Конспект урока "Искусственные спутники Земли" (9 класс)

МБОУ «Яковская средняя общеобразовательная школа»

9 класс

  

Учитель: Борисова С.Ю.

2013-2014 учебный год

Цели урока:

Образовательные:

·        изучить движение тел в гравитационном поле Земли. Углубить понимание  закона Всемирного тяготения и движения по окружности путем их применения для вывода формулы первой космической скорости;

·        выработать умения воспринимать и излагать новый материал;

·        показать практическую значимость изучаемого материала;

·        познакомить учащихся с успехами в освоении космического пространства.

Развивающие:

·        продолжить обучение умению выделять главное, существенное в изучаемом материале на основе сравнения скоростей, сообщаемым телам  в горизонтальном направлении у  поверхности Земли, с траекториями движения в поле тяготения Земли, анализировать , проводить сравнения, находить общие и отличительные черты , делать выводы;

·        развивать внимание, память, устную речь;

·        развивать познавательную, информационно-коммуникативную компетенции.

Воспитательные:

·        сформировать интерес учащихся к изучаемому материалу. Рассмотреть примеры из истории космической техники, показать роль ученых, физиков, конструкторов;

·        воспитывать чувство патриотизма и гордости за свою Родину.

Оборудование:

·        карточки разного рода, различных уровней;

·        эпиграф;

·        портрет И.Ньютона;

·        карточки формул;

·        карточки дат;

·        плакаты ИСЗ.

Ход урока

1.     Организационный момент.

2.     Актуализация знаний

Фронтальный опрос.

Учитель. Мы знаем, что движение тела по окружности всегда происходит с ускорением. Куда же направлено ускорение тела при его движении по окружности с постоянной по модулю скоростью?

Ответ. Ускорение направлено по радиусу окружности к ее центру.

Учитель. Как называется это ускорение? Что это за ускорение?

Ответ. Центростремительное ускорение - ускорение, с которым тело движется по окружности с постоянной по модулю скоростью.

Учитель. По какой формуле можно вычислить модуль вектора центростремительного ускорения?

Ответ.  α ц = v ²/R

Учитель. Мы знаем, что ускорение всегда сонаправлено с силой, в  результате действия которой оно возникает?

Ответ. По II закону Ньютона.

Учитель. Как направлена центростремительная сила? Что это за сила?

Ответ. Сила направлена по радиусу окружности к ее центру. Центростремительная сила – сила, под действием которой тело движется по окружности с постоянной по модулю скоростью, в каждой точке направлена по радиусу окружности к ее центру.

Учитель. По какой формуле можно вычислить модуль вектора центростремительной силы? 

Ответ. Fц = m.v ²/R

Самостоятельная работа.

I вариант

1.     По какой формуле можно рассчитать массу тела m, движущегося по окружности радиуса R с постоянной скоростью v, если на него действует сила F .

(m = Fц.R/v ²)

2. Скорость некоторой точки на грампластинке 0,3 м/с, а центростремительное ускорение 0,9 м/с ². Найдите расстояние этой точки от оси вращения. (1 м).

3*. Масса автомобиля с грузом 4 т, а скорость его движения 30 м/с. Чему будет равна сила давления автомобиля в верхней точке выпуклого моста, радиус кривизны которого 40 м? (90 кН)

II вариант

1. По какой формуле можно рассчитать скорость тела v, движущегося по окружности радиуса R, если его масса равна m и на него действует некоторая сила F?  (v = Fц.R/m)

2. Конькобежец движется со скоростью 10 м/с по окружности радиусом 20 м. Определите его центростремительное ускорение. (5 м/с ²)

3*. Мост, прогибаясь под тяжестью поезда массой 500 т, образует дугу радиусом 1500 м. Определите силу давления поезда в середине моста. Скорость поезда равна 20 м/с. (133 кН)

3.     Изучение нового материала.

Эпиграф

        Людей всегда манили дали,

        Их вечно океаны звали.

        И космос жил не торопясь,

        Он был загадочен и страшен.

                 А. Семенов

      Урок посвящен вопросу изучения движения искусственного спутника Земли. На сегодняшний день этими словами никого нельзя удивить. А были времена, когда все знали один естественный спутник Земли – это Луна, а об искусственных спутниках только лишь мечтали. Одним из первых ученых, задумавшихся об искусственных спутниках Земли, был Ньютон. Понимая, как обращаются планеты вокруг Солнца, можно считать, что планеты – это спутники Солнца. «Почему нельзя было бы организовать движение искусственного спутника, искусственной мини-планеты вокруг Земли?» - рассуждал знаменитый англичанин.

