Конспект урока "Искусственные спутники Земли"

Конспект урока физики в 9 классе

Тема: « Искусственные спутники Земли. Первая космическая скорость».

Программа: Гутник Е.М. , Перышкин А.В. Физика 7-9 «Программы для общеобразовательных учреждений «Физика» М.: Дрофа, 2011

Учебник: Перышкин А.В., Гутник Е.М. – М.: Дрофа, 2007

Тип урока: комбинированный

Цели  урока: 

Образовательные:

1) 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;

2) выработать умения воспринимать и излагать новый материал;

3) показать практическую значимость изучаемого материала;

4)познакомить учащихся с успехами в освоении космического пространства.

Воспитательные:

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

2) воспитывать чувство патриотизма и гордости за свою Родину.

Развивающие:

1) 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;

2) Способствовать формированию регулятивных универсальных учебных действий: целеполагания, рефлексии.

3) Способствовать формированию и развитию познавательных универсальных учебных действий: умения анализировать информацию, умения доказывать или опровергать суждения, находить причинно-следственные связи, обобщать  и делать выводы.

4) Способствовать формированию и развитию коммуникативных универсальных учебных действий: умения с достаточной полнотой и точностью выражать свои мысли в соответствии с учебными задачами.

Планируемые результаты:

Познавательные УУД: поиск и выделение необходимой информации, осознанное и произвольное построение речевого высказывания в устной форме, свободная ориентация и восприятие текста.

Личностные УУД: самоопределение, нравственно-этическая ориентация, способность к самооценке своих действий.

Регулятивные УУД: целеполагание,  саморегуляция, выделение и осознание обучающимися того, что уже усвоено и что нужно еще усвоить.

Коммуникативные УУД: планирование учебного сотрудничества с учителем и сверстниками, соблюдение правил речевого поведения, умение высказывать и обосновывать свою точку зрения.

Методы контроля

- устный

- письменный

- самоконтроль.

Методы обучения

- репродуктивный

- исследовательский

- частично-поисковый

- информационно-рецептивный.

Средства обучения

- электронная презентация

- раздаточный материал

- баллистический пистолет

-компьютер

- мультимедийный проектор.

Технологии: ИКТ, технологии на основе системно – деятельностного подхода.

Структура урока

1. Организационный момент          

2. Подготовка к усвоению нового материала

3. Актуализация опорных знаний

4. Изучение нового материала

5. Закрепление нового материала

6.  Домашнее задание

7. Рефлексия.

                                                Ход урока

1. Организационный момент

Задача: создание психологического настроя

2. Подготовка к усвоению нового материала

Задача: организовать и целенаправить познавательную деятельность учащихся.

а) Мотивация

       Жюль Верн мечтал полететь на Луну: его герои решили отлить исполинскую пушку, зарядив ее огромным полым снарядом и, посадив внутрь пассажиров выстрелом отправить снаряд вагон на Луну. Фантастична ли эта мысль?

      Для того чтобы он полетел человечеству потребовалось 100лет напряженных поисков надежд и очарований. Современные спутники созданы трудом десятков ученых и именно благодаря им существует у нас и связь, и телевидение и ..

Первый искусственный спутник (ролик)

Тема нашего урока: Искусственные спутники Земли.                            Слайд 1.

б) Формулировка цели урока. 

1. По каким траекториям могут двигаться тела, брошенные с разными скоростями? Баллистический пистолет

2. Можно ли бросить тело так, чтобы оно не упало на Землю?

3. Приведите примеры движения тела по окружности?

4. Какие планеты вы знаете? Спутники планет?

У планет Солнечной системы есть естественные спутники, которые созданы природой. Есть и искусственные, сделанные и запущенные человеком. Чтобы вы хотели узнать об искусственных спутниках? Формулировка цели урока.                              Слайд 2.                    

3. Актуализация опорных знаний

Задача: повторить и углубить знания, необходимые для усвоения нового материала.

Самостоятельная работа                                         1 вариант

1.  Существует ли ускорение свободного падения на Марсе ?                                       а) да        б) нет      в) не всегда           г) не знаю.

2.   Какова формула второго закона Ньютона?                                          а) F=m/а        б) m=g/F            в) a=F/m.

3.Чему равна сила тяжести, действующая на тело массой 45 кг?                                 а) 0, 45г  б) 450 кг  в) 45 Н     г) 450Н.

4. Какова сила притяжения тел к Луне?                                                                           а) такая же, как на Земле   б) в шесть раз меньше, чем на Земле                             в) в шесть раз больше, чем на Земле.

5. Если увеличить расстояние между двумя телами в 3 раза, то сила всемирного тяготения:                                                                                          а) уменьшится в 3 раза     б) уменьшится в 9 раз                                              в) увеличится в 3 раза        г) увеличится в 9 раз.

