Урок по теме: Воздухоплавание

План-конспект урока по теме: Воздухоплавание

Образовательные цели:

1. Объяснить возникновение силы Архимеда в газах

2. Рассмотреть практическое применение силы Архимеда в газах.

3. Познакомиться с принципами воздухоплавания

4. Научиться рассчитывать подъемную силу шара

Развивающие цели:

1. Развитие критического мышления.

2. Развитие учебно-интеллектуальных умений (решать расчетные задачи, делать выводы)

3. Развитие учебно-информационных умений (объяснять, выбирать ответы на вопросы),

4. Развитие учебно-коммуникативных умений (Умение слушать других и умение высказывать свои мысли).

Воспитательная цель:

1. Воспитание самостоятельности и целеустремленности в достижении поставленной цели.

2. Воспитание научного подхода к объяснению физических явлений.

Ход урока:

I. Орг. момент. Сообщение темы, целей и задач урока.

Послушайте внимательно отрывок из рассказа А. П. Чехова “Степь”.

“Егорушка… разбежался и полетел с полуторасаженной вышины. Описав в воздухе дугу, он упал в воду, глубоко погрузился, но дна не достал; какая–то сила , холодная, и приятная на ощупь, подхватила его и понесла обратно наверх. Он нырнул и … опять нырнул… Опять та же сила, не давая ему коснуться дна и побыть в прохладе, понесла его на вверх”.

О какой силе идет речь в этом отрывке? Действительно, речь сегодня пойдет о силе Архимеда. Сегодня мы попробуем выяснить какое отношение имеет эта сила к воздухоплаванию.

II.Повторение изученного материала.

1. Представление учащимися опытных задач.

Начнем мы урок с нескольких практических задач.

1. Задача о живой и мертвой воде.

-плотность чистой воды меньше плотности картофеля и он тонет, а плотность соленой воды больше, поэтому подливая соленую "живую" воду, добиваемся всплытия картофелины.

2 . Задача о несмешивающихся жидкостях

- Жидкость, плотность которой меньше, находится сверху

3 ."Картезианский водолаз". Опыт назван в честь французского ученого Рене Декарта, сделавшего это опыт популярным.

-В соответствии с законом Паскаля, давление, производимое на жидкости, передается одинаково во всех направлениях, сдавливает пипетку, уменьшая ее объем и пипетку тонет.

По такому же принципу действует плавательный пузырь рыбы

4.Выдуваем мыльные пузыри. Почему мыльный пузырь имеет форму шара? А почему они падают?

2. Устный фронтальный опрос:

1.Итак, мыльные пузыри имеют форму шара, т.к. по закону Паскаля давление, создаваемое в них передается во все стороны одинаково.

2. Падают они от того, что сила Архимеда меньше силы тяжести.

3. А что же надо сделать с шаром, чтобы он поднялся вверх?

III.Объяснение нового материала

1. Сообщения учащихся об истории воздухоплавания по плану. Сопровождение презентацией.

1)Изобретение воздушных шаров братьев Монгольфье

2)Шары Шарля

3)Устройство воздушного шара

4)Дирижабли

5)Применение воздушных шаров

Итак, мы узнали как появились первые воздушные шары. Узнали имена создателей этих летательных аппаратов. Узнали, как устроены и почему первые воздушные шары лопались, поднявшись высоко в небо. А как в этой ситуации мог бы помочь барометр? И еще, почему современные шары наполняются гелием, а не водородом? Не подойдет для наполнения шаров и углекислый газ,хоть он и безопасен, но его плотность больше плотности газа, и шар , наполненный углекислым газом окажется тяжелее воздуха.

2.Решение расчетной задачи на подъемную силу воздушного шара.

№ 1.Через 10 дней после полета первых воздухоплавателей на монгольфьере Париж был взбудоражен новым событием.

1 декабря 1783 года в парке королевского дворца опять собралась вся придворная знать. Зрители с удивлением взирали на то, как шар наполнялся невидимым газом - водородом. Он поступал по шлангу от 25 бочек с железными опилками и серной кислотой. Такой процесс добывания водорода очень медленный, поэтому Шарль привез свой баллон и начал заполнять его газом еще за четыре дня до полета. За это время шар почти полностью надулся, и зрители сразу отметили, что он значительно меньше, чем у братьев Монгольфье, - всего 9 метров в диаметре( 500м³). Но подъемная сила этого шара была удивительно большой. Давайте рассчитаем ее.

