Представляем вашему вниманию урок по теме «Реактивное движение. Значение работ К.Э. Циолковского». На этом уроке мы обсудим, что собой представляет реактивное движение и как оно связано с движением ракет и самолетов. Вначале дадим определение этому виду движения. С помощью формул рассмотрим его взаимосвязь с законом сохранения импульса. Обсудим значение работ К.Э. Циолковского.
Тема урока тесно связана с законом сохранения импульса и называется «Реактивное движение ». Сегодня мы обсудим, что это за движение и как оно определяет движение ракет и самолетов.
Явление отдачи
На практике часто приходится сталкиваться с ситуацией, когда тело под действием внутренних сил распадается на части. Если внутренние силы достаточно велики по сравнению с внешними силами, то можно применять закон сохранения импульса и описывать движение этих тел. Эта ситуация имеет название «явление отдачи». Примером такого явления является выстрел снарядом из пушки (рис. 1).
Рис. 1. Выстрел снарядом из пушки
Пушка выстреливает снарядом. Снаряд движется в направлении оси . По закону сохранения импульса пушка начнет двигаться в противоположную сторону. Для простоты будем считать, что все скорости направлены вдоль одной прямой параллельно оси .
Запишем закон сохранения импульса. До выстрела система покоилась, значит, импульс был равен нулю. После выстрела импульс системы состоит из двух частей: импульс снаряда и импульс пушки. Получаем:
Перепишем полученное выражение в проекциях на ось . При этом скорость снаряда будет со знаком «+», а скорость пушки (скорость отдачи) со знаком «-».
Выразим скорость, с которой откатится пушка:
Подставим следующие значения: .
В реальности данная скорость может быть меньше за счет того, что масса пушки будет больше. Или же за счет специального оборудования (противооткатные опоры, гидропневматический амортизатор), которое предотвращает откат назад. В современных автоматах и пулеметах за счет энергии отдачи происходит перезаряд орудия и выброс гильзы.
Явление отдачи - это причина любого движения на Земле. Рассмотрим движение автомобиля. Он катится по земле, и между автомобилем и землей возникает сила трения. Эта сила является внутренней для системы «автомобиль - Земля». Фактически автомобиль отталкивается от Земли и приобретает скорость в одну сторону, а Земля приобретает скорость в противоположную сторону. Конечно, Земля имеет намного большую массу, чем автомобиль, и она не движется в том направлении, в котором она должна была бы двигаться, если бы имела малую массу.
Явление отдачи сопровождает многие процессы в микромире. Например, процесс деления ядра урана при попадании в него медленного нейтрона (рис. 2). До деления ядро и нейтрон можно считать неподвижным, а после деления два осколка разлетаются с большой скоростью в разные стороны. Здесь тоже применим закон сохранения импульса.
Рис. 2. Процесс деления ядра урана
Наиболее привычным примером явления отдачи является реактивное движение (движение космических ракет).
На сегодняшний день реактивное движение широко распространено не только среди ракет и самолетов, многие животные тоже используют реактивное движение. Например, такие морские животные, как осьминоги или каракатицы, используют как раз реактивное движение. Они набирают воду, потом ее под давлением из себя выдавливают, и это приводит к тому, что они быстро перемещаются под водой (рис. 3).
Рис. 3. Реактивное движение осьминога и каракатицы
Определение. Реактивным движением называют движение, которое происходит в результате отделения от тела какой-либо его части или, наоборот, если к телу присоединяется какая-либо часть.
Как связано реактивное движение с импульсом? Если мы рассматриваем тело, в котором находится определенное количество газов (именно за счет газов чаще всего и осуществляется реактивное движение в технике), и если эта масса газов отделяется от тела с большой скоростью, то импульс газов будет численно равен импульсу самого тела (рис. 4):
В проекциях на ось :
Рис. 4. Реактивное движение ракеты
Соответственно, скорость ракеты можно определить для данного мгновения времени следующим образом: .
Важно понимать, как скорость газов влияет на увеличение скорости оболочки, т. е., чем больше скорость вырывающихся газов, тем больше скорость самой оболочки. Заметим, что эта формула записана для мгновенного сгорания газов, а в ракетах не происходит такого: топливо сгорает постепенно.
Как движется ракета?
Ракета движется благодаря выбрасыванию горючего в сторону, противоположную движению ракеты.
Рассмотрим движение ракеты (рис. 5).
Рис. 5. Движение ракеты
Пусть в начальный момент скорость ракеты равна , а масса ракеты вместе с газами и окислителем равна . Газы вытекают со скоростью относительно ракеты. Через некоторое время скорость ракеты станет , а масса ракеты . Масса вытекшего газа за время равна разности масс и . Скорость газов относительно Земли равна разности скорости и . В начальный момент времени суммарный импульс равен . После промежутка времени импульс равен сумме импульса ракеты и импульса вытекающих газов. Запишем закон сохранения импульса:
Если спроектировать закон сохранения импульса на ось и провести преобразования, можно получить закон, который описывает движение ракеты:
Знак минуса говорит о том, что ракета и газы движутся в разных направлениях. Разделим обе части этого уравнения на промежуток времени, в течение которого ракета разгонялась до скорости . Слева у нас получится сила тяги:
Слева у нас получится массовый расход , умноженный на скорость газов. В итоге получаем выражение для реактивной силы тяги:
Реактивная сила тяги зависит от двух параметров: от скорости, которой выбрасываются газы, и от массового расхода.
