Усі уроки фізики 10 клас І семестр - Рівень стандарт - 2018 рік

Розділ І. Механічний рух

2. ДИНАМІКА

УРОК № 30 / І.2-8. ПЕРША КОСМІЧНА ШВИДКІСТЬ. РОЗВИТОК КОСМОНАВТИКИ, ВНЕСОК УКРАЇНСЬКИХ УЧЕНИХ У РОЗВИТОК КОСМОНАВТИКИ

Мета: 1) розширити знання учнів про застосування теоретичних знань фізики в практичній діяльності людства — організації космічних польотів, сформувати вміння розраховувати космічні швидкості; сприяти формуванню розуміння учнів про фізику космічного польоту; розширити уявлення учнів про історію космонавтики, розкрити роль українських учених у розвитку космонавтики;

2) продовжити ознайомлення учнів з навколишнім світом, навчити учнів давати пояснення явищам природи з фізичного погляду, продовжити формування вмінь аналізувати навчальну інформацію та робити відповідні висновки, продовжити формування критичного мислення учнів;

3) продовжити формування наукового світогляду через пояснення звичних явищ шляхом демонстрування наукових знань перед забобонами, причиною яких є нерозуміння природи фізичних явищ; ознайомити учнів з сучасними уявленнями про загальність закону всесвітнього тяжіння та його проявах; довести значущість наукових знань для нових відкриттів та їх застосування.

Очікувані результати: учні знають значення першої, другої космічних швидкостей, співставляють значення космічної швидкості та траєкторії, якою рухатиметься тіло навколо планети; знають визначні дати з історії розвитку космонавтики та прізвища відомих учених, які зробили значний внесок у розвиток космічної галузі; розуміють світоглядну роль наукових відкриттів, зроблених завдяки космічним польотам.

Тип уроку: урок вивчення та засвоєння нових знань.

ХІД УРОКУ

I. ОРГАНІЗАЦІЙНИЙ МОМЕНТ 0,5 хв

II. МОТИВАЦІЯ НА ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ 2 хв

Учитель оголошує учням про нестандартну форму проведення уроку.

· Підніміть, будь ласка, руку ті, хто користується мережею Інтернет.

· Якщо вам необхідно знайти наукову інформацію в мережі, якими ресурсами ви користуєтеся?

· Чи користувалися ви коли-небудь інформацією із Вікіпедії. (Демонструється пуста сторінка Вікіпедії.)

Наше сьогоднішнє завдання — створити сторінку, присвячену космічним польотам та внеску українських учених у розвиток космонавтики. Чекаю від вас пропозицій щодо дизайну цієї сторінки та змісту її наповнення. Моя пропозиція — з’ясувати у відвідувачів цієї сторінки, наскільки вони обізнані з інформацією з цієї теми, а для цього провести опитування за допомогою Goggle-форми.

Питання для опитування. Бліц-опитування

Учні дають тільки відповіді: «Так» чи «Ні».

1. Штучний супутник Землі можна спостерігати на небі? (Так)

2. Штучні супутники призначені тільки для наукових досліджень? (Ні)

3. Штучні супутники допомагають стежити за погодою? (Так)

4. Штучні супутники можуть постійно перебувати над однією точкою Землі? (Так)

5. Штучні супутники залишають сміття у космосі? (Так)

6. Штучні супутники можуть рухатися тільки навколо Землі? (Ні)

7. Космічна швидкість — це швидкість світла? (Ні)

8. Існує тільки 1, 2 космічні швидкості? (Ні)

9. Траєкторія руху штучного супутника залежить від значення швидкості цього супутника? (Так)

10. Штучний супутник рухається тільки прямолінійно? (Ні)

11. Чи може рухатися штучний супутник по коловій орбіті? (Так)

Учні пропонують зміст для наповнення сторінки Вікіпедії та дизайн цієї сторінки.

III. ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ ЦОР 25 хв

1. Робота в групах

Текст для групи 1

Загальні відомості про ШСЗ (штучний супутник Землі). Відповідно до міжнародної домовленості космічний апарат називають супутником, якщо він зробив не менше одного оберту навколо Землі. Інакше він вважається ракетним зондом, що проводив виміри вздовж балістичної траєкторії, і не реєструється як супутник. Залежно від завдань, що вирішуються, з-поміж ШСЗ виокремлюють декілька видів. Якщо на супутнику встановлено радіопередавачі або інша вимірювальна апаратура, імпульсні лампи для подачі світлових сигналів тощо, його називають активним. Пасивні ШСЗ призначені зазвичай для спостережень із земної поверхні при вирішенні деяких наукових завдань. До таких ШСЗ належать супутники-балони, що досягають в діаметрі декількох десятків метрів. Науково-дослідницькі ШСЗ служать для досліджень Землі, небесних тіл, космічного простору. До їх числа належать, зокрема, геофізичні супутники, геодезичні супутники, орбітальні астрономічні обсерваторії та ін. Прикладними ШСЗ є супутники зв’язку, метеорологічні супутники, ШСЗ для дослідження земних ресурсів, навігаційні супутники, супутники технічного призначення (для дослідження дії космічних умов на матеріали, для випробувань і відробітку бортових систем) та інші. ШСЗ, призначені для польоту людей, називають пілотованими кораблями-супутниками. ШСЗ на екваторіальній орбіті поблизу екватора, називають екваторіальними, ШСЗ на полярній (або приполярній) орбіті, яка проходить поблизу полюсів Землі, — полярними. ШСЗ, виведені на колову екваторіальну орбіту, віддалену на 35 860 км від поверхні Землі, і рухомі в напрямку, що збігається з напрямком обертання Землі, «висять» непорушно над однією точкою земної поверхні; такі супутники називають стаціонарними. Останні рівні ракет-носіїв, головні обтічники і деякі інші деталі, відокремлювані від ШСЗ при виводі на орбіти, є вторинними орбітальними об’єктами; їх зазвичай не називають супутниками, хоча вони обертаються навколоземною орбітою й іноді постають об’єктами спостережень для наукових цілей.

Текст для групи 2

· Навігаційний супутник — штучний супутник Землі, призначений для забезпечення навігації у просторі.

За допомогою навігаційної радіотехнічної апаратури в кількох точках орбіти вимірюють дальність і швидкість відносно судна, літака, автомобіля чи іншого транспортного засобу, що має приймальне обладнання.

Результати цих вимірів у поєднанні з відомими геоцентричними координатами, що визначаються на моменти вимірів за збереженою оперативною пам’яттю інформацією, переданою по радіо під час сеансів зв’язку, дозволяють визначити положення судна, з якого здійснено виміри. Для підвищення точності навігаційних розрахунків використовують систему з кількох супутників, що рухаються різними орбітами, і мережу наземних станцій, що здійснюють систематичні виміри положень для уточнення параметрів їхніх орбіт.

Текст для групи 3

Супутник зв’язку TDRS (Tracking and Data Relay Satellite)

· Супутниковий зв'язок — один із видів радіозв’язку, заснований на використанні штучних супутників Землі, на яких змонтовано ретранслятори. Супутниковий зв’язок здійснюється міжземними станціями, що можуть бути як стаціонарними, так i мобільними.

Оскільки супутниковий зв’язок є радіозв’язком, для передачі через супутник сигнал має бути промодульовано. Модуляція відбувається на земній станції. Модульований сигнал переноситься на потрібну частоту, підсилюється та надходить на передавальну антену.

Текст для групи 4

· Орбітальна станція (ОС) — космічний апарат, призначений для довгострокового перебування людей на навколоземній орбіті з метою проведення наукових досліджень в умовах космічного простору, розвідки, спостережень за поверхнею й атмосферою планети, астрономічних спостережень тощо.

Від штучних супутників Землі відрізняється наявністю екіпажу, що періодично змінюється за допомогою транспортних кораблів, які доставляють на ОС зміну екіпажу, запаси палива й матеріалів для функціонування технічних систем станції, засоби життєзабезпечення екіпажу, особисту кореспонденцію його членів, запасні частини для ремонту й модернізації самої станції, блоки встаткування для розширення її функцій, матеріали для проведення нових досліджень тощо. Спускаючись, апарат транспортного корабля доправляє на Землю змінених членів екіпажу й результати проведених досліджень і спостережень.

