Урок физики в 9 классе на тему "Реактивное движение"
методическая разработка по физике (9 класс) на тему

Тема урока: Реактивное движение (9 класс)

Элина Павловна Журавлева

Цели урока:

образовательные: 

• ввести понятие о реактивном движении;
• сформировать  представление  о  реактивном движении как широко распространенном в природе;

развивающие: 

• развивать умение логично и образно выражать свои мысли;

           формировать интерес к физике;

• развитие исследовательских способностей.

     воспитательные:

• показать роль русских учёных в развитии теории и практического применения реактивного движения    

Тип урока: урок изучения нового материала.

Оборудование: компьютер, мультимедийный проектор, экран, печатные средства (раздаточный материал), резиновый шарик, насос, диск «Открытая физика 1.0»

Материалы для проведения урока: послайдовая презентация, тесты

Описание мультимедийного продукта: послайдовая презентация, выполненная в среде Microsoft PowerPoint 2007 SP3, режим показа – последовательный, управляемый пользователем.

Время реализации:

расчетное время реализации урока - 45 минут.

Интеграция физика – история – биология

Учитель физики. На прошлых уроках мы с вами познакомились с законом сохранения импульса и научились применять его к решению задач. Давайте вспомним, как читается закон сохранения импульса?

Как и всякий закон физики, он нашел широкое применение. Интересный и важный пример проявления и практического применения закона сохранения импульса - это реактивное движение.

Тема сегодняшнего урока «Реактивное движение».

Найдите в учебнике определение. Так называется движение, (Ученик продолжает)... которое возникает, когда от тела отделяется и движется с некоторой скоростью какая-то его часть. Типичным примером реактивного движения может служить движение ракет. Звучит запись. Голос Левитана. (Репортаж о беспримерном полёте человека в открытый космос.)

Учитель истории. Это событие 12 апреля 1961 года до сих пор наиболее значительно из всех событий в истории науки и техники. Сегодня вы узнаете, какие принципы лежат в основе космических полётов, какую роль сыграли русские учёные в развитии теории реактивного движения. Вы узнаете, где встречается реактивное движение в окружающем нас мире.

Итак, всё по порядку. Быть может уже много тысяч лет назад, глядя на ночное небо, человек мечтал о полёте к звёздам.

Мы были узники на шаре скромном,

И сколько раз в бессчетной смене лет

Упорный взор Земли в просторе тёмном

Следил с тоской движение планет.

К тем сестрам нашей населённой суши,

К тем дочерям единого отца,

Как много раз взносились наши души,

Мечты поэта, думы мудреца.

(В. Брюсов.)

Шли века, человек приобретал всё большую власть над природой, но мечты о полёте к звёздам оставались всё такой же несбыточной. Легенды и мифы всех народов полны рассказов о полёте к Луне, Солнцу и звёздам. Средства для такого полёта, предлагаемые народной фантазией были достаточно примитивны: колесница, влекомая орлами; крылья, прикреплённые к человеческим рукам.

В 17 веке появился фантастический рассказ французского писателя Сирано де Бержерака о полёте на Луну. Герой этого рассказа добрался до Луны в железной повозке, над которой он подбрасывал сильный магнит. Из пушки на Луну отправились герои Жуля Верна. Английский писатель Герберт Уэллс описал фантастическое путешествие на Луну в снаряде, корпус которого был сделан из материала, не поддающегося силе тяготения. Упоминали писатели-фантасты и ракеты. Однако эти ракеты были технически необоснованной мечтой.

До наших дней дошли предания о том, как в Китае в 1500 году при помощи пороховых ракет, установленных на воздушном змее, пытался совершить полёт смелый испытатель Ван Гу, погибший при эксперименте.

Пытливая мысль, фантазия дают пищу для раздумий учёным и инженерам, а развитие науки и техники в свою очередь обогащают воображение писателей-фантастов.

