Урок - семинар "Реактивное движение в природе и технике"

Цель урока:

1. Образовательная: обобщить и систематизировать знания, полученные на уроках физики; показать практическое применение закона сохранения импульса, реактивного движения для объяснения явлений в природе и технике.

2. Развивающая: способствовать развитию у школьников грамотной физической речи, мышления (умения обобщать и систематизировать, строить аналогии).

3. Воспитывающая: содействовать патриотическому, политехническому, экологическому воспитанию, воспитанию ответственности, высокой работоспособности.

Организация подготовки к уроку.

Для подготовки к семинару в классе создаются творческие группы: “биологи”, “историки”, “конструкторы”, “корреспонденты”. Каждый учащийся выбирает группу, согласно своим интересам. Группы получают задания и литературу, необходимую для его выполнения. “Биологи”. Какие представители животного мира используют реактивное движение? Как устроен реактивный двигатель кальмара? Какую скорость он способен развивать? Какие растения используют реактивное движение для разбрасывания семян? “Историки”. Где и когда были изготовлены первые пороховые ракеты? Когда пороховые ракеты появились в России? Кто был автором первого проекта реактивного летательного аппарата, предназначенного для полета в космос? “Конструкторы”. На каких законах природы основана работа реактивных двигателей? Как сконструировать ракету, способную совершить полет в космос? Что используется в качестве топлива? “Корреспонденты”. Когда состоялся запуск первого искусственного спутника Земли? Когда был совершен первый полет человека в космос? Кто был первым космонавтом? Создает ли человечество космические города? Какие автоматические станции исследовали лунную поверхность? Кто из землян первым ступил на поверхность Луны? Какие автоматические станции исследовали планеты солнечной системы? Какие результаты были получены при изучении Венеры? Марса? Других планет?

Оборудование.

1. Воздушный шар, прикрепленный к трубочке, через которую пропущена натянутая нить,

2. Проектор

3. Коллекция компьютерных изображений моллюсков, космических аппаратов, планет.

Учитель. Сегодня у нас семинар на тему: “Реактивное движение в природе и технике”.

Девизом семинара станут слова Константина Эдуардовича Циолковского: “Человечество не останется вечно на Земле, но в погоне за светом и пространством сначала робко проникнет за пределы атмосферы, а затем завоюет все околоземное пространство”.

Работа семинара будет проходить по следующему плану:

1. Реактивное движение в живой природе.

2. История создания и использования пороховых ракет.

3. Принцип работы реактивного двигателя.

4. Конструкция многоступенчатой ракеты на жидком топливе.

5. Достижения человечества в освоении и изучении околосолнечного пространства.

Над этими вопросами работали несколько исследовательских групп: “биологи”, “историки”, “конструкторы” и “корреспонденты”. “Биологи” помогут нам ответить на первый вопрос семинара: “Какие представители животного мира используют реактивное движение?”

“Биолог”. Реактивное движение используется многими моллюсками – осьминогами, кальмарами, каракатицами, медузами. Например, морской моллюск-гребешок движется вперед за счет реактивной силы струи воды, выброшенной из раковины при резком сжатии ее створок. Наибольший интерес представляет реактивный двигатель кальмара. При медленном перемещении кальмар пользуется большим ромбовидным плавником, периодически изгибающимся. Для быстрого броска он использует реактивный двигатель. 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. Это сопло снабжено специальным клапаном, и мышцы могут его поворачивать, изменяя направление движения. Двигатель кальмара очень экономичен, он способен развивать скорость до 60 – 70 км/ч. (Некоторые исследователи считают, что даже до 150 км/ч!) Недаром кальмара называют “живой торпедой”.

Вопрос: Используют ли растения реактивное движение? Реактивное движение можно встретить и в мире растений. Например, созревшие плоды “бешеного огурца” при самом легком прикосновении отскакивают от плодоножки, а из образовавшегося отверстия с силой выбрасывается клейкая жидкость с семенами. Сам огурец при этом отлетает в противоположном направлении до 12 м.

Учитель.Как видно из сообщений “биологов”, природа давно научилась использовать простое и экономичное реактивное движение. Человек познакомился с реактивным движением во II веке до нашей эры. Интересно, где и когда были созданы первые ракеты? Слово предоставляется “историкам”.

