Задача любой науки, и физики в том числе, не только описать явление, но и найти ему практическое применение. Сегодня мы будем рассматривать реактивное движение, одно из проявлений закона сохранения импульса. Мы с вами совершим мысленное и рассмотрим реактивное движение в разных средах.
Скачать:
Предварительный просмотр:
План-конспект урока в 9 классе по теме:
« Реактивное движение»
Цели урока: Образовательная : познакомить учащихся с понятием реактивного движения на основе закона сохранения энергии, рассмотреть реактивное движение в природе и технике.
Развивающая : подчеркнуть взаимосвязь физики с другими предметами: историей, биологией и др.; вырабатывать у учащихся умение получать знания обрабатывая научные факты.
Воспитательная : способствовать развитию чувства патриотизма.
План урока:
- Организационный момент – 1 мин
- Постановка цели и задач урока – 3 мин
- Проверка домашнего задания – 10 мин
- Изучение нового материала – 20 мин
- Обобщение знаний – 7 мин
- Обсуждение, подведение итогов урока – 3 мин
- Задание на дом – 1 мин
Ход урока:
I. Организационный момент (организация внимание, приветствие класса)
II. Постановка цели и задачи урока (объявление темы урока, формулировка задачи)
III. Проверка домашнего задания (§ 21,22 фронтальный опрос; работа по карточкам)
Вопросы к фронтальному опросу
- Какие физические величины имеют свойство сохраняться?
- Что такое импульс, как его обозначают, в каких единицах измеряют?
- Что такое импульс силы, как его обозначают, в каких единицах измеряют?
- Как связаны между собой импульс тела и импульс силы?
- Как вы понимаете свойство сохранения?
- В какой системе тел выполняется свойство сохранения?
- Какая система тел называется замкнутой?
- Приведите примеры замкнутой системы тел.
- Как формулируется закон сохранения импульса?
- Как математически выражается закон сохранения импульса?
- Сохраняется ли импульс в незамкнутой системе тел?
- Чему равно изменение импульса в этом случае?
IV. Изучение нового материала (работа над материалом презентации)
Счастлив в наш век, кому победа далась
Далась не кровью, а умом.
Счастлив, кто точку Архимеда
Сумел сыскать в себе самом.
Учитель : Задача любой науки, и физики в том числе, не только описать явление, но и найти ему практическое применение. Сегодня мы будем рассматривать реактивное движение, одно из проявлений закона сохранения импульса. Мы с вами совершим мысленное и рассмотрим реактивное движение в разных средах. В этом нам поможет гид и научный консультант (один из учеников). Вначале выясним, что же такое реактивное движение.
Научный консультант : Реактивное движение – такой вид движения, когда от тела отделяется и движется с некоторой скоростью какая-то часть этого тела. При этом само тело движется в противоположную сторону со скоростью, которая зависит от соотношения масс тела и его части. Реактивное движение встречается в природе и используется в технике. Самым простым видом реактивного движения является полёт развязанного воздушного шарика. (Запуск шарика)
Учитель : Реактивное движение в нашем мире не редкость, его можно встретить в воде и воздухе, в космическом пространстве и на поверхности Земли. Начиная своё знакомство с примерами реактивного движения, мы должны будем вначале «окунуться в воду».
