Конспект урока "Перегрузки и невесомость" для 9 класса
план-конспект урока по физике (9 класс) по теме

Урок по физике в 9 классе.

Тема урока: «Перегрузки и невесомость» (Наука и фантазия в романах Ж. Верна «С Земли  на Луну» и «Вокруг Луны»).

Учитель: Сидорова О.М.

ТДЦ

           Обучающая: углубить и дополнить знания учащихся о невесомости и

                                 перегрузках;  

Развивающая: создать условия для

1. развития исследовательских и творческих навыков, навыков общения и совместной деятельности;
2. содействовать развитию умений работать с дополнительной литературой, анализировать прочитанное.

Воспитательная:

1. создать условия для повышения интереса к изучаемому материалу;

2. продолжить воспитание познавательного интереса к физике и науке в целом при чтении научной фантастики.

Перед учащимися ставится задача: подтвердить или доказать несостоятельность проекта, положенного в основу романов «С Земли на Луну» и «Вокруг Луны»; проверить приведенные вычисления и сопоставить их с реальными фактами.

Предварительно учащиеся (или группа учащихся) должны прочитать романы «С Земли на Луну» и «Вокруг Луны».

Вступительное слово учителя (У).

Фантазия и научное познание мира всегда были тесно связаны между собой, когда еще не существовало самого познания «наука», уже жила сказка – поэтическая мечта о невозможном. Люди умели фантазировать – представлять в своем воображении желаемое, но еще не достигнутое. И фантазии играли огромную роль в развитии человеческой культуры.

Один из создателей нового литературного жанра – научной фантастики – Жюль Верн, первым соединивший в литературе фантазию и науку, учил людей мечтать. Он первым ввел в литературу новых героев – Труд и Науку. Именно наука, великая сила знания, является той пружиной, которая движет сюжет большинства его романов.

Космос всегда был предметом его мечты. Красивой, манящей, неосуществимой. Первым человеком кто дал строгое теоретическое обоснование возможности космических полетов, кто перевел проблему космонавтики из области фантастических домыслов в области практической разработки осуществимых  технических решений, был П.Э. Циолковский. А натолкнул Циолковского на поиск путей осуществления космических полетов, по его собственному свидетельству, не кто иной, как французский романист, Жюль Верн.

Он жил в ту эпоху, когда наступивший промышленный переворот резко менял весь уклад жизни. Человечество конца 19в. уже поверило в науку, в ее колоссальные возможности и ждало от нее подчас много большего, чем она могла дать на самом деле.

Сегодня мы обсудим проблемы описания космических полетов в романах Жюля Верна «С Земли на Луну» и «Вокруг Луны». Итак, слово «литераторам» (Ш)

(Ш)  Первая часть дилогии «С Земли на Луну». В Соединенных штатах закончилась четырехлетняя гражданская война. Герои романа, члены балтиморского «Пушечного клуба», не желают примериться с наступлением «мертвого сезона». «Неужели никогда не возникнут международные осложнения, которые позволят нам объявить войну какой–нибудь заморской державе!» - сокрушается математик Мастон  («С Земли на Луну». Гл. 1.  Пушечный клуб).

Но поскольку военные действия прекратились, и новых пока не предвиделось, бравые артиллеристы, по предложению председателя клуба Барбикена, решают соорудить гигантскую пушку, зарядить ее огромным полым снарядом и посадить внутрь пассажиров, выстрелом отправить снаряд-вагон на Луну. Единственная цель выстрела – продемонстрировать успехи баллистики.

Писатель подробно описывает заседание ученых, на которых решались вопросы о пушке, о снаряде, о порохе и других условиях космического путешествия. В  итоге пришли к выводу, что снаряду придется пролететь в канале 700 футов под напором 6 миллиардов метров газа, образовавшихся при сгорании пироксилина. Пушка должна иметь длину 900 футов, начальная скорость вагона – снаряда 800*20 ярдов в сек.

(У) Фантастична ли эта мысль? Какие условия проекта наиболее уязвимы? Для этого выясним:

1. При каких условиях тело может покинуть земную поверхность и стать ИСЗ?

2. С каким ускорением двигался бы снаряд в канале пушки? Какая при этом возникает перегрузка?

3. Влияние перегрузок на организм человека.

4. Какие меры ослабления перегрузки предлагает писатель?

Далее идет обсуждение приведенных вопросов.

При ответе на первый вопрос группа учащихся использовала подготовленную ими презентацию «Космические скорости».