“Историк”.Первые пороховые ракеты были изобретены в Китае примерно в X веке нашей эры. На протяжении нескольких сотен лет они использовались как сигнальные и фейерверочные ракеты. Позже появились и боевые зажигательные ракеты. Известно, что в конце XVIII века индийские войска в борьбе с английскими колонизаторами использовали боевые ракеты на черном дымном порохе массой от 3 до 9 кг и дальностью полета до 2 км. Это грозное оружие заинтересовало англичан, они его усовершенствовали и с успехом использовали при осаде Копенгагена уже в 1807 г. В России пороховые ракеты были приняты на вооружение в начале XIX века. В 1850 г. в Петербурге начал работать специальный “ракетный завод” под руководством генерал-лейтенанта К. И. Константинова. Максимальная дальность полета русских ракет достигала 4 км при общей массе до 80 кг. В то время это были рекордные данные.

Учитель. Ракетное производство просуществовало недолго: в 80-х годах XIX века было изобретено нарезное оружие, и боевые ракеты сняли с производства. Но о них не забыли, им нашли совершенно новое применение. Какое?

“Историк”. Автором первого в мире проекта реактивного летательного аппарата, предназначенного для полета человека, был русский революционер – народоволец Н.И. Кибальчич. Николай Иванович Кибальчич - известный русский революционер-народоволец, один из пионеров ракетной техники, изобретатель.   Николай Иванович Кибальчич родился в 1853 году.
Как и многие его современники не был удовлетворен окружающей действительностью. Чтобы бороться за лучшее будущее, вступил в революционно-террористическую организацию "Народная воля". За покушение на царя Александра II вместе с другими участниками покушения был приговорен к смерти. За несколько дней до казни Кибальчич передал не просьбу о помиловании, а рукопись, написанную в тюрьме: "Проект воздухоплавательного прибора". Николай Иванович писал: "Если же моя идея после тщательного обсуждения учеными специалистами будет признана исполнимой, то я буду счастлив тем, что окажу громадную услугу Родине и человечеству". Он просит организовать встречу с каким-либо специалистом и передать "Проект" на экспертизу.
Обращение Кибальчича остается без ответа. Только спустя почти четыре десятилетия стало известно о его научном подвиге. В процессе практической работы и наблюдений Кибальчич приходит к выводу: движущей силой воздухоплавательных аппаратов должна стать реактивная сила газов, возникающая в результате сгорания взрывчатых веществ. Он предложил создать совершенно новый (ракетодинамический) аппарат, прообраз современных пилотируемых ракет. В проекте Кибальчич рассмотрел устройство порохового двигателя, предложил управлять ракетой путем изменения угла наклона двигателя, разработал систему устойчивости аппарата. Николай Иванович Кибальчич был казнен в 1881 году.
    Константин Эдуардович Циолковский очень высоко оценил научный подвиг Кибальчича и поставил его на первое место среди своих предшественников. Есть свидетельство, что именно с проекта Н. И. Кибальчича начал свое знакомство с ракетной техникой замечательный советский конструктор космических кораблей Сергей Павлович Королев. Вопрос. Что вам известно о К.Э. Циолковском? Историк. В 1903 году появилась в печати статья преподавателя калужской гимназии К.Э. Циолковского “Исследование мировых пространств реактивными приборами”.В этой работе содержалось важнейшее для космонавтики математическое уравнение, теперь известное как “формула Циолковского”, которое описывало движение тела переменной массы. В дальнейшем он разработал схему ракетного двигателя на жидком топливе, предложил многоступенчатую конструкцию ракеты, высказал идею о возможности создания целых космических городов на околоземной орбите. Многие из его идей были осуществлены на практике. Наука, наблюдение, опыт и математика были основой моей философии. (К.Э. Циолковский). Циолковский безусловно очень известен у нас в стране и за рубежом, но известен, главным образом, как  исследователь и изобретатель  в области реактивного движения . Вот выдержка из энциклопедического словаря : “российский ученый и изобретатель, основоположник современной космонавтики. Труды в области аэро- и ракетодинамики, теории самолета и дирижабля ... Впервые обосновал возможность использования ракет для межпланетных сообщений, указал рациональные пути развития космонавтики и ракетостроения, нашел ряд важных инженерных решений конструкции ракет и жидкостного ракетного двигателя .”  Гораздо  менее он известен своими философскими  концепциями , своей  “космической философией ”, которые , пожалуй , и составляют главную часть его научного наследия . Действительно, одним из главных достижений Циолковского  считается то , что именно он  предложил и научно обосновал возможность использования ракеты для полета в космос в своей знаменитой работе “Исследование мировых пространств реактивными приборами ” .  Работа  эта  была  частично опубликована  в 1903 г. . Однако подобные идеи приходили в голову не только Циолковскому -  примерно тогда же (чуть позже) этим начали заниматься  ученые и в других странах, например Р. Годдар в США и Г.Оберт в Германии, стали выходить их работы, написанные независимо от Циолковского (хотя его приоритет очевиден ) . Циолковскому  принадлежит также множество технических идей и изобретений (многоступенчатые ракеты , металлический дирижабль , поезд на воздушной подушке и др.) однако это не главное. Сам Константин Эдуардович писал по поводу ракет так: ”Ракета  для меня только способ, только метод  проникновения в глубину Космоса, но отнюдь не самоцель... Будет иной способ передвижения в Космосе, приму и его ”. Центральной, главной идеей Циолковского  является то, что будущее человеческой цивилизации неизбежно связано с выходом в космос, более того, с расселением в нем: “Человечество ... сначала робко выглянет за пределы земной атмосферы, а затем завоюет себе все околосолнечное пространство”.   Нам, с детства читавшим фантастику,  живущим тогда когда “космические корабли бороздят просторы Вселенной ”  наверное трудно представить, сколь новыми, необычными, неожиданными  были эти идеи сто лет назад , хотя выглядят они довольно логичным продолжением человеческой истории. Циолковский был поистине уникальным человеком  - глуховатый учитель физики и арифметики в провинциальной Калуге, всю жизнь ставивший какие то опыты, писавший статьи, делавший расчеты, сумевший подняться не только над мелочами обывательской жизни, но  сумевший  превзойти по широте и “дальности прицела” мышления  даже величайших ученых своего времени, попытавшийся охватить мыслью всю Вселенную, сделавший бескрайние просторы Космоса полем человеческой деятельности . Учитель. На каких законах природы основана работа реактивных двигателей? Давайте послушаем “конструкторов”.