На ОС є комплекс технічних систем, що забезпечують корекцію орбіти станції, її орієнтацію, стабілізацію, постачання електроенергії (сонячні батареї), зв’язок з центром керування польотами і виконання поставлених завдань.

Підсумком роботи може бути така схема:

2. Рух штучних супутників Землі

У Сонячній системі навколо багатьох планет обертаються космічні тіла, що називають супутниками. Супутник — це небесне тіло, що обертається по певній траєкторії навколо іншого об’єкта (наприклад, планети) в космічному просторі під дією гравітації.

Розрізняють штучні і природні супутники. Штучний супутник — це будь-який об’єкт, створений руками людини, що рухається навколо небесного тіла. Для виведення супутника на орбіту необхідна робота потужних двигунів, але при русі супутника на постійній орбіті двигуни на супутнику вимкнено. Чому ж супутник рухається орбітою? Щоб відповісти на це питання, розглянемо спрощену модель руху штучного супутника.

Будемо вважати, що супутник рухається з постійною за модулем швидкістю по коловій орбіті навколо цієї планети в безповітряному просторі і лише під дією сил тяжіння. Силами тяжіння з боку інших космічних тіл можна знехтувати. Якщо немає опору повітря, а сила тяжіння в будь-який момент перпендикулярна до швидкості руху, то створюване нею прискорення перпендикулярне до швидкості і не може змінювати її модуль. Ось чому такий супутник може нескінченно довго обертатися по орбіті з вимкненими двигунами. Реальні штучні супутники Землі поступово наближаються до її поверхні і врешті-решт, потрапляючи в атмосферу, згоряють у ній.

Якою повинна бути швидкість супутника, щоб він рухався по коловій орбіті? Визначимо цю швидкість, вважаючи, що супутник рухається на висоті h над поверхнею однорідної кулястої планети масою M і радіуса R. Оскільки рух відбувається по колу, то супутник має доцентрове прискорення, якого йому надає сила тяжіння:

Також доцентрове прискорення супутника можна визначити за другим законом Ньютона:

Порівнюючи дві формули для визначення доцентрового прискорення супутника, можна легко визначити швидкість його руху по орбіті на висоті h над поверхнею:

Перетворимо записану формулу з урахуванням рівняння для визначення модуля прискорення вільного падіння поблизу поверхні планети

Першою космічною швидкістю для планети називають швидкість, якої потрібно надати супутнику, щоб він рухався по коловій орбіті поблизу поверхні планети. Величину першої космічної швидкості визначають за формулою:

3. Залежність форми траєкторії ШСЗ від значення космічної швидкості

Так, наприклад, при русі супутників на висоті 200-300 км від поверхні Землі перша космічна швидкість дорівнює 7,9 км/c.

З наведених формул випливає, що чим вище над поверхнею планети розташована орбіта супутника, тим менша його швидкість і тим більший період його обертання.

На поверхні Землі v₁ ≈ 7,9 км/c. Значення першої космічної швидкості буде однаковим для супутників різної маси, оскільки від маси супутника вона не залежить.

Друга космічна швидкість v₂ — це швидкість, яку необхідно надати супутнику для того, щоб він покинув планету: v₂ = √2v₁. Для Землі v₂ = 11,2 км/c.

Форма орбіти супутника залежить від його швидкості:

□ якщо v < v₁ — тіло падає на Землю;

□ якщо v = v₁ — супутник рухається по коловій орбіті;

□ якщо v₁ < v < v₂ — траєкторією руху супутника є еліпс, в одному з фокусів якого міститься планета чи зоря;

□ якщо v = v₂ — тіло рухається по параболі і покидає планету чи зірку.

· Швидкість, яку потрібно надати тілу, щоб воно рухалось навколо Землі біля її поверхні по колу, називають першою космічною швидкістю: h = 0. v = 7,9 км/c.

· При досягненні другої космічної швидкості космічний апарат рухатиметься відносно певного небесного тіла по параболі v = 11,2 км/c, покине це небесне тіло і стане супутником Сонця.

