ДИНАМИКА

Урок № 9

Тема. Искусственные спутники Земли. Развитие космонавтики

Цель: сформировать представление учащихся об основных законах космических полетов; научить рассчитывать первую космическую скорость и орбитальную скорость спутников; развивать настойчивость в усвоении законов природы; вызвать чувство гордости за развитие отечественной космонавтики; воспитывать умение высказываться.

Тип урока: изучение нового материала.

Оборудование: стенд «Они были первыми» о первых космонавтах.

ХОД УРОКА

I. Актуализация опорных знаний

Фронтальная беседа.

- Объясните особенности движения тела, брошенного горизонтально.

- От каких факторов зависит дальность полета тела?

II. Мотивация учебной деятельности учащихся

Человечество не останется вечно на Земле,

но в погоне за светом и пространством сначала

робко проникнет за пределы атмосферы, а затем

завоюет себе все околосолнечное пространство.

К. Е. Циолковский

Отгадайте загадки.

• Крыльев не имеет, а вокруг Земли и Луны летает. (Космический спутник)

• Одно слово имеет два значения: первое - новейший агрегат в технике, второе - путь человека в жизни. (Спутник)

III. Восприятие нового материала

1. Первая и вторая космические скорости. Расчет орбитальной скорости спутников

Рассмотрим физическое обоснование космических полетов.

Если тело массой m поднять на высоту h над Землей и предоставить ему горизонтальной скорости , то оно при этом полетит по параболе.

С увеличением скорости тела дальность его полета увеличивается прямо пропорционально (рис. 1). По некоторой предельной скорости тело не сможет упасть на Землю, а будет вращаться вокруг нее по круговой орбите радиусом (R + h), превратившись в искусственный спутник Земли.

Рис. 1

Скорость, которую необходимо придать телу, чтобы оно стало искусственным спутником Земли, называют первой космической скоростью. Рассчитывают ее так. На тело действуют сила притяжения Земли, которая направлена к центру планеты и, согласно третьему закону Ньютона, сила реакции опоры, которая направлена от центра вращения. Найдем скорость движения тела, при которой значение центростремительного ускорения должно быть таким, чтобы тело удерживалось на круговой орбите:

По формуле (1) определяют значение первой космической скорости на высоте h над поверхностью Земли. На поверхности Земли h = 0, следовательно, . Подставив последнее выражение в (1), находим . Если g = 9,8 м/с2 i R = 6,4·106 м, то у поверхности Земли 1 = 7,9 км/с.

Таким образом, тело, скорость которого равна 7,9 км/с и направлена горизонтально относительно поверхности Земли, становится искусственным спутником, движущимся по круговой орбите.

Скорость, которую необходимо придать телу, чтобы оно, преодолев притяжение планеты, превратилось в спутник Солнца, называют второй космической. Для Земли вторая космическая скорость . Если значение скорости 7,9 км/с, но меньше 11,2 км/с, орбита спутника Земли является эллиптической. Развив скорость 11,2 км/с, тело начнет двигаться по параболе и больше не вернется к Земле.

Сообщения учащихся на тему «Развитие космонавтики»