От смелой мечты — к научной мысли и от неё к расчёту, к эксперименту и инженерному воплощению - таков путь развития цивилизации, вследствие которого неизбежно наступает период практического внедрения ракетной техники. Она находит разнообразное применение. Прежде всего, в военной технике, потом уже в качестве спасательных, сигнальных ракет. Боевое применение ракет, начатое ещё китайцами и индусами в 12-13 веках, было перенято европейцами, сначала в Англии (Почему!), а чуть позже в России. Боевые ракеты и станки к ним были разработаны в России А. Д. Засядько и К. И. Константиновым и в Англии Конгревом. Появление нарезной артиллерии во второй половине 19 века вытесняет ракеты и только в самом конце века и начале двадцатого века инженерная мысль опять возвращается к ним.

(Слайд) Впервые проект воздухоплавательного прибора, в основе которого была ракета, был предложен Николаем Ивановичем Кибальчичем. Что это был за человек? Первого марта 1881 года в Петербурге вблизи Михайловского замка И. Гринецкий, член организации "Народная воля", взрывает бомбу, которая убивает его и царя Александра II. Изготовил эту бомбу Н. И. Кибальчич.

А дальше - арест, тюрьма, следствие, суд, приговор, в котором не приходилось сомневаться ни ему, ни его друзьям. Смертная казнь через повешение. В тюрьме он руководствовался кодексом поведения революционера на следствии и на суде: не выдавать товарищей, не раскаиваться, не просить о смягчении приговора или помиловании.

В камере смертников, где Кибальчичу было отведено 17 дней, он спешил написать свой проект воздухоплавательного прибора. И вот проект закончен, хотя не было времени, чтобы разработать свой проект в подробностях и доказать его осуществимость математическими вычислениями. В сопровождающем его письме - просьба ускорить рассмотрение учёными его идей. Он пишет: «Находясь в заключении за несколько дней до своей смерти, я пишу этот проект. Я верю в осуществимость моей идеи, и эта вера поддерживает меня в моём ужасном положении. Если же моя идея после тщательного обсуждения учёными будет признана исполнимой, то я буду счастлив тем, что окажу громадную услугу родине и человечеству; я спокойно тогда встречу смерть, зная, что моя идея не погибнет вместе со мной, а будет существовать среди человечества, для которого я готов был пожертвовать своей жизнью. Поэтому я умоляю учёных... дать мне ответ как можно быстрее».

Учитель физики. Это - первый шаг в истории отечественной космонавтики… Следующий и, естественно, более решительный был сделан К. Э. Циолковским. (Слайд).

В 1903 году в Петербурге была опубликована статья скромного калужского учителя К. Э. Циолковского «Исследование мировых пространств реактивными приборами». В статье рассказывалось о том, что единственный летательный аппарат, способный проникнуть за атмосферу и покинуть Землю, - это ракета.

Циолковский разработал теорию ракеты, дал ей математическое обоснование. Он первым в 1926 году разработал строгую математическую теорию движения двухступенчатой ракеты. Эта теория стала той научной базой, на которой создавались первые пилотируемые космические корабли, предназначенные для освоения космических пространств.

Константин Эдуардович Циолковский совершил свой научный подвиг совершенно бескорыстно. Об этом ярко свидетельствуют его слова: «Основной мотив моей жизни - не прожить даром жизнь, продвинуть человечество хоть немного вперёд. Вот почему я интересовался тем, что не давало мне ни хлеба, ни силы, но я надеюсь, что мои работы - может быть скоро, а может быть и в отдалённом будущем - дадут обществу горы хлеба и бездну могущества». 

Демонстрируем модель реактивного движения на экране, используя диск «Открытая физика 1.0». Обратимся к теории. (Ученик выполняет на доске вывод формулы Циолковского, пользуясь схемой ракеты.)