Постепенно масса ракеты уменьшается за счет сгорания топлива, и газы, вырывающиеся из ракеты, соответственно увеличивают скорость уже тела с уменьшающейся массой (рис. 6). В данном случае нужно говорить о законе сохранения импульса с переменной массой.
Рис. 6. Уменьшение массы ракеты
Реактивное движение бывает двух видов. Реактивное движение само по себе характерно для ракет в космосе. Ракеты летают во всех средах, в том числе в вакууме, и движение ракет обеспечивается наличием топлива и окислителя для него внутри самой ракеты.
Воздушно-реактивное движение - второй вид реактивного движения, характерный для реактивных самолетов. В этом случае никакой окислитель не нужен, потому что самолет летит в воздушном пространстве и, двигаясь с большой скоростью, прокачивает через себя большое количество воздуха (кислорода), который и окисляет топливо, дает большую температуру сгорания. Образуются газы, которые заставляют двигаться самолет вперед (рис. 7).
Рис. 7. Движение самолета
Ракетный двигатель содержит все компоненты рабочего тела на борту и способен работать в любой среде.
Воздушно-реактивный двигатель использует энергию окисления горючего кислородом воздуха, забираемого из атмосферы.
Чтобы перемещаться дальше в пространстве, необходимо постоянно увеличивать массу горючего. Так, например, чтобы создать такую ракету, которая преодолела бы силу притяжения Солнца, потребуется масса топлива в 55 раз больше, чем масса самой ракеты.
Расчет запаса топлива для ракеты
Сколько необходимо взять топлива на ракету, чтобы она стала искусственным спутником Земли?
Представим, что масса ракеты . Ускорение, которое будет у ракеты во время подъема на орбиту, равно 
. Посчитаем силу тяги:
У современных ракет скорость выброса газов равна .
Найдем массовый расход:
Если учесть, что первая космическая скорость , то при заданном ускорении этой скорости можно достигнуть за время .
Тогда нам понадобится горючего:
Обратите внимание, что масса топлива в 2 раза больше массы ракеты. Наши расчеты не совсем точны. Ведь в начальный момент масса ракеты не 10 тонн, а 30 тонн, с учетом массы топлива.
Если говорить об устройстве ракеты, важно понимать, что все ракеты строятся по одному и тому же принципу. Во-первых, это головная часть. Приборный отсек. Вторая часть - бак с топливом и окислитель. При смешивании этих двух частей происходит возгорание, сгорание топлива. Далее идут насосы и сопло (рис. 8). Форма сопла - того места, откуда вырываются газы, - имеет значение. Оказывается, изменение формы позволяет изменять скорость движения.
Рис. 8. Устройство ракеты
Список литературы
- А так ли хорошо знакомо вам реактивное движение? // Квант. - 2007. - № 5. - С. 32-33.
- Николаев В. Космический полет - это так просто!?.. // Квант. - 1990. - № 4. - С. 52-56.
- Саенко П.Г. Физика: Учеб. для 9 кл. сред. шк. - М.: Просвещение, 1990. - С. 98-106.
- Физика: Механика. 10 кл.: Учеб. для углубленного изучения физики / М.М. Балашов, А.И.
- Гомонова, А.Б. Долицкий и др.; Под ред. Г.Я. Мякишева. - М.: Дрофа, 2002. - C. 284-307.
- Интернет-портал «tsiolkovsky.tass.ru» ()
- Интернет-портал «prosopromat.ru» ()
- Интернет-портал «poznavayka.org» ()
- Что такое реактивное движение? Приведите несколько примеров реактивного движения в природе.
- Какой закон сохранения используется для получения закон движения ракеты? Сформулируйте его.
- Что такое первая космическая скорость? Назовите ее численное значение.
Муниципальное казенное вечернее (сменное)общеобразовательное учреждение
"Вечерняя (сменная) общеобразовательная школа №4 при ИК"
План-конспект урока по физике в 10 классе
Тема урока: Реактивное движение.
Учитель физики
Локтев Владимир Александрович
Мариинск, 2016 г.
Конспект урока по физике в 10-м классе: "Реактивное движение. "
Тема: “Законы сохранения в механике”.
Урок 25/2: “ Реактивное движение. Успехи в освоении космоса”.
Тип урока: объяснение нового материала.
Цели урока:
формулировать принцип реактивного движения, приводить примеры реактивного движения, применять закон сохранения импульса для объяснения реактивного движения;
объяснять прочитанное, выделять главное, знакомое и новое, в прочитанном научно-популярном тексте, представлять информацию в виде развернутого плана, схем, таблиц;
обсуждать и отбирать в группах информацию для презентации, выступать публично с сообщением, добавлять и оценивать выступления других, формулировать вопросы.
