Конспект урока Реактивное движение. Ракеты

Реактивное движение. Ракеты. Обобщение материала.

Цели урока: Р - развитие логического мышления и представлений о видах материи;

Д - формирование знаний об импульсе тела, замкнутой системе, законе сохранения импульса, реактивном движении;

В - воспитание положительного отношения к изучению физики.

План урока.

1. Опрос по предыдущей теме.

2. Объяснение нового теоретического материала.

3. Закрепление изученного материала. Домашнее задание.

Содержание материала.

1) Что называется импульсом тела?

2) Почему импульс векторная величина?

3) Назовите единицы измерения импульса тела в СИ?

4) В чем заключается закон сохранения импульса?

5) При каких условиях выполняется этот закон?

6) Какую систему называют замкнутой?

7) Почему происходит отдача при выстреле из ружья?

8) Любое ли тело может обладать импульсом?

9) Может ли импульс тела быть равным нулю?

Закон сохранения импульса проявляется в реактивном движении.

У Андрея Петрова есть такое стихотворение" Кальмар".

Наберёт он в рот воды,
Чтобы не было беды,
Изо всех силёнок дунет,
На врага водою плюнет
И мгновенно удерёт,
Как ракетный самолёт!
Как же происходит их движение?

Наверняка многие из вас наблюдали, как приходит в движение надутый воздухом воздушный шарик, если развязать нить, стягивающую его отверстие.

Объяснить это явление можно с помощью закона сохранения импульса. Пока отверстие шарика завязано, шарик с находящимся внутри сжатым воздухом покоится, и его импульс равен нулю. При открытом отверстии из него с довольно большой скоростью вырывается струя сжатого воздуха. Движущийся воздух обладает некоторым импульсом, направленным в сторону движения воздуха.

Согласно действующему в природе закону сохранения импульса суммарный импульс системы, состоящей из двух тел - шарика и воздуха в нем, - должен остаться таким же каким был до начала истечения воздуха, т. е. равным нулю. Поэтому шарик начинает двигаться в противоположную струе сторону с такой скоростью, что его импульс равен по модулю импульсу воздушной струи.

Векторы импульсов шарика и воздуха направлены в противоположные стороны. В результате суммарный импульс взаимодействующих тел остается равным нулю. Движение шарика является примером реактивного движения.

Реактивное движение - движение тела за счет отделения от него части тела, в результате чего само тело приобретает противоположно направленный импульс.

Принцип реактивного движения широко применяется в авиации и космонавтике. Вы знаете, что принцип реактивного движения находит широкое практическое применение в авиации и космонавтике. В космическом пространстве нет среды, с которой тело могло бы взаимодействовать и тем самым изменять направление и модуль своей скорости. Поэтому для космических полетов могут быть использованы только реактивные летательные аппараты, т.е. ракеты.

Рассмотрим вопрос об устройстве и запуске так называемых ракет-носителей, т.е. ракет, предназначенных для вывода в космос искусственных спутников Земли, космических кораблей, автоматических межпланетных станций и других полезных грузов.

В любой ракете, независимо от ее конструкции, всегда имеется оболочка и топливо с окислителем.

На рисунке 2 изображена ракета в разрезе. Мы видим, что оболочка ракеты включает в себя полезный груз (в данном случае это космический корабль), приборный отсек и двигатель (камера сгорания, насосы и пр.).

Основную массу ракеты составляет топливо с окислителем (окислитель нужен для поддержания горения топлива, поскольку в космосе нет кислорода).

Топливо и окислитель с помощью насосов подаются в камеру сгорания. Топливо, сгорая, превращается в газ высокой температуры и высокого давления, который мощной струей устремляется наружу через раструб специальной формы называемый соплом. Назначение сопла состоит в том, чтобы повысить скорость струи газов.

С какой целью увеличивают скорость выхода струи газа? Дело в том, что от этой скорости зависит скорость ракеты. Это можно показать с помощью закона сохранения импульса.

Для простоты рассуждений будем пока считать, что ракета представляет собой замкнутую систему (т. е. не будем учитывать действие на нее силы земного притяжения).

Поскольку до старта импульс ракеты был равен нулю, то по закону сохранения суммарный импульс движущейся оболочки и выбрасываемого из нее газа тоже должен быть равен нулю. Отсюда следует, что импульс оболочки и направленный противоположно ему импульс струи газа должны быть равны друг другу по модулю. Значит, чем с большей скоростью вырывается газ из сопла, тем больше будет скорость оболочки ракеты.