Якщо швидкість буде дещо більшою від другої космічної, то тіло рухатиметься по гіперболі.

· Швидкість, яку потрібно надати тілу біля поверхні Землі, щоб воно покинуло Сонячну систему і стало супутником Галактики, називають третьою космічною швидкістюv = 16,6 км/c.

4. Загальні відомості з історії розвитку космонавтики

Ідеї використання ракет для космічних польотів уперше висловили українські вчені. Наприклад, М. Кибальчич розробив проект пілотованої ракети з пороховим двигуном, К. Ціолковський розвивав теорію реактивного двигуна на рідкому паливі і висунув ідею створення багатоступінчастих ракет, Ю. Кондратюк розробив ряд схем космічних подорожей, одна з яких — здійснення польоту на Місяць. Його теорію використали американські вчені при польотах на Місяць.

Ідею космічних польотів уперше було здійснено під керівництвом українського вченого-конструктора Сергія Павловича Корольова. Народився він у Житомирі, здобував освіту в Одесі, Києві, працював у Москві. Його ракети запустили перший штучний супутник Землі 4 жовтня 1957 р.

12 квітня 1961 р. космонавт Ю. О. Гагарін на кораблі «Восток» здійснив перший політ у космос.

У 70-их р. проведено фотографування невидимого боку Місяця, космічні апарати досягли Венери, Марса, космічні станції «Вега-1» і «Вега-2» вивчали Венеру і комету Галлея тощо.

Історію космічних польотів можна стисло подати у такому хронологічному порядку:

04.10.1957 p.: виведено на навколоземну орбіту перший у світі штучний супутник Землі. Цей старт ознаменував початок космічної ери в історії людства.

03.11.1957 p.: було запущено перший у світі штучний супутник Землі з живою істотою. На його борту перебувала собака Лайка.

15.05.1958 p.: третій радянський ШСЗ був першим у світі супутником для проведення наукових досліджень.

02.01.1959 p.: ракета-носій «Восток» вивела на траєкторію польоту до Місяця радянську автоматичну міжпланетну станцію «Луна-1», що пройшла на відстані 6000 км від поверхні Місяця і вийшла на геліоцентричну орбіту. Вона стала першим у світі штучним супутником Сонця.

12.09.1959 p.: до Місяця стартувала АМС «Луна-2», що вперше у світі досягла поверхні Місяця.

19.08.1960 p.: було запущено космічний корабель «Восток» із собаками Білкою та Стрілкою на борту, які успішно повернулися на Землю.

12.04.1961 p.: уперше на навколоземну орбіту було виведено космічний корабель «Восток» з космонавтом Ю. О. Гагаріним на борту.

06.08.1961 p.: почався політ космічного корабля «Восток-2» з космонавтом Г. С. Тітовим на борту. Політ тривав 1 добу 1 годину 18 хвилин.

12.10.1964 p.: перший у світі політ багатомісного космічного корабля. Космонавти В. Комаров, К. Феоктистов, Б. Єгоров уперше у світі здійснили політ без скафандрів.

18.03.1965 p.: космонавт О. Леонов уперше вийшов у відкритий космос.

12.11.1965 p.: було виведено на траєкторію польоту до Венери станцію «Венера-2». Вона пролетіла на відстані 24 000 км від Венери.

03.02.1966 p.: автоматична станція «Луна-9» першою у світі здійснила м’яку посадку на поверхні Місяця, після чого передала панорамне зображення поверхні Місяця.

21.07.1969 p.: першою людиною, яка ступила на поверхню Місяця, став американець Ніл Армстронг. Місяць — також єдине небесне тіло, зразки ґрунту якого було доставлено на Землю.

02.12.1971 p.: спускний апарат автоматичної міжпланетної станції «Марс-3» здійснив м’яку посадку на поверхню Марса. За 1,5 хв після посадки станція почала працювати й передавати на Землю відеосигнал.

Від часу перших космічних польотів ракети, що стартують наразі в космос, значно вдосконалили. Сьогодні на навколоземні орбіти за їх допомогою виводяться й великі космічні станції, і сотні штучних супутників.