Оборудование к уроку: шарик, надутый воздухом, фрагмент видеофильма «Космический полет», статьи для чтения.
Ход урока.
| Деятельность учителя | Деятельность учеников |
| 1 этап. Подготовка к основному этапу занятия. Продолжительность - 8 мин. Учитель демонстрирует пример реактивного движения: движение надутого воздухом шарика, если развязать нить, стягивающую отверстие. И в ходе демонстрации задает ученикам следующие вопросы: 1) Из каких тел состоит данная система? 2) Чему равен импульс системы, когда отверстие шарика было завязано? 3) Чему равен суммарный импульс системы при открытом отверстии? Учитель делает вывод о том, что импульс шарика изменился, импульс воздуха изменился, а суммарный импульс системы остался равным нулю, и это означает, что векторы импульсов шарика и воздуха направлены в противоположные стороны, т.е. шарик начинает двигаться в сторону противоположную воздушной струе. Учитель предлагает ученикам записать в тетради закон сохранения импульса для рассмотренной системы. Учитель может еще продемонстрировать вращение сегнерового колеса. | 1 этап. Ученики, наблюдая демонстрацию, дают следующие ответы: 1) Из двух тел – шарика и воздуха в нем. 2) Т.к. шарик с находящимся внутри него воздухом покоится, то импульс системы равен нулю. 3) По закону сохранения импульса суммарный импульс системы должен остаться таким же, каким был до начала истечения воздуха, т.е. равным нулю. Ученики самостоятельно записывают в своих тетрадях закон сохранения импульса в векторной и скалярной форме: 0 = m в v в + m ш v ш (векторная форма); 0 = m в v в - m ш v ш (скалярная форма), v ш = m в v в/ т ш, где m в , m ш – масса вытекаемого воздуха и резиновой оболочки шарика соответственно; v в , v ш – скорость воздуха и шарика соответственно. |
| 2 этап. Усвоение новых знаний. Продолжи-тельность - 2 мин. Учитель дает определение: ”Реактивное движение – это движение, которое возникает, когда от тела отделяется и движется с некоторой скоростью какая-то его часть”. Учитель говорит, что реактивное движение используют для своего перемещения, например, осьминоги, кальмары, медузы. Принцип реактивного движения находит широкое практическое применение в авиации и космонавтике. | 2 этап. Ученики записывают определение в тетради. |
| 3 этап. Закрепление знаний. Продолжи-тельность - 20 мин. Просмотр видеофрагмента «Космический полет» ответить на вопросы 1 назвать ученых развивавших теорию космонавтики 2от чего зависит скорость ракеты? 1) “Кто придумал ракету?” 2) “Что такое ракета?” 3) ”Как устроена ракета?” | 3 этап. Ученики отвчают на вопросы после просмотра видеофрагмента; читают статьи в группах и один ученик из группы отвечает устно у доски, выделяя с помощью учителя главное в прочитанной статье в виде развернутого плана: I. История создания ракеты 1) Древний Китай – родина пороха. Ракета - оружие и игрушка. 2) При Петре I – сигнальная ракета. 3) Н. Кибальчич предложил использовать ракету для воздухоплавания. 4) К.Э. Циолковский изобрел многоступенчатую ракету. 5) С.П. Королев воплотил расчеты и формулы в космические аппараты. II. Устройство и принцип действия ракеты . Основные части ракеты: 1 - корпус, Ракетное топливо: 1) жидкое (спирт, керосин, водород), 2) твердое (порох различного состава). Окислитель – жидкий кислород, фтор, азотная кислота. Ш. История полетов человека в космос 1) 04.10.1957 – начало космической эры. Запуск первого искусственного спутника Земли. 2) 12 апреля 1961г. – 108-минутный полет Юрия Гарина в космосе на корабле “Восток-1”. 3) 1965 г. – 10-минутный выход космонавта А.А. Леоновав открытый космос. 5) 1971 г. - запуск первой орбитальной станции “Салют-1” (СССР). 6) В 1981 г. многоразовый космический корабль “Спейс Шатлл” (США) совершает первый испытательный полет в космос . |
| 4 этап. Обобщение и систематизация знаний. Продолжительность – 5 мин. Учитель говорит о том, что реактивное движение – это пример практического применения закона сохранения импульса. Примером реактивного движения может служить движение ракет. Ракета может двигаться, не взаимодействуя ни с какими другими телами, кроме продуктов сгорания содержащегося в ней топлива. Поэтому ракеты можно использовать для передвижения в безвоздушном космическом пространстве. | 4 этап. Ученики, классифицируя и систематизируя знания, выявляя внутрипредметные связи, принимают участие в составлении следующего кластера (см.): |
| 5 этап. Подведение итогов урока. Информация о домашнем задании. Продолжительность – 5 мин. Учитель делает анализ и оценку успешности достижения цели, выставляет отметки и объясняет домашнее задание: | 5 этап. Ученики записывают домашнее задание, задают вопросы. |
Примеры РЕАКТИВНОГО ДВИЖЕНИЯ В ПРИРОДЕ
Под реактивным понимают движение тела, возникающее при отделении некоторой его части с определенной скоростью относительно тела. При этом возникает т.н. реактивная сила, сообщающая телу ускорение.