ʋк = - ∙ ʋг

Знак «минус» показывает, что скорость (вектор скорости) корпуса ракеты направлена противоположно скорости вылетающих газов. Как можно увеличить скорость ракеты? (Скорость ракеты можно увеличить двумя путями: увеличив скорость вытекания газов из сопла ракеты и увеличив массу сгораемого топлива). Но второй путь приводит к уменьшению доли полезной массы - массы корпуса, а также перевозимого груза. Реальная скорость ракеты будет значительно меньше рассчитанной нами, поскольку вблизи Земли заметно сопротивление воздуха и топливо сгорает не сразу целиком, а постепенно. Законы движения тел переменной массы намного сложнее. Они были исследованы русскими учёными И. В. Мещерским и К. Э. Циолковским и нашли широкое применение в практике расчёта движения современных ракет.

 Принцип реактивного движения можно легко проиллюстрировать с помощью следующего эксперимента. Возьмём воздушный шар продолговатой формы, немного толстой проволоки и моток капроновой лески или ниток. Загнём концы проволоки, прикрепим два крючка к шару так, чтобы они находились на одной прямой. Повесим шар на леску с помощью крючков, потом его горлышко и ... шар полетит!

А сейчас я предлагаю объединить теорию и практику. Решите устно следующую задачу.

Определите скорость шарика, если скорость истечения воздуха из него 1,5 м/с, масса воздуха 2г, масса оболочки З г. (слайд) Ответ: 1м/с.

Учитель биологии. Надо сказать, что люди со своим открытием несколько запоздали: такой способ передвижения природа «открыла» раньше, чем на Земле появился человек. И сейчас есть немало живых существ, для которых реактивное движение является обычным способом их перемещения в воде. Многие морские животные для передвижения пользуются реактивным движением, среди них медузы, морские гребешки, осьминоги, кальмары, каракатицы, сальпы, некоторые виды планктона. Все они используют реакцию выбрасываемой струи воды, отличие состоит в строении тела, а, следовательно, в способе забора и выброса воды.

Морской моллюск-гребешок (слайд) движется за счет реактивной силы струи воды, выброшенной из раковины при резком сжатии ее створок. Он применяет этот вид движения в случае опасности.

Каракатицы (слайд) и осьминоги (слайд) забирают воду в жаберную полость через боковую щель и особую воронку впереди тела, а затем энергично выбрасывает струю воды через воронку. Каракатица направляет трубку воронки в бок или назад и, стремительно выдавливая из неё воду, может двигаться в разные стороны. Осьминоги, складывая щупальца над головой, придают своему телу обтекаемую форму и могут таким образом управлять своим движением, изменяя его направление.

Осьминоги даже умеют летать. Французский натуралист Жан Батист Верани видел, как обычный осьминог разогнался в аквариуме и вдруг задом вперед неожиданно выскочил из воды. Описав в воздухе дугу, длиной метров в пять, он плюхнулся обратно в аквариум. Набирая скорость для прыжка, осьминог двигался не только за счет реактивной тяги, но и греб щупальцами.

Сальпа (слайд) - морское животное с прозрачным телом, при движении принимает воду через переднее отверстие, причем вода попадает в широкую полость, внутри которой по диагонали натянуты жабры. Как только животное сделает большой глоток воды, отверстие закрывается. Тогда продольные и поперечные мускулы сальпы сокращаются, все тело сжимается и вода через заднее отверстие выталкивается наружу. (слайд). Кальмар. Мышечная ткань – мантия окружает тело моллюска со всех сторон, объем ее полости составляет почти половину объема тела кальмара. Животное засасывает воду внутрь мантийной полости, а затем резко выбрасывает струю воды через узкое сопло и с большой скоростью двигается толчками назад. При этом все десять щупалец кальмара собираются в узел над головой, и он приобретает обтекаемую форму. Сопло снабжено специальным клапаном, и мышцы могут его поворачивать, изменяя направление движения. Двигатель кальмара очень экономичен и способен развивать скорость до 60 – 70 км/ч. Изгибая сложенные пучком щупальца вправо, влево, вверх или вниз, кальмар поворачивает в ту или другую сторону. Поскольку такой руль по сравнению с самим животным имеет очень большие размеры, то достаточно его незначительного движения, чтобы кальмар, даже на полном ходу, легко мог увернуться от столкновения с препятствием. Но когда нужно плыть быстро, воронка всегда торчит прямо между щупальцами, и кальмар мчится хвостом вперед.