Для ответа на второй вопрос учащиеся берут данные из текста. (Задачу решают все в рабочих тетрадях Один учащийся выполняет решение  на доске).

 Длина части пушки – 900 футов.(«С Земли на Луну». Гл.8. История пушки.), «снаряд был шириной  в девять футов и вышиной в двенадцать» (Гл 23. Вагон–снаряд).    Конечная скорость снаряда -12000 ярдов в секунду. (Гл.4. Ответ Кембриджской обсерватории).

1 ярд = 914,4мм

1 фут = 304,8мм

Дано:                              СИ:                                                           Решение:

l = 900 футов                  274 м                                      Путь, пройденный снарядом за время t    

                                                                                 определяется формулой

V = 12000 ярд/сек           11000м/с

                                                                                           Sy =ay2, а кончная скорость

а - ?

n - ?                                                                                    Vy= V0y+ayt,  так как V0y=0

                                                                                            Vy= ayt.

                                                       Эти данные позволяют определить время t движения снаряда в канале пушки:

                                                  S = at*t2 = vt2;

t = 2sv ;    t = 2*27411000c = 0,05c

Тогда  a = vt     a = 110000,05м/с2 = 220000м/с2

 Вычислим перегрузки которую испытали бы путешественники, используя решение задачи №1.    

  n = a :  g;     n = 220000м/с2 : 10м/с2 = 22000

При ответе на третий вопрос учащиеся демонстрируют презентацию «Влияние перегрузок на организм человека.

 (У) Жюль Верн предвидел подобное и учел это при описании ощущений путешественников в момент старта.

(Ш)  («Вокруг Луны». Гл.2. Первые полчаса.) «Через несколько минут одно из тел зашевелилось, руки задвигались, голова приподнялась. Человек встал на колени. Мишель Ардан……хотел встать, но не смог устоять на ногах, от прилива крови к голове, он словно ослеп. Затем он привел в чувство Николя и Барбикена.»

(У) При взлете и посадке космических кораблей космонавты обязательно испытывают перегрузку. Избежать этого невозможно.

Вывод:

1. Опасный момент для наших путешественников представили бы те несколько сотен долей секунд, в течении которого вагон – снаряд двигается в канале пушки. При таком значении «n» участь пассажиров была бы плачевной из- за чудовищных стартовых перегрузок в момент выстрела.

2. Чтобы ускорение снаряда при выстреле из пушки было в 10 раз больше ускорения свободного падения (при этом а=10g, а n=10, т.е. предел физиологических возможностей), надо изменить длину пушки.

Задача 2. Какой должна быть длинна пушки, чтобы ускорение движения не вызывало перегрузок, превышающих предел физиологических возможностей.

Дано:                                                           Решение:

а= 100м/с2

 v=11000м/с        По известным уже формулам

                                                                                      S = at*t2 ;

S - ?

                                                                                      V = a*t.,      t = Va

                               t = 11000100с = 110с;       S = 11000*1102 м =605000м = 605км

Что технически невозможно.

(У) Приведенные вычисления разрушают заманчивые планы героев Жюля Верна. При взлете и посадке космических кораблей космонавты обязательно испытывают перегрузку. Избежать этого невозможно.

 (У) А какие меры предлагает автор принять для ослабления перегрузки?

(Ш) ( гл. 21.Как француз улаживает дело)  «Я нашел! … Способ ослабить толчок при взлете снаряда! .. Вода! Вода, которая будет играть роль пружины…»

 ( Гл. 23.Вагон-снаряд)   «Барбикен сразу же уяснил себе, что никакая пружина не сможет ослабить удар, … он решил призвать себе на помощь воду, и вот каким образом.

На дно снаряда наливается слой толщиной в три фута, на который кладется деревянный круг, совершенно не проницаемый для воды и скользящий вдоль стенок снаряда. Путешественники помещаются на настоящем плоту. Слой         воды разделен во всю ширину горизонтальной перегородками, которые одна за другой будут сплющены при толчке от выстрела. От каждого слоя проведены трубы к верхушке снаряда. Во время толка вода в нижнем отделении, разбив перегородку, устремится по трубам наверх и будет выброшена наружу. Точно так же и вода следующих отделений вплоть до верхнего. Таким образом , вода сыграет роль пружины, и деревянный круг снабженный, в свою очередь, мощными пружинами, ударится о дно кабины лишь после того, как расплющены все перегородки.»