Подъемная сила F = F_А - P_{вес шара.}

1) F_А=_возд g V = 1,3 кг\ м³· 10 H/кг · 500 м³ = 6500 H

2)Р_газа= m g=_газа g V= 0,09 · 10 H/кг · 500 м³ =450 Н, вес оболочки-150 Н.

3) Подъемная сила F= 6500-(450+150)= 5900 Н

Значит этот шар мог поднять 590 кг груза!!

№2. Давайте рассчитаем подъемную силу обычного гелиевого шарика и узнаем, сколько таких шариков надо купить, чтобы подняться на них в воздух.

Дано: V=0,02м³ , _возд = 1,3 кг/м³, _газа=0,2кг/м³, масса ребенка 44 кг.

Решение: Подъемная сила F = F_А - P_{вес шара.}

1) F_А=_возд g V = 1,3 кг\ м³· 10 H/кг · 0,02 м³ = 0,26 H

2)Р_газа= m g=_газа g V= 0,2 · 10 H/кг · 0,02 м³ =0,04 Н

3) Подъемная сила одного шарика F=0,26Н - 0,04 Н=0,22Н

4)Вес ребенка Р= m g= 44· 10 H/кг= 440 Н.

5)Кол-во шариков: N=440 : 0,22=2000 (шаров)

IV.Подведение итогов:

1.Итак, сегодня мы узнали о том, что сила Архимеда действует на тела не только в жидкостях, но и в газах.

2.Кто первым придумал заполнять шар горячим воздухом? Водородом?

3.Как вы думаете, почему полеты на воздушных шарах называют воздухоплаванием?

4.Как бы вы сформулировали основное правило воздухоплавания?

V. Выполнение теста.

1. Какая сила действует на воздушный шар, поднимая его вверх?

а) сила тяжести b) сила Монгольфье c) сила Архимеда

2. Какое условие необходимо, чтобы шар поднимался в воздух?

Наполнить: а) кислородом b) нагретым воздухом c) углекислым газом

3. Для чего применяют воздушные шары?

а) фотографирование поверхности земли b) метеорология c) воздухоплавание

4. Чем можно регулировать высоту подъема воздушного шара?

а) мешками с песком b) манометром c) газовой горелкой

5. При каких условиях шар может подниматься вверх?

а) Если выталкивающая сила больше силы тяжести.

b) Если выталкивающая сила меньше силы тяжести.

с) Если выталкивающая сила и сила тяжести равны.

6. При каких условиях шар в воздухе начнет опускаться?

а) Если выталкивающая сила больше силы тяжести.

b) Если выталкивающая сила меньше силы тяжести.

с) Если выталкивающая сила и сила тяжести равны.

IV. Рефлексия.

1. Что нового вы сегодня узнали на уроке?

2.Что понравилось на уроке больше?

3.Какое применение воздушных шаров вы еще могли бы предложить.

VI. Домашнее задание :§52

Приложение: сообщения учащихся

Аэроста́т ( возду́шный шар) — летательный аппарат легче воздуха, использующий для полёта подъёмную силу заключённого в оболочке газа, плотность которого меньше, чем плотность окружающего воздуха .

1. Изобретение Монгольфье.Первыми изобретателями аэростатов были братья Монгольфье.

Братья Жозеф и Этьен Монгольфье загорелись идеей создать воздушный шар, наблюдая за дымом, поднимающимся от костра. Горячий воздух потому поднимается вверх, что более легкий. Братья заполняли бумажные мешки, а потом мешки из шелка воздухом от костра. Наполненные мешки поднимались до потолка, что уже являлось огромным прорывом.

Кроме того, братья увлекались химией и после того, как был открыт водород, они попытались наполнить шар водородом. Братья рассчитывали, что водород (тогда его называли летучим газом), который значительно легче воздуха, сможет заставить шар взлететь. Они были на правильном пути, но создать герметичную оболочку для шара не смогли. Водород моментально проходил сквозь ткань шара. Попытки оклеивать матерчатый шар бумагой или делать его только из бумаги, результата не дали. Водород каждый раз просачивался через оболочку шара.