Возможно, уже много тысяч лет назад, глядя на ночное небо, человек мечтал о полете к звездам. Мириады мерцающих ночных светил будили воображение, побуждали задумываться над тайнами мироздания. Шли века, человек приобретал все большую власть над природой, но мечта о полете к звездам оставалась так же несбыточной, как и тысячи лет назад. Легенды и мифы всех народов полны рассказов о полете к луне, Солнцу и звездам. Средства для таких полетов, предлагавшиеся народной фантазией, были примитивны: колесница, запряженная орлами, крылья, прикрепленные к рукам человека. В XVII веке появился фантастический рассказ французского писателя Сирано де Бержерака о полете на Луну. Герой этого рассказа добрался до Луны в железной полоске, над которой он все время подбрасывал сильный магнит. Притягаючись к нему, полоска все выше поднималась над Землей, пока не достигла Луны. «Из пушки на Луну» отправились герои Жюля Верна. Известный английский писатель Герберт Уэльс описал фантастическое путешествие на Луну в снаряде, корпус которого был сделан из материала, не подверженном подвергаться действию силы тяжести. Предлагались различные средства для осуществления космического полета. Писатели-фантасты упоминали и ракеты. Однако эти ракеты были технически необоснованной мечтой. Ученые за многие века не назвали ни одного средства, с помощью которого можно преодолеть могучую силу земного притяжения и унестись в межпланетное пространство. Великая честь открыть людям дорогу к другим мирам выпала на долю К. Е. Циолковского. Реактивным принципом движения он начал интересоваться очень рано. Уже в 1883 г. он дал описание корабля с реактивным двигателем. Уже в 1903 году Циолковский впервые в мире предложил конструировать схему жидкостной ракеты. Идеи Циолковского получили всеобщего признания еще в 1920-е годы. И блестящий продолжатель его дела С. П. Королев за месяц до запуска первого искусственного спутника Земли говорил, что идеи и труды Константина Эдуардовича будут все больше привлекать к себе внимание по мере развития ракетной техники, в чем был совершенно прав! Еще в 1911 году Циолковский произнес: «Человечество не останется вечно на Земле, но в погоне за светом и пространством, сначала робко проникнет за пределы атмосферы, а затем завоюет себе все околосолнечное пространство».

Первые шаги

Основоположником современной космонавтики по праву считается великий русский ученый-самоучка К. Е. Циолковский, который еще в конце XIX века выдвинул идею о возможности необходимости освоения человеком космического пространства. Сначала эти мысли были поданы им в виде научно-фантастических повестей, а затем в 1903 г. вышла в свет знаменитая работа «Исследование мировых пространств реактивными приборами», в которой он описал возможность достижения космических скоростей и иных небесных тел с помощью ракеты на жидком топливе. Впоследствии он опубликовал еще ряд работ, посвященных ракетной технике и освоению космоса. У Циолковского появились последователи и популяризаторы как в России, так и в других государствах. В Америке - профессор Годдард, который в 1926 г. построил и испытал в полете первую в мире ракету на жидком топливе. В Германии Оборот и Зенгер. В России популяризатором идей Циолковского стал, в частности, Я. И. Перельман (автор книги « Занимательная физика»). Некоторые инженеры и ученые взялись развивать его идеи. В 1918 г. в Новосибирске вышла книга Ю. В. Кондратюка «Тем, кто будет читать, чтобы строить», в которой автор дает оригинальный вывод формулы Циолковского, предлагает схему трехступенчатой кислородно-водородной ракеты, орбитального космического корабля, схему полета на Луну (именно ее использовали американцы, поскольку она оказалась оптимальной). Жаль, что этот талантливый инженер не смог принять участие в создании ракетной техники - в 30-х его посадили в тюрьму «за вредительство» (он как раз работал над строительством элеваторов), потом выпустили, но он погиб во время войны. В 1924 г. другой инженер, увлеченный идеей межпланетных путешествий, Ф. А. Цандер в своей книге «Полеты на другие планеты» предложил комбинацию самолета с ракетой.

Значительный вклад в разработку космических аппаратов сделали ученые С. П. Королев, М. К. Янгель, В. Браун и др. Благодаря их вдохновенному труду 4 октября 1957 г. в СССР был запущен первый искусственный спутник Земли. 12 апреля 1961 года советский гражданин Юрий Гагарин стал первым в истории человечества пилотом космического корабля «Восток».

Одним из выдающихся достижений космической программы США стал полет космического корабля «Аполлон», который дал возможность астронавту Нилу Армстронгу в 1969 г. совершить первую прогулку по поверхности Луны.

В 1997 г. совершил путешествие в космос и гражданин независимой Украины Леонид Каденюк, который провел серию научных экспериментов на космическом корабле «Шаттл».

Вклад украинских ученых в развитие космонавтики

Становление космической отрасли Украины началось в 1937 году с создания в Харьковском авиационном институте Харьковской реактивной группы под руководством Г. Проскуры, осуществила запуск большого стратосферной ракеты под Харьковом.

