  и  б).
Правый шарик отклоняют и отпускают. Вернувшись в прежнее положение и ударившись о неподвижный шарик, он останавливается. При этом левый шарик приходит в движение и отклоняется практически на тот же угол, что и отклоняли правый шар.

Наверняка многие из вас наблюдали, как приходит в движение надутый воздухом воздушный шарик, если развязать нить, стягивающую его отверстие. (демонстрация).

Объяснить это явление можно с помощью закона сохранения импульса. Пока отверстие шарика завязано, шарик с находящимся внутри сжатым воздухом покоится, и его импульс равен нулю.

При открытом отверстии из него с довольно большой скоростью вырывается струя сжатого воздуха. Движущийся воздух обладает некоторым импульсом, направленным в сторону движения воздуха.

Согласно действующему в природе закону сохранения импульса суммарный импульс системы, состоящей из двух тел – шарика и воздуха в нем, – должен остаться таким же каким был до начала истечения воздуха, т. е. равным нулю. Поэтому шарик начинает двигаться в противоположную струе сторону с такой скоростью, что его импульс равен по модулю импульсу воздушной струи. Векторы импульсов шарика и воздуха направлены в противоположные стороны. В результате суммарный импульс взаимодействующих тел остается равным нулю. Движение шарика является примером реактивного движения.

Обратимся к опыту с Г-образной трубкой, где мы можем наблюдать как трубка отклоняется в сторону, противоположную направлению струи.

Все эти опыты являются примерами реактивного движения.

Запишем определение: Движение, которое возникает как результат отделения от тела какой-либо части, либо как результат присоединения к телу другой части, называется реактивным движением.

Вы знаете, что принцип реактивного движения находит широкое практическое применение в авиации и космонавтике. В космическом пространстве нет среды, с которой тело могло бы взаимодействовать и тем самым изменять направление и модуль своей скорости. Поэтому для космических полетов могут быть использованы только реактивные летательные аппараты, т.е. ракеты.

Рассмотрим вопрос об устройстве и запуске так называемых ракет-носителей, т.е. ракет, предназначенных для вывода в космос искусственных спутников Земли, космических кораблей, автоматических межпланетных станций и других полезных грузов.

В любой ракете, независимо от ее конструкции, всегда имеется оболочка и топливо с окислителем.

На рисунке 2 изображена ракета в разрезе. Мы видим, что оболочка ракеты включает в себя полезный груз (в данном случае это космический корабль), приборный отсек и двигатель (камера сгорания, насосы и пр.).

Основную массу ракеты составляет топливо с окислителем (окислитель нужен для поддержания горения топлива, поскольку в космосе нет кислорода).

Топливо и окислитель с помощью насосов подаются в камеру сгорания. Топливо, сгорая, превращается в газ высокой температуры и высокого давления, который мощной струей устремляется наружу через раструб специальной формы называемый соплом. Назначение сопла состоит в том, чтобы повысить скорость струи газов.

С какой целью увеличивают скорость выхода струи газа? Дело в том, что от этой скорости зависит скорость ракеты. Это можно показать с помощью закона сохранения импульса.

Для простоты рассуждений будем пока считать, что ракета представляет собой замкнутую систему (т. е. не будем учитывать действие на нее силы земного притяжения).

Поскольку до старта импульс ракеты был равен нулю, то по закону сохранения суммарный импульс движущейся оболочки и выбрасываемого из нее газа тоже должен быть равен нулю. Отсюда следует, что импульс оболочки и направленный противоположно ему импульс струи газа должны быть равны друг другу по модулю. Значит, чем с большей скоростью вырывается газ из сопла, тем больше будет скорость оболочки ракеты.

С какой скоростью движется оболочка ракеты? Запишем закон сохранения импульса для замкнутой системы двух тел: газа и оболочки.

Помимо скорости истечения газа существуют и другие факторы, от которых зависит скорость движения ракеты.
Ясно, что выведенная формула справедлива только для случая мгновенного сгорания топлива. Мгновенное сгорание – это взрыв, такого быть не может. На практике масса топлива уменьшается постепенно, поэтому точного расчета используются более сложные расчеты.

Мы рассмотрели устройство и принцип действия одноступенчатой ракеты, где под ступенью подразумевается та часть, которая содержит баки с горючим и окислителем и двигатель.