ИЗ ИСТОРИИ РЕАКТИВНОГО ДВИЖЕНИЯ
Первые пороховые фейерверочные и сигнальные ракеты были применены в Китае в 10 веке. В 18 веке при ведении боевых действий между Индией и Англией, а также в Русско-турецких войнах. были использованы боевые ракеты.
Живые ракеты.
Реактивное движение, используемое ныне в самолетах, ракетах и космических снарядах, свойственно осьминогам, кальмарам, каракатицам, медузам – все они, без исключения, используют для плавания реакцию (отдачу) выбрасываемой струи воды.
Кальмар является самым крупным беспозвоночным обитателем океанских глубин. Он передвигается по принципу реактивного движения, вбирая в себя воду, а затем с огромной силой проталкивая ее через особое отверстие - "воронку", и с большой скоростью (около 70 км\час) двигается толчками назад. При этом все десять щупалец кальмара собираются в узел над головой и он приобретает обтекаемую форму.
Инженеры уже создали двигатель, подобный двигателю кальмара. Его называют водометом. В нем вода засасывается в камеру. А затем выбрасывается из нее через сопло; судно движется в сторону, противоположную направлению выброса струи. Вода засасывается при помощи обычного бензинового или дизельного двигателя.
Сальпа - морское животное с прозрачным телом, при движении принимает воду через переднее отверстие, причем вода попадает в широкую полость, внутри которой по диагонали натянуты жабры. Как только животное сделает большой глоток воды, отверстие закрывается. Тогда продольные и поперечные мускулы сальпы сокращаются, все тело сжимается и вода через заднее отверстие выталкивается наружу. Реакция вытекающей струи толкает сальпу вперед.
Билимович Б.Ф. "Физические викторины"
Бешеный огурец
Примеры реактивного движения можно обнаружить и в мире растений.
В южных странах (и у нас на побережье Черного моря тоже) произрастает растение под названием "бешеный огурец". Стоит только слегка прикоснуться к созревшему плоду, похожему на огурец, как он отскакивает от плодоножки, а через образовавшееся отверстие из плода фонтаном со скоростью до 10 м/с вылетает жидкость с семенами.
Сами огурцы при этом отлетают в противоположном направлении. Стреляет бешеный огурец (иначе его называют «дамский пистолет») более чем на 12 м.
ДОМАШНИЙ ОПЫТ
"Реактивная банка"
Возьмите пустую консервную банку без верхней крышки. На равных расстояниях по верхнему ободу банки проделайте три маленьких отверстия и вставьте в них прочные нити, с помощью которых можно будет подвесить банку к водопроводному крану. У донышка на боковой стенке банки проделайте пару отверстий напротив друг друга диаметром около 5 см. Подвесьте банку на водопроводный кран и откройте кран с водой, чтобы банка наполнилась. Банка начнет вращаться! Отрегулируйте силу водяной струю так, чтобы вращение не прекращалось.
А КАК БЫ ТЫ ПОСТУПИЛ НА ЕГО МЕСТЕ?
Известна старинная легенда о богаче с мешком золотых, который, оказавшись на абсолютно гладком льду озера, замерз, но не пожелал расстаться с богатством. А ведь он мог спастись, если бы не был так жаден! Достаточно было оттолкнуть от себя мешок с золотом, и богач сам заскользил бы по льду в противоположную сторону по закону сохранения импульса.
§ 1 Реактивное движение
Реактивное движение - это движение тела, возникающее при отделении от него некоторой части массы с определенной скоростью. Принцип реактивного движения основан на законе сохранения импульса изолированной механической системы:
полный импульс замкнутой системы должен оставаться постоянным.
Рассмотрим явление реактивного движения на примере ракеты.
В начальный момент времени ракета покоится, то есть ее полный импульс равен нулю. Когда из ракеты начнет выбрасываться с некоторой скоростью часть ее массы (газ)
появляется так называемая реактивная сила
Изменение импульса газа создает реактивную силу.
Ракета получает скорость, направленную в противоположную сторону.
Главная особенность реактивного движения в том, что для осуществления реактивного движения не требуется взаимодействия тела с окружающей средой.
Реактивное движение можно наблюдать, если надуть резиновый шарик и отпустить его.
Шарик стремительно полетит. Реактивная сила будет действовать, пока продолжается истечение воздуха.
Шарик летит за счет взаимодействия с вытекающей из него струей воздуха. Объяснить это явление можно, применяя закон сохранения импульса. Пока отверстие шарика завязано, шарик с находящимся внутри воздухом покоится, импульс такой системы равен нулю. Если открыть отверстие, из шарика с довольно большой скоростью вырвется струя сжатого воздуха. Движущийся воздух обладает некоторым импульсом. Шарик полетит в противоположную сторону с такой скоростью, что его импульс будет равен импульсу воздушной струи. Векторы импульса шарика и воздушной струи направлены в противоположные стороны. Сумма импульсов остается постоянной величиной.