С какой скоростью движется оболочка ракеты? Запишем закон сохранения импульса для замкнутой системы двух тел: газа и оболочки.

Помимо скорости истечения газа существуют и другие факторы, от которых зависит скорость движения ракеты.
Ясно, что выведенная формула справедлива только для случая мгновенного сгорания топлива. Мгновенное сгорание - это взрыв, такого быть не может. На практике масса топлива уменьшается постепенно, поэтому точного расчета используются более сложные расчеты.

Мы рассмотрели устройство и принцип действия одноступенчатой ракеты, где под ступенью подразумевается та часть, которая содержит баки с горючим и окислителем и двигатель.

Современные технологии производства ракетоносителей не могут позволить превысить скорости 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 невозможно. Для этого используют многоступенчатые ракеты, развивающие гораздо большие скорости, и предназначенные для более дальних полетов, чем одноступенчатые.

На рисунке 3 показана схема трехступенчатой ракеты. После того как топливо и окислитель первой ступени будут полностью израсходованы, эта ступень автоматически отбрасывается и в действие вступает двигатель второй ступени.

Уменьшение общей массы ракеты путем отбрасывания уже ненужной ступени позволяет
сэкономить топливо и окислитель и увеличить скорость ракеты. Затем таким же образом отбрасывается вторая ступень.
Если возвращение космического корабля на Землю или его посадка на какую-либо другую планету не планируется, то третья ступень, как и две первых, используется для увеличения скорости ракеты. Если же корабль должен совершить посадку, то она используется для торможения корабля перед посадкой. При этом ракету разворачивают на 180°, чтобы сопло оказалось впереди. Тогда вырывающийся из ракеты газ сообщает ей импульс, направленный против скорости ее движения, что приводит к уменьшению скорости и дает возможность осуществить посадку.
Идея использования ракет для космических полетов была выдвинута в начале XX в. русским ученым, изобретателем и учителем Константином Эдуардовичем Циолковским. Циолковский разработал теорию движения ракет, вывел формулу для расчета их скорости, был первым, кто предложил использовать многоступенчатые ракеты.
Полвека спустя идея Циолковского была развита и реализована советскими учеными под руководством Сергея Павловича Королева.
Примеры:

= движение кальмаров, каракатиц, осьминогов. (Каракатица, как и большинство головоногих моллюсков, движется в воде, таким образом, забирает воду в жаберную полость через боковую щель и особую воронку впереди тала, а затем энергично выбрасывает струю воды через эту же воронку в результате этого каракатица довольно быстро плавает задней частью тела вперёд. Причём каракатица, направляя трубку воронки вбок или назад и стремительно выдавливая из неё воду, может двигаться в любых направлениях. Так же перемещаются кальмары. Кальмар является самым крупным беспозвоночным обитателем океанических глубин. Он тоже передвигается по принципу реактивного движения, вбирает в себя воду, а затем с огромной силой проталкивает её через особое отверстие, и с большой скоростью (до 70 км/ч) двигается толчками назад. При этом все 10 щупалец кальмара собираются в узел над головой, и он приобретает обтекаемую форму.)

= созревшие плоды "бешеного" огурца при самом легком прикосновении отскакивают от плодоножки и из образовавшегося отверстия выбрасывается фонтаном со скоростью 10 м/с на 12 м горькая жидкость с семенами, а сами огурцы при этом отлетают в противоположном направлении.

Закрепление.

1. Какое движение называют реактивным?

2. Верно ли утверждение: для осуществления реактивного движения не

требуется взаимодействия с окружающей средой?

3. На каком законе основано реактивное движение?

4. От чего зависит скорость ракеты?

5. Когда и где был запущен первый спутник Земли?

6. Попробуйте ответить мне на такой вопрос: как космонавту вернуться на корабль? Сдвинуться с места, если оттолкнуться ногами не от чего? Подсказка- при выходе в открытый космос космонавт должен обязательно держать что-нибудь в руках. (Необходимо бросить какой-нибудь предмет в сторону, противоположную кораблю. Тогда по закону сохранения импульса МV=mv, где М и m -массы космонавта и предмета, а V и v -скорости космонавта и предмета. Космонавт приобретает скорость, направленную к ракете и равную: V=v*m/М.)

- Кстати, если космонавту необходимо повернуться он тоже может использовать этот закон. Ему необходимо вращать рукой в противоположном направлении.

- Для поворота по часовой стрелке ему надо будет проделать следующий цикл движений: вытянуть правую руку в сторону, затем прижать её к груди, опустить вдоль туловища.

Д/з: