Урок з реактивного руху

Реферат Софії Шугаєвої.         План урока з природознавчих дисциплін. Тема – РЕАКТИВНИЙ РУХ :

Мета уроку:
1. Пізнавальні: дати поняття реактивного руху; розглянути устрій ракети, показати застосування закону збереження імпульсу для реактивного руху (на прикладі руху ракети).
2. Розвиваючі: сприяти розвитку пізнавальної діяльності та розширення кругозору, дати уявлення про реактивний рух в природі і техніці.
3. Виховні: показати величезний внесок вчених, інженерів в справу створення багатоступінчастої ракети для освоєння космічного простору; показати роль підприємств в ракетобудуванні.
Устаткування:
1. Плакати: багатоступенева ракета, реактивний рух; живі ракети.
2. Стенди: - Еко-стенд «Територія інновацій» та інформація про підприємства в галузі ракетобудування і інформація для бажаючих навчатися у ВНЗ.
3. Лабораторна робота та демонстрації: рух повітряної кулі або ракети, укріпленої на візку, запуск ракети, явище "віддачі" при витіканні води з сопла. Відео та моделі - http://ueeu.in.ua/f .

4. Домашнє завдання: виготовлення ракети (з двох порожніх ПЕТ-пляшок) та сопла. Монтаж візка. Запис відео виконання домашнього завдання і розміщення на Ю-тубі та на сайті http://ueeu.in.ua/f .

ХІД УРОКУ
I. Актуалізація
Ми продовжуємо вивчати один з найважливіших законів природи - закон збереження імпульсу, згадаємо деякі визначення:
1. Що таке імпульс тіла?
2. Що таке замкнута система тіл?
3. Що стверджує закон збереження імпульсу?
А тепер проведемо тестування для всіх.
Самостійна робота на 10 хв.
варіант I
1. Візок масою 0,2 кг рухається рівномірно по горизонтальній поверхні столу зі швидкістю 2м / с. Чому дорівнює її імпульс?
А. 0,4 кг х м / с
Б. 0,2 кг х м / с
В. 4 кг х м / с
2. На малюнку представлений графік залежності швидкості тіла від часу. Визначте імпульс тіла через 4с після початку руху, якщо маса цього тіла 2 кг

  А.   8 кг х м/с; Б. 40 кг х м/с;  В. 80 кг х м/с

II. Сьогодні ми познайомимося з явищем, в основі якого лежить закон збереження імпульсу
Відкрийте робочі зошити, запишіть число і тему уроку: "Реактивний рух. Ракети."
Для початку розглянемо кілька прикладів, що підтверджують справедливість закону збереження імпульсу. (Досвід з кульками на дошці, нагадати про кульки в Політех. Музеї. Учні до уроку відвідали лекцію в музеї на тему: "Закони механіки і закон збереження імпульсу")

Мал. 1

На нитках підвішуються дві кульки (див. Мал. 1 а і б).
Праву кульку відхиляють і відпускають. Повернувшись в попереднє положення і вдарившись об нерухому кульку, він зупиняється. При цьому ліва кулька починає рухатися і відхиляється практично на той же кут, що відхилялась права куля.
Напевно, багато хто з вас спостерігав, як приходить в рух надута повітрям повітряна кулька, якщо розв'язати нитку, тиснучу на його отвір. (Демонстрація).
Пояснити це явище можна за допомогою закону збереження імпульсу. Поки отвір кульки зав'язаний, кулька з стисненим повітрям всередині перебуває у покої, і ЇЇ його імпульс дорівнює нулю.
При відкритому отворі з нього, з досить великою швидкістю, виривається струмінь стисненого повітря. Рухоме повітря має деякий імпульс, спрямованим в бік руху повітря.
Згідно з чинним в природі законом збереження імпульсу сумарний імпульс системи, що складається з двох тіл - кульки і повітря в ньому, - повинен залишитися таким же яким був до початку закінчення повітря, тобто рівним нулю. Тому кулька починає рухатися в протилежну від струменя сторону з такою швидкістю, що її імпульс дорівнює по модулю імпульсу повітряного струменя. Вектори імпульсів кульки і повітря спрямовані в протилежні сторони. В результаті сумарний імпульс взаємодіючих тіл залишається рівним нулю. Рух кульки є прикладом реактивного руху.
Звернемося до досвіду з Г-подібною трубкою, де ми можемо спостерігати, як трубка відхиляється в сторону, протилежну напрямку струменя.
Всі ці досліди є прикладами реактивного руху.
Запишемо визначення: Рух, який виникає як результат відділення від тіла будь-якої частини, або як результат приєднання до тіла іншої частини, називається реактивним рухом.
Ви знаєте, що принцип реактивного руху знаходить широке практичне застосування в авіації і космонавтиці. У космічному просторі немає середовища, з якою тіло могло б взаємодіяти і тим самим змінювати напрямок і модуль своєї швидкості. Тому для космічних польотів можуть бути використані тільки реактивні літаки, тобто ракети.
Розглянемо питання про влаштування та запуск так званих ракет-носіїв, тобто ракет, призначених для виведення в космос штучних супутників Землі, космічних кораблів, автоматичних міжпланетних станцій і інших корисних вантажів.

