Конспект урока по физики на тему Реактивное движение 9 класс

Тема: Реактивное движение.

Цель: Познакомится с особенностями и характеристиками реактивного движения, историей его развития.

Развивающая цель: развитие познавательных интересов, интеллектуальных и творческих способностей, с самостоятельности в приобретении новых знаний, при решении физических задач и выполнении экспериментальных исследований.

Воспитательная цель: воспитание убежденности в возможности познания законов природы, в необходимости, разумного использования достижений науки и технологий, для дальнейшего развития человеческого общества, уважения к творцам науки и техники; отношения к физике как к элементу общечеловеческой культуры.

Ход урока:

1. Оргмомент;

2. Проверка домашнего задания:

А) работа по карточкам ( проверка знаний по пройденной теме «Импульс, закон сохранения импульса», 10 вариантов.)

Импульс тела. Закон сохранения импульса. Вариант 1. 1.Мяч массой зоо г, летящий со скоростью 10 м/с, после удара о пол движется вверх с такой же по модулю скоростью. Найдите изменение импульса. 2. Снаряд массой 100 кг, летящий горизонтально со скоростью 500 м/с, попадает в вагон с песком массой 10 т и застревает в нем. Какую скорость приобретет вагон, если он двигался навстречу снаряду со скоростью 10 м/с?

Импульс тела. Закон сохранения импульса. Вариант 2. Определите изменение импульса автомобиля массой 2,5 т при увеличении его скорости от 54 до 90 км/ч. Два шара массами m1 = 100 г и m2 = 200г движутся навстречу друг другу. С какой скоростью будут двигаться эти шары и в какую сторону, если после удара они движутся как единое целое? Скорости шаров соответственно равны V1= 4 м/с и V2 =3 м/с.

Импульс тела. Закон сохранения импульса. Вариант 3. Мяч массой 400 г, летящий со скоростью 60 м/с, был остановлен вратарем. Определите силу удара, если время остановки мяча 0,1 с. Мальчик массой 30 кг, стоя на коньках, горизонтально бросает камень 1 кг. Начальная скорость камня 3 м/с. Определите скорость мальчика после броска.

Импульс тела. Закон сохранения импульса. Вариант 4. Скорость парашютиста уменьшилась от 50 до 10 м/с. Определите среднюю силу удара при раскрывании парашюта, если время торможения 0, 4 с. Человек массой 70 кг, бегущий со скоростью 6 м/с, догоняют тележку массой 100 кг, движущейся со скорость. 1 м/с, и вскакивает на нее. Определите скорость тележки с человеком.

Импульс тела. Закон сохранения импульса. Вариант 5. На автомобиль массой 1,4 т действует в течении 10 с сила тяги 4200 Н. Определите изменение скорости автомобиля. Чему равна скорость отдачи ружья массой 4 кг при вылете из него пули массой 5 г со скоростью 300 м/с

Импульс тела. Закон сохранения импульса. Вариант 6. Спортсмен массой 70 кг, прыгая в высоту, приобретает во время толчка за 0,3 с скорость 6 м/с. Определите силу толчка. Железнодорожный вагон массой 10 т, движущийся по горизонтальному пути со скоростью 20 м/с, сталкивается с неподвижной платформой массой 5 т. С какой скоростью будут двигаться вагон и платформа после того, как сработает автосцепка?

Импульс тела. Закон сохранения импульса. Вариант 7. В момент удара на волейбольный мяч массой 300 г подействовали силой 300 Н в течении 0, 05 с. Определите приобретенную мячом скорость. Снаряд массой 30 кг, летящий горизонтально со скоростью 300 м/с, попадает в вагонетку с песком массой 1,2 т и застревает в песке. С какой скоростью будет двигаться вагонетка, если до попадания снаряда она двигалась со ск4оростью 2 м/с в направлении движения снаряда?

Импульс тела. Закон сохранения импульса. Вариант 8. Футболист ударяет по мячу массой 500 г, летящему на него со скоростью 14 м/с. Столкновение длится 0, 02 с. Определите среднюю силу, действующую на мяч во время удара. Снаряд, летящий со скоростью 500 м/с, разорвался на два осколка. Скорость первого осколка массой 5 кг возросла на 200 м/с в направлении движения снаряда. Определите скорость второго осколка, если его масса 4 кг.

