УРОК- ПУТЕШЕСТВИЕ по физике «Реактивное движение. Развитие ракетной техники» 9-10 КЛАСС

“Человечество не останется вечно на Земле, но в погоне за светом

 и пространством сначала робко проникнет за пределы атмосферы,

 а затем завоюет все околоземное пространство”.

Циолковский К.Э.

УРОК- ПУТЕШЕСТВИЕ «Реактивное движение. Развитие ракетной техники»

Цели урока:

1.Показать практическое применение закона сохранения импульса в объяснении  реактивного движения.

2. Продолжать работу над развитием у учащихся грамотной физической речи, мышления (умения обобщать и систематизировать, строить аналогии), навыков самоконтроля.

3.    Воспитание патриотизма, гордости за  нашу страну, высокой нравственности.

Тип урока: комбинированный урок с элементами исследовательской деятельности.

Оборудование и программное обеспечение к уроку:

v  УМК учителя, мультимедийный проектор, 10 УМК ученика, персональный компьютер.

v  Презентация «Реактивное движение».

v  Детский воздушный шарик.

v  Дополнительные материалы к уроку для подготовки докладов учащихся: видеофрагменты, презентации, текстовые документы.

Формы работы на уроке: фронтальная, индивидуальная, групповая.

Ход урока.

1.      Оргмомент.  

Начать презентацию  «Реактивное движение» и работать с ней по ходу урока.

Задача. Создать  эмоциональный  настрой учащихся. 

Доброе утро! Я рада вас приветствовать на уроке физики. Желаю вам новых открытий и огромной работоспособности. Сегодня будет необычный урок. Я вас приглашаю совершить небольшое путешествие к другим планетам.

Итак, мы начинаем.

«Поехали»!!! (слайд 1)

2. Повторение.

Мы попали на первую планету «Знания»

Здесь мы проверим наши знания по теме «Импульс. Закон сохранения импульса».

Работа в группах по вопросам:

Что означает слово «импульс» в переводе с латинского языка?

(пульс, толчок, имитация пульса)

Какой термин можно использовать вместо слова «импульс»?

(количество движения, движение, толкание тела)

Когда была введена в науку физическая величина “импульс тела”?

(начало 20 в, начало 19 в, начало 17 в)

Назовите единицу измерения импульса тела  в системе СИ.

(Н*м,   кг*м,   кг*м/с)

Как направлен импульс тела?

(в сторону движения тела, в сторону противоположную движения тела, не имеет направления)

Что называется импульсом тела?

(величина равная произведению массы тела на его скорость, величина равная отношению массы тела к его скорости, величина равная произведению массы тела на его ускорение)

Формула, выражающая импульс тела.

(р = m * g , p = m * F , p = m * V)

Кем был окончательно сформулирован закон сохранения импульса?

(Ньютоном, Циолковским, Галилеем)

Формула, выражающая закон сохранения импульса.

(p ₁ ^/ + p ₂ ^/ = p ₁ + p_2,   p ₁ ^/ + p ₁  = p ₂ ^/+ p₂ ,   p ₁  + p ₂ = v ₁ + v₂ ) 

Запись, выражающая закон сохранения импульса для данного примера.

(m ₁V₁ + m₂V₂ = m*V ,     m ₁V₁ + m₂V₂ = (m₁+m₂)*V,      (m ₁+ m₂ )V₁ = m(V₁+V₂) )

Задача – вариант №1

Человек массой 40 кг, бегущий со скоростью 5 м/с, догоняет тележку массой 20 кг, движущуюся со скоростью 2 м/с, и вскакивает на неё. С какой скоростью они продолжают движение?

Задача – вариант №2

Два шарика массой 0,5 кг и 1 кг движутся навстречу друг к другу со скоростями 7 м/с и 8 м/с. Какой будет их скорость, если после столкновения они движутся как единое целое?

(Решение оформляется на доске)

(слайд 2)

После обсуждения отвечает один учащийся от группы (проверка по тесту в презентации).

Дополнительно

Сформулируйте закон сохранения импульса.

Кто впервые сформулировал закон сохранения импульса?

Историческая справка:

Первая формулировка принадлежит  Декарту. В своем основном труде «Начала философии», вышедшем в 1644 году, Декарт развивает мысль о том, что Вселенная заполнена разными формами движущейся материи. Первопричиной движения он считает бога и дает следующую формулировку закона: «Бог – первопричина движения, он постоянно сохраняет в мире одинаковое его количество. Когда одна частица материи движется вдвое скорее другой, а эта последняя вдвое по величине больше первой, то в меньшей столько же движения, сколько и в большей из частиц; и что насколько движение одной частицы замедляется, настолько же движение какой-либо иной возрастает». 

В становлении закона сохранения импульса важную роль сыграли его практические приложения. Изобретатели еще задолго до открытия закона использовали его на практике. Сегодня мы рассмотрим одно из этих приложений, которое было известно еще в 3200 г до н. э. в древних Вавилоне, Китае, Греции. (слайд 3)

В конце первого тысячелетия  нашей эры в Китае изобрели ракеты - бамбуковые трубки, начиненные порохом, которые использовались как забава для праздников (фейерверк) и в военных целях.

В 2 веке до н.э. в Александрии жил знаменитый ученый – Герон, который оставил несколько сочинений с описанием различных механизмов, в том числе паровой машины «Геронов шар».

Ньютону тоже приписывается проект парового автомобиля(см рис.)

( Примерно тремя столетиями позже в Александрии — культурном и богатом городе на африканском побережье Средиземного моря — жил и работал выдающийся ученый Герон, которого историки называют Героном Александрийским. Герон оставил несколько сочинений, дошедших до нас, в которых он описал различные машины, приборы, механизмы, известные в те времена. В сочинениях Герона есть описание интересного прибора, который сейчас называют Героновым шаром.

Он представляет собой полый железный шар, закрепленный так, что может вращаться вокруг горизонтальной оси. Из закрытого котла с кипящей водой пар по трубке поступает в шар, из шара он вырывается наружу через, изогнутые трубки, при этом шар приходит во вращение. Внутренняя энергия пара превращается в механическую энергию вращения шара. Геронов шар — это прообраз современных реактивных двигателей.

Ньютону же приписывают проект реактивного парового автомобиля, схема которого изображена на рис. Котел с водой поставлен на колеса. Внизу помещается топка. Пар, вырываясь из отверстия сзади, дает реакцию, которая должна двигать повозку.)

В чем сходство этих изобретений?

3. Постановка проблемы

А теперь мы продолжаем наше путешествие и следующая остановка на планете «Гипотеза». (СЛАЙД 4)

В очень интересной книге А.Л. Камин, А.А. Камин "Физика собственными силами" я нашла такую задачу:

"Задача

Прогуливаясь по берегу озера, Миша пригласил Лялю посидеть в лодке без весел. Вдруг Ляля передумала сидеть с Мише в лодке без весел и выпрыгнула не берег. Как сложилась дальнейшая Мишина жизнь?"

Честно говоря, ничего такого страшного не произошло. Всем очевидно, что лодка с Мишей отплыла от берега (если она не была привязана). Вот движение лодки, которое возникло благодаря прыжку Ляли - это пример реактивного движения, которое играет важную роль в современной технике. Но Ляля прыгнула один раз.

А если будет многократное действие? (Фрагмент реактивная лодка). (СЛАЙД 5)

Мы получаем реактивное движение.

Сегодня у нас урок на тему «Реактивное движение. Развитие ракетной техники»

Какое движение называют реактивным?

Попробуем ответить на этот вопрос, разобрав несколько примеров реактивного движения.

Пример 1

Пушка и ядро взаимодействуют друг с другом. Пушка толкает ядро, а ядро толкает пушку. Пушка приобретает некую скорость V (это называется отдача)(Видео фрагмент).

Пример 2

Давайте попробуем установить, начнёт ли двигаться тело, если из него будет выбрасываться не твердое тело, а, например газ?

Фронтальный эксперимент:

Надуйте воздушный шарик, зажмите рукой хвостик, чтобы воздух не выходил. Отпустите шарик.

Учитель:

Итак, какой результат мы получили?

Учащиеся:

При выходе воздуха шарик пришёл в движение.

Пример 3

А если вода?

Ребята! Наверняка некоторые из вас отдыхали летом на море. Обращали ли вы внимание на нежное существо- МЕДУЗУ? А на способ её движения? (слайд 7)

Медуза приходит в движение не по тому, что сжимает зонтик, а потому, что при сжатии зонтика она выталкивает из него воду. Периодически выбрасывая вбираемую в себя воду, передвигаются, например кальмары и осьминоги, развивая при этом скорость 60-70 км/ч.

Какой  вывод можно сделать? Что такое реактивное движение?

