Физика, армия, авиация и флот

Урок в форме игры «Счастливый случай»
9–10-й классы. Базовый курс

Цели: повторение учебного материала по физике, лежащего в основе современной военной техники; повышение познавательной активности; развитие культуры общения и культуры ответа на вопросы; патриотическое воспитание.

Материалы: плакаты с изображением военной техники, карточки, портреты ученых.

Ход урока

Игра состоит из семи геймов, результаты оцениваются жюри. Участвуют две команды по семь-восемь человек. Остальные учащиеся делятся на две группы поддержки и тоже участвуют в игре.

Вступление

Какой бы новый вид вооружения ни создавался, он неминуемо опирается на физические законы: рождалось первое артиллерийское оружие – приходилось учитывать законы движения тел (снаряда), сопротивление воздуха, расширение газов и деформацию металла; создавались подводные лодки – и на первое место выступали законы движения тел в жидкостях, учет архимедовой силы; ставилась задача обнаружения воздушных целей ночью, за облаками – приходилось обращаться к закономерностям распространения и отражения радиоволн; увеличение скорости полета самолетов требовало не только повышения мощности двигателей, но и изучения выбора оптимального профиля фюзеляжа и крыльев; проблемы бомбометания привели к необходимости составления таблиц, позволяющих находить оптимальное время для сброса бомб на цель.

Гейм 1. Разминка

Каждой команде предлагается ответить на как можно больше вопросов ведущего. (2 мин, за каждый ответ начисляется
1 балл.)

Вопросы первой команде

• Чему приблизительно равна скорость танка Т-34? (Ответ. 55 км/ч.)
• Когда в России появилась регулярная армия? (Ответ. При Петре I, в 1691 г., с формированием Преображенского и Семеновского полков.)
• Переведите 1 м³ в мм³. (Ответ. 10⁹ мм³.)
• К какому типу двигателей следует отнести огнестрельное оружие? (Ответ. К двигателям внутреннего сгорания.)
• На рисунке показана траектория движения снаряда и направление его скорости в разных точках. Чему равна проекция на ось Oy его скорости v₂ в точке 2? (Ответ. v₂ cos a.)

• Чему равен калибр ствола Царь-пушки? (Ответ. 89 см.)
• Когда родились воздушно-десантные войска? (Ответ. 2 августа 1930 г.)
• С самолета, летящего горизонтально с постоянной скоростью, сбрасывается бомба. Где будет находиться самолет, когда бомба достигнет земли? (Ответ. Взрыв произойдет далеко позади самолета; вследствие сопротивления воздуха горизонтальная скорость бомбы все время уменьшается, и она отстает от самолета.)
• Почему самолет-бомбардировщик вздрагивает, освобождаясь от груза подвешенных к его крыльям бомб? (Ответ. Из-за уменьшения веса при установлении равновесия между подъемной силой и силой тяжести.)
• Когда впервые применено артиллерийское оружие БМ-13 («Катюша»)? (Ответ. 14 июля 1941 г. на станции Орша.)
• Почему при холостых выстрелах ствол пушки нагревается сильнее, чем при стрельбе снарядами? (Ответ. При холостом выстреле большая часть энергии идет на нагревание.)
• Чему равна начальная скорость снаряда современного орудия (среднее значение)? (Ответ. Примерно 1000 м/с.)
• Почему наружные части сверхзвуковых самолетов приходится охлаждать с помощью специальных установок? (Ответ. Эти части потеряли бы свою прочность вследствие сильного нагревания при трении о воздух.)
• В какой точке траектории летящий снаряд обладает наименьшей скоростью? (Ответ. В наивысшей точке, т.к. вертикальная составляющая скорости равна нулю.)
• Чему равна масса пули автомата Калашникова? (Ответ. 7,9 мг.)
• Какова траектория движения точек винта самолета-истребителя по отношению к летчику? (Ответ. Окружность.)
• Почему коническая пуля летит дальше круглой при прочих равных условиях? (Ответ. У конической пули более обтекаемая форма.)