(У) Другими словами Барбикен предлагает гидравлический амортизатор, вроде тех, какие применяются на легковых автомобилях для смягчения толчков. Между полом кабины и дном снаряда он помещает водяную подушку. Вода в момент выстрела по боковым каналам устремляется в головную часть снаряда. Это действительно могло несколько снизить разрушительное действие ускорителя. Но при огромных силах, с которыми приходится иметь дело, выгода от этих приспособлений получается мизерная.

(В результате обсуждения с учащимися приходим к выводу, что проект Жюля Верна уязвим в следующих пунктах):

1. Главные опасения вызывает участь пассажиров. Самый опасный момент для путешественников - момент старта, когда перегрузки возникают такие, что значительно превосходят физиологические возможности человека. Чтобы скорость снаряда увеличивалась постепенно, длинна ствола пушки должна быть 600км., что технически невозможно. Приведенные вычисления разрушают заманчивые планы героев Жюля Верна.
2. Автор отправляет снаряд в космическое пространство из пушки. Скорость истечения пороховых газов – продуктов взрыва даже современных взрывчатых веществ не превышает 8-9 км/с. Этого достаточно, чтобы преодолеть земное притяжение, но не достаточно, чтобы полететь на Луну.

Вместе с тем

1. Основные параметры полета – направление и начальная скорость  – взяты писателем верно.
2. Правильно приводятся данные относительно Луны – в то время существовали довольно подробные карты ее поверхности
3. Во время космического полета космонавты встречаются и с другими необычными для них условиями, одних из них является невесомость.

(Ш) («Вокруг Луны», гл.8 На расстоянии 78114 лье от Земли.) «С той самой минуты, как они стали удалятся от Земли, их собственный вес, вес ядра и всех предметов, находящихся в нем, постепенно уменьшается.

Если они и не могли обнаружить уменьшение веса снаряда, то в конце концов должна была наступить минута, когда это странное явление они заметили бы на самих себе, на приборах и предметах, которыми они пользовались... в этот день ….Николь уронил стакан, и, к общему изумлению, стакан не упал а повис в воздухе.

- Вот так штука! – воскликнул Ардан. – Вот тебе и законы физики!

Действительно: различные предметы… оружие, бутылки, брошенные и представленные самим себе, словно чудом держались в воздухе…

Путешественники, вступившие в этот новый мир чудес, изумленные и потерянные, несмотря на все свои научные рассуждения, чувствовали, что телам их недостает веса. Вытянутые руки не опускались; голова качалась на плечах; ноги не касались пола снаряда…Мишель вдруг подпрыгнул и, отделившись на некоторое расстояние от дна снаряда, повис в воздухе…»

(У) Видимо Жюль Верн имел основательные представления и знания о состоянии невесомости, так как есть в романе интересный эпизод, связанный с этим явлением. Это эпизод с собакой, когда пассажиры выбросили наружу труп собаки и с изумлением заметили, что он вовсе не падает на Землю, а продолжает нестись вперед вместе со снарядом.

(Ш) («Вокруг Луны», гл.6. Вопросы и ответы)

«Председатель «Пушечного клуба» поспешно подошел к окну и увидел нечто вроде сплющенного мешка, который летел в нескольких метрах от снаряда. Мешок, казалось, висел неподвижно. Следовательно он летел с той же скоростью, что и ядро.. Я не знаю, что это за тело, но могу вам объяснить, почему оно держится на одном уровне с нашим снарядом…. Мы летим в пустоте, а в пустоте все тела, какой бы они не были формы и сколько бы не весили, падают или движутся (что одно и то же) с одинаковой скоростью, независимо не от формы тела, ни от его веса. Это воздух своим сопротивлением создает различия в весе. Если из длинной трубы выкачать насосом весь воздух, тог всякий брошенный туда предмет, будь то пылинка или кусочки свинца, станет падать с одинаковой скоростью. И здесь, в межпланетном пространстве, мы имеем ту же причину и те же следствия.

- Совершенно верно, - подтвердил Николь. – Значит, все, чтобы мы ни выкинули из снаряда, будет лететь вместе с нами вплоть до самой Луны….

- Черт побери! – вдруг завопил Мишель.

- Что с тобой? – спросил Николь.

- Я догадался, что это за мнимый болид…Это наш несчастный пес!...

Действительно, этот предмет, сплющенный, неузнаваемый… был труп Сателлита, летевший к Луне вместе со снарядом.»

(У) Насколько верно эти описание?

