С.Н.КОЛЯКИНА,
школа-гимназия № 18,
г. Новочебоксарск, Чувашия

Цель урока:

• на конкретных примерах показать, что развитие космонавтики тесно связано с использованием законов механики;
• учить применять знания в нестандартных ситуациях, принимать решения, самостоятельно сформулировать задачу или создать физическую модель;
• воспитывать любовь к планете Земля, чувство неотъемлемости человека от Вселенной.

Технические средства: кодоскоп, эпипроектор, плакат «Земля в космосе», диафильм «Освоение космического пространства», кодослайды с условиями и решениями задач, стенгазета «ФИзическая ГАзета», посвященная Дню космонавтики

Выставки: рисунки космонавта А.Леонова, книги об освоении космического пространства.

• Вступление

Учитель (демонстрирует через эпипроектор кадр «Космическая орбитальная станция над Землей»). Нет человека на Земле, который, вглядываясь в звездное небо, не чувствовал бы его красоты и величия, который не испытывал бы желания познать его тайны. Сегодняшний урок посвящается Дню космонавтики. Его цель – показать, как законы динамики помогают превращать в быль самую дерзновенную мечту человека – летать. Его девиз: «Через тернии к звездам!», что на латинском звучит так: «Per aspera ad astra».

Тернист и сложен был путь человека в космос. Тернист и сложен наш с вами путь познания законов динамики. Сегодняшний урок построен на задачах с астрофизическим содержанием, которые являются вашими творческими заданиями к уроку. Кто не успеет отчитаться на уроке, сдаст свои письменные решения.

«Голубой жемчужиной Вселенной» называют космонавты нашу Землю. (Плакат «Земля в космосе».)

? Что же надо, чтобы «разорвать оковы» земного тяготения и выйти в космос? На этот вопрос ответим с помощью поэтической задачи.

• Выход в космос

К доске выходят двое учащихся. Один, стоя у кодоскопа, комментирует условие и решение. Второй пишет решение на доске. На кодослайде – отрывок из стихотворения «К мистралю» Ф.Ницше, немецкого философа, жившего на рубеже XIX- XX вв.*

Подсчитайте скорость, с которой бежит навстречу мистралю герой.

Дано:

R_З = 6380 • 10³ м,
g = 9,8 м/с²,
N = 0.
______________
v – ?

Решение

Рассчитаем скорость бега, учитывая, что поверхность Земли выпуклая, и пренебрегая эффектами, связанными с ее вращением и сопротивлением воздуха. На бегуна действуют сила тяжести и реакция опоры. По 2-му закону Ньютона:

mg + N = ma_ц.

Поскольку бегун не чувствует Земли, то N = 0, следовательно:

v = 7,9 • 10³ м/с – 1-я космическая скорость.

Вывод: 1-я космическая скорость – это наименьшая скорость, которую нужно сообщить телу для превращения его в искусственный спутник Земли.)

Учитель. Начинаем наше путешествие к неизвестной планете.

? Какая скорость должна быть сообщена ракете, чтобы она покинула Солнечную систему? (Ответ. 3-я космическая скорость, равная примерно 42 км/с в гелиоцентрической системе отсчета и примерно 16,7 км/с в геоцентрической системе отсчета.)

Первым испытанием для космонавтов является невесомость. Я – «Центр управления полетами», вы – члены экипажа, способные принимать решения в соответствии со своей специализацией.

? Что такое невесомость? (Ответ. Это состояние свободного падения под действием только силы тяготения к планете или звезде.)

? В какой стадии движения межпланетного корабля космонавт почувствует состояние невесомости? (Ответ. С момента выключения двигателей в космическом пространстве.)

? Получите формулу для расчета перегрузки при взлете и в невесомости. (Ответ. По 2-му закону Ньютона:

по условию задачи: a_кор = a_тела.

На корабль общей массой М действуют сила тяги F_т, сила сопротивления среды F_сопр (в космосе равна нулю) и сила гравитации . На тело внутри корабля действуют сила реакции опоры N, равная по величине силе давления на опору, т.е. весу тела (N = P), и сила гравитации mg. Следовательно, ускорение равно:

Когда двигатель отключен, F_т = 0, следовательно, P = 0, т.е. появляется невесомость).

? Каково биологическое воздействие невесомости? (Ответ. Сила тяжести – мощный геофизический фактор. Все живые организмы в процессе эволюции приспособились к ее действию. Ускорение силы тяжести на Земле равно примерно 10 м/с². Известно явление геотропизма – роста растений против направления силы тяжести. Следствие невесомости – изменения в кровоснабжении, уменьшение прочности костных тканей и мощности сердечной мышцы, снижение количества эритроцитов в крови, потеря жидкости.)

? Почему в космосе понятия верх и низ теряют смысл для космонавтов? (Ответ. Ощущения верха и низа вызваны внутренними напряжениями в организме вследствие действия силы тяжести и реакции опоры. В космосе этого нет.)

? Будет ли существовать невесомость на корабле, движущемся с 3-й космической скоростью? (Ответ. Да, ведь он будет в состоянии свободного падения.)

? Какие биологические часы всегда с нами? Ими пользовался Галилей. (Ответ. Сердце, хотя его ритм зависит от температуры, настроения.)

? Какие земные приборы можно использовать на орбите, а какие нельзя? (Ответ. Не будут работать песочные и маятниковые часы, ареометр (тело и жидкость невесомы). Будут работать пружинные часы, термометр, барометр-анероид, перьевая ручка.)

? Как измерить массу в полете? (Ответ. (1) Измерить отношение скоростей, приобретаемых телами после пережигания нити, сжимающей пружину между ними, если масса одного из них известна. (2) Подействовать на тело известной силой и измерить ускорение. (3) Измерить силу натяжения отградуированной пружины при вращении прикрепленного к ней тела с известной постоянной скоростью.