Импульс тела. Закон сохранения импульса. Вариант 9. 1.Мяч массой 100 г, имеющий скорость 20 м/с, удаляется о стенку. Найдите среднюю силу, действующую со стороны стенки на мяч, если мяч соприкасался со стенкой в течение 0,2 с. Считать удар абсолютно упругим 2. С тележками, движущейся горизонтально со скоростью 3 м/с, в противоположную сторону прыгает человек массой 70 кг, после чего скорость тележки стала равной 4 м/ч. Определите скорость человека при прыжке, если масса тележки 210 кг..

Импульс тела. Закон сохранения импульса. Вариант 10. Пловец массой 100 кг способен оттолкнутся от края бассейна с силой 2,6 кН. Какую максимальную скорость можно приобрести при таком толчке за 0,1 с? Снаряд массой 100 кг, летящий горизонтально со скоростью 500 м/с, попадает в вагон с песком 10 т и застревает в нем . Какую скорость приобретает вагон, если он двигался со скоростью 10 м/с в том же направлении, что и снаряд?

Б) фронтальный опрос по физическим величинами единицам измерения.

В) краткий опрос по теме «Импульс, закон сохранения импульса».

• Всегда ли удобно пользоваться законами Ньютона для описания взаимодействия тел?

• Что такое импульс?

• Куда направлен вектор импульса?

• Сформулируйте закон сохранения импульса тела.

• Кто открыл закон сохранения импульса?

• Как проявляется закон сохранения импульса тела при столкновении тел?

Г) тест для учеников, плохо успевающих по предмету

Импульс тела. Закон сохранения импульса

Вариант 1

1. Тележка массой 200 г движется равномерно по горизон­тальной поверхности стола со скоростью 2 м/с. Чему равен ее импульс?

А. 0,4 кг м/с. Б. 0,2 кг-м/с. В. 4 кг м/с.

2. Два корабля с одинаковыми массами т₁ = т₂ движутся со скоростями v и 3v относительно берега. Определите импульс второго корабля в системе отсчета, связанной с первым кораб­лем, если корабли идут параллельными курсами в одном на­правлении.

А. 3 mv. Б. 2 mv. В. mv.

3. Пуля массой 10 г пробивает стену. Скорость пули при этом уменьшилась от 800 до 400 м/с. Найдите изменение импульса пули.

А. 4 кг-м/с. Б. 40 кг-м/с. В. 2 кг -м/с.

4. С лодки массой 200 кг, движущейся со скоростью 1 м/с, выпал груз массой 100 кг. Какой стала скорость лодки?

А. 1 м/с. Б. 0,5 м/с. В. 2 м/с.

5. Шарик массой т движется со скоростью v и сталкивается с таким же неподвижным шариком. Считая удар абсолютно уп­ругим, определите скорости шариков после столкновения.

A. v₁ = 0; v₂ = v. Б. v₁ = 0; v₂ = 0. В. v₁ = v; v₂ = v.

Вариант 2

1. Мяч массой 500 г летит со скоростью 5 м/с. Чему равен им­пульс мяча?

А. 0,5 кг-м/с. Б. 2,5 кг-м/с. В. 2 кг-м/с.

2. Два корабля с одинаковыми массами т₁ = т₂ движутся со скоростями v и 3v относительно берега. Определите импульс

второго корабля в системе отсчета, связанной с первым кораб­лем, если корабли идут параллельными курсами в противопо­ложных направлениях.

A. 3mv. Б. mv. В. 4mv.

3. Мяч массой 300 г движется с постоянной скоростью 2 м/с и ударяется о стенку, после чего движется обратно с такой же по модулю скоростью. Определите изменение импульса мяча.

А. 1,2 кг-м/с. Б. 2 кг «м/с. В. 4 кг «м/с.

4. Снаряд массой 40 кг, летящий горизонтально со скоростью 400 м/с, попадает в неподвижную платформу с песком массой 10 т и застревает в песке. С какой скоростью стала двигаться платформа?