 Итак, если тело состоит из двух частей и они взаимодействуют, то одна часть отталкивается от другой. Т.е. тело приходит в движение, если из него выбрасываются какие-либо тела: твёрдые, жидкие или газообразные.

А теперь обобщим наши гипотезы

Определение РЕАКТИВНОГО ДВИЖЕНИЯ выписывается учащимися

Движение тела, возникающее при отделении от него с какой-либо скоростью некоторой его части, называют реактивным движением

Реактивное движение – это особый, непохожий на другие, вид движения. На данном принципе работают реактивные самолеты и ракеты, передвигаются некоторые моллюски, осьминоги, каракатицы. При этом возникает т.н. реактивная сила, сообщающая телу ускорение. Она возникает без какого-либо взаимодействия с внешними телами (слайд 9).

4.  Изучение нового материала.

Рассмотрим практическое применение реактивного движения.

Отправляемся к следующей остановке «Теория» (слайд 10).

Для движения автомобиля необходимо взаимодействие с дорогой, для корабля – с водой, для самолёта – с воздухом. А с чем взаимодействовать космическому кораблю? От чего оттолкнуться? В космическом пространстве нет среды, с которой тело могло бы взаимодействовать и тем самым изменять направление и модуль скорости. Поэтому для космических полётов могут быть использованы только реактивные летательные аппараты – ракеты, в которых используется реактивный двигатель.

Реактивный двигатель - это двигатель, преобразующий химическую энергию топлива в кинетическую энергию газовой струи, при этом двигатель приобретает скорость в обратном направлении.

Так как в космосе нет среды, с которой можно взаимодействовать, от которой можно оттолкнуться кораблю, следовательно, нужно выбросить из него что-то, например, выпустить струю топлива или отбросить ступень.

Рассмотрим устройство ракеты (макет), и принцип ее движения.

Она состоит из двух основных частей:

1- сама ракета – оболочка

2- ее топливо.

Так как реактивное движение – это пример применения закона сохранения импульса, то рассчитаем скорость оболочки ракеты с помощью этого закона.

Вспомним закон сохранения импульса «Импульс замкнутой системы не изменяется». Каковы границы применимости закона? Можно ли ракету считать замкнутой системой?

Ракету можно представить себе, состоящей из двух частей: оболочки массы М и топлива m.

ПРЕДПОЛОЖЕНИЯ: Пусть ракета находится вдали от Земли и других небесных тел так, что ее можно считать замкнутой системой.

Пусть все топливо сгорает одновременно (на самом деле сгорание топлива в ракете процесс длительный) и выбрасывается со скоростью V относительно оболочки.

Математическое обоснование.(Учащиеся на доске)

Замкнутая система - ракета в целом, оболочка вместе с топливом.

До старта импульс системы состоит из двух слагаемых

M(рак)*v(рак)+m(т)*v(т)=0 т.к. v(рак)=0,v(т)=0

После старта импульс системы имел вид

M(рак)*v(рак)-m(т)*v(т)=0

По закону сохранения импульс системы до старта равен импульсу системы после старта

0=M(рак)*v(рак)-m(т)*v(т)

M(рак)*v(рак)= m(т)*v(т)

v(рак)= m(т)*v(т)/ M(рак)

чтобы развить большую скорость m(т)- должна быть огромна, а масса ракеты маленькая.

Таким образом, скорость ракеты тем больше, чем больше скорость истекания газов , и чем больше отношение - mт / Мp (СДАЙД 11).

 То есть, мы видим, что для разгона ракеты до больших скоростей нужно:

• иметь большую скорость истечения топлива u - для современных видов химического топлива эта величина сейчас примерно равна от 2 до 5 км/с,
• иметь большое отношение массы топлива к массе оболочки.
• При этом надо еще учесть то обстоятельство, что на самом деле топливо не сгорает сразу и ракета поэтому набирает скорость медленнее.

Формула справедлива, если газ выбрасывается из ракеты мгновенно. На самом деле он вытекает не сразу, а постепенно. Поэтому истинная формула для скорости реактивного движения выглядит иначе.

Чтобы покинуть земное притяжение и стать искусственным спутником земли, ракета должна иметь скорость 8км/с. Чтобы двигаться по солнечной системе 11км/с, а чтобы уйти блуждать по всей галактики и вселенной 16км/с, но при этом масса ракеты должна быть в 55раз меньше массы топлива, что на практике реализовать невозможно.

