"Я б тоже согласился на полёт..."

«Я б тоже согласился на полет…»

Учитель физики МОУ «Средняя школа № 39» Орлова Алёна Юрьевна, стаж 3 года

Цели:

Образовательные: продемонстрировать возможность объяснять законы, связанные с движением космических тел, научится объяснять некоторые законы практически, способствовать развитию познавательных интересов, интеллектуальных и творческих способностей в процессе изучения физики и астрономии.

Воспитательные: показать роль науки в познании мира, рассказать о вкладе ученых в «копилку научных достижений».

Развивающие: развивать внимание и любознательность, расширять представления о возможностях применения человеком физических знаний, развивать логические и практические навыки учащихся при мини исследованиях.

Оборудование: карточки с заданиями, проектор, презентация к уроку, демонстрационное оборудование.

Ход занятия:

Приложение 1. Опыт Кавендиша.

Эксперимент Кавендиша — первое экспериментальное измерение гравитационной постоянной.

История
Установление Ньютоном закона всемирного тяготения явилось важнейшим событием в истории физики. Его значение определяется, прежде всего, универсальностью гравитационного взаимодействия. На законе всемирного тяготения основывается один из центральных разделов астрономии — небесная механика. Мы ощущаем силу притяжения к Земле, однако притяжение малых тел друг к другу неощутимо. Требовалось экспериментально доказать справедливость закона всемирного тяготения и для обычных тел. Именно это и сделал Г. Кавендиш, попутно определив среднюю плотность Земли.

F = g(m₁m₂)/R²
где m₁ и m₂ — массы материальных точек, R — расстояние между ними, a F — сила их взаимодействия.

До начала XIX века g в закон всемирного тяготения не вводилось, так как для всех расчётов в небесной механике достаточно использовать постоянные gm₁, имеющие кинематическую размерность. Постоянная g появилась впервые, по-видимому, только после унификации единиц и перехода к единой метрической системе мер в конце XVIII века. Численное значение g можно вычислить через среднюю плотность Земли, которую нужно было определить экспериментально. Очевидно, что при известных значениях плотности и радиуса Земли, а также ускорения свободного падения g на её поверхности можно найти g.
Установка

Крутильные весы

Первоначально эксперимент был предложен Джоном Митчеллом. Именно он сконструировал главную деталь в экспериментальной установке — крутильные весы, однако умер в 1793 так и не поставив опыта. После его смерти экспериментальная установка перешла к Генри Кавендишу. Кавендиш модифицировал установку, провёл опыты и описал их в Philosophical Transactionsв 1798. Установка представляет собой коромысло с прикреплёнными к его концам небольшими свинцовыми шарами. Оно подвешено на нити из посеребрённой меди длиной 1 м. К шарам подносят шары большего размера массой 159 кг, сделанные также из свинца.

В результате действия гравитационных сил коромысло закручивается на некий угол. Жёсткость нити была такой, что коромысло делало одно колебание за 15 минут. Угол поворота коромысла определялся с помощью луча света, пущенного на зеркальце на коромысле. Зная упругие свойства нити, а также угол поворота коромысла, можно вычислить гравитационную постоянную. Для предотвращения конвекционных потоков установка была заключена в ветрозащитную камеру. Угол отклонения измерялся при помощи телескопа. Первоначально Кавендиш приписал закручивание нити магнитному взаимодейстивию железного стержня и свинцовых шаров. Кавендиш заменил его медным, однако результаты получились те же самые.

В «Британнике» утверждается, что Г. Кавендиш получил значение g = 6,754^.10^-11 м³/(кг·с²). Это же утверждают Е. P. Коэн, К. Кроув и Дж. Дюмонд. Л. Купер в своём двухтомном учебнике физики приводит другое значение: g = 6.71^.10^-11м³/(кг·с²), а О. П. Спиридонов — третье: g = (6.6 ± 0.04)^.10^-11 м³/(кг·с²). Однако в классической работе Кавендиша не было приведено никакого значения g. Он рассчитал лишь значение средней плотности Земли: 5.48 плотностей воды (современное значение 5,52 г/см³). Вывод Кавендиша о том, что средняя плотность планеты 5,48 г/см³ больше поверхностной ~2 г/см³, подтвердил, что в глубинах сосредоточены тяжёлые вещества.

