Головна » Фізика

Імпульс тіла. Закон збереження імпульсу. Реактивний рух

Вибір теми не випадковий. Адже реактивний рух дуже важливий в сучасній науці і техніці.

У роботі викладено одну з версій подачі лекційного матеріалу даної теми пов’язану з розв’язання задач та тестуванням для студентів 1 курсу (загальноосвітній цикл) ВНЗ І-ІІ рівня акредитації.

До роботи підготовлено презентацію, відео демонстрація  прикладів реактивного руху.

Робота може бути використана студентами та викладачами ВНЗ І-ІІ рівня акредитації для підготовку до викладання даної теми та самостійної роботи студентів.

 

 Розділ 1. МЕХАНІКА

  1.3. Закони збереження

 

Тема: Імпульс тіла. Закон збереження імпульсу. Реактивний рух. Будова та принцип дії реактивних двигунів.

Навчальна мета: ознайомити студентів з поняттям імпульсу, законом збереження імпульсу в природі й техніці, їх важливість у життєдіяльності людини.  Навчити студентів обґрунтовувати реактивний рух як прояв закону збереження імпульсу. Розв’язання задач з застосовуюнням  закону збереження імпульсу.

Розвивальна мета: застосовувати теоретичні відомості для розв’язання задач за темою, розвивати розумові дії узагальнення й систематизації, які сприяють розвитку фізичного мислення студентів.

Виховна мета: сприяти вихованню стійкого інтересу до предмету фізика, активізувати самостійність мислення учнів, виховувати наполегливість, зосередженість і відповідальність за навчання.

Тип заняття:  лекція

Обладнання: презентація

Міжпредметні зв’язки: з математикою, технікою. 

Метод навчання: пошуковий, дослідницький.

Форма навчання: групова

 

Література:

 В.Г. Бар'яхтар, Ф.Я. Божинова  Фізика 10кл. Академічний рівень, підручник  для загальноосвітніх навчальних закладів Харків, Видавництво, 2010р. §31 - §32

Кирик Л.А. Фізика—10. Різнорівневі самостійні та контрольні роботи. – Харків: Гімназія, 2002.

 

Хід заняття

І. Організаційна частина

ІІ. Актуалізація опорних знань, умінь і навичок студентів

  Студенти  групи відповідають на запитання:

Як формулюється перший закон Ньютона?
Якою величиною характеризується інертність тіла? Який зв'язок між масами тіл і модулями прискорень, яких вони набувають під час взаємодії?
Унаслідок взаємодії двох тіл швидкість одного з них збільшилась. Як змінилась швидкість іншого тіла?
Який загальний вигляд запису другого закону Ньютона для руху матеріальних точок?
Сформулюйте третій закон Ньютона.
Чи в усіх системах відліку виконуються закони Ньютона?

ІІІ. Мотивація навчальної діяльності

  Протягом багатьох століть людство мріяло про космічні польоти. Письменники-фантасти пропонували самі різні засоби для досягнення цієї мети. В XVII столітті з'явилось оповідання французького письменника Сірано де Бержерака про подорож на Місяць. Герой цього оповідання дістався до Місяця в металевому візку, над яким він весь час підкидав сильний магніт. Притягуючись до нього, візок все вище підіймався над Землею, доки не досягнув Місяця.

Повідомлення теми, мети, завдань заняття.

 

 Виклад нового матеріалу за допомогою презентації.

Розв’язування задач        
Тестування

 

Структура:

Організаційна частина.
Мотивація навчання.
Актуалізація опорних знань.
Викладання нового матеріалу.
Приклади розв’язання задач.
Закріплення вивченого матеріалу, контрольні питання.
Домашнє  завдання:

В.Г. Бар'яхтар, Ф.Я. Божинова  Фізика 10кл. Академічний рівень, підручник  для загальноосвітніх навчальних закладів Харків, Видавництво, 2010р. §31 - §32

8.  Підсумки.

 

1.Імпульс тіла.

 Основні закони механіки - перший і другий закони Ньютона - дають змогу розв'язувати будь-які механічні задачі. Але другий закон Ньютона у вигляді можна застосовувати тільки для тіла з постійною масою, якщо його швидкість набагато менша від швидкості світла, а значення маси m значно перевищує значення мас елементарних частинок.

