Реактивное движение - Динамика

Цели: ознакомиться с особенностями и характеристиками реактивного движения, историей его развития.

Демонстрации: взаимодействие Г-образной трубки с движущейся водой в ней; движение воздушного шарика при выходе воздуха из него; схема реактивного движения на плакатах.

Ход урока

I. Повторение

Поскольку тема реактивного движения основана на глубоком понимании закона сохранения импульса, то в начале урока следует повторить весь материал, изученный по данной теме. Можно провести краткий опрос:

- 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?

и так далее.

Задачи, заданные на дом для самостоятельного решения, достаточно простые и на проверке их решений можно не останавливаться.

II. Изучение нового материала

План изложения нового материала:

1. Определение реактивного движения.

2. Демонстрация видов реактивного движения.

3. Расчет скорости движения тела при реактивном движении.

4. Доклады учеников о жизни и деятельности К. Э. Циолковского и С. П. Королева.

1. Начало изложения нового материала предполагает определение реактивного движения как одного из видов механического движения.

Движение, которое возникает как результат отделения от тела какой- либо части, либо как результат присоединения к телу другой части, называется реактивным движением.

На данном принципе работают реактивные самолеты и ракеты. Сила тяги обеспечивается реактивной тягой струи раскаленных газов.

Каракатицы, осьминоги при движении в воде также используют реактивный принцип перемещения. Набирая в себя воду, они, выталкивая ее, приобретают скорость, направленную в сторону, противоположную направлению выброса воды.

2. Простейшим примером реактивного движения является подъем воздушного шарика при выходе воздуха из него (учитель демонстрирует движение шарика).

В опыте с Г-образной трубкой учащиеся наблюдают, как трубка отклоняется в сторону, противоположную направлению струи.

3. После демонстрации опытов учитель задает вопрос:

- За счет чего возникает такое движение?

- Почему отклоняется трубка? Почему взлетает воздушный шарик?

- Почему движется ракета?

Согласно Третьему закону Ньютона сила F₁, с которой ракета действует на раскаленные газы, равна силе F₁, с которой газы отталкивают от себя ракету.

F₁ = F₂.

Именно сила F₂ и является реактивной силой. Рассчитаем скорость, которую может приобрести ракета.

Если импульс выброшенных газов равен m_гv_г, а импульс ракеты m_pv_p, то можно получить:

Откуда:

Таким образом, скорость ракеты тем больше, чем больше скорость истечения газов, и чем больше отношение

Ясно, что выведенная формула справедлива только для случая мгновенного сгорания топлива. Такого быть не может, так как мгновенное сгорание - это взрыв. На практике масса топлива уменьшается постепенно, поэтому для точного расчета используют более сложные формулы.

В заключение 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. Возможно, и другие виды силовых двигателей.

4. Следует обратить внимание учеников на роль К. Э. Циолковского в развитии взглядов на теорию ракетостроения и освоения космического пространства.

В конце урока заранее подготовленные ученики делают сообщения о жизни и научной деятельности К. Э. Циолковского и С. П. Королева.

Остальные учащиеся, по возможности, дополняют выступления.

Домашнее задание

1. § 12 учебника; вопросы и задания к параграфу.

2. Желающие могут подготовить доклады по теме «Развитие ракетной техники».

3. Задачи и упражнения (учебник, с. 126) № 71-72.

4. Экспериментальное задание. Вертящаяся спираль.

Из очень тонкой проволоки сверните небольшую спираль, слегка смочите ее маслом и положите на воду с помощью вилки. Потом наберите несколько капель мыльного раствора в пипетку или же в соломинку.

Уроните капельку раствора в центр спирали. Сейчас же спираль завертится. Когда вращение прекратится, пустите еще одну каплю. Спираль завертится снова!

- Почему спираль приходит в движение?

- Почему она вертится в сторону, обратную той, куда вытекает мыльный раствор?

Дополнительный материал

Реактивный и ракетный двигатели

В реактивном двигателе воздух вначале входит в компрессор (подобие вентилятора), расположенный в его передней части. В компрессоре воздух сжимается и нагнетается в камеру сгорания, где смешивается с топливом. Смесь загорается, образуются раскаленные газы, которые устремляются в заднюю часть двигателя. Выходящие газы толкают его - и вместе с ним самолет - вперед, точно так же, как воздух толкает надутый шарик, если его отпустить, не перевязав отверстие.

Ракетный же двигатель может работать и там, где нет воздуха. Он функционирует на твердом топливе, которое быстро сгорает, образуя при этом большое коли- . чество горящего газа. Газовая струя выбрасывается наружу и, как и в предыдущем случае, толкает самолет в противоположном направлении.

Самая большая ракета и другие рекордсмены среди космических аппаратов

Чтобы оказаться в космосе, летательному аппарату необходимо преодолеть силу i земного притяжения. Для этого он должен достичь скорости, по крайней мере, 28500 км/ч, что в 10 раз превышает скорость пули, вылетающей из ствола винтовки.

Обеспечить ее могут только необычайно мощные ракетные двигатели.

Первые ракеты, созданные в 1926 г. американским изобретателем Робертом Годдардом, были высотой всего 1 м. Высота советской ракеты «Восток», которая более 30 лет спустя доставила на орбиту первый искусственный спутник, составляла уже 33 м. В 1969 г. для запуска космического корабля «Аполлон», направлявшегося к Луне, была использована американская ракета «Сатурн-5». Эта ракета высотой 111 м по размеру могла сравниться с 30-этажным небоскребом, и была самой большой ракетой за всю историю космонавтики. Помещение, в котором собиралась ракета, было таким огромным, что в нем пришлось оборудовать специальную установку для кондиционирования воздуха, чтобы под потолком не образовывались облака, и внутри не шел дождь!

Мощность «Сатурна-5» в 50 раз превосходила самолет «Боинг-747». В настоящее время самой мощной ракетой является российская «Энергия». Четыре ее двигателя позволяют доставлять на околоземную орбиту Груз, равный весу 24 легковых автомобилей. «Энергия» предназначена для запуска кораблей многоразового использования и, возможно, даже для запуска космического корабля на Марс.

Пионеры космоса

В январе 1993 г. американская межпланетная станция «Пионер-10» находилась за 8,5 миллиарда километров от Земли. Даже на таком расстоянии до нас все еще доходят ее радиосигналы. На случай, если «Пионер» встретится на пути с представителями внеземной цивилизации, на станцию поместили металлический диск, иа котором показано, откуда она была запущена. В настоящее время «Пионер-10» является самым удаленным от Земли искусственным объектом.

Первая в мире ракета была запущена 16 марта 1926 г. американским изобретателем Робертом Годдардом. Ее двигатель работал на жидком топливе. Высота ракеты составляла 12,5 м.

Первая ракета дальнего действия, немецкая V-2, была построена в 1942 г. Она была высотой 14 м и имела дальность полета 320 м.

Советская ракета «Восток» доставила на орбиту первый искусственный спутник. Он был запущен 4 октября 1957 г. и оставался на орбите 92 дня.

Американский корабль «Колумбия», отправившийся в свой полет в ноябре 1981 г., стал первым в мире транспортным кораблем.