4 июня 1783 года состоялась публичная демонстрация изобретения братьев Монгольфье, на которую пришло огромное количество людей. В течение десяти минут шар, наполняемый горячим воздухом, набрал высоту, а в 4 тысячах футов от места запуска упал на землю. Это был научный успех, требующий однако тщательного развития.

19 сентября 1783 года братья Монгольфье запустили в небо шар, в корзине которого помещались баран, петух и утка. На значительной высоте шар прорвался, но спустился настолько плавно, что животные нисколько не пострадали.

21 ноября 1783 года знаменательный день в истории воздухоплавания. В этот день два отважных француза: Пилатр де Розье и маркиз д’Арланд впервые в истории совершили полёт на воздушном шаре братьев Монгольфье.

Жан Франсуа Пилатр-де-Розье нес службу при короле Людовике XVI. Узнав, что в первый пилотируемый полёт на аэростате братьев Монгольфье предполагается отправить двух человек, приговорённых к смертной казни, Пилатр де Розье выразил протест против того, что честь совершить такой полёт достанется преступникам, и предложил себя в качестве пилота. По его просьбе маркиз д'Арланд ходатайствовал перед королём и выразил желание лично участвовать в подъёме вместе с Пилатром де Розье.

После нескольких тренировочных полетов, 21 ноября 1783года шар 15,5м в диаметре и 24м высотой поднялся в небо, пролетел над Булонским лесом, над рекой Сеной, пролетев в общей сложности около 9км.

Подготовленный братьями шар только отдаленно напоминал современные летательные аппараты. Это был большой матерчатый шар, проклеенный для плотности бумагой. На середине на шар был укреплен дополнительный матерчатый пояс, от которого спускались вниз веревки, за них предполагалось удерживать шар при наполнении дымом. Вся конструкция получилась большой, громоздкой и весила более 200 килограммов. Разложив в специально устроенном очаге костер, братья и их добровольные помощники разместили над ним горловину шара, который стал быстро наполняться горячим воздухом и вскоре уже рвался в небо. Веревки отпустили, и шар, на боку которого было написано на латыни «К ЗВЕЗДАМ», устремился ввысь. День выдался безветренный, и шар, хотя и поднялся довольно-таки высоко, вскоре плавно опустился примерно за 9 километров от места старта. Полет продолжался 25 минут. С этого дня Жозеф и Этьен Монгольфье навсегда вписали свои имена в историю покорения неба.

Любопытно, что, пока братья готовились к приезду в Париж, Академия поручила физику Жаку Шарлю подготовить обоснованное мнение по поводу изготовления и полета на воздушном шаре. Шарль пошел тем же путем, что и братья. Он предположил, что шар можно наполнить водородом, и даже подготовил соответствующие расчеты. О возможности использовать горячий воздух он не догадался. Так как братья Монгольфье долго не могли добраться до Парижа, Шарль решил сам произвести опыт с шаром, наполненным водородом. Но он оказался дальновиднее братьев и пропитал оболочку небольшого шелкового шара (примерно 4 метра в диаметре) раствором каучука. В последующем открытый им способ изготовления оболочки шара использовался до середины 20 века.

В августе 1783 года Шарль провел в Париже первый полет изобретенного им шара. Наполненный водородом шар стремительно взлетел к облакам. Но затем случилось что-то непонятное, шар исчез, а на землю опустилась его лопнувшая оболочка. Действительно, к тому времени ученые уже знали, что с высотой воздух становится менее плотным. Давление с высотой уменьшается, а давление внутри шара, оставаясь постоянным, и на определенной высоте внутреннее давление разорвало его оболочку. Шарль снова засел за расчеты, но к этому времени в Париж приехали братья и привезли свой шар.

2. Устройство шара. Воздушные шары братьев Монгольфье получили название «монгольфьеры» и применяются до сих пор. Это современные тепловые аэростаты, поднимающиеся за счет нагретого воздуха. Оболочка  выполняется  из легкой термостойкой синтетической, очень прочной ткани. Горелки, установленные в гондоле под куполом и прогревающие воздух в оболочке, работают на газе пропан-бутане.