Реактивное движение применяли в глубокой древности. В конце первого тысячелетия нашей эры в Китае реактивное движение приводило в действие
ракеты - бамбуковые трубки, начиненные порохом. Один из первых проектов автомобилей был с реактивным двигателем, и принадлежал этот проект Ньютону. Это произошло в 1680 году.
Реактивное движение можно обнаружить в мире растений. В южных странах да и у нас на садовых участках можно увидеть растение под названием «бешеный огурец».
Плоды бешеного огурца продолговатой формы, длиной 4 - 6 см, шириной 1 - 2 см. Семена удлиненные, мелкие, гладкие, длиной 4 мм. При созревании семян окружающая их ткань превращается в слизистую массу. При этом в плоде образуется большое давление, в результате чего плод отрывается от плодоножки, а семена с силой выбрасываются наружу через образовавшееся отверстие. Сам огурец при этом отлетает в противоположном направлении на расстояние до 12 м.
Многие морские животные «пользуются» для передвижения реактивным движением.
Это кальмары, каракатицы, медузы, осьминоги, морские гребешки. Они используют реакцию выбрасываемой струи воды, отличие состоит лишь в строении тела, то есть в методе забора и выброса воды. Реактивное движение кальмара напоминает движение ракеты. Животное засасывает воду внутрь мантийной полости, а затем резко выбрасывает струю воды через узкое сопло и с большой скоростью двигается толчками назад. Мышечная ткань - мантия окружает тело моллюска со всех сторон, объем ее полости составляет почти половину объема тела кальмара. При этом все десять щупалец кальмара собираются над головой в узел, и он приобретает обтекаемую форму, точно как ракета. Сопло снабжено клапаном, мышцы, поворачивая его, изменяют направление движения кальмара. Кальмара называют «живой торпедой», так как он может развивать скорость до 60 - 70 км/час. Изгибая сложенные пучком щупальца вправо, влево, вверх или вниз, кальмар поворачивает в ту или иную сторону, это позволяет ему увернуться от столкновения с любым препятствием.
После появления в 1881 году проекта народовольца Н.И. Кибальчича эта идея получила дальнейшее развитие в трудах преподавателя калужской гимназии Константина Эдуардовича Циолковского. В 1903 году появилась в печати статья К.Э. Циолковского «Исследование мировых пространств реактивными приборами». В статье было изложено важнейшее для космонавтики математическое уравнение, известное в наше время как «формула Циолковского», которое описывает движение тела переменной массы. В дальнейшем он разработал схему ракетного двигателя на жидком топливе, предложил многоступенчатую конструкцию ракеты. Циолковский показал, что единственный аппарат, способный преодолеть силу тяжести - это ракета, то есть аппарат с реактивным двигателем, используемый горючее и окислитель, находящиеся в самом аппарате.
Нашей стране принадлежит великая честь запуска 4 октября 1957 года первого искусственного спутника Земли. Первым человеком, который совершил полет в космическом пространстве, был гражданин Советского Союза Юрий Алексеевич Гагарин. 12 апреля 1961 года он облетел земной шар на корабле- спутнике «Восток» за 1 час и 48 минут. Эти и другие полеты были совершены на ракетах, сконструированных советскими учеными и инженерами под руководством Сергея Павловича Королева. Под его руководством созданы многие баллистические и геофизические ракеты-носители, пилотируемые космические корабли «Восток» и «Восход», на которых впервые в истории совершены космический полет человека и выход человека в космическое пространство.
Советские ракеты первыми достигли Луну и сфотографировали невидимую с Земли сторону, первыми достигли планету Венера и доставили на ее поверхность научные приборы. С выходом человека в космос открылась возможность исследования природных явлений,ресурсов Земли и других планет. В настоящее время в связи с освоением космоса получили широкое распространение реактивные двигатели. Реактивный двигатель - это двигатель, преобразующий химическую энергию топлива в кинетическую энергию газовой струи, при этом двигатель приобретает скорость в противоположнм направлении. Все современные скоростные самолеты оснащены реактивными двигателями, а в космосе использовать какие-либо другие двигатели, кроме реактивных, невозможно, так как там нет опоры, от которой, отталкиваясь, корабль получил бы ускорение.
В любой ракете, независимо от ее конструкции, всегда есть оболочка и топливо с окислителем. Оболочка ракеты включает в себя полезный груз (космический корабль), приборный отсек и двигатель (камера сгорания, насосы сопло и так далее). 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. Благодаря большой разности давлений в камере сгорания и в космическом пространстве газы из камеры, сгорая, мощной струей устремляются наружу через раструб специальной формы, называемый соплом. Назначение сопла состоит в том, чтобы повысить скорость струи газа.