2 вариант

1.  Как меняется сила тяжести, действующая на тело, при удалении его от поверхности Земли?                                                                                                      а) не меняется    б) увеличивается        в) уменьшается.

2.   Чему равна сила тяжести, действующая на тело массой 20 кг?                                                       а) 200Н         б) 20 кг       в) 0,2 Н         г) 20Н.

3. Если увеличить массу одного из тел в 3 раза, то сила всемирного тяготения:                  а) уменьшится в 3 раза         б) уменьшится в 9 раз                                                в) увеличится в 3 раза          г) увеличится в 9 раз.

4. Какова формула второго закона Ньютона?                                                                а) m=а/F       б) a=F/m             в) F=m/g.

5. Притягивается ли Земля к висящему на ветке яблоку?                                         а) нет       б) да      в) не всегда           г) не знаю.

3 вариант

1. Существует ли ускорение свободного падения на Солнце ?                                  а) не всегда        б) нет      в) да      г) не знаю.

2. Если увеличить расстояние между двумя телами в 2 раза, то сила всемирного тяготения:                                                                                                                                        а) уменьшится в 2 раза      б) увеличится в 2 раза                                              в) уменьшится в 4 раз        г) увеличится в 4 раз.

3.    Какова формула второго закона Ньютона?                                                                   а) F=m/g            б) m=g/F            в) a=F/m

4. Чему равна сила тяжести, действующая на тело массой 4 кг?                                                а) 40Н      б) 0, 4г          в) 40 кг              г) 4 Н.

5. Какова сила притяжения тел к Луне?                                                                            а) в шесть раз меньше, чем на Земле         б) такая же, как на Земле                                           в) в шесть раз больше, чем на Земле.

4 вариант

1. Какова формула второго закона Ньютона?                                                      а) m=g/F       б) a=F/m           в) F=m/а.

2. Притягивается ли Земля к висящему на ветке яблоку?                                                 а) нет       б) не знаю     в) не всегда            г) да.

3. Как меняется сила тяжести, действующая на тело, при удалении его от поверхности Земли?                                                                                                    а) не меняется     б) увеличивается           в) уменьшается.

4. Чему равна сила тяжести, действующая на тело массой 0,2 кг?                                                     а) 20Н          б) 2 кг    в) 0,2 Н             г) 2Н.

5. Если увеличить массу одного из тел в 4 раза, то сила всемирного тяготения:                                  а) уменьшится в 4 раза                 б) уменьшится в 8 раз                                                                                       в) увеличится в 4 раза                      г) увеличится в 16 раз.

Взаимоконтроль (ответы на доске).

Ответы к тесту

Вариант 1          А     В       В      Б             Вариант 2          В     А        В      Г

Вариант 3          Г     В         В       В           Вариант 4         Б      Б         А       Г

.4. Изучение нового материла

Задача: Углубить понимание закона всемирного тяготения и движения по окружности путем их применения для вывода формулы первой космической скорости.

Что нужно сделать, чтобы тело стало искусственным спутником Земли?

Ньютонова гора.                                                                                                    Слайд3

Писатели-фантасты уже несколько веков рисуют нам картины создания искусственных спутников Земли. И один из таких проектов вовсе не кажется безнадежным. Вообразите себе пушку, стоящую на высокой башне. Если из пушки выстрелить, то ядро, описав дугу, упадет на землю. Если же в пушку положить побольше пороху, то ядро получит большую скорость и упадет дальше. При этом Земля вследствие вращения как бы “убегает” от ядра. Если продолжать увеличивать начальную скорость, ядро будет падать все дальше и дальше. Наконец, можно выстрелить так, что ядро никогда не упадет. Оно будет кружить вокруг нашей планеты, то есть превратится в искусственный спутник Земли. Для этого нужно подобрать такую начальную горизонтальную скорость, чтобы поверхность Земли из-за ее шарообразности удалялась от тела как раз на столько, на сколько тело приближается к Земле благодаря притяжению к ней. Рассчитаем, с какой скоростью должно вылететь ядро, чтобы стать искусственным спутником Земли, то есть обращаться вблизи Земли по круговой орбите.

Первая космическая скорость (презентация).

Модель:                                                                                                   1. Земля является однородным шаром с радиусом 6400 км.                                    2. На тело не действуют никакие силы, кроме силы тяготения, направленной к центру Земли.                                                                                              3. Спутник будем считать материальной точкой.

Гравитационная сила, действующая на спутник 

М – масса Земли, m – масса спутника,R – радиус Земли, h – высота спутника над поверхностью Земли. Выводим выражение для скорости:

Выводы:                                                                                                      Слайд 4.