     Сегодня на уроке мы с вами попробуем ненадолго попасть в космос и рассмотреть хотя бы часть всего удивительного, что находится в нем. И тема нашего урока сегодня «Искусственные спутники Земли». Мы попытаемся с вами рассмотреть детально вопрос о запуске и движении ИСЗ, раскрыть понятие и значение первой, второй и третьей космических скоростей и научиться рассчитывать первую космическую скорость.

Формирование представлений о запуске и движении ИСЗ.

    Начнем с опыта. Шарик привязан к одному из концов шнура, а второй конец прикреплен. Если шарик толкнуть, а затем предоставить самому себе, то он опишет некоторую дугу и остановится. Что является причиной остановки шарика? Действие на него силы трения и силы сопротивления, препятствующих и уменьшающих его скорость. Если уменьшить действие тормозящих сил, то шарик может описать вокруг центра одну или несколько окружностей, прежде чем остановиться.

    Если бы нам удалось устранить все силы сопротивления движению, то шарик бесконечно двигался бы вокруг центра.

     Примером подобного движения служит обращение планет вокруг Солнца и спутников вокруг планет.

     Рассмотрим более детально вопрос о запуске и движении ИСЗ.

       Чтобы понять при каких условиях тело может стать ИСЗ обратимся к плакату. Он представляет собой копию рисунка, сделанного Ньютоном. Здесь изображен земной шар, а на нем показана высокая гора, с вершины которой бросают камни, придавая им различные скорости.

         В подписи к рисунку говорится: «Брошенный камень отклонится под действием силы тяжести от прямолинейного пути и, описав кривую траекторию, упадет, наконец, на Землю. Если его бросить с большей скоростью, то он упадет дальше».

      Продолжая эти рассуждения, Ньютон приходит к выводу, что при отсутствии сопротивления воздуха и при достаточно большой скорости тело вообще может не упасть на Землю, а будет описывать круговые траектории, оставаясь на одной и той же высоте над Землей.

    Такое тело становится искусственным спутником Земли.

     Движение спутника является примером свободного падения, так как происходит только под действием силы тяжести. Но спутник не падает на Землю благодаря тому, что обладает достаточно большой скоростью.

       Значит, для того чтобы некоторое тело стало ИСЗ, его нужно вывести за пределы атмосферы и придать ему определенную скорость.

      Наименьшая высота над поверхностью Земли, на которой сопротивление воздуха практически отсутствует, составляет примерно 300 км. Поэтому обычно спутники запускают на высоте 300 – 400км от Земной поверхности.

Формирование представлений о первой космической скорости.

     Выведем формулу для расчета скорости, которую надо сообщить телу, чтобы оно стало ИСЗ, двигаясь вокруг нее по окружности.

     Движение спутника происходит под действием одной только силы тяжести. Эта сила сообщает ему ускорение свободного падения g, которое в данном случае выполняет роль центростремительного ускорения.

      Мы знаем, что центростремительное ускорение определяется по формуле: α ц = v ²/R, где  v – скорость, с которой тело движется по окружности радиуса R.

    Значит, для спутника

              g = v ²/R            =>        v ² = g .R      =>        v = g .R.          (1)

     По формуле (1) определяется скорость, которую надо сообщить телу, чтобы оно обращалось по окружности вокруг Земли на расстоянии R от ее центра.

     Эта скорость называется первой космической скоростью (круговой).

     Если высота h спутника над поверхностью Земли мала по сравнению с земным радиусом, то ею можно пренебречь и считать, что R = Rз. Обозначим ускорение свободного падения вблизи поверхности Земли g ₀.

  Тогда формула для расчета первой космической скорости спутника, движущегося вблизи поверхности Земли, будет выглядеть так:

            v = g ₀ .Rз             (2)

  Рассчитаем эту скорость, принимая радиус Земли равным 6400 км (или 6,4 . 10 ⁶ м), а g ₀ = 9,8 м/с ².

               V = 7,9 . 103 м/с = 7,9 км/с.

  Если же высотой спутника над Землей пренебречь нельзя, то расстояние R от центра Земли до спутника и ускорение свободного падения g  на высоте h определяются по следующим формулам:

        R = Rз + h,      g = g . Мз/( Rз + h) ².

  В этом случае формула (1) для расчета первой космической скорости примет вид

            v = g . Мз/( Rз + h)  (3)

  По формуле (3) можно рассчитать первую космическую скорость спутника любой планеты, если вместо массы и радиуса Земли подставить соответственно массу и радиус данной планеты.