Современные технологии производства ракетоносителей не могут позволить превысить скорости 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 невозможно. Для этого используют многоступенчатые ракеты, развивающие гораздо большие скорости и предназначенные для более дальних полетов, чем одноступенчатые.

На рисунке 3 показана схема трехступенчатой ракеты. После того как топливо   и   окислитель   первой    ступени   будут   полностью израсходованы, эта ступень автоматически отбрасывается и в действие вступает двигатель второй ступени.

Уменьшение общей массы ракеты путем отбрасывания уже ненужной ступени позволяет
сэкономить топливо и окислитель и увеличить скорость ракеты. Затем таким же образом отбрасывается вторая ступень.
Если возвращение космического корабля на Землю или его посадка на какую-либо другую планету не планируется, то третья ступень, как и две первых, используется для увеличения скорости ракеты. Если же корабль должен совершить посадку, то она используется для торможения корабля перед посадкой. При этом ракету разворачивают на 180°, чтобы сопло оказалось впереди. Тогда вырывающийся из ракеты газ сообщает ей импульс, направленный против скорости ее движения, что приводит к уменьшению скорости и дает возможность осуществить посадку.
Идея использования ракет для космических полетов была выдвинута в начале XX в. русским ученым, изобретателем и учителем Константином Эдуардовичем Циолковским. Циолковский разработал теорию движения ракет, вывел формулу для расчета их скорости, был первым, кто предложил использовать многоступенчатые ракеты.
Полвека спустя идея Циолковского была развита и реализована советскими учеными под руководством Сергея Павловича Королева.
А теперь мы попытаемся запустить свою ракету. С помощью учеников учитель собирает модель ракеты. В лабораторную модель ракеты закачивается воздух с помощью насоса и нажимая на спусковой механизм ракета пролетает более двух метров.
Примеры реактивного движения можно обнаружить и в мире животных и растений. Например, созревшие плоды "бешеного" огурца при самом легком прикосновении отскакивают от плодоножки и из образовавшегося отверстия выбрасывается фонтаном со скоростью 10 м/с горькая жидкость с семенами сами огурцы при этом отлетают в противоположном направлении (см. рис. 4). Стреляет "бешеный" огурец (иначе его называют "дамский пистолет") более чем на 12 м.

Запишем домашнее задание: §22, упр. 21 (1, 2)

– А теперь на ваших партах находятся файлы с текстом 'Живые ракеты" примеры реактивного движения в водной среде (Приложение 2).
Прочитайте текст и ответьте на поставленные вопросы. (7-9 мин.).

– На нашем уроке мы обязательно должны затронуть тему о роли предприятий г.Химки в развитии ракетостроении. В кабинете на стенде "Сегодня на уроке" подробно специально к уроку представлена информация о предприятиях.

НПО ЭНЕРГОМАШ имени академика Валентина Петровича Глушко – ведущее российское предприятие по разработке мощных жидкостных ракетных двигателей (ЖРД). Ученики девятых классов в рамке профориентации посетили "НПО Энергомаш" и подробно изучили историю создания НПО и сферу деятельности предприятия. К информации на стенде учитель добавил сообщение о сотрудничестве НПО и американской компании ULA

Поставка новых двигателей РД-180 ОАО «НПО Энергомаш имени академика В.П.Глушко» осуществило в ночь на 17 ноября 2009 г поставку трех жидкостных ракетных двигателей РД-180. Партия двигателей доставлена в аэропорт «Шереметьево», откуда на самолете АН-124 «Руслан» они были доставлены в США. Как известно, эти российские двигатели используются в составе первой ступени американской РН «Атлас 5». Первая поставка этих ЖРД в США была осуществлена в январе 1999 года, с тех пор в США поставлено 46 товарных двигателей российского производства, с помощью которых на сегодняшний день успешно выполнено 24 запуска американских ракет-носителей «Атлас 3» и «Атлас 5». Американская компания ULA после приемки двигателей и их установки в состав новых РН, осуществит очередные космические запуски с использованием российских двигателей. (Показ кадров из фильм "Энергомаш" Приложение 1).

Я знаю, что некоторые ученики приготовили интересные факты из истории реактивного движения. (Первые пороховые ракеты,  доклад о Кибальчиче и т.д. На нашем уроке ученики сами подбирали информацию и предоставили краткие сообщения ).

– Спасибо за внимание, урок окончен, до свидания.