Перед стартом ракеты ее импульс равен нулю. Ракета представляет собой замкнутую систему, ее общий импульс до и после запуска равен нулю. На основании закона сохранения импульса оболочка ракеты со всем, что в ней находится, получает импульс, равный по модулю импульсу газа, но противоположный по направлению. Речь шла об одноступенчатой ракете. Чтобы вывести спутник на околоземную орбиту, необходима многоступенчатая ракета.
Наиболее массивную часть ракеты, предназначенную для старта и разгона всей ракеты, называют первой ступенью. Когда первая массивная ступень многоступенчатой ракеты исчерпает все запасы топлива, она отделяется. Дальнейший разгон продолжает вторая, менее массивная ступень, она увеличивает ранее достигнутую при помощи первой ступени скорость, а затем отделяется. Третья ступень продолжает наращивание скорости до необходимого значения и доставляет полезный груз на орбиту.
Для чего надо осваивать космос? Космические исследования проводятся с целью зондирования Земли, создания телекоммуникационных систем, предупреждения экологических катастроф, разработки новых материалов и устройств, применяемых в промышленности, в сельском хозяйстве, медицине.
§ 2 Краткий итог урока
Реактивное движение- это движение, возникающее при отделении от тела с определенной скоростью некоторой его части.
Объяснить реактивное движение можно, используя закон сохранения импульса. Особенность реактивного движения в том, что для осуществления реактивного движения не требуется взаимодействия тела с окружающей средой.
Ракета представляет собой замкнутую систему, импульс системы до и после запуска равен нулю. Первый искусственный спутник Земли был запущен 4 октября 1957 года с космодрома Байконур в СССР. Первым человеком, который совершил полет в космическом пространстве, был гражданин Советского Союза Юрий Алексеевич Гагарин. 12 апреля 1961 года он облетел земной шар на корабле-спутнике «Восток» за 1 час и 48 минут. Эти и другие полеты были совершены на ракетах, сконструированных советскими учеными и инженерами под руководством Сергея Павловича Королева.
Список использованной литературы:
- Касьянов В.А. Физика. 10 кл. Базовый уровень: учеб. для общеобразоват. учрежден. – 3-е изд. перераб. / Касьянов В.А. – М.: Дрофа, 2012. – 271 с.: илл.
- Мякишев Г.Я. Физика. 10 кл. учеб. для общеобразоват. учрежден. Базовый и профильный уровень: – 3-е изд. перераб. / Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н.; под. ред. Николаева В.И., Парфентьевой Н.А. – 19-е изд. М.: Просвещение, 2010. – 366 с.: илл.
- Мякишев Г.Я. Физика. 10 кл. учеб. для общеобразоват. учрежден. Базовый и профильный уровень: – 3-е изд. перераб./ Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н.; под. ред. Николаева В.И., Парфентьевой Н.А. – 19-е изд. М.: Просвещение, 2010. – 366 с.: илл.
- Касаткина И.Л. Репетитор по физике: механика, молекулярная физика, термодинамика / Касаткина И.Л. Изд-е 14-е / Под. ред. Т.В. Шкиль. – Ростов н/Дону: Феникс, 2013. – 852с.: илл.
- Кабардин О.Ф., Кабардина С.И., Орлов В.А. Контрольные и проверочные работы по физике. - М.: Дрофа, 2000 190 с.
- Методическое письмо «О преподавании учебного предмета «Физика» в условиях введения федерального компонента государственного стандарта общего образования».
- http://festival.1september.ru/articles/413630/
Использованные изображения:
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.
А барон Мюнхгаузен рассказывал, что забрался на Луну по стеблю боба.
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.
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?
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 F l - сила, с которой ракета действует на раскаленные газы, a F 2 - сила, с которой газы отталкивают от себя ракету.
Модули этих сил равны: F l =F 2 .
Именно сила F 2 и является реактивной силой. Рассчитаем скорость, которую может приобрести ракета.
Если импульс выброшенных газов равен m г v г, а импульс ракеты m p v p , то из закона сохранения импульса получаем: m г v г = m p v p
Откуда скорость ракеты: v p = m г v г /m p
Таким образом, скорость ракеты тем больше, чем больше скорость истекания газов, и чем больше отношение - m г / m p
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 m г мгновенно выброшенных газов составляет 0,3 m ракеты, а их скорость V=2км/с.
Задача 2.
Какую скорость приобретает ракета, если масса m г 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 V г =300 м/c. До взлета m p 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.
Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение
«Аксубаевская средняя общеобразовательная школа №3»
Разработка урока физики по теме
«Реактивное движение. Ракеты»
Купорова Наталья Николаевна
учитель физики
пгт Аксубаево
2018 год
Класс: _9_Предмет:__физика_ УМК: Пёрышкин А. В., Гутник Е.М.
Тема урока: __ Реактивное движение. Ракеты _.
Место и роль урока в изучаемой теме: Тема « Реактивное движение. Ракеты » является логическим продолжением темы «Импульс, закон сохранения импульса». Этот урок знакомит учащихся с использованием теории на практике.
Тип урока: урок «открытия» нового знания
Деятельностная цель:
формирование способности учащихся к новому способу действия.