А. 20 м/с. Б. 1,6 м/с. В. 400 м/с.

5. Шарик массой т движется со скоростью v и сталкивается с таким же неподвижным шариком. Считая удар абсолютно не­упругим, определите скорости шариков после столкновения.

A. v₁= v₂ = 0. Б. v₁ = v₂ = 0,5 v. В. v₁= v₂ = 2v.

1. Изучение нового материала.

Реактивное движение – это один из видов механического движения.

Закон сохранения импульса имеет большое значение для исследования реактивного движения.

Эксперимент 1.

Две тележки, которые двигаются друг на друга, пусть их скорости V₀₁ и V₀₂, а массы m₁ и m₂ ( силой трения, тяжести) данную систему тел считать замкнутой.

По III- закону Ньютона.

→ → → →

F₁= - F₂ ; m₁a_{1 =} - m₂a₂ ;

m₁ V₁ + m₂ V₂ = m₁ V_{01 +} m₂ V₀₂ – закон сохранения импульса.

Суммарный импульс замкнутой системы тел остается постоянным при любых взаимодействиях тел системы между собой.

Закон сохранения импульса выполняется для любых систем – будь то космические тела, атомы или элементарные частицы.

Эксперимент 2. Надувание резинового воздушного шарика. Шарик стремится вверх.

Эксперимент 3. Пробьем банку гвоздем, а напротив отверстия сделаем еще одну дырку, дырки должны быть косыми. Нальем воду. Банка придет в движение. Это пример реактивного движения. (Сегнерово колесо)

Определение: Реактивное движение - это движение, возникающее при отделении от тела с некоторой скоростью какой – либо его части.

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.

Эксперимент 4. Г – образная трубка отклоняется в сторону, противоположную направлению струи .( после демонстрации учитель задает вопросы)

- за счет чего возникает такое движение?

- почему отклоняется трубка?

– почему взлетает воздушный шарик?

- почему движется ракета?

Согласно III – з - ну Ньютона

→ → →

F₁= - F₂ ; где F_{1 –} сила с которой ракета действует на раскаленные газы, а

→

F2 – сила с которой газы отталкивают от себя ракету. Модули этих сил равны. F₁= F₂

F₂ – является реактивной силой. Рассчитаем скорость, которую может приобрести ракета.

Если импульс выброшенных газов равен m_г V_г , импульс ракеты m_р V_р, то из закона сохранения импульса получим:

m_р V_{р, =} m_г V_{г; отсюда следует} V_р= m_г V_г/ m_р. Скорость ракеты тем больше, чем больше скорость истечения газов , и чем больше отношение mг / mр.

Эта формула справедлива только в случае мгновенного сгорания топлива , а это взрыв.

Современные технологии производства ракетоносителей не могут позволить превысить скорость в 8 – 12 км/с. Для третей космической скорости 16, 4 км/с, необходимо, чтобы масса топлива превосходила массу оболочки носителя почти в 55 раз, что на практике реализовать не возможно. Следовательно нужно искать другие способы построения ракетоносителей. Возможно и другие виды силовых двигателей.

1. Заслушивание докладов учащихся о жизни и научной деятельности

С.Г. Королева; К.Э Циолковского; Ю.А. Гагарина; первый человек на Луне; ракеты; применение реактивного движения.

Дополнительный материал

С. П. Королев (1907-1966)

Теоретик космонавтики, конструктор, организатор

Сергей Павлович Королев родился 30 декабря 1906 г. (по новому стилю - 12 января 1907 г.) в Житомире. Его отец Павел Яковлевич был учителем словесности. После того как отца перевели в Киев, мать Сергея, Мария Николаевна вместе с ним уехали к ее родителям в Нежин. В 1916 году Мария Николаевна развелась с первым мужем, после чего вышла замуж за инженера Григория Михайловича Баланина. Их семья переезжает в Одессу.

В замечательном приморском городе прошли отрочество и юность Сергея.