(Ш) Демонстрируется презентация «Невесомость»

(У) С того момента путешествия, когда на снаряд перестали действовать газы, пассажиры могли свободно витать внутри снаряда, точно так же и все предметы в нем должны были казаться совершенно невесомыми. Между тем автор рассказывает, как в первые полчаса своего путешествия пассажиры ломали голову над вопросом: летят ли они или нет» («Вокруг Луны», гл. 2.Первые полчаса )

(Ш) «… пока еще невозможно было сказать что-нибудь достоверное относительно состояния снаряда. Кажущаяся неподвижность его и отсутствие всякого сообщения с внешним миром не позволяли решить этот вопрос. Может статься, снаряд летел в межпланетном пространстве, а может быть, поднявшись на короткое время вверх, он упал на землю или в Мексиканский залив.»  Такие сомнения возможны у пассажиров поезда, но немыслимы у пассажиров свободно летящего снаряда: первые сохраняют свой вес, вторые не могут не заметить его отсутствия.

(У) Интересен момент путешествия, когда снаряд пролетел через точку, где притяжение Земли и Луны одинаково («Вокруг Луны»,гл. 8.  На расстоянии 78 144 лье от Земли).

(Ш) «По мере того, как снаряд удаляется от Земли, земное притяжение изменялось обратно пропорционально квадрату расстояния, и на столько же, на сколько оно уменьшалось, увеличивалось притяжение лунное. В какой-то точке пути оба притяжения – лунное и земное – должны были уравновесится, и тогда снаряд должен был потерять всякий вес. Если бы масса Луны и Земли были одинаковы, эта точка находилась бы как раз на середине расстояния между обеими планетами. Но так как масса их различна, то легко вычислить, что эта точка находилась на 47/52 части всего пути, или, в численном выражении, в 78114 лье от Земли.

В этой точке равновесия притяжений всякое тело, не обладающее никаким источником скорости, не имеющее никакого двигателя, осталось бы навеки неподвижным, потому что оба светила притягивали бы его с равной силой и ничто не заставляло бы его лететь в ту или иную сторону».

(У) Проанализируем приведенный текст. Решим задачу: среднее расстояние между центрами Земли и Луны равно 60 земным радиусам, а масса Луны в 81 раз меньше массы Земли. В какой точке отрезка, соединяющего центры З. и Л., тело будет притягиваться ими с одинаковой силой.

(Ш) Приводит решение задачи.

Дано:        Решение:

r = 60R3        r

M3 = 81Mл                        х

З        Л

x-?        F1        F2

F1=F2;F1=GM3*m(r-x)2;F2=GMлmx2;

GM3m(r-x)2=GMлmx2;

M3x2=Mл(r-x)2;

81Mлx2=Mл(r-x)2;

81x2=(r-x)2;

81x2=(60R3)2-2*60R3*x+x2;

81x2=3600R32-120R3x+x2);

80x2+120R3x-3600R32=0

2x2+3xR3-90R32=0

x1.2=-3R3 -+9R32+4*2*90R322*2=-3R3 -+9R32+7204= -3R34±27R3=6R3

x2  - не имеет физического смысла.

Вывод:

1. Автор правильно описывает состояние невесомости.
2. Однако состояние невесомости внутри снаряда описано только для точки, где притяжение Земли  и Луны одинаково, а вне снаряда  - действует во время полёта.

(У) Вряд ли Ж. Верн не понимал истинного положения вещей, известного науке со времён Галилея и Ньютона. Он вполне достоверно описывает действие невесомости вне снаряда, когда рядом летит выброшенный за борт труп собаки. Трудно предположить, что писатель не догадывался о том, что в сущности нет никакой разницы – находится предмет вне снаряда или внутри него. Скорее всего писатель сознательно ограничивает сферу действия невесомости: даёт картину этого состояния внутри снаряда только в тот момент. Когда он проходит ту точку пространства между Землёй и Луной , где оно притягивается к этим небесным телам с одинаковой силой.

В заключении следует отметить, что замысел лунной дилогии получил серьёзное научное подкрепление. Интуиция соединилась с точным расчётом, основанным на законах небесной механики. Современная космонавтика, подтвердившая прозорливость Ж.Верна, внесла колоссальный вклад в науку, многократно превосходящий дальновидные прогнозы писателя.

«Вокруг Луны», как и первая часть дилогии, строится на строгих расчётах. Нужно было мотивировать возвращение снаряда, чтобы не дать ему затеряться в Солнечной системе.

Домашнее задание: найдите в романе описание способа возвращения путешественников на Землю и оцените его реальность.