Лучший пилот среди моллюсков – кальмар стенотевтис. Моряки называют его – «летающий кальмар». Он преследует рыб с такой стремительностью, что нередко выскакивает из воды, стрелой проносясь над ее поверхностью. К этой уловке он прибегает и, спасая свою жизнь от хищников – тунцов и макрелей. Развив в воде максимальную реактивную тягу, кальмар-пилот стартует в воздух и пролетает над волнами более пятидесяти метров. Апогей полета живой ракеты лежит так высоко над водой, что летающие кальмары нередко попадают на палубы океанских судов.

Английский исследователь моллюсков доктор Рис описал в научной статье кальмара (длиной всего в 16 сантиметров), который, пролетев по воздуху изрядное расстояние, упал на мостик яхты, возвышавшийся над водой почти на семь метров.

Насекомые. Подобным образом перемещаются и личинки стрекоз. Причём не все, а длиннобрюхие, активно плавающие личинки стоячих (сем. Коромысла) и текучих (сем. Кордулегастры) вод, а также короткобрюхие ползающие личинки стоячих вод. Реактивное движение личинка использует главным образом в минуту опасности для того, чтобы быстро переместиться на другое место. Такой способ передвижения не предусматривает точного маневрирования и не пригоден для погони за добычей. Но личинки коромысел и не гоняются ни за кем - они предпочитают охоту из засады.

Задняя кишка личинки стрекозы, помимо своей основной функции, выполняет еще и роль органа движения. Вода заполняет заднюю кишку, затем с силой выбрасывается, и личинка перемещается по принципу реактивного движения на 6-8 см. Реактивное движение можно обнаружить и в мире растений. В южных странах (и у нас на побережьеЧерного моря тоже) произрастает растение под названием "бешеный огурец".

Латинское название рода Ecballium происходит от греческого слова со значением — выбрасываю, по устройству плода, выбрасывающего семена.

Плоды бешеного огурца сизо-зелёные или зелёные, сочные, продолговатые или продолговато-яйцевидные, длиной 4—6 см, шириной 1,5—2,5, щетинистые, на обоих концах тупые, многосемянные (слайд). Семена удлинённые, мелкие, сжатые, гладкие, узко-окаймленные, длиной около 4 мм. При созревании семян окружающая их ткань превращается в слизистую массу. При этом в плоде образуется большое давление,

в результате чего плод отделяется от плодоножки, а семена вместе со слизью с силой выбрасываются наружу через образовавшееся отверстие. Сами огурцы при этом отлетают в противоположном направлении. Стреляет бешеный огурец (иначе его называют «дамский пистолет») более чем на 12 м (слайд).

Учитель физики. Мы узнали определение реактивного движения, познакомились с его теорией, наблюдали на опыте. Укажем, где встречается реактивное движение в окружающем нас мире. (Запись на доске и тетрадях).

Применение:

1. Космические полёты.
2. Движение морских животных, насекомых, семян растений.
3. Оборона страны.

Учитель истории. Принцип реактивного движения позволил создать самолёты, движущиеся со скоростью в несколько тысяч км/ч, летающие снаряды, поднимающиеся на высоту в сотни километров над Землёй.