Формирование представлений о второй космической скорости.

    Если скорость тела, запускаемого на высоте h над Землей, превышает первую космическую, то его орбита представляет собой эллипс. Чем больше скорость, тем более вытянутой будет эллиптическая орбита. При скорости, равной 11,2 км/с, которая называется второй космической, тело преодолевает притяжение к Земле и уходит в космическое пространство. При такой скорости тело становится спутником Солнца.

Информация о третьей космической скорости.

  Третья космическая скорость равна 16,7 км/с, она необходима для преодоления телом притяжения  Солнца и выхода за пределы Солнечной системы.

Исторические сведения.

       Для запуска спутников применяют ракеты.

      4 октября 1957 г. в Советском Союзе был запущен первый в истории человечества ИСЗ.  Спутник в виде шара диаметром 58 см и массой 83,6 кг и ракета-носитель долгое время двигались над Землей на высоте в несколько сотен километров.

      4 октября 1959 г. советская автоматическая станция «Луна-3» облетела Луну и сфотографировала ее невидимую сторону. Человек впервые увидел «затылок» Луны.

     12 апреля 1961 г.  гражданин СССР Юрий Алексеевич Гагарин совершил первый в мире пилотируемый полет на корабле «Восток» - День Космонавтики.

     12 февраля 1962 г. впервые в истории запущена к планете Венера автоматическая станция «Венера-1», она открыла советскую программу исследований этой планеты.

      23 апреля 1965 г. был запущен космический корабль «Союз-1», который пилотировал Владимир Михайлович Комаров. Около 10 лет различные варианты кораблей этой серии служили советской космонавтике .

     31 января 1966 г. в СССР запущена станция «Луна-9», которая совершила первую в мире мягкую посадку на поверхность Луны.

     10 ноября 1970 г. к Луне стартовал самоходный аппарат «Луноход-1» и функционировал там, в течение 322 суток.

      В настоящее время сотни спутников запускаются каждый год в научно-исследовательских и практических целях: для осуществления теле- и радиосвязи, исследования атмосферы, прогнозирования погоды и т.д. (для исследования других планет; для наблюдения состояния облачного покрова Земли при составлении метеопрогнозов; для охраны леса, в частности по своевременному оповещению об очагах пожара; для обнаружения местонахождения кораблей и помощи выбора правильного курса; в рыболовецком флоте - для обнаружения рыбных косяков, для прогнозирования землетрясений и т. д.

    За годы  освоения космоса в мире созданы и эксплуатируются более 20 космодромов и ракетных полигонов, сотни боевых ракетных шахт и пусковых установок, всего запущено свыше 6000 космических объектов, из них около 700 в настоящее время эксплуатируются на околоземных орбитах. Ежегодно осуществляется около 100 запусков объектов в космос, в которых участвуют более 20 стран.

4.     Физкультминутка.

5.     Закрепление новой темы

1.Решение задачи:

 Какую скорость должен иметь спутник, чтобы двигаться вокруг Земли по круговой орбите на высоте 3600 км над ее поверхностью? Радиус Земли 6400 км, масса Земли 6.1024 кг. (учитель объясняет у доски)

 Ответ: 6,3 . 103 м/с

 2. Работа в группах.

   Определить первую космическую скорость для спутников, вращающихся вокруг Земли на различных высотах (обратиться к плакатам). Rз = 6400 км, Мз = 6.1024 кг

I группа: h = 940 км (Ответ: 7,4 км/с)

II группа: h = 1650 км (Ответ: 7 км/с)

III группа: h = 1880 км (Ответ: 6,9 км/с)

Дополнительно: h = 270 км (Ответ: 7,7 км/с)

6.     Итог урока

Учитель. «…Подумать только, как время бежит! Как далеко ушли мы по космической дороге. Но как далеко ни ушли бы мы, каким бы маленьким ни казался нам издали прошедших лет зеркальный шарик, он всегда будет светить всем, идущим к звездам, потому что мы наделили его великим качеством, которое невозможно превзойти никому и никогда: он - самый первый!»

7.     Домашнее задание:

§20 упр. 19 (1), задача: Определите первую космическую скорость для Луны. (Мл = 7.1022 кг, Rл = 1,74 .106 м).

8.     Рефлексия

Что нового Вы сегодня узнали на уроке?

 Интересна ли для тебя была  дополнительная информация из истории космонавтики?

 Что ты хотел бы отметить положительного ,отрицательного на уроке ?

 Понравился тебе урок ?  

 Спасибо за урок!