1 - Оболочка аэростата. Шьется из специальных прочных тканей. На оболочке нашиты вертикальные и горизонтальные силовые ленты, которые создают силовой каркасс и предотвращают возможные разрывы оболочки.

2 - Парашютный клапан. Рассположен в верхней части оболочки. Служит для выпуска теплого воздуха, если шар надо спустить вниз.

3 . Гондола (корзина) изготавливается из лозы и тростника. Такая конструкция и материалы позволяют выдерживать удары при жестких посадках

4.Горелка или блок горелок. Является составной частью тепловой установки аэростата. При помощи горелки сжигается газ (пропан-бутан) и тем самым нагревается воздух, находящийся внутри оболочки.

5.Газовые баллоны. Размещаются по углам внутри корзины. В баллонах содержится газ (пропан - бутан), который по шлангам подается на горелку. Баллоны бывают разные по объему и в среднем около 40-50 литров.

Все воздушные шары делятся на 3 вида:

- газовые( наполненные легким газом-водородом, гелием).Их еще называют шарльеры, по имени создателя.

-тепловые ( заполненные горячим воздухом)— монгольфьеры,

-комбинированные (газовые и тепловые одновременно) — розьеры.

Все аэростаты были практически неуправляемы и летели туда, куда дул ветер. Поэтому изобретатели задумались над тем, как поле сделать управляемым и на смену аэростату пришел дирижабль.

3. Дирижа́бль  — Управляемый летательный аппарат легче воздуха, представляющий собой комбинацию аэростата с винтовым двигателем, благодаря которому шар может двигаться в любом направлении независимо от направления воздушных потоков.

Изобретателем дирижабля считается Жан Батист Мёнье. Дирижабль Мёнье должен был иметь овальную форму, а управлять им вручную должны были 80 человек, поворачивая пропеллеры, установленные на шаре. Дирижабль с паровым двигателем, сконструированный  Анри Жиффаром, появился полвека спустя и совершил первый полёт только 24 сентября 1852г.

В конце 19 века немецкий граф Фердинандом фон Цеппелин открыл производство дирижаблей, которые в дальнейшем получили название ЦЕПЕЛЛИНОВ. К 1906 году Цеппелин сумел построить усовершенствованный дирижабль, который заинтересовал военных. Цепеллины имели огромные размеры(при длине 150 м и объёме оболочки 22 000 м³) и поднимали до 8000 кг полезного груза, имея максимальную высоту подъёма более 2 км . Имели 3 мотора и достигали скорости 73км/ч. В полезную нагрузку входили 10-килограммовые бомбы и гранаты (общим весом 500 кг), а также радиотелеграфное оборудование.

В 1910 году была открыта первая в Европе воздушная пассажирская линия Фридрихсхафен—Дюссельдорф, по которой курсировал дирижабль «Германия». В январе 1914 года Германия по общему объём и по боевым качествам своих дирижаблей обладала самым мощным воздухоплавательным флотом в мире.

Считается, что эпоха дирижаблей кончилась в 1937 году, когда при посадке  сгорел немецкий пассажирский дирижабль-лайнер «Гинденбург».  Заполненные взрывоопасным газом водородом, дирижабли редко горели и терпели аварии, однако их катастрофы причиняли намного большие разрушения по сравнению с самолётами того времени. Эксплуатация дирижаблей была прекращена. Возможно, этого бы не случилось, если бы компания Цеппелина имела доступ к достаточному количеству гелия и не заполняла дирижабли водородом.

4. Применение.

1.Перевозка людей, в том числе, экскурсии.

2. В военных целях, для сброса бомб и обнаружения противника.

3.Видеонаблюдение, связь, получение метеоданных.

4.Исследование других планет. Два аэростата были запущены и летали в атмосфере Венеры, передавая нам сведения об этой планете.

5.Реклама. Большие воздушные шары могут выполнять сразу несколько функций, они могут служить рекламными плакатами , а могу быть указателями, которые обращают внимание прохожих на какой-либо объект.

6.Украшение или просто подарок.