“Конструктор". Моделью реактивного двигателя может служить обыкновенный воздушный шар. Воздух в шаре создает давление на оболочку по всем направлениям. Если в оболочке появится отверстие, то из него начнет выходить воздух, при этом сама оболочка будет двигаться в противоположном направлении. Это следует из закона сохранения импульса: импульс шара до взаимодействия равен нулю, после взаимодействия – геометрической сумме импульсов газа и оболочки, поэтому они должны приобрести равные по модулю и противоположные по направлению импульсы, т. е. двигаться в противоположные стороны.

(Демонстрация “полета” воздушного шара, прикрепленного к трубочке через которую пропущена натянутая нить, направляющая движение шара)

Учитель. Как сконструировать ракету, способную совершить полет в космос? “Конструктор”. Чтобы ракета стала искусственным спутником Земли, ей необходимо сообщить скорость 7,9 км/с. Для достижения такой скорости масса топлива должна превышать массу полезного груза в 55 раз. Это значит, что большую часть массы ракеты на старте, составляет масса топлива. На слайде показано примерное размещение основных блоков в корпусе ракеты. Большой перепад давлений внутри камеры сгорания и снаружи порождает мощное течение газов через раструб особой формы - сопло, где газы ускоряются до больших скоростей. При движении ракеты масса ее корпуса пассивна. В основном это масса баков для горючего. По мере сгорания горючего баки становятся ненужным балластом, но для сообщения им ускорения надо расходовать топливо. Идеальной была бы такая ракета, корпус которой был бы сделан … из топлива. Но этого, по-видимому, пока сделать нельзя. Поэтому по мере израсходования топлива необходимо сбрасывать те конструкции, которые больше уже не нужны. Учитывая это, ракеты делают составными, состоящими из нескольких ступеней. Наиболее массивную часть ракеты, предназначенную для старта и разгона ракеты, называют первой ступенью.(ступени ракеты принято считать в порядке их отделения при выводе полезного груза на орбиту). Когда первая массивная ступень многоступенчатой ракеты исчерпает при разгоне все запасы топлива, она отделяется. Дальнейший разгон продолжает вторая, менее массивная ступень, и к ранее достигнутой при помощи первой ступени скорости она добавляет еще некоторую скорость, а затем отделяется. Третья ступень продолжает наращивание скорости до необходимого значения и доставляет полезный груз на орбиту. Полезный груз находится в головной части ракеты, он укрыт головным обтекателем, форма которого уменьшает сопротивление воздуха во время полета в атмосфере. После выхода в космическое пространство обтекатель тоже сбрасывается, и автоматический спутник или пилотируемый корабль начинают самостоятельный полет. Для изменения направления и величины скорости космического корабля также используются миниатюрные реактивные двигатели. Вопрос: Что используется в качестве топлива? “Конструктор”. Ракеты на жидком топливе используют керосин и кислород как окислитель. Учитель. Многоступенчатые ракеты были созданы советскими учеными под руководством Сергея Павловича Королева. Что вы знаете о С.П. Королеве? “Корреспондент”. “С.П.Королев - Главный конструктор первых ракетно-космических систем” характеризует одну из наиболее ярких страниц истории нашего государства - эру освоения космического пространства: первый спутник земли, первый полет человека в космос, первый выход космонавта в открытый космос, многолетняя работа орбитальной станции и многое другое непосредственно связано с именем академика Королева Сергея Павловича, первого Главного конструктора ракетно-космических систем.Вот как отзываются о нем известные в мире ученые, авиаконструкторы и космонавты. Авиаконструктор Антонов О.