Движение искусственных спутников

Цели урока:

Образовательные:

• изучить движение тел в гравитационном поле Земли. Углубить понимание  закона Всемирного тяготения и движения по окружности путем их применения для вывода формулы первой космической скорости;

• выработать умения воспринимать и излагать новый материал;

• показать практическую значимость изучаемого материала;

• познакомить учащихся с успехами в освоении космического пространства.

Развивающие:

• продолжить обучение умению выделять главное, существенное в изучаемом материале на основе сравнения скоростей, сообщаемым телам  в горизонтальном направлении у  поверхности Земли, с траекториями движения в поле тяготения Земли, анализировать, проводить сравнения, находить общие и отличительные черты , делать выводы;

• развивать внимание, память, устную речь;

• развивать познавательную, информационно-коммуникативную компетенции.

Воспитательные:

• сформировать интерес учащихся к изучаемому материалу. Рассмотреть примеры из истории космической техники, показать роль ученых, физиков, конструкторов;

• воспитывать чувство патриотизма и гордости за свою Родину.

Оборудование: карточки разного рода, различных уровней;

Ход урока

1. Организационный момент.

1. Актуализация знаний

Фронтальный опрос.

1. Куда направлено ускорение тела при его движении по окружности с постоянной по модулю скоростью?

Ускорение направлено по радиусу окружности к ее центру.

1. Что это за ускорение?

Центростремительное ускорение - ускорение, с которым тело движется по окружности с

постоянной по модулю скоростью.

1. По какой формуле можно вычислить модуль вектора центростремительного ускорения?

α _ц = v ²/R

1. Как направлена центростремительная сила? Что это за сила?

Сила направлена по радиусу окружности к ее центру. Центростремительная сила – сила,

под действием которой тело движется по окружности с постоянной по модулю скоростью,

в каждой точке направлена по радиусу окружности к ее центру.

1. По какой формуле можно вычислить модуль вектора центростремительной силы?

F_ц = m.v ²/R

1. Изучение нового материала.

В настоящее время вокруг Земли обращаются тысячи искусственных спутников, выведенных с помощью ракет на определенную орбиту. Двигаются они по круговой орбите и остаются там за счет приобретенной скорости.

Движение спутника является интересным и важным случаем движением тел под действием силы тяжести. Свободное падение тел является примером движения под действием силы тяжести с начальной скоростью, равной нулю. В этом случае тело движется с ускорением свободного падения по направлению к центру Земли.

Если начальная скорость тела отлична от нуля и вектор начальной скорости направлен не по вертикали, то тело под действием силы тяжести движется с ускорением свободного падения по криволинейной траектории. При определенном значении начальной скорости тело, брошенное по касательной к поверхности Земли, при отсутствии сопротивления воздуха может двигаться по круговой орбите, не падая на Землю и не удаляясь от нее.

Скорость, с которой происходит движение тела по круговой орбите, называется первой космической скоростью.

Определить первую космическую скорость для Земли.

Пусть тело под действием силы тяжести движется вокруг Земли равномерно по окружности радиусом Rз. В этом случае ускорение свободного падения одновременно является и центростремительным ускорение,

отсюда U²=gR_{з U=з}

Формирование представлений о первой космической скорости.

Выведем формулу для расчета скорости, которую надо сообщить телу, чтобы оно стало ИСЗ, двигаясь вокруг нее по окружности.

Движение спутника происходит под действием одной только силы тяжести. Эта сила сообщает ему ускорение свободного падения g, которое в данном случае выполняет роль центростремительного ускорения.

Мы знаем, что центростремительное ускорение определяется по формуле: α ц = v ²/R, где v – скорость, с которой тело движется по окружности радиуса R.

Значит, для спутника

g = v ²/R = v ² = g .R = v = g .R. (1)

По формуле (1) определяется скорость, которую надо сообщить телу, чтобы оно обращалось по окружности вокруг Земли на расстоянии R от ее центра.

Эта скорость называется первой космической скоростью (круговой).

Если высота h спутника над поверхностью Земли мала по сравнению с земным радиусом, то ею можно пренебречь и считать, что R = Rз. Обозначим ускорение свободного падения вблизи поверхности Земли g ₀.