В 1922 году пятнадцатилетний Сергей Королев пошел в двухгодичную професси­ональную школу № 1, куда брали и подростков. Там преподавали очень сильные учи­теля. За 2 года Сергей получил настоящее среднее образование.

В 17 лет Королев уехал учиться в Киевский политехнический институт. К тому времени Сергей уже спроектировал свой первый планер, Проект легкомоторного двух­местного самолета СК-И (по первым буквам его имени и фамилии) был построен и проходил летные испытания.

В 1929 г. Королев окончил МВТУ, получив профессию инженера-аэромеханика, а в 1930 он без отрыва от производства окончил Московскую школу летчиков.

В 1932 г. Сергей Королев женился на Ксении Винцентинц, с которой учился в Одессе. В этом же году Королев вместе с Цандером организует одну из первых в СССР ракетных организаций - группу изучения реактивного движения (ГИРД) при Цент­ральном Совете Осоавиахима.

В 1933 г. открывается Реактивный научно-исследовательский институт (РНИИ). В него входят РИРД и Ленинградская Газодинамическая лаборатория (ГДЛ).

Сергей Павлович Королев был назначен заместителем начальника института. Че­рез полтора года Королева по личному указанию Н. Бухарина освобождают от обя­занностей зам. директора и направляют старшим инженером в группу. В 1938 г. это спасло Королева, когда начальник института Клейменов и Лангемах получили смерт­ный приговор, а Королев - «всего лишь» срок.

В 1934 г. вышла первая и единственная книга Сергея Королева. Книга называлась «Ракетный полет в стратосфере».

В конце октября 1935 г. научно-технический совет РНИИ представил Королева к званию профессора по специальности «Крылатые и бескрылые ракеты». Но экспертная машиностроительная комиссия отклонила присвоение научного звания профессора.

В 1938 г. во время стендовых испытаний ракеты «212», Королев получает ранение в голову. Он долго лечился в Боткинской больнице.

Накануне 2-ой Мировой войны он участвует в создании самолета «ТУ-2». В 1957 г. Королев участвует в запуске первого искусственного спутника.

К.Э. Циолковский

В сочинениях К. Циолковского была развернута далекая программа оккупации мировых пространств. В его книгах предусмотрено (и не только для первых шагов) практически все: подготовка к полету, старт, сам полет, последующая многоплановая работа космонавтов. На удивление прозорливо, двже пророчески, расписаны поведе­ние корабля и «пассажиров», маневры, условия, какие сбудутся по мере погружения в космос, режимы работ и т. д. Заглянул ученый и в дальние дали наступления на кос­мос, когда начнется его обживание... Словом, написана подлинная «космическая эн­циклопедия», своего рода руководство к внеземному способу жизни.

Удивляет, сколь точно наш великий земляк определил не только общий контур прорыва в космос, но и его конкретные детали. Не случайно, что космонавты обраща­лись к нему за разъяснениями, тщательно изучая его работы.

1961 год. В Московском Доме ученых - пресс-конференция. В набитом до краев зале держит речь первый космонавт Земли. Его спрашивают о том, насколько разош­лись представления, которые он имел, с тем, что произошло в деле? «В книге Циолков­ского очень хорошо описаны факторы космического полета, и те факторы, с которыми я встретился, почти не отличались от описания», так ответил Ю. Гагарин, и далее, расска­зывая о впечатлениях, особенно про невесомость, летчик засвидетельствовал: «Я про­сто поражен, как правильно мог предвидеть наш замечательный ученый то, с чем дове­лось встретиться, что пришлось испытать на себе!» К. Циолковский смоделировал даже ощущения, которые должны испытывать космонавты. Их подтвердил Ю. Гагарин.

Ничего удивительного, что и конструкторы, снаряжая космические ракеты, «рас­спрашивали» К. Циолковского. Так, предвидя серьезные стартовые нагрузки, он по­советовал укладывать космонавтов в жидкость. Отлично! В 1958 году американцы принялись искать, как уберечься от перегрузок. В современной литературе ничего под­ходящего. Тут и выручил русский мечтатель. По наброскам Циолковского в США скон­струировали гидрокомбинезон весом в 326 килограммов. Залили водой, установили на центрифуге и провели испытания. Все точно: в такой «одежде» человек способен перенести тридцатикратные нагрузки в течение 30 секунд. Результаты легли в основу действующей на корабле конструкции. Нашла поддержку и другая мысль Циолковс­кого - собирать испаряемую космонавтами воду и, охладив, снова запускать ее в дело.