Г. пишет: “...Мы безмерно радовались и гордились тем, что начало космической эре положено гражданином Страны Советов, Великим инженером, Конструктором, Ученым, Организатором, Человеком - Сергеем Павловичем Королевым”. Космонавт Феоктистов К.П., говоря о нем, подчеркивает:”Самая характерная черта Королева - громадная энергия. Этой энергией он умел заражать окружающих. Он был человеком очень решительным, часто довольно суровым. Королев - это сплав холодного рационализма и мечтательности”. Лауреат Нобелевской премии физик Ханнес Альфин считает:“Сергею Королеву больше, чем кому-либо другому, принадлежит заслуга в том, что космический век стал реальностью”. Наряду с величайшими достижениями в науке и технике, С.П.Королев подготовил целую плеяду ученых и специалистов, которые продолжили его дело. Как писал академик Мишин В.П.:“...Создание советской школы ракетостроения - только часть вклада Королева в исследование и освоение космического пространства. Вся его жизнь - пример настойчивого и терпеливого подбора, воспитания и учебы коллективов высшей квалификации, технически смелых и самоотверженно преданных делу специалистов”. Умер С.П.Королев 16 января 1966 года.Как знак признания заслуг С.П.Королева стоят памятники - на родине в Житомире, в Москве, где жил, в Подмосковье, где строил ракеты и корабли, на космодроме, откуда прокладывал дороги во Вселенную. В ознаменование заслуг Королева в исследовании Луны мировая астрономическая общественность присвоила его имя одному из крупных кольцеобразных горных образований на Луне - талассоиду. Еще совсем недавно люди Земли с замиранием сердца следили за каждым сообщением о достижениях в области космических полетов, а сегодня в космосе идут обычные трудовые будни и лишь по знаменательным датам вспоминают тех, с чьим именем связаны самые первые и потому самые трудные шаги в космос. Среди них - С.П.Королев, Главный конструктор первых ракетно-космических систем. Вопрос: Когда состоялся запуск первого искусственного спутника Земли? Слово – “корреспондентам”. “Корреспондент”. Запуск первого ИСЗ был осуществлен 4 октября 1957 года. Спутник, имевший массу 83,6 кг, в течение 92 дней летал вокруг нашей планеты и посылал радиосигналы всем радиостанциям мира. Вопрос: Когда был совершен первый полет человека в космос? “Корреспондент”. С 1959 года в нашей стране 20 кандидатов в космонавты готовились к полетам в космос. Первым космонавтом стал Юрий Алексеевич Гагарин. 12 апреля 1961 года в 9 часов 07 минут по московскому времени космический корабль “Восток” с человеком на борту поднялся в космос и, совершив полет вокруг земного шара, вернулся на Землю. Учитель.Осуществилась мечта К.Э. Циолковского – человек проник за пределы атмосферы. Сумел ли он построить космические города? “Корреспондент”.На околоземную орбиту с 1971 года по 1982 год наша страна вывела 7 орбитальных станций серии “Салют”. С 1986 по 2001 год работала уникальная по длительности пребывания на околоземной орбите станция “Мир” – она имела шесть стыковочных узлов, на ней в разное время побывали более ста космонавтов и астронавтов. А космонавт В. В Поляков проработал на ней 438 суток, установив мировой рекорд длительности орбитального полета. Сейчас на орбите работает Международная космическая станция, в создании которой принимают участие многие страны. Её первым блоком стал наш грузовой модуль “Заря”. Орбитальная станция – это целый космический дом, в котором космонавты живут и работают в течение нескольких месяцев. Они проводят научные эксперименты, исследуют космические объекты, изучают нашу Землю, а также принимают гостей, получают посылки. Конечно, гости прилетают на космических кораблях, а необходимые грузы доставляют транспортные корабли.

