1-й семестр

МЕХАНИКА

2. Динамика

Урок 10/30

Тема. Искусственные спутники Земли. Первая и вторая космические скорости. Развитие космонавтики

Цель урока: научить учащихся рассчитывать первую космическую скорость и орбитальную скорость спутников. Рассказать об этапах развития космонавтики

Тип урока: комбинированный урок

План урока

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

1. Первая и вторая космические скорости

Искусственные спутники Земли - космические летательные аппараты, выведенные на околоземные орбиты. Они предназначаются для решения различных научных и прикладных задач.

4 октября 1957 г. у нашей планеты появился первый спутник, сделанный руками человека. Началась новая - космическая эра человечества. За первым спутником последовали второй, третий; сегодня орбитам летают уже тысячи искусственных тел.

Спутники используются для научных исследований. Информация, которая подается со спутников, способствует облегчению решения различных народнохозяйственных задач. Они позволили человеку впервые посмотреть на свою планету со стороны. И первыми эту возможность по достоинству оценили метеорологи. Теперь только часы нужны им для того, чтобы получить представление о ходе процессов, определяющих погоду на всем земном шаре.

С помощью ИСЗ впервые были измерены плотность верхней атмосферы (по изменениям орбиты), исследованы особенности распространения радиосигналов в ионосфере, проверены теоретические расчеты и основные технические решения, связанные с выведением ИСЗ на орбиту.

Искусственные спутники летают обычно на высоте 150-200 км. На этих высотах атмосфера уже не оказывает заметного сопротивления движению. Максимальная высота полета может быть значительно большей и нередко достигает десятков и даже сотен тысяч километров.

В одной из своих книг Ньютон предлагал представить себе, что на очень высокой горе установили огромную пушку и палят из нее в горизонтальном направлении. Чем больше скорость снаряда, тем дальше он полетит. И если скорость снаряда будет достаточно большим, он облетит всю Землю по круговой орбите, то есть станет искусственным спутником.

Ø Скорость, которую нужно придать спутнику, чтобы он двигался околоземной орбитой (на меньшей высоте, по сравнению с радиусом Земли), называют первой космической скоростью.

Вычислим эту скорость. Вблизи поверхности Земли на спутник действует сила тяжести F = mg, где m - масса спутника. Эта сила придает спутнику ускорение поскольку радиус орбиты можно считать примерно одинаковым с радиусом Земли. Согласно второму закону Ньютона, F = mадоц, поэтому: Отсюда следует, что первая космическая скорость равна:

Имея первую космическую скорость, тело не упадет на Землю, но эта скорость маловата для того, чтобы отдалить тело на такое расстояние, когда притяжение Земли перестанет играть существенную роль.

Ø Чтобы тело смогло покинуть Землю и превратиться в искусственную планету - спутник Солнца, ему следует предоставить так называемой второй космической скорости.

Она равна: С такой скоростью тело выходит за пределы земного притяжения.

Вторая космическая скорость впервые была достигнута во время запуска первой ракеты в сторону Луны 2 января 1959 г.

Ø Третья космическая скорость - это скорость, необходимая для того, чтобы тело могло покинуть пределы Солнечной системы и отправиться в Галактику.

2. Расчет орбитальной скорости спутников

Рассчитаем орбитальную скорость спутника во время движения по круговой орбите на высоте h над Землей.

С одной стороны, на спутник действует сила:

С другой стороны, согласно второму закону Ньютона:

F = mадоц

откуда:

Отсюда следует, что спутник движется по круговой орбите на высоте h над поверхностью Земли со скоростью:

Следует отметить, что скорость спутника уменьшается с высотой: на высоких орбитах она меньше, чем на низких.

3. Некоторые этапы развития космонавтики

04.10.1957 p.: выведен на околоземную орбиту первый в мире искусственный спутник Земли. Этот старт ознаменовал начало космической эры в истории человечества.

03.11.1957 p.: был запущен второй советский ИСЗ - первый в мире искусственный спутник Земли с живым существом. На его борту находился собака Лайка.