Научный консультант : Природа самый лучший инженер. Она первая додумалась использовать реактивный принцип движения в воде. И заскользили в толще воды изящные медузы и быстроходные кальмары, неуклюжие осьминоги и каракатицы. Как же они перемещаются? Например, морской моллюск-гребешок, резко сжимая створки раковины, рывками может двигаться за счёт реактивной силы струи воды, выброшенной из раковины. Медуза набирает внутрь воды, а затем резко сжимается, выбрасывая воду вниз, а сама при этом поднимается вверх за счёт той же самой реактивной силы струи воды. Но самый эффективный реактивный двигатель в природе у кальмара. Его даже называют «живой торпедой», так как он может достигать скорости 70 км/ч. Копируя двигатель кальмара, инженеры создали водомётный двигатель, который используется на лодках. К нижней стороне головы прилегает, а иногда и прирастает мускулистая коническая трубка, своим основанием уходящая внутрь мантийной полости. Это воронка, или с и ф о н,- основной движитель головоногого моллюска, его «реактивный двигатель». Воронка головоногих, так же как и щупальца, является гомологом ноги моллюсков. Если трубка - это сопло, то мантийная полость - это «камера сгорания» живой ракеты. Всасывая в нее воду через мантийную щель, моллюск с силой выталкивает ее затем через воронку. Чтобы вода не вытекала при этом обратно через щель, кальмар ее плотно замыкает при помощи особых «кнопок», находящихся на основании воронки и на внутренней поверхности мантии. Кнопки имеют вид бугорков и соответствующих им углублений и носят название вороночных и мантийных хрящей. Когда моллюск сокращает мускулатуру брюшной стенки мантии, сильная струя воды бьет из воронки. Реактивная сила, возникающая при этом, толкает моллюска в противоположную сторону. Воронка направлена к переднему концу тела, и поэтому моллюск обычно плывет задним концом вперед. Реактивные толчки и всасывания воды в мантийную полость с неуловимой быстротой следуют одно за другим, и кальмар ракетой проносится в синеве океана.
Учитель : Итак, в воде живут организмы, которые двигаются, используя реактивный принцип, а как же в воздухе?
Научный консультант : Природа не использует реактивный принцип в атмосфере, зато это сумел сделать человек. Он построил ракеты и реактивные самолёты.
Как вы думаете, сколько лет ракетам?... Более двух тысяч лет. Ещё до нашей эры их использовали в Индии и Китае. А с семнадцатого века ракеты стали использовать и в Европе, сначала для фейерверков, а затем в военном деле. Большую роль в победе над фашизмом сыграли реактивные миномёты «Катюши», использовавшиеся Советской армией в Великую Отечественную войну. И в наше время ракетное оружие нашей страны играет большую роль в сохранении мира на планете.
Первые экспериментальные реактивные самолёты появились в конце тридцатых годов двадцатого века. Вначале они были неуклюжими и ненадёжными, но шло время, реактивные самолёты становились всё совершеннее, и сейчас большая часть самолётов в мире использует реактивный принцип.
Учитель : Человек пытается покорить и космос.
Научный консультант : Для того чтобы двигаться, не используя реактивный принцип, тело должно взаимодействовать с землёй, водой или воздухом. В космосе взаимодействовать не с чем, поэтому там можно использовать только реактивный принцип движения.
Для того чтобы вывести космический корабль за пределы земной атмосферы требуется громадная скорость 29000 км/ч или 8 км/с. Сделать это можно только с помощью мощной ракеты. Впервые люди сумели совершить подобное в нашей стране в октябре 1957 года, под руководством генерального конструктора космических ракет Королёва Сергея Павловича. Первый спутник был небольшой, массой всего 85 кг, но затем ракеты стали мощнее, космические корабли увеличились. В космос полетел человек – наш соотечественник Юрий Алексеевич Гагарин. Люди изучили Землю из космоса, высадились на Луне, исследовали другие планеты с помощью автоматических спутников. Космос постепенно покоряется человеку.
Учитель : А как же реактивный двигатель используется на поверхности Земли?
Научный консультант : В природе реактивный принцип на поверхности Земли используют не животные, а растения. А именно «бешеный огурец», прозванный так за умение «выстреливать» созревшие плоды. При созревании семян окружающая их ткань превращается в слизистую массу. При этом в плоде образуется большое давление, в результате чего плод отделяется от плодоножки, а семена вместе со слизью с силой выбрасываются наружу через образовавшееся отверстие. Если коснуться зрелых плодов, то они моментально отскакивают от плодоножки, а из образовавшейся дырочки фонтаном вылетает слизистая клейкая жидкость с семенами. "Выстреливает" свои семена бешеный огурец на расстояние более шести метров.
Огурец движется за счёт реактивной струи состоящей из воздуха, семенной жидкости и самих семян. Таким образом «бешеный огурец» рассеивает свои семена.
Бешеный огурец имеет несколько разновидностей:
Момордика (Momordica L.) - однолетняя сильноветвящаяся травянистая вьющаяся лиана семейства тыквенных, распространенная в Юго-Восточной Азии. В Китае, Гонконге, Tайване, Восточной Индии, на Филиппинах это растение произрастает на склонах в предгорных лесах на высоте до 1300 м. Его название происходит от латинского momordicus - кусачий. Название, видимо, связано с тем, что пока растение развивается, все его органы жгутся при прикосновении, как крапива. Но при появлении первых спелых плодов кусаться момордика перестает.