Кожен зі штучних супутників — це винесений за межі Землі інструмент пізнання навколишнього світу. Наукові супутники можна назвати своєрідними полігонами для перевірки нових ідей і конструкцій і отримання унікальної інформації, яку жодним іншим способом не добути. У середині 1980-х pp. NASA прийняла програму створення чотирьох астрономічних обсерваторій, розташованих у космосі. З певними затримками, але всі чотири телескопи було запущено на орбіту. Першим почав свою роботу «Габбл» (1990), призначений для дослідження Всесвіту у видимому діапазоні довжин хвиль, за ним пішов «Комптон» (1991), що вивчав космічний простір за допомогою гамма-променів, третім був «Чандра» (1999), який використовує рентгенівські промені, а завершив цю велику програму «Спітцер» (2003), на частку якого припав інфрачервоний діапазон. Усі чотири обсерваторії було названо на честь видатних американських учених.

5. Внесок українських учених у розвиток космонавтики

У розвиток космічних програм українські фахівці зробили великий внесок, зокрема Ю. В. Кондратюк активно розробляв теорію космічних польотів. Народився Юрій Васильович Кондратюк (Олександр Гнатович Шаргей) 21 червня 1897 р. у Полтаві, помер 1942 року.

1929 р. вийшла друком його книга «Завоювання міжпланетних просторів», у якій учений розробив теорію проміжних станцій (ракетних баз) у вигляді супутників планет, розрахував траєкторії зльоту з Землі, уперше запропонував використати як пальне для ракетних двигунів деякі метали, наприклад, магній, літій, алюміній та ін.; розробив перший варіант експедиції на Місяць через навколомісячну орбіту.

Розрахунки Юрія Кондратюка використали американські вчені для створення місячної програми й висадки на Місяць, а запропонована вченим траєкторія польоту отримала назву «траса Кондратюка».

Юрій Кондратюк загинув смертю хоробрих під час війни.

За своє життя ця геніальна людина не встигла здобути ні визнання, ні нагород у себе на Батьківщині. На космодромі мису Канаверал вдячні американці спорудили йому пам’ятник. Можливо, коли-небудь це зроблять і в Україні.

Становлення космічної галузі в Україні почалося ще 1937 р. зі створення в Харківському авіаційному інституті реактивної групи під керівництвом Г. Проскури. Було здійснено запуск великої стратосферної ракети.

1951 р. рішенням уряду було ухвалено створення в Дніпропетровську заводу для складання ракет. 1954 р. на території заводу було організовано Конструкторське бюро, головним конструктором якого призначили М. К. Янгеля.

Українські підприємства «Комунар», «Арсенал», «Моноліт», Євпаторійський космічний центр брали участь у підготовці запуску першого штучного супутника Землі.

З початку 1960-х pp. підприємства України почали розробляти системи керування, бортову автоматику та інші системи й прилади для космічних об’єктів і комплексів.

1992 р. було створено Національне космічне агентство України. За два роки прийнято Державну космічну програму України на 1993-1997 pp. Державне конструкторське бюро «Південне» разом із партнерами із США, Росії та Норвегії створили ракетно-космічний комплекс «Морський старт» і ракетний комплекс «Дніпро» на базі міжконтинентальних балістичних ракет РС-20 («Сатана», за класифікацією НАТО).

У рамках розвитку міжнародного співробітництва в листопаді 1997 р. було здійснено політ першого космонавта незалежної України Леоніда Каденюка в складі екіпажу американського космічного корабля «Колумбія». У 2018 році 31 січня у віці 67 років Л. Каденюк помер.

2001 р. було завершено шість пусків українських ракет-носіїв: «Зеніт-2», «Зеніт-SSL», «Циклон-2», «Циклон-3».

Виведено на орбіти 15 космічних апаратів, одним із яких був україно-російський космічний апарат «АУОС-СМ-КФ», призначений для реалізації програми дослідження сонячної активності в межах спільного україно-російського проекту «КОРОНАС».