Для розв'язування задач на рух тіл змінної маси застосовують другий закон Ньютона у найбільш загальному вигляді:

де F- сила; Dt - час дії сили; ∆P - зміна імпульсу тіла.

Імпульс тіла - векторна фізична величина . А вираз ∆P виражає зміну імпульсу тіла. Зміна вектора імпульсу тіла під дією постійної сили дорівнює добутку сили на час її дії і називається імпульсом сили.

Для визначення імпульсу системи тіл або точок потрібно знайти векторну суму імпульсів окремих частин системи:

Посилаючись на третій закон Ньютона і векторну рівність (2), можна довести, що зміна імпульсу системи тіл, які взаємодіють між собою, визначається векторною сумою всіх зовнішніх сил, які діють на систему:

 

2 Закон збереження імпульсу.

Розглянемо це на прикладі зіткнення двох пружних тіл (рис.1).

Нехай два тіла масами m1 і m2, рухаються назустріч одне одному зі швидкостями ν1   і ν2

Після зіткнення, перше тіло набуде швидкості ν1/, а друге ν2/ -. У момент удару на першу кулю діє сила

на другу:

За третім законом Ньютона ці сили рівні за величиною і протилежні за напрямом.

де в лівій частині рівності стоїть сума імпульсів до взаємодії, а в правій - сума імпульсів після взаємодії тіл.

Із отриманого виразу можна зробити висновок: сума імпульсів тіл, які утворюють замкнену систему, залишається незмінною за будь-яких взаємодій тіл цієї системи між собою.

Це твердження називають законом збереження імпульсу.

Замкненою системою називають групу тіл, які не взаємодіють ні з якими іншими тілами, що не входять до складу цієї групи. Сили взаємодії між тілами, що утворюють замкнену систему, називають внутрішніми.

Відзначимо, що закон збереження імпульсу універсальний, тобто виконується завжди.

 

3.Реактивний рух.

 Прикладом практичного застосування закону збереження імпульсу є реактивний рух, який виникає в результаті викиду частини маси тіла з деякою швидкістю, в результаті чого частина, що залишилась, отримує швидкість в протилежному напрямі (рис. 2, 3, 4).

Розглянемо реактивний рух на прикладі ракети. Ракета складається з оболонки 1, відсіків з окислювачем 2 і паливом 4, що перетворюється в газ в камері згорання (рис.5, 6) та вилітає із сопла 3.

На старті ракети сума імпульсів оболонки і газу дорівнюють нулю. За законом збереження імпульсу ця сума має дорівнювати нулю і після взаємодії:

Спроектувавши рівняння ( 5 ) на вісь Oх:

можна знайти швидкість оболонки:

 

Питання: В яких випадках справедлива ця формула?
Відповідь: Виведена формула справедлива тільки для випадку миттєвого згоряння палива. Такого бути не може, так як миттєве згоряння - вибух. На практиці маса палива зменшується поступово, тому для точного розрахунку використовують більш складні формули.
Питання: Від чого залежить швидкість руху?
Відповідь: Максимально досяжна швидкість залежить в першу чергу від швидкості вильоту газів із сопла, яка в свою чергу залежить насамперед від виду палива і температури газової струї. Чим вище температура, тим більше швидкість. Значить, для ракети потрібно підбирати саме калорійне паливо, яке надає найбільшу кількість теплоти. Відношення маси палива до маси ракети в кінці роботи двигуна (тобто по правді до ваги пустої ракети) називається числом Ціолковського. Основний висновок полягає в тому, що в безповітряному просторі ракета розвине тим більшу швидкість, чим більша швидкість витоку газів і чим більше число Ціолковського.
Включення слід сказати, що сучасні технології виробництва ракетоносіїв не можуть дозволити перевищити швидкості в 8-12 км / с. Для третьої космічної швидкості (16,4км/с) необхідно, щоб маса палива перевершувала масу оболонки носія майже в 55 разів, що на практиці реалізувати неможливо. Отже, потрібно шукати інші способи побудови ракетоносіїв.

Як бачимо, швидкість збільшується зі збільшенням швидкості вильоту газу із сопла, а також зі збільшенням відношення маси газу до маси оболонки.