1.      Скорость спутника зависит от его высоты над поверхностью Земли

2.      Скорость не зависит от массы спутника

Если принять h = 0, то вблизи поверхности Земли

и 

и тогда

Вычисляя, получаем, что скорость равна приблизительно 8000 м/с

Тело, скорость которого равна 7,9 км/с и направлена горизонтально относительно поверхности Земли, становится искусственным спутником, движущимся по круговой орбите на небольшой высоте над Землей.

        Первая космическая скорость – это наименьшая скорость, имея которую тело не падает на Землю, двигаясь вблизи поверхности Земли. При этом двигатель не работает и сопротивление воздуха не учитывается. Тело движется по круговой траектории.

Для запуска на околоземную орбиту ИСЗ или космический корабль необходимо сначала вывести за пределы атмосферы. Поэтому космические корабли стартуют вертикально, чтобы было кратчайшее расстояние пробить атмосферу, выйти в безвоздушное пространство и сообщить ему горизонтальную скорость.

А как вы думаете, почему именно в Казахстане с Байконура в основном запускают космические корабли? По той же самой причине, на этой широте будет кратчайшее расстояние, чтобы пробить атмосферу.

На высоте 300 км от поверхности Земли атмосфера очень разряжена и почти не влияет на движение космических кораблей. На такой высоте ракета делает поворот и сообщает аппарату, запускаемому на орбиту ИС, 1-ую космическую скорость, в направлении перпендикулярном вертикали.

А если высота, с которой запущен спутник маленькая, как вы думаете, что произойдет? (Спутник сгорит в плотных слоях атмосферы)

Возникает вопрос, а что будет, если запустить спутник со скоростью V < V₁? Как вы думаете?   

(Он будет двигаться по траектории, которая пересекается с поверхностью земного шара, т.е. аппарат падает на Землю).

А если V > V₁?  (Космический корабль движется вокруг Земли по криволинейной траектории – эллипсу, чем больше начальная скорость, тем все более вытянут эллипс).

Слайд 5

Раскрытие содержания понятия 2-ой космической скорости.

При какой же скорости тело способно вырваться за пределы притяжения Земли?

Чтобы найти эту скорость, нужна работа, которую необходимо совершить против сил земного тяготения для удаления тела с поверхности Земли на бесконечность.      A = mgh, h = R₃.

Чтобы преодолеть притяжение Земли, тело должно обладать запасом энергии, достаточным для совершения работы. Работа совершается за счет изменения энергии.

Вспомним закон сохранения энергии (энергия не появляется ниоткуда и не исчезает в никуда).

Таким образом, происходит превращение энергии, кинетической в потенциальную. Как находится кинетическая энергия и потенциальная?

                            ,         отсюда     ;  

  .

Сравнив с формулой 1-ой космической скорости, видно, что V₂ > V₁ в раз.

При такой скорости тело станет спутником Солнца. Эта скорость называется 2-ая космическая  скорость.

    Вторая космическая скорость – это наименьшая скорость, имея которую тело улетает на бесконечные расстояния, двигаясь от поверхности Земли. При этом двигатель не работает и вращением Земли, пренебрегаем. Траектория движения – парабола.

Раскрытие содержания понятия 3-ей космической скорости;

 Как вы думаете, а можно ли преодолеть притяжение Солнца?

Да, это возможно при 3-ей космической  скорости V₃ = 16,7 км/с.

Третья  космическая скорость – это скорость, имея которую тело преодолевает притяжение Солнца и покидает Солнечную систему. Траектория движения – гипербола.

Рисунок 1. Космические скорости. Указаны скорости вблизи поверхности Земли. 1 – υ = υ₁ – круговая траектория; 2 – υ₁ < υ < υ₂ – эллиптическая траектория; 3 – υ = 11,1·103 м/с – сильно вытянутый эллипс; 4 – υ = υ₂ – параболическая траектория; 5 – υ > υ₂ – гиперболическая траектория; 6 – траектория Луны                                                                                     Слайд 5

- Имея примерно такую скорость автоматическая межпланетная станция «Пионер-10» (США) в 1983 г. впервые вышла за пределы Солнечной системы и сейчас летит по направлению к звезде

Барнарда.

  Рисунок 2. .

Заполним таблицу     на доске

1 космическая скорость	7,9 км/с	Окружность, спутник Земли
2 космическая скорость	11,2 км/с	Парабола, спутник Солнца
3 космическая скорость	16,7 км/с.	Гипербола, покидает Солнечную Систему

Физминутка.     А сейчас мы с вами, дети, 
Улетаем на ракете, 
На носки приподнялись, 
А потом все руки – вниз. 
Раз, два 
(стойка на носках, руки вверх, ладони образуют « купол ракеты») 
Три, четыре 
( основная стойка) 
Вот летит ракеты ввысь- 
Приседай, посторонись!