? Космонавт, находясь в состоянии невесомости, висит внутри спутника. Как ему повернуться на 180° вокруг продольной оси? (Ответ. Надо поднять руку и резко отвести ее в направлении, противоположном желаемому. Здесь работает закон сохранения момента импульса.)

? Космонавту необходимо вернуться на корабль. Как сдвинуться с места (Ответ.  Надо бросить в противоположную ракете сторону массивный предмет. Работает закон сохранения импульса. Разработано специальное устройство - SAFER (индивидуальное средство передвижения в космосе при срыве со страховочного троса. Это реактивный ранец массой 37,6 кг, который крепится к скафандру и имеет 24 реактивных двигателя на сжатом азоте. Он обеспечивает космонавту скорость до 10  км/ч .)

? Как нагревают воздух в корабле? (Ответ.  Поскольку конвекция там отсутствует, должны использоваться искусственная циркуляция, теплопроводность, лучеиспускание.)

? Какая сварка возможна в космосе? (Ответ. Дуговая, т.к. газосварочный аппарат или горелка просто не будут работать из-за отсутствия кислорода.)

? Будет ли космонавт ощущать боль? (Ответ. Да.)

• Метеоритная опасность

Учитель. Если встреча землянина с метеоритом – это почти невероятное событие, то для любого из космонавтов метеориты представляют вполне серьезную угрозу. Ведь даже крохотный метеорит массой в несколько граммов способен пронзить обшивку орбитальной станции и вызвать утечку воздуха. Стекла иллюминаторов от обстрела даже крохотными пылинками теряют прозрачность. Рассмотрим решение задачи (решение проецируется на доску через кодоскоп).

• Неизвестная планета

Учитель. Подлетев к неизвестной планете, корабль, выключив двигатели, вышел на круговую орбиту, и космонавты приступили к исследованиям. Получив с Земли несколько заданий по определению некоторых физических параметров планеты, они разделились на две группы, одна была доставлена на планету в ракетоплане, другая работала на орбите.

• группа на орбите

Задача 3: определить ускорение силы тяжести.

Ответ. Горизонтальная скорость корабля 11 км/с обеспечила полет по круговой орбите радиусом 9100 км. Каково ускорение свободного падения у поверхности планеты, если ее радиус 8900 км?

Дано:

v = 1,1 • 10⁴ м/с,
r = 9,1 • 10⁶ м,
r = 8,9• 10⁶ м.
____________
g₀ – ?

Решение. На космический корабль действует только сила тяготения со стороны планеты, направленная к ее центру. По закону всемирного тяготения:

По 2-му закону Ньютона:

• Группа на планете

Задача 4: определить ускорение силы тяжести.

Ответ. Взять гирю известной массой m и пружинные весы – динамометр. Определить динамометром силу P, с которой планета притягивает гирю, и вычислить ускорение силы тяжести:

Задача 5: определить плотность грунта.

Ответ.

1-й способ. Оборудование: пробирка, химический стакан с водой, линейка, грунт.

• В пробирку площадью поперечного сечения s насыпать столько грунта, чтобы она плавала в воде, измерить высоту грунта h₁ и глубину погружения пробирки.
• Грунт высыпать и наполнить пробирку водой так, чтобы глубина погружения была прежней. Измерить высоту столбика воды h₂.
• По условию плавания:

• Чтобы учесть нецилиндричность пробирки у дна, в нее сначала насыпают грунт так, чтобы она плавала вертикально, определяют высоту грунта и глубину погружения. Потом досыпают грунт и отмечают новые значения высоты грунта и глубины. Измеряют расстояние h₁ между высотами грунта в двух опытах.

Потом опыт повторяют с водой, измеряя разность уровней h₂ и вычисляют плотность грунта по вышеприведенной формуле.

2-й способ. Оборудование: тонкая нить известной длины, груз, часы.

Изготовить физический маятник, с помощью секундомера определить его период, и, взяв ранее определенное значение ускорения свободного падения, произвести вычисления:

где L- длина экватора, определяемая из астрономических наблюдений,

Задача 6

При взвешивании выяснилось, что тело на экваторе планеты весит вдвое меньше, чем на полюсе. По данным экспериментов, плотность грунта 3 г/см³. Определите период вращения планеты.

Ответ. На тело, находящееся на поверхности планеты, действуют сила притяжения F_т и сила нормальной реакции поверхности N. По 2-му закону Ньютона, F_т + N = ma. Учтем, что F_тп = F_тэ = F_т.

• На полюсе тело покоится относительно ИСО (a = 0), тогда:

Пусть планета имеет форму шара:

• На экваторе тело вращается вместе с планетой, т.е. тогда:

Ох: F – N_э = ma (2-й закон Ньютона),

Так как, по 3-му закону Ньютона, сила нормальной реакции опоры равна весу тела, а, по условию,  , то:

• Итоги

Учитель. Завершился наш полет. Вы убедились, что космонавтика движет вперед технологии и фундаментальные науки. Космос – удел сильных духом людей. Он рядом. Прошлое и будущее, как на ладони. На комету Хейла–Боппа 4000 лет назад смотрели строители египетских пирамид, а недавно наблюдали ее и мы. Я верю, что и некоторые из вас впишут свою страницу в историю космонавтики. Урок показал, что вы делаете к этому первые шаги. Любите Землю, любите нашу Россию. Гордитесь тем, что первый ИСЗ, первый космонавт, первая женщина-космонавт, первый выход в открытый космос, первая орбитальная станция были наши - советские, российские.