15.05.1958 p.: третий советский ИСЗ был первым в мире спутником для проведения научных исследований.

02.01.1959 p.: ракета-носитель «Восток» вывела на траекторию полета к луне советскую автоматическую межпланетную станцию «Луна-1» прошла на расстоянии 6 000 км от поверхности Луны и вышла на гелиоцентрическую орбиту. Она стала первым в мире искусственным спутником Солнца.

12.09.1959 p.: к луне стартовала АМС «Луна-2» впервые в мире достигла поверхности Луны.

19.08.1960 p.: был запущен космический корабль «Восток» с собаками Белкой и Стрелкой на борту, которые успешно вернулись на Землю.

12.04.1961 p.: впервые на околоземную орбиту был выведен космический корабль «Восток» с космонавтом Ю. О. Гагариным на борту.

06.08.1961 p.: начался полет космического корабля «Восток-2» с космонавтом Г. С. Титовым на борту. Полет продолжался 1 сутки 1 час 18 минут.

12.10.1964 p.: первый в мире полет многоместного космического корабля. Космонавты В. Комаров, К. Феоктистов, Б. Егоров впервые в мире совершили полет без скафандров.

18.03.1965 p.: космонавт О. Леонов впервые вышел в открытый Космос.

12.11.1965 p.: была выведена на траекторию полета к Венере станцию «Венера-2». Она пролетела на расстоянии 24 000 км от Венеры.

03.02.1966 p.: автоматическая станция «Луна-9» первой в мире совершила мягкую посадку на поверхности Луны, после чего передал панорамное изображение поверхности Луны.

21.07.1969 p.: первым человеком, ступившим на поверхность Луны, стал американец Нил Армстронг (21 июля 1969 p.). Месяц - также единственное небесное тело, образцы почвы которого были доставлены на Землю.

02.12.1971 p.: спускаемый аппарат автоматической межпланетной станции «Марс-3» совершил мягкую посадку на поверхность Марса. За 1,5 мин. после посадки станция начала работать и передавать на Землю видеосигнал.

Со времени первых космических полетов ракеты, стартующие сейчас в космос, значительно усовершенствованы. Сегодня на околоземные орбиты с их помощью выводятся и большие космические станции, и сотни искусственных спутников.

Каждый из искусственных спутников - это вынесенный за пределы Земли инструмент познания окружающего мира. Научные спутники можно назвать своеобразными полигонами для проверки новых идей и конструкций и получения уникальной информации, которую никаким другим способом не добыть. В середине 1980-х pp. NASA приняла программу создания четырех астрономических обсерваторий, размещаемых в космосе. С определенными задержками, но все четыре телескопы были запущены на орбиту. Первым начал свою работу «ХАББЛ» (1990), предназначенный для исследования Вселенной в видимом диапазоне длин волн, за ним последовал «КОМПТОН» (1991), который изучал космическое пространство с помощью гамма-лучей, третьим был «ЧАНДРА» (1999), который использует рентгеновские лучи, а завершил эту большую программу «СПИТЦЕР» (2003), на долю которого пришелся инфракрасный диапазон. Все четыре обсерватории были названы в честь выдающихся американских ученых.

4. Вклад украинских ученых в развитие космонавтики

В развитие космических программ был сделан большой вклад украинскими специалистами. Значительный вклад в разработку теории космических полетов сделал украинский ученый Ю. В. Кондратюк (А. Ы. Шаргей).

Родился Ю. В. Кондратюк 21 июня 1897 г. в Полтаве.

В 1929 г. вышла в свет его книга «Завоевание межпланетных пространств», в которой ученый разработал теорию промежуточных станций (ракетных баз) в виде спутников планет, рассчитал траектории экономического взлета с Земли, впервые предложил использовать как топливо для ракетных двигателей некоторые металлы, например, магний, литий, алюминий и др.; разработал первый вариант экспедиции на Луну через окололунную орбиту.

Расчеты Юрия Кондратюка были использованы американцами для создания лунной программы и высадки на Луне, предложенная ученым траектория полета названа «трассой Кондратюка».