Тогда формула для расчета первой космической скорости спутника, движущегося вблизи поверхности Земли, будет выглядеть так:

v = g ₀ .Rз (2)

Рассчитаем эту скорость, принимая радиус Земли равным 6400 км (или 6,4 . 10 ⁶ м), а g ₀ = 9,8 м/с ².

V = 7,9 . 103 м/с = 7,9 км/с.

Если же высотой спутника над Землей пренебречь нельзя, то расстояние R от центра Земли до спутника и ускорение свободного падения g на высоте h определяются по следующим формулам:

R = Rз + h, g = g . Мз/( Rз + h) ².

В этом случае формула (1) для расчета первой космической скорости примет вид

v = g . Мз/( Rз + h) (3)

По формуле (3) можно рассчитать первую космическую скорость спутника любой планеты, если вместо массы и радиуса Земли подставить соответственно массу и радиус данной планеты.

Формирование представлений о второй космической скорости.

Если скорость тела, запускаемого на высоте h над Землей, превышает первую космическую, то его орбита представляет собой эллипс. Чем больше скорость, тем более вытянутой будет эллиптическая орбита. При скорости, равной 11,2 км/с, которая называется второй космической, тело преодолевает притяжение к Земле и уходит в космическое пространство. При такой скорости тело становится спутником Солнца.

Информация о третьей космической скорости.

Третья космическая скорость равна 16,7 км/с, она необходима для преодоления телом притяжения Солнца и выхода за пределы Солнечной системы.

Исторические сведения.

Для запуска спутников применяют ракеты.

4 октября 1957 г. в Советском Союзе был запущен первый в истории человечества ИСЗ. Спутник в виде шара диаметром 58 см и массой 83,6 кг и ракета-носитель долгое время двигались над Землей на высоте в несколько сотен километров.

4 октября 1959 г. советская автоматическая станция «Луна-3» облетела Луну и сфотографировала ее невидимую сторону. Человек впервые увидел «затылок» Луны.

12 апреля 1961 г. гражданин СССР Юрий Алексеевич Гагарин совершил первый в мире пилотируемый полет на корабле «Восток» - День Космонавтики.

12 февраля 1962 г. впервые в истории запущена к планете Венера автоматическая станция «Венера-1», она открыла советскую программу исследований этой планеты.

23 апреля 1965 г. был запущен космический корабль «Союз-1», который пилотировал Владимир Михайлович Комаров. Около 10 лет различные варианты кораблей этой серии служили советской космонавтике .

31 января 1966 г. в СССР запущена станция «Луна-9», которая совершила первую в мире мягкую посадку на поверхность Луны.

10 ноября 1970 г. к Луне стартовал самоходный аппарат «Луноход-1» и функционировал там, в течение 322 суток.

В настоящее время сотни спутников запускаются каждый год в научно-исследовательских и практических целях: для осуществления теле- и радиосвязи, исследования атмосферы, прогнозирования погоды и т.д. (для исследования других планет; для наблюдения состояния облачного покрова Земли при составлении метеопрогнозов; для охраны леса, в частности по своевременному оповещению об очагах пожара; для обнаружения местонахождения кораблей и помощи выбора правильного курса; в рыболовецком флоте - для обнаружения рыбных косяков, для прогнозирования землетрясений и т. д.

За годы  освоения космоса в мире созданы и эксплуатируются более 20 космодромов и ракетных полигонов, сотни боевых ракетных шахт и пусковых установок, всего запущено свыше 6000 космических объектов, из них около 700 в настоящее время эксплуатируются на околоземных орбитах. Ежегодно осуществляется около 100 запусков объектов в космос, в которых участвуют более 20 стран.

1. Закрепление новой темы

1.Решение задачи:

Радиус Луны 1738 км, ускорение свободного падения на ее поверхности в шесть раз меньше, чем на Земле. Вычислите первую космическую скорость.

Ускорение свободного падения на Марсе 3,76 м/с², а его радиус 3,39*10⁶м. определите скорость искусственного спутника планеты.

1. Итог урока

2. Домашнее задание:

§17 упр. 14, задача 1,4.

Спасибо за урок!