В 1951 г. по решению Советского Правительства большой автомобильный завод, который строится в Днепропетровске, был преобразован в завод № 586 для производства советских ракет Р-1. Для реализации проекта по разработке ракеты Р-12 с новыми боевыми качествами 1954 г. на территории завода было создано самостоятельное Особое конструкторское бюро, главным конструктором которого был назначен Михаил Янгель. В 1966 г. завод № 586 был переименован в Южный машиностроительный завод, а конструкторское бюро № 586 - в конструкторское бюро «Южное».

В 1957 г. на базе боевой ракеты Р-12 была создана космическая ракета-носитель «Космос», была в эксплуатации до 1977 года.

Украинские предприятия и организации «Коммунар», «Арсенал», «Монолит», Евпаторийский космический центр участвовали в подготовке запуска первого искусственного спутника Земли, выведенного на орбиту 4 октября 1957 года.

С начала 60-х годов предприятия Украины начали разработку и производство систем управления, бортовой автоматики и других систем и приборов для космических объектов и комплексов.

12 апреля 1961 года русский модифицированная межконтинентальная баллистическая ракета Р-7, оборудованная приборами предприятий «Коммунар» и «Арсенал», вывела на околоземную космическую орбиту первого в истории человечества космонавта Юрия Гагарина.

Деятельность конструкторского бюро «Южное» в сфере научных исследований началась в 1961 году с разработки космических аппаратов «Метеор» и «Стрела».

В 1962 г. ракета-носитель «Космос» вывела на орбиту первый спутник днепропетровской разработки ДС-2, а 1967 года ракетой-носителем «Космос» на орбиту был выведен ориентирован в атмосфере спутник «Космическая стрела».

С 1965 года в конструкторском бюро «Южное» начались работы по созданию серии малых унифицированных спутников для проведения научных исследований.

В середине 60-х годов завод и конструкторское бюро «Южное» начали разработку космических ракет-носителей «Циклон» на базе боевых межконтинентальных ракет Р-36.

В 1969 г. по инициативе конструкторского бюро «Южное» по созданию и реализации международной космической программы «Интер-космос» состоялся вывод на орбиту первого спутника - «Интер-космос-1».

В рамках сотрудничества с Французским космическим центром в течение 1971-1982 гг. были осуществлены запуски научных спутников серии «Ореол», созданных конструкторским бюро «Южное» и " Южмашем.

В начале 70-х годов конструкторское бюро «Южное» начало разрабатывать автоматические универсальные орбитальные станции с ориентацией на Землю и Солнце.

Специалистами конструкторского бюро «Южное» была оказана техническая помощь Индийской организации космических исследований во время разработки и запусков в 1975-1979 годах индийские спутники «Ариабхата» и «Бхаскара».

В 1976 г. в конструкторском бюро «Южное» под руководством Владимира Уткина начались работы по созданию космического ракетного комплекса «Зенит», разработка и испытания которого продолжались в течение 10 лет.

В начале 80-х годов начались работы по запусков космических аппаратов серии «Океан» для дистанционного зондирования и исследования Мирового океана.

Для реализации космической деятельности в независимой Украине в 1992 году был создан специальный орган исполнительной власти - Национальное космическое агентство Украины.

Через два года была принята первая Государственная космическая программа Украины на 1993-1997 годы.

В новых условиях успешно начались развитие и разработка новых космических проектов и программ.

В 1995 г. Государственное конструкторское бюро «Южное» и производственное объединение «Южмаш» совместно с партнерами из США, России и Норвегии начали реализацию уникального проекта «Морской старт» по созданию ракетно-космического комплекса с одноименным названием.

Того же года с космодрома Плесецк ракета-носитель «Циклон-3» произвела запуск на орбиту первого спутника под юрисдикцией Украины «Сич-1».

В 1996 г. были созданы Институт космических исследований и Национальный центр управления и испытания космических средств в городе Евпатория.

На очередной сессии Верховной Рады Украины в 1996 г. был принят Закон Украины «О космической деятельности».