Гравитационная постоянная была введена, по-видимому, впервые только С. Д. Пуассоном в «Трактате по механике» (1811). Значение g было вычислено уже после другими учеными из данных опыта Кавендиша. Кто впервые рассчитал численное значение g, историкам неизвестно. (Оборудование: два магнита, два шарика привязанных к коромыслу).

Приложение 2. Образование орбиты Земли. Поворотная сила.

Угол поворота нашей планеты вокруг своей оси на всех широтах одинаков. За один час каждая точка на поверхности Земли передвигается на 15° от ее первоначального положения. Но при этом скорость движения находится в обратно пропорциональной зависимости от географической широты: на экваторе она равна 464 м/с, а на широте 65° -только 195 м/с.

Вращение Земли вокруг оси в 1851 г. доказал в своем опыте Ж. Фуко. В Париже — в Пантеоне под куполом повесили маятник, а под ним круг с делениями. При каждом следующем движении маятник оказывался на новых делениях. Это может произойти только в том случае, если поверхность Земли под маятником поворачивается. Положение плоскости качания маятника на экваторе не изменяется, потому что плоскость совпадает с меридианом. Осевое вращение Земли имеет важные географические следствия.

При вращении Земли возникает центробежная сила, которая играет важную роль в формировании формы планеты и уменьшает силу притяжения.

Еще одним из важнейших следствий осевого вращения является образование поворотной силы - силы Кориолиса. В XIX в. она была впервые рассчитана французским ученым в области механики Г. Кориолисом (1792-1843). Это одна из сил инерции, вводимых для учета влияния вращения подвижной системы отсчета на относительное движение материальной точки. Ее эффект кратко можно выразить так: всякое движущееся тело в Северном полушарии отклоняется вправо, а в Южном — влево. На экваторе сила Кориолиса равна нулю. (Оборудование: магнит, желоб, металлический шарик.)

Приложение 3

Реактивное движение и ракета

Реактивное движение - это все же движение. А мы знаем, что чтобы происходило движение, необходимо воздействие некоторой силы. Тело либо само должно оттолкнуться от чего-нибудь, либо стороннее тело должно толкнуть данное. Это хорошо известно и понятно нам из жизненного опыта.

От чего оттолкнуться в космосе?

У поверхности Земли можно оттолкнуться от поверхности либо от находящихся на ней предметов. Для передвижения по поверхности используют ноги, колеса, гусеницы и так далее. В воде и воздухе можно отталкиваться от самих воды и воздуха, имеющих определенную плотность, и потому позволяющих взаимодействовать с ними. Природа для этого приспособила плавники и крылья.

Человек создал двигатели на основе пропеллеров, которые во много раз увеличивают площадь контакта со средой за счет вращения и позволяют отталкиваться от воды и воздуха. А как быть в случае безвоздушного пространства? От чего отталкиваться в космосе? Там нет воздуха, там ничего нет. Как осуществлять полеты в космосе? Вот тут-то и приходит на помощь принцип реактивного движения.

В ракетах применяют многоступенчатую систему. Во время полета нижняя ступень, израсходовав весь свой запас топлива, отделяется от ракеты, чтобы уменьшить ее общую массу и облегчить полет.

Количество ступеней уменьшается, пока не остается рабочая часть в виде спутника или иного космического аппарата. Топливо рассчитывают таким образом, чтобы его хватило как раз для выхода на орбиту.

При посадках на космические тела рассчитывают количество топлива для посадки и на обратный путь, если он запланирован.

Теперь проведем сам опыт (поджигаем пакетик).

Почему так происходит... 
При горении воздух нагревается и поднимается вверх, образуя ламинарный поток воздуха. Когда пакетик обгорает и его вес становится таким, что этот поток может его поднять, легкие остатки почти сгоревшего пакетика тоже поднимаются вверх.

Ламинарный- это воздушный поток, в котором струйки воздуха движутся в одном направлении и параллельны друг другу.