У будь-ракеті, незалежно від її конструкції, завжди є оболонка і паливо з окислювачем.

На малюнку 2 зображена ракета в розрізі. Ми бачимо, що оболонка ракети включає в себе корисний вантаж (в даному випадку це космічний корабель), приладовий відсік і двигун (камера згоряння, насоси та ін.).
Основну масу ракети становить паливо з окислювачем (окислювач потрібен для підтримки горіння палива, оскільки в космосі немає кисню).
Паливо і окислювач за допомогою насосів подаються в камеру згоряння. Паливо, згораючи, перетворюється в газ високої температури і високого тиску, який потужним струменем спрямовується назовні через розтруб спеціальної форми званий соплом. Призначення сопла полягає в тому, щоб підвищити швидкість струменя газів.
З якою метою збільшують швидкість виходу струменя газу? Справа в тому, що від цієї швидкості залежить швидкість ракети. Це можна показати за допомогою закону збереження імпульсу.
Для простоти міркувань будемо поки вважати, що ракета є замкнутою системою (тобто будемо враховувати дію на неї сили земного тяжіння).
Оскільки до старту імпульс ракети дорівнював нулю, то згідно із законом збереження сумарний імпульс рухаючийся оболонки і викидаємого з неї газу теж має дорівнювати нулю. Звідси випливає, що імпульс оболонки і спрямований протилежно йому імпульс струменя газу повинні бути рівні один одному по модулю. Тому, чим з більшою швидкістю викидається газ з сопла, тим більше буде швидкість оболонки ракети.
З якою швидкістю рухається оболонка ракети? Запишемо закон збереження імпульсу для замкнутої системи двох тіл: газу і оболонки.

Крім швидкості витікання газу існують і інші чинники, від яких залежить швидкість руху ракети.
Зрозуміло, що виведена формула справедлива тільки для випадку миттєвого згоряння палива. Миттєве згоряння - це вибух, - такого бути не може. На практиці маса палива зменшується поступово, тому для більш точного розрахунку використовуються складніші розрахунки (http://ueeu.in.ua/un/f - п.Розрахунки моделей,  http://www.sciencebits.com/RocketEqs, http://www.sciencebits.com/RocketCalculator - інтернет калькулятор для водних ракет).
Ми розглянули пристрій і принцип дії одноступінчастої ракети, де під ступіню мається на увазі та частина, яка містить баки з пальним і окислювачем та двигун.
Сучасні технології виробництва ракетоносіїв не дозволяють перевищити швидкість 8-12 км / с. Для третьої космічної швидкості (16,4 км / с) необхідно, щоб маса палива перевершувала масу оболонки носія майже в 55 разів, що на практиці неможливо. Тому використовують багатоступінчасті ракети, розвиваючі набагато більші швидкості і призначені для більш далеких польотів, ніж одноступінчаті.

На малюнку 3 показана схема триступеневої ракети. Після того як паливо і окислювач першого ступеня будуть повністю витрачені, ця ступінь автоматично відкидається і в дію вступає двигун другої ступені.
Зменшення загальної маси ракети шляхом відкидання вже непотрібної ступені дозволяє заощадити паливо і окислювач і збільшити швидкість ракети. Потім таким же чином відкидається друга ступінь.
Якщо повернення космічного корабля на Землю або його посадка на будь-яку іншу планету не планується, то третя ступінь, як і дві перші, використовується для збільшення швидкості ракети. Якщо ж корабель повинен здійснити посадку, то вона використовується для гальмування корабля перед посадкою. При цьому ракету розвертають на 180 °, щоб сопло виявилося спереду. Тоді газ, що виривається з ракети, повідомляє їй імпульс, спрямований проти швидкості її руху, що призводить до зменшення швидкості і дає можливість здійснити посадку.
Ідея використання ракет для космічних польотів була висунута на початку XX ст. російським вченим, винахідником і вчителем Костянтином Едуардовичем Ціолковським. Ціолковський розробив теорію руху ракет, вивів формулу для розрахунку їх швидкості, і був першим, хто запропонував використовувати багатоступінчасті ракети.
Через півстоліття ідея Ціолковського була розвинена і реалізована радянськими вченими під керівництвом Сергія Павловича Корольова.
А тепер ми спробуємо запустити свою ракету. За допомогою учнів вчитель збирає модель ракети. У лабораторну модель ракети закачується повітря за допомогою насоса і після натиснення на спусковий механізм ракета пролітає понад два метри або їде на платформі. Відео та моделі - http://ueeu.in.ua/f .
Приклади реактивного руху можна виявити і в світі тварин і рослин. Наприклад, дозрілі плоди "скаженого" огірка при найлегшому дотику відскакують від плодоніжки і з отвору викидається, фонтаном зі швидкістю 10 м/с, гірка рідина з насінням, а сам огірок при цьому відлітає в протилежному напрямку (див. Рис. 4). Стріляє "скажений" огірок (інакше його називають "дамський пістолет") більш ніж на 12 м.