IV. ЗАКРІПЛЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

«Космічна вікторина»

1. Яким барометром можна виміряти тиск у кабіні космічного корабля? (Барометром-анероїдом)

2. Назвіть прізвище авіаконструктора літаків-штурмовиків. (Ілюшин)

3. Як називається керований літальний апарат, легший, ніж повітря? (Аеростат)

4. На яке море на Місяці спустилася перша людина? (Море спокою, Нейл і Армстронг 20.07.1969 р. о 20 год 17 хв 42 с)

5. У скільки разів на Місяці сила тяжіння, а отже і вага, менша, ніж на Землі? (В 6 разів)

6. Які особливості руху людини по місячному ґрунту? (Кроки-стрибки кенгуру, ноги загрузають аж до щиколотка, немає атмосфери, пил піднімається хмарою й осідає на скафандри, а не літає, як на Землі; мікрометеоритне бомбардування, протонне опромінювання.)

7. У яких літературних творах описано подорож на Місяць? (Герберт Уеллс «Перші люди на Місяці», Е. Ростан «Сірано де Бержерак»)

8. Чи відчуває біль космонавт, зіткнувшись із предметом у невагомості? (Так)

9. Чи можна виміряти вагу тіла за допомогою пружинних терезів у невагомості? (Не можна)

10. Чи горітиме свічка в космічному кораблі? (Ні)

11. Які види космічних апаратів ви знаєте? (Штучні супутники, безпілотні зонди, пілотовані космічні кораблі)

12. Чому не можна використовувати крила на космічних апаратах? (Крила літаків створюють підіймальну силу лише в нижніх шарах атмосфери за рахунок різниці тиску повітряних потоків. У космосі повітря немає, тому використовують ракети-носії)

13. Що називають космічним зондом? (Космічні зонди — автоматичні безпілотні дослідницькі космічні апарати, якими керують бортові комп’ютери)

14. Що ви знаєте про космічний човник? (Це апарат багаторазового використання, що складається із декількох ступенів, призначений для перевезення людей)

Запитання до учнів під час викладу нового матеріалу:

1. Чому супутники, обертаючись навколо Землі під дією сили тяжіння, не падають на Землю?

2. Що необхідно зробити з фізичним тілом, щоб воно перетворилося на штучний супутник Землі?

3. Як рухається супутник, що має першу космічну швидкість? другу космічну швидкість?

Тренуємося розв'язувати задачі

Задача 1

Чи може супутник обертатися навколо Землі коловою орбітою зі швидкістю 1 км/c? За якої умови це можливо?

Задача 2

Радіус орбіти Іо (супутника Юпітера) 422 000 км. Скориставшись довідковими даними, обчисліть швидкість орбітального руху і період обертання Іо навколо Юпітера. Маса Юпітера 1,8986 ∙ 10²⁷кг.

Задача 3

Космічний корабель вийшов на колову орбіту радіусом 10 млн км навколо відкритої ним зорі. Яка маса цієї зорі, якщо період обертання корабля дорівнює 628 000 с?

Задача 4

Яку швидкість має супутник Землі, що рухається коловою орбітою на висоті 3,6 ∙ 10⁶ м над поверхнею Землі? Радіус Землі 6,4 ∙ 10⁶ м, прискорення вільного падіння 9,8 м/c².

Задача 5

Штучний супутник обертався по коловій орбіті навколо Землі зі швидкістю 6 км/c. Після маневру він рухається навколо Землі по іншій коловій орбіті зі швидкістю 5 км/c. У скільки разів змінилися в результаті маневру радіус орбіти і період обертання?

Задача 6

Супутник обертається по коловій орбіті на невеликій висоті над планетою. Період обертання супутника 3 год. Вважаючи планету однорідною кулею, знайдіть її густину.

Контрольні запитання

1. Яка сила надає супутнику доцентрового прискорення під час його руху навколо Землі?

2. Як має бути спрямована швидкість тіла в момент його виходу на орбіту, щоб воно стало штучним супутником Землі?

3. Під час руху коловою орбітою супутник рухається з прискоренням вільного падіння. Як би ви у зв’язку з цим відповіли на запитання: падає супутник чи не падає?

V. РЕФЛЕКСІЯ

VI. ДОМАШНЄ ЗАВДАННЯ

Вивчити відповідний параграф підручника, конспект уроку, формули, відповісти на запитання після параграфа, виконати завдання за задачником.