Ракеты

Ракеты изначально использовались в качестве оружия. Сегодня эти мощные ги­гантские аппараты служат для полетов человека в космос и доставки на орбиту искус­ственных спутников и различного оборудования. Однако ракеты с боеголовками по-прежнему угрожают жизни на Земле.

Первые ракеты были запущены около 800 лет назад. В начале XIII в. их использо­вали китайцы против монголов. Как и в современном фейерверке, движущей силой китайских ракет служил пороховой заряд. Прикрепленные к копьям или стрелам ра­кеты представляли собой устрашающее оружие. Монголы были настолько потрясе­ны, что создали свои собственные ракеты для войны с рабами. К середине XIII в. раке­ты были и у арабов. Французские крестоносцы привезли их в Европу.

Ракеты в Европе

В 1429 г. французские войска под командованием Жанны д'Арк с помощью ракет отстояли Орман в сражении против британцев. Но вскоре ракеты были вытеснены более точным оружием - пушками.

Начиная с XVI в. ракеты использовались в праздничных фейерверках, сначала в Италии, а затем и в других европейских странах. И только в конце XVIII в. они вновь были применены в боевых действиях. В 1792 г. британские войска, воевавшие в Ин­дии, подверглись обстрелу небольшими металлическими ракетами. Их эффективность оказалась настолько высокой, что полковник Конгрев решил создать ракетное ору­жие для британских войск. К 1804 г. он превратил простую ракету в крайне разруши­тельное оружие с фугасной или зажигательной боевой частью. Но точность попада­ния этого оружия оставалась низкой примерно до 1844 г., когда англичанин Уильям Хейл изобрел метод стабилизации: изогнутые лопатки в сопле заставляли ракету вра­щаться во время полета, что придало ей устойчивость.

Дальность полета

. Дальность полета всегда была слабым местом ракет. Чтобы она летела дальше, мож­но увеличить размеры для размещения большего количества пороха или другого вида топлива. Но при этом возрастает вес ракеты, и становится труднее привести в движе­ние, а дальность все равно остается ограниченной.

Решение данной проблемы предложил француз Фрезье, а осуществил английс­кий полковник Боксер в 1855 г. Идея заключалась в последовательном соединении двух ракет. Когда задняя секция выгорала, пирозаряд отстреливал ее и воспламенял топливо передней секции. Эта многоступенчатая конструкция обеспечивала большую дальность полета, чем одноступенчатая ракета той же массы, так как лишь часть ис­ходного реактивного снаряда должна была достичь цели.

Русский ученый Константин Циолковский осознал важность многоступенча­тых ракет и уже в 1883 г, доказал, что с их помощью можно осуществлять полеты в космос. Но до полетов в космос было еще далеко, и ракеты использовались для других целей.

Во время первой мировой войны (1914-1918) Англия сбивала немецкие дирижабли неуправляемыми ракетами. После окончания войны, в результате неослабевающего интереса к ракетостроению, вызванного работами Циолковского, СССР первым офи­циально поддержал развитие военной ракетной техники. В 1929 г. исследовательские работы начали проводиться в Ленинградской лаборатории газодинамики. В 1933 г. эта организация вместе с московской группой изучения реактивного движения (ГИРД) создала ракету с жидкостным ракетным двигателем (ЖРД), установившую рекорд вы­соты (5,6 км) в 1936 г. В 1927 г. группа немецких инженеров организовала Общество космических полетов. Под давлением нацистов эта организация была распущена в 1934 г., но отдельные ученые предложили свои исследования для военных целей. Так были заложены основы лидерства Германии в ракетной технике в ходе Второй мировой вой­ны (1939-1945). Самым выдающимся немецким конструктором ракет в годы войны был Вернер фон Браун, создавший первую в мире баллистическую ракету «Фау-1», примененную для обстрела Англии в 1944-1945 гг.