Вопросы второй команде

• Чему равна скорость пули при вылете из автомата Калашникова? (Ответ. 715 м/с.)
• Когда появились первые лыжные подразделения в России? (Ответ. В 1918 г.; «Северный лыжный экспедиционный отряд».)
• Когда и кем был сконструирован прославивший себя в сражениях Великой Отечественной войны танк Т-34? (Ответ. В 1940 г. М.И.Кошкиным и др.)
• Переведите 1 л в м³. (Ответ. 10^–3 м³.)
• Как направлено ускорение снаряда после вылета из ствола орудия, если сопротивление воздуха отсутствует? (Ответ. Ускорение во всех точках одинаково и равно g, направлено вертикально вниз.)
• Чему равна длина ствола Царь-пушки? (Ответ. 5,34 м.)
• Почему бомба, сброшенная с горизонтально летящего самолета, не падает вертикально вниз? (Ответ. Потому что она имеет скорость в горизонтальном направлении и вследствие инерции удерживается в этом состоянии движения.)
• Против каких сил самолет совершает работу при взлете? (Ответ. Против сил тяжести и силы трения о воздух.)
• Лопасти винта самолета со стороны, обращенной к кабине летчика, окрашивают в черный цвет. Почему? (Ответ. Белый винт, отражая солнечные лучи, ослеплял бы летчика.)
• Чему равна начальная скорость мины миномета (среднее значение)? (Ответ. 100–355 м/с.)
• Почему тормозные колодки самолетов делают из материалов с высокой температурой воспламенения и большой удельной теплоемкостью? (Ответ. При торможении механическая (кинетическая) энергия самолета преобразуется во внутреннюю энергию тормозных колодок. В результате температура обшивки повышается до плавления и испарения материала.)
• Чему равна масса ручного пулемета Дегтярева? (Ответ. 9 кг.)
• Какова траектория движения точки винта самолета по отношению к земле? (Ответ. Винтовая линия.)
• Почему бомба или мина падают на землю ударником вниз? (Ответ. Встречный поток воздуха поворачивает движущееся тело так, чтобы оно испытывало наименьшее сопротивление движению.)
• Назовите создателей танка ИС-2. (Ответ. Ж.Я.Котик, А.М.Благонравов, Н.Л.Духов.)
• На рисунке показана траектория движения снаряда и направление его скорости в разных точках. Чему равна проекция на ось Oy его скорости v₁в точке 1? (Ответ. 0.)

Командам предлагается одновременно дать математическую запись физических величин (законов, условий), описанных на карточках. (2 мин, за верный ответ – 1 балл.)

1. Закон сохранения импульса для системы из двух тел массами m₁ и m₂ при упругом ударе.

2. Давление жидкости на любой глубине.

3. Условие плавания тел.

4. Давление, производимое телом на поверхности площадью S.

5. Перемещение тела при равноускоренном движении.

6. Скорость тела в любой точке траектории.

7. Кинетическая энергия тела, выраженная через модуль центростремительного ускорения. (Ответ. maR/2.)

8. Период обращения тела через время движения t, пройденный путь s и радиус окружности R. (Ответ. 2pRt/s.)

9. Уравнение движения при равнопеременном вращении тела по окружности.

10. Скорость при равноускоренном движении.

11. Дальность полета для тела, брошенного под углом a к горизонту.

12. Максимальная высота подъема тела, брошенного под углом a к горизонту.

Гейм 3. Ты – мне, я – тебе

Команды задают друг другу заранее приготовленные вопросы, связанные с историей развития военной техники. (3 мин, за верный ответ – 1 балл.)

Гейм 4. «Заморочки» из бочки

• При каком условии летчик реактивного истребителя может рассмотреть пролетающий недалеко от него артиллерийский снаряд? (Ответ. При скорости современных самолетов около 370 м/с летчик сможет рассмотреть летящий в ту же сторону, что и самолет, снаряд, имеющий в верхней части своей траектории скорость около 400 м/с.)
  • Почему порох, рассыпанный на столе, сгорает почти бесшумно, а то же количество пороха при выстреле из ружья создает громкий звук? (Ответ. Свободное сгорание пороха не приводит к существенному сжатию воздуха. При взрыве пороха в патроне ружья газ находится под большим давлением. При выходе из канала ствола этот газ начинает быстро расширяться, вызывая местное сжатие воздуха, которое затем начинает распространяться в виде звуковых волн.)
• Плавающий танк способен преодолевать водные преграды с помощью водометного движителя, представляющего собой трубу. Вода забирается насосом в трубу и с большой скоростью выбрасывается за корму. Почему при этом танк движется в противоположную сторону? (Ответ. Действуя на воду, насос выбрасывает ее за корму. В противоположном направлении действует струя воды, сообщая танку движение вперед.)
  • Находившийся в годы войны на вооружении советских войск ручной пулемет конструкции Дегтярева (РПД) имел массу 9 кг, его пули были калибром 7,62 мм и массой 9 г; при выстреле пуля приобретала начальную скорость около 700 м/с. Определите скорость отдачи, которую приобретал при выстреле пулемет. (Ответ. 0,7 м/с.)
• Судовая радиолокационная станция излучает электромагнитные волны длиной 0,8 см. Какие размеры должен иметь предмет, чтобы его можно было обнаружить с помощью судового радиолокатора? (Ответ. Чтобы электромагнитная волна отразилась от предмета, его размеры должны быть не меньше длины волны, т.е. 0,8 см.)
  • Самолет, летящий со скоростью 720 км/ч, описывает вертикальную петлю радиусом 400 м. Какую перегрузку испытывает летчик в высшей точке (или низшей точке) петли? Масса летчика 80 кг. (Ответ. 7200 Н; 8800 Н.)
• Для чего внутри ствола винтовок и пушек делают винтовые нарезки? (Ответ. Чтобы придать пуле (снаряду) вращательное движение вокруг оси симметрии и этим обеспечить устойчивость полета в воздухе, а значит, и малое аэродинамическое сопротивление.)
  • Почему самолет при повороте наклоняется в сторону поворота, а корабль – в противоположную сторону? (Ответ. Самолет наклоняется с помощью рулей, чтобы за счет этого наклона получить необходимое центро-стремительное ускорение. Корабль при действии руля отклоняется в противоположную сторону вследствие своей инертности.)
• Почему при стрельбе пуля вылетает из ружья со свистом, а пуля, брошенная рукой, летит бесшумно? (Ответ. Пуля, выпущенная из ружья, движется со скоростью, превышающей скорость звука в воздухе. Вследствие этого образуется ударная волна, создающая звук высокого тона.)
  • Парашютист, достигнув в затяжном прыжке скорости 55 м/с, раскрыл парашют, после чего за 2 с скорость уменьшилась до 5 м/с. Найдите наибольшую силу натяжения стропов парашюта, если масса парашютиста 80 кг. (Ответ. 2800 Н.)