Вторая и третья космические скорости (презентация)

5.  Закрепление нового материала

Задача: закрепить знания и умения, необходимые для самостоятельной работы учащихся

1. 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

Учитель:   Информация, которую получают с помощью искусственных спутников, позволяет изучить планеты Солнечной системы, объяснить ее происхождение и ответить на многие важные вопросы.      Очень долго на орбите работала космическая станция “Мир”. За годы ее работы проделано огромное количество различных экспериментов и в том числе для ребят были сняты специальные фильмы о том, как происходят физические явления в космосе. Давайте сейчас побываем на этой станции и посмотрим на нашу планету из космоса.

Фрагмент фильма Уроки с орбитальной станции "МКС"

                   Мы с вами побывали на станции “Мир”, увидели, как выглядит Земля из космоса. А теперь давайте заглянем в будущее. Уже сейчас мы запускаем искусственные спутники к планетам Солнечной системы, а может, через несколько лет там будут созданы космические города и с них будет производиться запуск искусственных спутников к другим небесным телам.   Наш космический корабль произвел вынужденную посадку на одну из планет Солнечной системы С какой же скоростью должны стартовать ракеты с поверхности Марса, Луны, Плутона, Меркурия и Венеры, чтобы стать их искусственными спутниками?                                                 Ответы на этот вопрос будут искать экипажи стартующих ракет.                                                             

2. Работа в группах:

         Наш космический корабль произвел вынужденную посадку на одну из планет Солнечной системы. Определить скорость космического корабля для запуска его на круговую орбиту планеты. Атмосферы планет разреженные (можно пренебречь силами сопротивления)

Таблица на доске

Планета             Масса планеты,кг      Радиус планеты, м                 1-я косм скорость

Земля                  5,98·10²⁴                      6, 37·10⁶

Меркурий           0,33·10²⁴                        2,44·10⁶                           

Марс                    0,63·10²⁴                        6,79·10⁶ 

Юпитер                1876,6·10²⁴                    71,4·10⁶

Венера                 4,81·10²⁴                        6,05·10⁶

После решения задачи заполняется таблица, куда вносятся вычисленные значения 1-й космической скорости

2 задание:

Какую скорость должен иметь спутник Земли, чтобы обращаться по круговой орбите на высоте?

1) равной радиусу Земли? , h=R, R= 6400км
2)  равной двум радиусам Земли? h=2R ,R= 6400км
3)  равной трём радиусам Земли? h=3R, R= 6400км                                

4) равной     четырем радиусам Земли? h=4R, R= 6400км                      

5) равной половине радиуса Земли? h=0,5R, R= 6400км

Решение:                                   

По итогам решения заполняется таблица

Экипаж             задание                    Полученная скорость, км/с

1                       h=R                         5,6 км/с

2                       h=2R                                 4,3 км/с  

3                       h=3R                         4 км/с

4                        h=4R                         3,6 км/с

5                        h=0,5R                       6,6 км/с

Выводы после решения задач:

- Скорость зависит от высоты над поверхностью Земли. Чем выше, тем скорость меньше.               -Скорость не зависит от массы спутника.                                                                                       --    Скорость, которую необходимо сообщить телу, чтобы оно стало ИСЗ Земли называют 1 космической скоростью.                                                                                                                          В итоге давайте вместе попробуем ответить на вопросы теста и узнаем кодовое слово

5. Рефлексия

Тест

1. Когда был запущен И.С.З.                                                                                                     

ж) 12 апреля 1961 года  у) 18 мата 1965 года   а) 4 октября 1957 года  п) 20 ноября 2013 года.

2. Как должна быть направлена ракета в момент выхода на круговую орбиту, чтобы стать И.С.З.

т) горизонтально     в) вертикально      б) под углом к горизонту.

3. Чему равна первая космическая скорость.

ц) 11,2 км/с    в) 2 км/ч     е) 7,9 км/с     ф) 10 м/с

4. Инженер конструктор, руководитель запуска первого И.С.З.

п) Гагарин Юрий Алексеевич     к) Королев Сергей Павлович    л)Леонов Алексей Архипович.

5. Чему равна вторая космическая скорость.

а) 11,2 км/с          з) 7,9 км/с                ч) 20 м/с.

6. Что произойдет с искусственным спутником Земли, если сообщить ему скорость чуть меньше первой космической скорости?

т) улетит к Солнцу     а) будет вращаться по круговой орбите     р) упадет на Землю.

Полученное слово из букв теста- атекар, надо перевернуть. Кодовое слово "ракета" .                                                                                               

 

Итак, сегодня вы познакомились с тем, как могут двигаться искусственные спутники и нашли ответы на поставленные в начале урока вопросы. Но это не значит, что мы узнали о них  все, эта тема хранит в себе много интересного и любопытного, и вы можете об этом узнать, почитав дополнительную литературу. 

6. Домашнее задание:   § 20, стр.73, упр. 19 (1)