Применение реактивного движения

(на примере межконтинентальной баллистической ракеты)

В течение многих веков человечество мечтало о космических полетах. Писатели-фантасты предлагали разнообразные средства для достижения этой цели. В XVII веке появился рассказ французского писателя Сирано де Бержерана о полете на Луну.

Но ни один ученый, ни один писатель-фантаст за многие века не смог назвать сред­ства, позволяющего улететь человеку в космос. Это смог осуществить русский ученый 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.

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?

Каждый знает, что выстрел из ружья сопровождается отдачей. Если бы вес пули равнялся бы весу ружья, они бы разлетелись с одинаковой скоростью. Отдача проис­ходит потому, что отбрасываемая масса газов создает реактивную силу, благодаря ко­торой может быть обеспечено движение, как в воздухе, так и в безвоздушном про­странстве. И чем больше масса и скорость истекающих газов, тем большую силу отдачи ощущает наше плечо, чем сильнее реакция ружья, тем больше реактивная сила. Это легко объяснить из закона сохранения импульса, который гласит, что геометрическая (т. е. векторная) сумма импульсов тел, составляющих замкнутую систему, остается постоянной при любых движениях и взаимодействиях тел системы.

Как выглядит в общих чертах современная ракета сверхдальнего действия? Это многоступенчатая ракета, в головной части ее размещается боевой заряд, позади него - приборы управления, баки и, наконец, двигатель. В зависимости от топлива старто­вый вес ракеты превышает вес полезного груза в 100-200 раз! Поэтому весит она много десятков тонн, а в длину достигает высоты десятиэтажного дома.

Конструкция ракеты должна отвечать ряду требований. Очень важно, чтобы сила тяги проходила через центр тяжести ракеты. В этом случае, если не выполнить этого условия, то ракета может отклониться от заданного курса или даже начать вращатель­ное движение.

Каждая ступень ракеты работает в совершенно различных условиях, которые и определяют ее устройство. Мощность каждой следующей ступени и время ее действия меньше, поэтому и конструкция может быть проще.

В настоящее время двигатели баллистических ракет преимущественно работают на жидком топливе. В качестве горючего обычно используют керосин, спирт, гидра­зин, анилин, а в качестве окислителей - азотную и хлорную кислоты, жидкий кисло­род и перекись водорода. Очень активными окислителями являются фтор и жидкий озон, но из-за крайней взрывоопасное™ они пока находят ограниченное применение.

Наиболее ответственной частью ракеты является двигатель, а в нем - камера сго­рания и сопло. Здесь используются особо жаропрочные материалы и сложные методы охлаждения. Достаточно сложны и остальные агрегаты. Например, насосы, которые подавали горючее и окислитель к форсункам камеры сгорания, уже в ракете ФАУ-2 были способны перекачивать 125 кг топлива в секунду. В ряде случаев вместо балло­нов применяют баллоны со сжатым воздухом или каким-нибудь другим газом, кото­рый вытесняет горючее из баков и гонит в камеру сгорания.

Запускается ракета со специального стартового устройства. Стартуя вертикально, ракета наклоняется и описывает почти эллиптическую траекторию.

Данное описание ракеты соответствует уровню развития науки и техники 60-х го­дов. Однако это общие свойства, присущие всем ракетам.

5. Закрепление изученного материала.

- Какое движение называется реактивным?

- Верно ли утверждение : для осуществления реактивного движения не требуется взаимодействия с окружающей средой?

- На каком законе основано реактивное движение?

- От чего зависит скорость ракеты?

- Когда и где был запущен первый искусственный спутник земли?

6. Д/з § 23 – выучить + решение задачи упражнения 22.

7. Итоги урока.

Познакомились с особенностями и характеристикой реактивного движения, историей его развития. Узнали на каком законе основан принцип реактивного движения и от чего зависит скорость ракеты. Повторили закон сохранения импульса, понятие импульса, единицы измерения пройденных физических величин и основных формул курса 9 класса. Прослушали доклады о развитии космонавтики ракетостроения. Обсудили оценки за урок.