выявление причины существования реактивного движения, его роли в жизни человека и животных, применение полученных знаний для решения физических задач.
Образовательная цель: расширение понятийной базы за счет включения в нее новых элементов.
Задачи урока:
формирование представлений об реактивном движении , о устройстве и принципе работы ракет, показать практические использование закона сохранения импульса, о применение реактивного движения, дать информацию о достижениях отечественной космонавтики, организация усвоения основных понятий по данной теме, формирование научного мировоззрения учащихся (предметный результат).
развитие умения генерировать идеи, выявлять причинно-следственные связи, работать в группе, пользоваться альтернативными источниками информации, формировать умение анализировать факты при наблюдении и объяснении явлений, при работе с текстом учебника (метапредметный результат).
формирование умений управлять своей учебной деятельностью, формирование интереса к физике при анализе физических явлений, формирование мотивации постановкой познавательных задач, раскрытием связи теории и опыта, развитие внимания, аналитического мышления, активизация творческой деятельности (личностный результат).
Методы обучения: репродуктивный, проблемный, эвристический, частично-поисковый, исследовательский;
Использование обучающих структур и мыслительных приемов: ТАЙМД-РАУНД РОБИН, ТОКИН МЭТ
Формы организации познавательной деятельности обучающихся : коллективная, индивидуальная, групповая
Средства обучения:
Учебник физики.
Демонстрация: движение шарика, модель ракеты;
Компьютерная поддержка урока (учебная презентация PowerPoint ) – П риложение №1 ;
Доклады-сообщения учащихся
Карточки с тестовыми заданиями по теме «Реактивное движение. Ракеты», карточки с текстами заданий для групповой работы, фломастеры, экран, проектор.
Педагогические технологии:
ИКТ, технология тестирования, проблемное обучение
План урока:
Название блока
время
1 мин.
6 мин
Постановка учебной задачи
2 мин
15 мин
Первичное закрепление
8 мин
3,5мин
5мин.
Домашнее задание
1 мин.
Рефлексия учебной деятельности (Итоги урока)
3,5 мин
Характеристика этапов урока
Этап урока и цель
Время, мин
Содержание учебного материала
Методы и приемы работы
ФОУД*
Деятельность учителя
Деятельность обучающихся
Мотивирование к учебной деятельности (организационный момент)
Цель: включение обучающихся в деятельность на личносто-значимом уровне
1 мин.
Приложение №1 (Слайд 1).
Учитель: На слайде ребята, что вы видите?
Проблемный вопрос : Что общего между кальмаром и ракетой?
Заслушиваются варианты ответов учеников, и делается вывод: что возникает нехватка знаний.
Диалог:
учитель – класс
Постановка проблемного вопроса
Преподаватель приветствует учащихся.
Отвечают на приветствие учителя, партнеров.
Слушают, думают, отвечают на вопросы
Ответ: кальмара и ракету.
Актуализация и фиксирование индивидуального затруднения в пробном действии
Цель: повторение изученного материала, необходимого для «открытия нового знания» и выявление затруднений каждого ученика
6 мин
Учитель: Объяснить этот вопрос можно с помощью закона сохранения импульса с которым мы познакомились на прошлом уроке. И сегодня наш урок основан на глубоком понимании закона сохранения импульса, поэтому повторим материал, изученный по данной теме.
Ученик заполняет листок. Соседи по парте производят взаимопроверку по готовым ответам на доске, оценивают и сдают учителю.
ТЕСТ: Приложение №1 (Слайд 3-11).
Мотивирующий приём: Задание: Подумайте! В чем причина такого движения шарика. Как его можно объяснить? Объясним движение воздушного шарика с помощью закона сохранения импульса .
Приложение №1 (Слайд 12).
Учитель: Вывод: Движение шарика является примером реактивного движения.
ТЕСТ .
Мотивирующий приём: экспериментальное задание выполняется в группе
И,Г
Даёт задания обучающимся. Следит за выполнением заданий.
Слушает, обобщает ответы детей
Слушают.
Выполняют тест, заполняет листок, обмениваются листочками, оценивают, сдают учителю.
Партнер №1 каждой команды берёт и немного надувает воздушный шар и отпускает его .
Ученики обсуждают в группе (за столом 15 сек) Отвечают на вопросы.
Постановка учебной задачи
Цель: обсуждение затруднения
2 мин
Учитель: Какой вопрос у вас возникает?
Сформулируйте тему нашего урока? Молодцы!
Реактивное движение. Ракеты – это тема нашего урока. Запишем в тетрадях.
Озвучивается тема, формулируются задачи урока, предлагается план урока. Приложение №1 (Слайд 13-15).
Выяснение темы урока и формулировка его цели. Постановка проблемного вопроса
Уточнение и дополнение высказываний обучающихся
Отвечают на вопросы учителя.
Ответы: что такое реактивное движение?
Записывают тему урока в тетрадях.