Ecballium elateium - Однолетнее растение семейства тыквенных. Стебель лежачий или восходящий, длиной 50-150 см. Листья сердцевидно-яйцевидные или слегка лопастные, городчатые по краю, снизу серовато-войлочные. Цветет в июне-июле. Цветы однополые .
Колючеплодник, или эхиноцистис лопастной, или эхиноцистис шиповатый (Echinocystis lobata , Echinocystis echinata).Это однолетнее декоративное растение-лиана семейства тыквенных (Cucurbitaceae). В очень благоприятных условиях роста его побеги могут достигать длины 10 м. Травянистые стебли «бешеного огурца» снабжены ветвящимися усиками, крепко цепляющимися за опору. Побеги покрыты изрезанно-лопастными листьями. Одиночные женские цветки и собранные в соцветия-«свечки» мужские цветки колючеплодника расположены рядом, в пазухах листьев. Образующиеся сизо-зелёные овальные плоды-коробочки покрыты мягкими шипами. Бешеный огурец используется как декоративное растение для изгороди, плоды момордики используются в свежем и маринованном виде. Используется как лекарственное растение в гомеопатии.
Человек издавна стремился реализовать принцип «быстрее, выше, сильнее». Именно для достижения больших скоростей люди используют реактивный двигатель на суше. Чтобы достигнуть скорости звука на специальные автомобили устанавливают двигатели с реактивных самолётов. И вот 15 октября 1997 года скорость звука была покорена на автомобиле, а ведь это около 1200 км/ч.
Учитель : Мы с вами познакомились с использованием реактивных двигателей. Ну а почему они движутся?
По закону сохранения импульса суммарный импульс замкнутой системы тел сохраняется. Так как ракета является замкнутой системой, то этот закон справедлив и для неё. И если в начальный момент времени, когда, к примеру, ракета стоит на старте и импульс ракеты равен нулю, так как скорость равна нулю, то и во время движения импульс тоже должен быть равен нулю.
Т.к. , то тогда для ракеты до старта, и после старта ракеты. А это возможно только, если импульс ракеты равен импульсу сгоревшего топлива, покидающего ракету . То есть если газы от сгоревшего топлива движутся, то и ракета должна двигаться в другую сторону с тем же импульсом.
При этом большое значение имеет скорость движения сгоревших газов. Конструкции современных ракет допускают истечение газов из сопла ракеты со скоростью 2 км/с. Скорость космического корабля должна быть по крайней мере в четыре раза больше. Следовательно, и масса топлива должна быть больше массы ракеты. Если бы всё топливо сгорало сразу, то его масса должна была бы в четыре раза превышать массу ракеты и груза. Но так как топливо горит постепенно и на ракету действует сила тяжести, то на практике это соотношение достигает 55 раз.
V. Обобщение знаний
1.Контрольные вопросы
- Как формулируется закон сохранения импульса.
- В какой системе тел сохраняется импульс.
- Является ли ракета замкнутой системой тел, почему?
- Что такое реактивное движение?
- Как движется медуза, является ли это движение реактивным? Как это связано с особенностями строения тела?
- Почему кальмара называют «живой торпедой»?
- За что получил своё название «бешеный огурец»? Для чего используется огурец человеком?
- Как люди используют реактивный принцип движения в воде и в воздухе?
- Возможен ли в космосе другой принцип движения кроме реактивного?
- От чего отталкивается движущаяся ракета?
- Какое соотношение массы топлива и ракеты необходимо для выведения космического корабля в космос?
- Почему космические ракеты делают много ступенчатыми?
2.Решение задач:
а) Почему медуза при движении вверх сжимается?
б) Космонавту, находящемуся в открытом космосе, необходимо вернуться на корабль. В космосе отталкиваться не от чего, но у космонавта с собой массивный молоток. Как это сделать?
в) Как можно затормозить ракету?
3.Решение задач-кроссвордов.
VI. Обсуждение, подведение итогов урока.
VII. Домашнее задание §23,22
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.
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» ()
Домашнее задание
- 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.