Гейм 5. Выполни и узнаешь!

Общие сведения

Истребители Як-3, созданные в конструкторском бюро А.Яковлева в 1943 г., появились на фронтах Великой Отечественной войны в разгар летних сражений этого же года. Як-3 – самый легкий истребитель Второй мировой войны. Плавность наружных очертаний корпуса, переход на дюралюминиевые лонжероны (балки, воспринимающие деформации изгиба или кручения), тщательная отделка поверхностей, новый авиамотор конструкции В.Климова – все это позволило увеличить скорость новой машины на 70 км/ч по сравнению с моделью Як-1. Достоинство Як-3 – сочетание простоты пилотирования с мощным вооружением.

Вопросы и задания

1. Вычислите силу давления на крыло самолета при нормальном атмосферном давлении.
2. Напишите уравнение движения самолета, совершавшего взлет, полет и посадку. Постройте график этого движения.
3. За какое время самолет пролетал расстояние, равное максимальной дальности полета?
4. Найдите силу тяги, развиваемую двигателем при максимальной и посадочной скоростях полета.
5. Какова кинетическая, потенциальная и полная энергия самолета при заданном потолке и максимальной скорости полета?
6. Вычислите работу, совершаемую двигателем за время горизонтального полета. Скорость и дальность полета выберите сами, исходя из технических характеристик.

Общие сведения

Подводная лодка типа М («Малютка») – однокорпусная, с цистернами главного балласта, расположенными внутри корпуса, имела двигатель – дизель мощностью 588,8 кВт (800 л.с.). Наибольшего успеха добились «Малютки», входившие в состав Северного флота и действовавшие в районе захваченного немцами Варангер-фьорда. На них были установлены бортовые балластные цистерны с шахтами, где размещалось 18 мин. Мины можно было выставлять при подводном положении лодки, что и использовалось для минирования узких охраняемых фьордов.

Вопросы и задания

1. Напишите уравнение движения лодки и постройте его график для какого-либо движения.
2. Найдите расстояние, пройденное лодкой за 5 ч хода, для одного из движений.
3. Какой кинетической энергией обладает судно при этом движении?
4. Найдите архимедову силу, действующую на лодку.
5. Рассчитайте, какой массы вооружение она могла принять.
6. Найдите гидростатическое давление на максимальной глубине погружения.

Обеим командам задается вопрос, допускаются четыре подсказки. (За ответ без подсказки – 4 балла, за ответ после первой подсказки – 3 балла и т.д.)

1. Назовите ученого, который в годы Великой Отечественной войны работал над вопросами противоминной защиты кораблей и над укреплением танковой брони.

Подсказки:

а) 26 декабря 1946 г. им была осуществлена цепная ядерная реакция в первом советском ядерном реакторе;
б) 12 августа 1953 г. им и А.Д.Сахаровым была испытана первая водородная бомба;
в) 27 июня 1954 г. этот человек участвовал в открытии первой в мире атомной электростанции в г. Обнинске.

(Ответ. Игорь Васильевич Курчатов, 1913–1960 гг.)

2. Назовите ученого, который в конце 30-х гг. ХХ в. решает проблему создания машины для сжижения воздуха с использованием только цикла низкого давления.