В 1997 г. Государственное конструкторское бюро «Южное» в сотрудничестве с российскими и украинскими предприятиями начали создание космического ракетного комплекса «Днепр» на базе межконтинентальных баллистических ракет РС-20 (SS-18 «Сатана» по классификации НАТО).

В рамках развития международного сотрудничества в ноябре 1997 года состоялся полет первого космонавта-исследователя независимой Украины Леонида Каденюка в составе экипажа американского космического корабля «Колумбия» миссии STS-87.

С целью повышения эффективности космической деятельности 1998 года в сферу управления Национального космического агентства были переданы предприятия и учреждения космической отрасли.

С 1999 года началась активная реализация международных и национальных космических программ.

В марте 1999 года состоялся первый запуск ракеты-носителя «Зенит-3SL» по программе «Морской старт», когда на орбиту был выведен макет спутника. В октябре ракета-носитель «Зенит-3SL» осуществила первый коммерческий запуск с плавучего космодрома и вывела на геостационарную орбиту американский спутник связи Direc TV-1R.

В апреле 1999 года был реализован первый запуск ракеты-носителя «Днепр» вывел на орбиту английский спутник «Уосат-12».

В июле 1999 года ракета-носитель «Зенит-2» запустила на орбиту украинско-российский спутник дистанционного зондирования Земли «О».

Запуск ракетой-носителем «Зенит-3SL» американского спутника PanAmSat-9 по программе «Морской старт» состоялся в июле 2000 года.

В сентябре 2000 года ракета-носитель «Днепр-1» успешно запустила пять иностранных небольших спутников: «Саудісат-1А» и «Сауди - сат-1Б, принадлежащих Саудовской Аравии, итальянские «Унісат» и «Мегсат», и малайзийский спутник «Тіунгсат».

В 2001 г. были осуществлены шесть пусков украинских ракет-носителей Зенит-2, Зенит-3SL, Циклон-2, Циклон-3. Выведены на орбиту 15 космических аппаратов, одним из которых был украинско-российский космический аппарат «АУОС-СМ-КФ», предназначенный для реализации программы исследования солнечной активности в рамках совместного украино-российского проекта «КОРОНАС».

15 июня 2002 года был осуществлен последний к этому времени пуск РН «Зенит-3SL». Был выведен на орбиту космический аппарат «Galaxy IIIC».

24 октября 2002 года Верховная Рада Украины приняла Третью Общегосударственной (Национальной) космической программе Украины на 2003-2007 годы.

20 декабря 2002 года конверсионная ракета-носитель «Днепр» вывела на орбиту шесть космических аппаратов иностранных заказчиков.

Как видим, вклад украинских ученых в развитие мировой космонавтики является достаточно весомым и значительным.

IV. Осмысление объективных связей. Обобщение знаний

Решение задач

1. Искусственный спутник вращался по круговой орбите вокруг Земли со скоростью 6 км/с. После маневра он движется вокруг Земли по другой круговой орбите со скоростью 5 км/с. Во сколько раз изменились в результате маневра радиус орбиты и период обращения?

2. Спутник вращается по круговой орбите на небольшой высоте над планетой. Период вращения спутника 3 ч. Считая планету однородным шаром, найдите ее плотность.

V. Итоги урока

Составление опорного конспекта.

• Первая космическая скорость - минимальная скорость, которую необходимо придать телу, чтобы оно стало искусственным спутником Земли, движущегося по круговой орбите.

Если

• Вторая космическая скорость - минимальная скорость, которую необходимо придать телу, чтобы оно смогло преодолеть притяжение Земли и стать искусственным спутником Солнца, движется по параболической орбите в поле тяготения Земли:

VI. Домашнее задание

• Проработать соответствующий раздел учебника.

• Решить задачи.

1. Радиус орбиты Ио (спутника Юпитера) 422 000 км. Воспользовавшись приведенными в Приложении данным, найдите скорость орбитального движения и период обращения Ио вокруг Юпитера.

2. Космический корабль вышел на круговую орбиту радиусом 10 млн. км вокруг открытой им заре. Какова масса этой звезды, если период вращения корабля равна 628 000 с?