А вот славная страница из истории советской артиллерии минувшей войны. В книге Б. В. Левшина «Советская наука в годы Великой Отечественной войны» о ней написано так: «Учёные вложили свои знания и труд в создание новых артиллерийских установок - реактивных, которые обеспечивали мощный маневренный огонь, массированные залпы и были любовно названы в народе «катюшами». Реактивные снаряды имели ряд преимуществ перед обычными: заряд сообщающий движение, находился внутри них, отсутствовала отдача при выстреле, и потому не требовались дорогие орудийные стволы из высокачественной стали. По сравнению с тяжелыми орудиями эти установки были малогабаритные и монтировались на автомобилях. Созданию реактивного оружия предшествовала длительная работа учёных и конструкторов: Клеймёнова, Лангемарка, Тихомирова, Артемьева, Петропавловского и других. Новое оружие было применено в бою 14 июля 1941 года. Батарея капитана Флёрова произвела залп из семи пусковых установок по железнодорожной станции Орша. Генерал-лейтенант Плесков вспоминает об этом: «Мы на наблюдательном пункте оцепенели, когда услышали первый залп. С оглушительным рёвом, свистом и раскатистым скрежетом вслед за огромными клубами красно-чёрного дыма прочертили небо над нашими головами горящие кометы. И всё это в какое-то мгновение. Я прильнул к стереотрубе. Уму непостижимо, что творилось километрах в четырёх от нас. Не то, что там танки и машины - горела даже Земля! Сердце захватывала радость, гордость за Родину, за творцов грозного оружия. Перепуганные гитлеровцы назвали это оружие «адской мясорубкой».

Таким был вклад учёных-физиков в победу над фашизмом.

Учитель физики. Ответьте на мои вопросы:

1. Какое движение называют реактивным?
2. Где встречается реактивное движение в природе и технике?
3. Как устроена простейшая ракета?
4. Как объясняется реактивное движение?

(После ответов учащихся). Ну, что ж. Вы прошли полный курс подготовки, и я приглашаю вас в полёт. Положите руки на колени, расправьте плечи, закройте глаза! Сделайте глубокий вдох! Выдох! (Звучит шум запуска космического корабля и космическая музыка)…Откройте глаза! Мы с вами в космосе!

Всюду звёзды над тобою

Всюду ярких точек рой.

Бесконечной чередою,

Нежной, дружною толпою

Окружают шар земной.

Эти звёзды - центры света,

 Вечной жизни очаги,

Их лучами мысль согрета,

И сияние их привета,

Друг мой, в сердце сбереги!

(Н. Морозов) 

Физкультминутка.

Продолжим наш космический урок. На борту корабля есть вполне земные предметы: доска и мел, а значит, мы можем решать задачи.

• Модель ракеты имеет массу 200 г. Масса пороха в ней 50 г. Считать, что газы мгновенно вырываются из сопла ракеты со скоростью 100 м/с, рассчитайте скорость движения ракеты. (Ученик у доски решает задачу. Ответ:33 м/с).

• Через сопло реактивного двигателя самолёта ежесекундно проходит в среднем 50 кг воздуха и продуктов сгорания. Скорость газов на входе двигателя 250 м/сек, а на выходе 500м/с. Определите реактивную силу. (Ответ: 1,25 104 Н)
• В какую сторону и почему станет двигаться тележка (слайд ), если баллон с отверстием нагреть на спиртовке? (После ответа учащихся: по такому принципу была устроена  паровая тележка И. Ньютона).

Время нашего урока заканчивается, и нам пора возвращаться на  Землю. Запишите домашнее задание: §42, в.1,2 с 118.

Вы готовы?

Звучит шум посадки корабля.

С благополучным возвращением на Землю!

На сегодняшнем уроке мы познакомились с реактивным движением. Это только одна страничка в огромной книге знаний человечества. Применяя полученные знания, человек изобрёл множество машин и приспособлений  для удовлетворения собственных потребностей, средств передвижения, приборов для изучения окружающего мира...

И тем не менее

Я ещё не устал удивляться

Чудесам, что есть на Земле:

Телевизору, голосу раций,

Вентилятору на столе.

 Самолёты летят сквозь тучи,

 Ходят по морю корабли.

Как до этих вещей могучих

Домечтаться люди могли?

 Я вверяю себя трамваю,

Я гляжу на экран кино.

Эту технику понимая,

 Изумляюсь ей всё равно.

Ток по проволоке струится,

 Спутник ходит по небесам!

 Человеку стоит дивиться

 Человеческим чудесам!

Так писал поэт Вадим Шефнер о созданиях человеческого разума. А в их основе - законы физики!