Открытие нового знания (построение проекта выхода из затруднения)
Цель: устранение возникшего затруднения
15 мин
Учитель: Реактивное движение можно обнаружить почти везде, если конечно знать что это такое и как оно проявляется. Нам предстоит сейчас это выяснить. Лучший способ изучить что- либо- это открыть самому. Поработаем с учебником.
Стр 83-84. Прочитайте и предлагаю в группах попытаться найти ответы на вопросы в Карточках №1, используя обучающую структуру ТАЙМД-РАУНД РОБИН
1. Реактивное движение Приложение №1 (Слайд 18-26).
Выводы:
1. Реактивное движение. Приложение №1 (Слайд 18,19).
Реактивное движение – движение тела, при котором от тела отделяется и движется какая-то его часть, в результате чего само тело приобретает противоположно направленный импульс.
2. Примеры проявления реактивного движения в природе. Приложение №1 (Слайд 20-22).
3.Демонстрация реактивного движения. Приложение №1 (Слайд 23).
Примером реактивного движения является вращение устройства, называемого сегнеровым колесом.
Вывод: Реактивное движение оказывает не только струя газа но и струя жидкости.
4.Примеры проявления реактивного движения в технике. Приложение №1 (Слайд 24-26).
2. Устройство и принцип действия ракеты (ракеты-носителя) Приложение №1 (Слайд 27-31).
Демонстрация ракеты (видеофрагмент) . Внимательно смотрим и слушаем.
Ракета - бутылка Приложение №1 (Слайд 30). аа
Вопро Вопрос: Как устроена и принцип действия ракеты?
Перед вами Карточка № 2 , используя учебник заполните командой таблицу.
Вывод проделанной работы
Назначение
Конструкция
Принцип действия
Учитель: От чего зависит скорость струи ракеты? (Думаем, отвечаем)
Устройство и принцип действия ракеты. Приложение №1 (Слайд 28,29).
Вывод формулы скорости движения ракеты.
Приложение №1 (Слайд 29).
Вывод: скорость ракеты тем больше, чем больше скорость истечения газов, и чем меньше масса самой ракеты.
Многоступенчатые ракеты Приложение №1 (Слайд 31).
о Вопрос: Устройство и принцип действия многоступенчатой ракеты?
Перед вами Карточка № 3 , используя учебник заполните таблицу.
Назначение
Конструкция
Принцип действия
3. Основоположники использования идеи реактивного движения (доклад-сообщение учащихся).
Николай Иванович Кибальчич;
Константин Эдуардович Циолковский;
Сергей Павлович Королев.
Приложение №1 (Слайд 33).
Подводящий диалог
Работа в группах
ТАЙМД-РАУНД РОБИН
Слайды
Демонстрация ракеты –бутылки (видеофрагмент)
Частично-поисковый
Постановка проблемного вопроса.
Частично-поисковый
Исследовательский метод
Инструктирует
Следит за временем, дополняет ответы учащихся демонстрацией слайдов
Разъясняет, показывает видеоролик
дополняет ответы учащихся демонстрацией слайдов
Разъясняет, управляет процессом презентации ответов, следит за временем
Читают, работают командой,
слушают
Смотрят видеоролик
Презентуют свои ответы
думают, выделяют главное, делятся своими ответами,
слушают
Читают, обсуждают, записывают
Презентуют свои ответы
Учащиеся рассказывают о жизни и деятельности основоположников космонавтики.
Прослушав сообщения, учащиеся дополняют и рецензируют ответ докладчика
Первичное закрепление
Цель: проговаривание нового знания, запись в виде опорного сигнала,
8мин
1.Приложение №1 (Слайд 34).
Работа в группах: на листе пишут ключевое понятие «Реактивное движение» и «Ракеты»
Опорный конспект (запись в тетрадях) Приложение №1 (Слайд 35).
2. Распознавание реактивного движения Приложение №1 (Слайд 36).
Определите в какой из приведенных ниже ситуаций описывается реактивное движение?
ТОКИН МЭТ
репродуктивный
Инструктирует
дополняет
Работают в группах
отвечают
Самостоятельная работа с самопроверкой по образцу (эталону)
Цель: каждый должен для себя сделать вывод о том, что он уже имеет
3,5мин
ТЕСТ
тест
инструктирует
Выполняют тест
7
Включение нового знания в систему знаний и повторение
5мин.
Групповая работа: конструкторское бюро
а) Тележка, сосуд с водой и краном в нижней части
б) Пробирка с водой и резиновой пробкой, висящая на штативе горизонтально на двух нитях, спиртовка
в) Ванна с водой, жестяная коробка с отверстием в одной стенке, фанерная доска, вентилятор, способный помещаться в жестяной коробке
г) Баллончик с газом для сифона, закреплённый на дощечке, ванна с водой и шило
исследовательский;
Г
Разъясняет, консультирует
Воспроизведение реактивного движения, делают схемы, чертежи
Домашнее задание
Пожелания
1 мин.
Домашнее задание
Приложение №1 (Слайд 40,41).
Учить конспект;
§ 22;
Упражнение 21 (3,4)
ИТЗ (индивидуальное творческое задание) подготовить доклад-сообщение