Учитель. Действительно, настоящий космический городок. Всего несколько десятилетий назад о планетах солнечной системы было мало что известно, и они представлялись людям таинственным миром. Предполагалось, что природные условия на Венере и Марсе настолько близки к земным, что на них возможно зарождение и развитие жизни. С началом космической эры появилась возможность познакомиться с нашими космическими “соседями” поближе. Начнем с Луны. Какие автоматические станции исследовали лунную поверхность? Возможно ли существование жизни на Луне? “Корреспондент”. 2 января 1959 года АМС “Луна – 1” начала исследование естественного спутника Земли. Всего к Луне было направлено 24 станции серии “Луна” и 4 станции серии “Зонд”. Первые аппараты должны были выйти на орбиту вокруг Луны, следующие – попасть на ее поверхность. Затем их задачи усложнились: АМС совершали мягкую посадку, которая обеспечивала сохранность сложной аппаратуры, фотографировали поверхность, измеряли температуру, брали пробы грунта и даже возвращались на Землю, доставляя образцы лунных пород, фотографии, результаты анализов. 20 июля 1969 года американский астронавт Нил Армстронг стал первым человеком, ступившим на поверхность Луны. В результате исследований было установлено, что Луна не имеет атмосферы, на ее поверхности нет воды, а температура изменяется от +130⁰ С днем до –170⁰ С ночью. При таких условиях существование жизни невозможно. Учитель. Какие результаты были получены при изучении Венеры – планеты, очень похожей по размерам и массе на нашу Землю? “Корреспондент”. Для изучения Венеры с 1961 года было запущено 16 космических станций серии “Венера”. Первые спускаемые аппараты не смогли достичь поверхности планеты, они разрушались, проработав несколько часов в ее плотной атмосфере. Лишь в 1970 году спускаемый аппарат станции “Венера – 7” пересек всю толщу венерианской атмосферы и совершил мягкую посадку. В месте посадки давление оказалось в 100 раз больше давления земной атмосферы, а температура +500⁰ С! Слишком жарко для живых организмов, 96% атмосферы – углекислый газ, поэтому ученые не надеются обнаружить жизнь в таких условиях. Учитель. В начале XX века многие писатели-фантасты создавали замечательные произведения, героями которых были жители Марса, марсиане. Удалось ли обнаружить жизнь на Марсе? “Корреспондент”. Первым космическим аппаратом, стартовавшим к Марсу, была советская АМС “Марс–1”, запущенная 1 ноября 1962 года. В 1971 году спускаемый блок “Марса – 3”, совершив мягкую посадку, передал телевизионное изображение поверхности планеты, информацию о температуре, давлении, составе атмосферы. Исследования продолжили еще 4 советские АМС и американские аппараты “Викинг – 1” и “Викинг – 2”. Условия на Марсе оказались очень суровыми: разряженная атмосфера, состоящая на 95% из углекислого газа, низкие температуры. В самый жаркий день марсианского лета мороз - 20⁰С – 0⁰ С, а зимой температура опускается до –130⁰ С. В такой холод в лед превращается не только вода, вымерзает углекислый газ и белыми хлопьями покрывает красноватую поверхность Марса, образуя у полюсов планеты полярные шапки. Никаких признаков жизни обнаружить на планете не удалось, но ученые не теряют надежды и в новом столетии планируют направить к Марсу пилотируемые корабли. Учитель. С помощью АМС человек сфотографировал и другие планеты: Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, их спутники. Космический “Путешественник” –  “Вояджер-1”вышел за пределы солнечной системы и продолжает полет к звездам. В 1986 году удалось сделать снимки ядра кометы Галлея. В 1991 году получены фотографии астероидов, а в 2005 японская АМС  “Хаябуса” взяла с поверхности астероида пробы грунта, которые будут доставлены для изучения на Землю. И это только первые шаги человека в космос. Каждый раз, когда современная космонавтика одерживает очередную победу, я ловлю себя на мысли, что многое из того, что происходит, предвидел, иногда даже в деталях, К.Э. Циолковский. Насколько он опередил свой век! Недаром его слова стали девизом нашего семинара. Завершить работу семинара я тоже хочу словами Константина Эдуардовича: “Основной мотив моей жизни – сделать что-нибудь полезное для людей, не прожить даром жизнь, продвинуть человечество хоть немного вперед”.

Я хочу, чтобы эти слова стали девизом и вашей жизни, чтобы каждый из вас внес свой вклад в развитие нашей страны, общества, науки.

6