Юрий Кондратюк погиб смертью храбрых во время войны.

За свою жизнь этот гениальный человек не успела получить ни признания, ни наград у себя на Родине. Он первый, кто предложил творить станцию - спутник Луны. Именно его идеей воспользовались для осуществления первых полетов астронавтов на луну американцы. На космодроме мыса Канаверал благодарны американцы воздвигли ему памятник. Возможно, когда-нибудь это сделают и в Украине. А пока что именем Ю. Кондратюка названы трасса, которой первый человек летела для высадки на Луне и кратер на обратной стороне Луны.

Становление космической отрасли в Украине началось еще в 1937 г. с создания в Харьковском авиационном институте реактивной группы под руководством Г. Проскуры. Был осуществлен запуск большого стратосферной ракеты.

В 1951 г. решением правительства было принято решение создать в Днепропетровске завод для сборки ракет. В 1954 г. на территории завода было организовано Конструкторское бюро, главным конструктором которого назначили М. К. Янгеля.

Украинские предприятия «Коммунар», «Арсенал», «Монолит», Евпаторийский космический центр участвовали в подготовке запуска первого искусственного спутника Земли.

С начала 1960-х pp. предприятия Украины начали разрабатывать системы управления, бортовую автоматику и другие системы и приборы для космических объектов и комплексов.

В 1992 г. было создано Национальное космическое агентство Украины. За два года была принята Государственная космическая программа Украины на 1993-1997 гг. Государственное конструкторское бюро «Южное» вместе с партнерами из США, России и Норвегии создали ракетно-космический комплекс «Морской старт» и ракетный комплекс «Днепр» на базе межконтинентальных баллистических ракет РС-20 («Сатана» по классификации НАТО).

В рамках развития международного сотрудничества в ноябре 1997 г. был осуществлен полет первого космонавта независимой Украины Леонида Каденюка в составе экипажа американского космического корабля «Колумбия».

В 2001 г. было завершено шесть пусков украинских ракет-носителей «Зенит-2», «Зенит-3SL», «Циклон-2», «Циклон-3».

Выведен 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».

Вопрос к ученикам во время изложения нового материала

1. Почему спутники, вращаясь вокруг Земли под действием силы тяжести, не падают на Землю?

2. Что необходимо сделать с физическим телом, чтобы оно превратилось в искусственный спутник Земли?

3. Как движется спутник, имеет первую космическую скорость? вторую космическую скорость?

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

1). Тренируемся решать задачи

1. Или может спутник вращаться вокруг Земли по круговой орбите со скоростью 1 км/с? При каком условии это возможно?

2. Или может спутник вращаться вокруг Земли по круговой орбите, совершая 30 оборотов в сутки? (Ответ: нет, потому что для этого радиус орбиты должен быть меньше радиуса Земли).

3. Оцените массу Солнца, когда расстояние между Солнцем и Землей равна 150 млн. км. Земля движется вокруг Солнца со скоростью 30 км/с.

4. На какой высоте над поверхностью Земли сила тяготения уменьшается на 10 %?

2). Контрольные вопросы

1. Какая сила придает спутнику центростремительного ускорения во время его движения вокруг Земли?

2. Как должна быть направлена скорость тела в момент его выхода на орбиту, чтобы оно стало искусственным спутником Земли?

3. Во время движения по круговой орбите спутник движется с ускорением свободного падения. Как бы вы в связи с этим ответили на вопрос: падает спутник не падает?

Что мы узнали на уроке

• Минимальную скорость, которую нужно придать телу, чтобы оно стало искусственным спутником Земли, называют первой космической скоростью:

• Спутник движется по круговой орбите на высоте h над поверхностью Земли со скоростью:

• Необходимо отметить, что скорость спутника уменьшится в зависимости от высоты: на высоких орбитах она будет меньше, чем на низких.

Домашнее задание

1. П.:§§23, 24.

2. 36.:

г1) - 8.4; 8.5; 8.8;

р2) - 8.27; 8.28; 8.29; 8.30;

г3) - 8.48; 8.49; 8.50; 8.52.