 Запишемо домашнє завдання: § ..., впр. ... (..., ...), а також спробуємо зробити дома макет ракети та підготувати деталі для ракетного візка (колеса з отворами та вісі, лінійку), кріплення ракети і вісей розробіть з допомогою батьків. На наступному уроці ми зберемо ракету з візком та випробуємо. Розрахуйте для плавного початку руху візка і максимального пробігу: обтяження візка, тиск у ракеті, діаметр сопла для руху по поверхні, кількість та густину рідини (сухої речовини). 

Прочитайте текст і дайте відповідь на поставлені питання. (7-9 хв.). (Показ кадрів з фільму Додаток 1).
Я знаю, що деякі учні приготували цікаві факти з історії реактивного руху. (Перші порохові ракети, доповідь про Кибальчича і т.д. На нашому уроці учні самі підбирали інформацію і надали короткі повідомлення).

- Дивіться - на ваших партах знаходяться файли з текстом «Живі ракети» з прикладами реактивного руху у водному середовищі (Додаток 2), інструкції з виготовлення ракет, візків, та пускових приладів (Додаток 3).
- Дякую за увагу, урок закінчено, до побачення.

                                                                              ЖИВІ РАКЕТИ

Реактивний рух, що використовується в літаках, ракетах і космічних снарядах, властивий восьминогам, кальмарам, каракатиця, медузам. Всі вони, без винятку, використовують для плавання реакцію (віддачу) викидаємого струменя води. Саме це дало привід назвати кальмарів біологічними ракетами. У м'язах кальмара в результаті складних перетворень хімічна енергія перетворюється в механічну.
Найбільший інтерес представляє реактивний «двигун» кальмара. При повільному переміщенні кальмар користується великим ромбоподібним плавцем, який періодично згинається. Для швидкого кидка він використовує реактивний двигун. М'язова тканина - мантія оточує тіло молюска з усіх боків, обсяг її порожнини становить майже половину обсягу тіла кальмара. Тварина засмоктує воду всередину мантійних порожнини, а потім різко викидає струмінь води через вузьке сопло. Це сопло забезпечено спеціальним клапаном, і м'язи можуть його повертати, змінюючи напрямок руху. Двигун кальмара дуже економічний, він здатний розвивати швидкість до 60 - 70 км / ч. (Деякі дослідники вважають, що навіть до 150 км/год!) Недарма кальмара називають "живою торпедою".
Інженери вже створили двигун, подібний двигуну кальмара. Його називають водометом. У ньому вода засмоктується в камеру. А потім викидається з неї через сопло; судно рухається в сторону, протилежну напрямку викиду струменя. Вода засмоктується за допомогою звичайного бензинового або дизельного двигуна.
Реактивний рух використовується багатьма молюсками - восьминогами, кальмарами, каракатицями, медузами. Наприклад, морський молюск-гребінець рухається вперед за рахунок реактивної сили струменя води, викинутої з раковини при різкому стисканні її стулок.
Чому ж двигун кальмара і раніше привертає увагу інженерів, є об'єктом ретельних досліджень біологів?
У кальмара засмоктування води і її викидання відбувається за рахунок скорочення м'язів, збуджених електричним імпульсом від нервів. Щоб збільшити швидкість руху, тобто число реактивних імпульсів в одиницю часу, необхідна підвищена провідність нервів, якою володіють кальмари внаслідок великого діаметра нервів.
Відомо, що у кальмара найбільші в тваринному світі нервові волокна (діаметр 1 мм) вони проводять збудження зі швидкістю 25 м / с. Цим пояснюється велика швидкість руху кальмарів (до 20 м / с). Пошуки інженерів спрямовані на створення конструкції такого гідрореактивного двигуна, який би, як і кальмар, не потребував додаткового засмоктуючого пристрою.

1. Виберіть правильне твердження.
А) Реактивний спосіб руху заснований на законі Всесвітнього тяжіння.
Б) Реактивний спосіб руху заснований на законі збереження імпульсу.
В) Реактивний спосіб руху заснований на законі Архімеда.

2. Які твердження справедливі?
А) При реактивному способі плавання кальмар користується великим ромбоподібним плавцем, періодично згинаючи його.
Б) При реактивному способі плавання кальмар засмоктує вода через широко відкриту мантійную щілину в мантійну порожнину.
В) При реактивному способі плавання кальмар рухається вперед за рахунок реактивної сили струменя води, викинутої з раковини при різкому стисканні її стулок.

3. Чому двигун кальмара привертає увагу біологів?
А) Тому що за допомогою цього «двигуна» кальмар розвиває досить велику швидкість.
Б) Тому що кальмари мають підвищену провідність нервових волокон, внаслідок їх великого діаметру.
В) Пошуки біологів спрямовані на створення конструкції такого гідрореактивного двигуна, який би, як і кальмар, не потребував додаткового засмоктуючого пристрою.

Урок на сторінці: http://ueeu.in.ua/un/ekologiya/majster-klasy-ta-zahody/urok-z-reaktivnogo-ruxu.html