Подсказки:

а) в 1937 г. он открыл свойство сверхтекучести жидкого гелия при температуре 2,19 К (вязкость равна нулю);
б) в апреле 1945 г. «за успешную научную разработку нового турбинного метода получения кислорода и за создание мощной турбинно-кислородной установки для производства жидкого кислорода» ему было присвоено звание Героя Социалистического Труда.

(Ответ. Петр Леонидович Капица, 1894–1984 гг.)

Гейм 7. Гонка за лидером

Каждой команде нужно ответить на возможно большее число вопросов ведущего. (2 мин, за правильный ответ – 1 балл.)

Вопросы первой команде:

• Когда впервые появилось звание генерал-майор? (Ответ.  При царе Алексее Михайловиче.)
• Ученый, который вывел уравнение тел переменной массы. (Ответ. И.В.Мещерский.)
• Когда впервые корабль был оборудован размагничивающей системой? (Ответ. В 1938 г.)
• Чему равна максимальная скорость авианосца? (Ответ. Примерно 60 м/с.)
• Переведите 1 м³ в дм³.
• Чему равна скорость самолета Ла-5, использовавшегося в Великой Отечественной войне? (Ответ. 648 м/с.)
• Кто впервые совершил «мертвую» петлю и таран? (Ответ. Петр Никифорович Нестеров в 1913 г.)
• Чему равна морская миля? (Ответ. 1,852 км.)
• Чему равна предельная дальность полета пули автомата Калашникова? (Ответ. 3000 м.)
• Человек, сконструировавший самолет Ла-5 с потолком подъема более 11 км. (Ответ.  Семен Александрович Лавочкин.)
• Чему равна толщина кирпичной кладки, находящейся на расстоянии 100 м от стрелка, пробиваемой пулей, выпущенной из автомата Калашникова? (Ответ. 12–15 см.)
• Человек, сконструировавший штурмовик Ил-2, названный немцами «черной смертью»? (Ответ. С.В.Ильюшин.)
• Чему равен 1 дюйм? (Ответ. 25,4 мм.)

Вопросы второй команде:

• Назовите фамилию первого фельдмаршала России. (Ответ. Борис Петрович Шереметев; при Петре I.)
• Кто создал установку по упрочению стволов минометов? (Ответ. Л.Ф.Верещагин.)
• Основоположник теории авиации. (Ответ. Н.Е.Жуковский.)
• Чему равна скорость атомной подводной лодки (подводный ход)? (Ответ. 60 м/с.)
• Чему равна скорость самолета МиГ-3? (Ответ. 640 м/с.)
• Устройство, смягчающее падение. (Ответ. Парашют.)
• Кто построил первый самолет? (Ответ. Братья Орвилл и Уилбер Райт, в 1903 г.)
• Чему равна 1 сажень? (Ответ. 213,4 см.)
• Кто изобрел парашют? (Ответ. Себастьян Ленорман; в 1797 г.)
• Кто руководил сборкой пикирующего бомбардировщика Ту-2? (Ответ. А.Н.Туполев.)
• Чему равна толщина соснового бруса, пробиваемого пулей, выпущенной с расстояния 500 м из автомата Калашникова? (Ответ. 15 см.)
• Кто руководил работами по созданию артиллерийского орудия ЗИС-3, делающего 25 выстрелов в минуту? (Ответ. В.Г.Грабин.)

Вопросы болельщикам (могут быть заданы во время перерыва в игре):

• В чем суть суворовской системы воспитания и обучения войск? (Ответ. Верность отечеству. Развитие глазомера, быстроты, натиска; обращение полководца к солдату как к равному, побуждение его к размышлению, а не просто к исполнению устава.)
• Почему затруднена радиосвязь на коротких волнах в горной местности? (Ответ. Короткие волны распространяются по прямой.)
• Металлоискатель представляет собой генератор незатухающих колебаний звуковой частоты. Когда катушку индуктивности этого генератора приближают к металлическому предмету, скрытому в земле или стене, в телефонных наушниках высокий тон сменяется на низкий. Почему это происходит? (Ответ. Металлический предмет увеличивает индуктивность колебательного контура, а частота генерируемых колебаний при этом уменьшается.)
• Что такое прогибограф? (Ответ. Это прибор, позволяющий регистрировать изменения, происходящие со льдом в разную погоду под влиянием статических и динамических нагрузок; применялся при обороне Ленинграда в годы Великой Отечественной войны.)
• Каково водоизмещение торпедного катера Г-5, сражавшегося с немцами на «голубых дорогах» Великой Отечественной войны, если его длина 20 м, ширина 3,5 м, осадка 0,6 м? (Ответ. 42 т.)