Следовательно, нужно значительное снижение стартовой массы ракеты может быть достигнуто при использовании многоступенчатых ракет, когда ступени ракеты отделяются по мере выгорания топлива. Из процесса последующего разгона ракеты исключаются массы контейнеров, в которых находилось топливо, отработавшие двигатели, системы управления и т.д. Именно по пути создания экономичных многоступенчатых ракет развивается современная космонавтика.

В течение многих веков человечество мечтало о космических полётах. Писатели-фантасты предлагали самые разные средства для достижения этой цели.

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.

Ты уже перестал удивляться

Чудесам, что есть на Земле

Телевизору, голосу раций,

И компьютеру на столе.

Самолёты летят сквозь тучи

А к орбитам летят корабли

Только как до вещей тех могучих

Домечтаться люди могли?

Об этом мы узнаем при следующей остановке на планете «История» (Слайд 12).

Развитие ракетной техники.

До 1961 года человечество только в своих мечтах и с помощью фантастических книг могло побывать в космосе. Благодаря нашим соотечественникам, русским ученым, эта сказка стала былью.

Первый чертёж реактивного двигателя был сделан в России, но в странном, неожиданном месте: чертёж был сделан в 1881 году на стене тюремной камеры Петропавловской крепости

Николаем Ивановичем КИБАЛЬЧИЧ, осужденный и приговоренный к смертной казни за покушение на царя Александра-2 (слайд 14, 15)

Сообщение учащихся.

Вскоре после смерти Кибальчича, принял от него эстафету покорения воздушного океана и космического пространства Константин Эдуардович Циолковский. (Слайд 16, 17)

Сообщение учащихся.

«Основной мотив моей жизни: сделать что-нибудь полезное для людей, не прожить даром жизнь, продвинуть человечество хоть немного вперёд».

Как гимн радости и хвалу Вечной Жизни читаем эти строки Циолковского:

«Я хочу привести вас в восторг от созерцания Вселенной, от ожидающей всех судь-

бы,  от  чудесной  истории  прошедшего  и  будущего  каждого  атома. Это  увеличит  ваше здоровье, удлинит жизнь и даст силу терпеть превратности судьбы. Вы будете умирать с  радостью  в  убеждении,  что  вас  ожидает  счастье,  совершенство,  беспредельность  и субъективная непрерывность богатой органической жизни». 

Но самую главную, ведущую идею всей жизни Циолковского, раскрывает знаменитый учёный А.Чижевский – ученик К.Э.Циолковского. В книге воспоминаний о своём Учителе А.Чижевский свидетельствует: «К.Э.Циолковский предупреждал о катаклизме, о великой катастрофе, которая ждёт человечество. Потому-то он торопился с созданием космических  кораблей,  космических  спутников  Земли,  космических  лабораторий,  космических обсерваторий… Оком пророка он прозревал грядущую катастрофу и говорил о необходимости всемерной подготовки к ней… Он говорил о возможном спасении человечества на реактивных космических кораблях и во имя этого святого дела всю свою жизнь  занимался  этим  вопросом,  не  понятый  людьми…  В  таком  плане  мыслил К.Э.Циолковский. Это было его неотъемлемой привилегией, его величием: он предвидел то, о чём никто не думал… Способствовать решению такой  глобальной  задачи – вот в чём прежде всего видел К.Э.Циолковский смысл всей своей деятельности, своих программных проектов… В решении её – сама судьба космического будущего цивилизации».

Только гении, способные жертвовать всеми личными интересами и презирающие догматическое мышление, могут так самоотверженно трудиться на общее благо ради далёкого будущего человечества.

«Двигатели прогресса, – писал К.Э.Циолковский, –  это  люди,  ведущие  всё человечество и всё живое к счастью, радости и познанию».

Учащийся.

Как здорово сказал.

Вот это человек!

Не зря его дела

Мы в памяти храним.          

Он видел далеко,

Опередив свой век.

И век, его признав,

Шагнул вперёд, за ним!

В 1930 году познакомившись с идеями Циолковского, мечта о космических полётах захватила Сергея Павловича Королёва. (Слайд 18)

Сообщение учащихся.

Итак 12 апреля 1961 года мечта человека осуществилась (видеофрагмент о Гагарине)

Учёными космической эры по праву можно назвать Николая Егоровича Жуковского, Ивана Всеволодовича Мещерского, Фридриха Артуровича Цандера, Мстислава Всеволодовича Келдыша, и многих других.

Что объединякт всех этих людей? Какими они были?

Всех этих ученых можно считать родными братьями хотя бы потому, что все они были верными сыновьями России и потому, что все были одержимы и проникнуты идеей освоения космического пространства.

Итак, наше путешествие подходит к концу.

5. Проверка усвоения темы.

Тестирование:

1. Практическим применением какого закона является реактивное движение?

 А. закона сохранения энергии               Б. законов Ньютона

В. Закона сохранения импульса           Г. Закона сохранения массы

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 с реактивным двигателем, может преодолеть силу тяжести?

А. Королев. Б. Циолковский. В. Кибальчич. Д. Жуковский

4. Как называется двигатель, преобразующий химическую энергию топлива в кинетическую энергию газовой струи?

А. Паровой. Б. Реактивный. В. Электрический. Д. Газовый.

5. От чего зависит скорость ракеты?

А. Массы ракеты. Б. Массы газов. В. От силы притяжения к Земле. Д. отношения массы ракеты и массы газов.

6. Итоги урока

Итак мы вернулись обратно.

Мир познаний многолик и ярок,

Свет его и удивляет и манит.

Любое русское открытие - подарок,

Любое русское открытие – динамит.

Циолковский, Королев, Гагарин.

Вот имена людей потрясших мир.

Труды и помыслы у них нетленны

Российская наука помнит их.

7. Домашнее задание:

Ответить на вопросы к §43, 44

Используемая литература:

1. В.Н. Мощанский, Е.В. Савелова, “История физики в средней школе”,-  М. “Просвещение” 1981
2. Александр Ивич “Приключения изобретений”,-  М. “Детская литература”,1990
3. А.С. Иванов, А.Т. Проказа “Мир механики и техники”, -  М. “Просвещение”, 1993
4. О.Ф. Кабардин, В.А. Орлов, А.В. Пономарева, «Факультативный курс физики 8», -  М. “Просвещение”, 1985
5. статья Я.И.Перельмана «Из истории воздухоплавания. Летательная машина Кибальчича» ,-«Красная нива», 1931, № 8
6. Ирена Стульпинене «Физика языком сердца»( Приложение к курсу физики средней школы для духовно-нравственного воспитания), - Донецк «ВЕБЕР», 2008 

1.      Что означает слово «импульс» в переводе с латинского языка?

(пульс,    толчок,     имитация пульса)

2.      Какой термин можно использовать вместо слова «импульс»?

(количество движения,     движение,       толкание тела)

3.      Когда была введена в науку физическая величина “импульс тела”?

(начало 20 в,     начало 19 в,      начало 17 в)

4.      Назовите единицу измерения импульса тела  в системе СИ.

(Н*м,      кг*м,      кг*м/с)

5.      Как направлен импульс тела?

(в сторону движения тела,                             в сторону противоположную движения тела,            не имеет направления)

6.      Что называется импульсом тела?

(величина равная произведению массы тела на его скорость,                                               величина равная отношению массы тела к его скорости,                                                              величина равная произведению массы тела на его ускорение)

7.      Формула, выражающая импульс тела.

(р = m * g ,            p = m * F ,                 p = m * V)

8.      Кем был окончательно сформулирован закон сохранения импульса?

(Ньютоном,            Циолковским,                         Галилеем)

9.      Формула, выражающая закон сохранения импульса.

(p ₁ ^/ + p ₂ ^/ = p ₁ + p_2,                    p ₁ ^/ + p ₁  = p ₂ ^/+ p₂ ,                         p ₁  + p ₂ = v ₁ + v₂ )

10.  Запись, выражающая закон сохранения импульса для данного примера.

(m ₁V₁ + m₂V₂ = m*V ,               m ₁V₁ + m₂V₂ = (m₁+m₂)*V,             (m ₁+ m₂ )V₁ = m(V₁+V₂) )

Задача – вариант №1

Человек массой 40 кг, бегущий со скоростью 5 м/с, догоняет тележку массой 20 кг, движущуюся со скоростью 2 м/с, и вскакивает на неё. С какой скоростью они продолжают движение?

Задача – вариант №2

Два шарика массой 0,5 кг и 1 кг движутся навстречу друг к другу со скоростями 7 м/с и 8 м/с. Какой будет их скорость, если после столкновения они движутся как единое целое?

1.  В

2.  Г

3.  Б

4.  Б

5.  Г