Реактивний рух також здійснюють восьминоги, кальмари та деякі інші жителі Землі.

На відміну від інших транспортних засобів пристрій з реактивним двигуном може рухатися в безповітряному просторі. Здійснення реактивного руху не потребує взаємодії тіла з навколишнім середовищем.

Першим проектом пілотованої ракети був проект ракети з пороховим двигуном українця М. Кибальчича. Російський учений К. Е. Ціолковський (1857 - 1935) (онук національного героя Северина Наливайка) став основоположником теорії космічних польотів. Він установив загальні основи теорії реактивного руху, розробив основні принципи і схеми реактивних літальних апаратів, довів необхідність використання багатоступінчастої ракети для міжпланетних польотів. Ідеї Ціолковського успішно реалізовані в СРСР та Україні для будівництва штучних супутників Землі і космічних кораблів.

Основоположник практичної космонавтики - український учений академік С.П. Корольов (1906 - 1966). Під його керівництвом був створений і запущений перший у світі штучний супутник Землі (4 жовтня 1957р.), відбувся перший в історії людства політ людини в космос. Першим космонавтом Землі 11 квітня 1961 р. став росіянин Ю.О.Гагарін (1934 - 1968), і ця подія стала початком космічної ери.

Багато працював над проблемами польотів у космос видатний український учений Ю. Кондратюк. Він розробив низку схем космічних подорожей, які, зокрема, використовували американські вчені для польотів своїх астронавтів на Місяць у 1969 р. У цілому із 25 найвидатніших учених у галузі космонавтики 23 мають українське походження.

 

4  Будова та принцип дії реактивних двигунів

 

Турбореактивний двигун

недаремно називають ще газотурбінним, оскільки працює на роботі розширення газу. Забір повітря під час польоту відбувається через вхідний пристрій, де воно уже частково стискується. За допомогою механічної роботи компресора, тиск повітря надалі зростає.

Компресор складається із ротора і статора.

Ротор складається із дисків з лопатками, розкручуючись, заставляє повітря рухатись вздовж осі через ряд нерухомо закріплених лопаток або статор компресора. Після статора розширене повітря попадає в камеру згоряння, яка складається з жарових труб. Частина повітря іде на згоряння гасу, частина - охолоджує зовнішню поверхню жарових труб, що дозволяє підтримувати потрібну температуру, частина іде на розкручування турбіни (її склад  схожий на склад компресора).

Основна ж частина іде на створення реактивної тяги, яка потужнім імпульсом виривається через сопло двигуна. Ротор компресора і турбіни з'єднані загальним валом. В повітрі його розкручення підтримується турбіною, запускається ж з допомогою стартера від наземного чи бортового електроагрегата.

 

Схема турбореактивного двигуна

1. Вхідний пристрій. 2. Компресор. 3. Ротор компресора. 4. Статор компресора. 5. Форсунки. 6. Вал. 7. Камера згоряння. 8. Ротор турбіни. 9. Статор турбіни. 10. Сопло.

Винахідник Ів Россі, громадянин Швейцарії, 17 років був пілотом на реактивних літаках швейцарської BBC. Потім йому захотілося чогось незвичайного, що  мало поступається великим побратимам. Так народилася ідея реактивного ранця (вага 55 кг), що представляє собою монокрило (розмах крил - 2 м), зроблене з карбону і оснащене чотирма двигунами, що дозволяють розвивати швидкість до 300 км / год!
           Екстремальний політ поряд з двома L-39C Albatros над швейцарськими Альпами на висоті 1500 метрів тривав приблизно десять хвилин. За цей час Ів Россі виконав кілька фігур вищого пілотажу, після чого успішно приземлився.

Перегляд відеофільму.
 

5. Розв’язування задач       

Задача 1. Снаряд масою 20 кг, що летів горизонтально зі швидкістю 100 м/с, влучив у пісок на залізничній платформі і не розірвався. Якої швидкості набула платформа масою 8 т, якщо до падіння снаряда вона рухалася зі швидкістю 0,5 м/с у тому ж напрямі, що і снаряд?

Задача 2. Знайти імпульс тіла через 2 с та через 5 с після початку відліку часу, якщо маса тіла 10кг, а рух тіла описується рівнянням

Дане рівняння – рівняння рівнозмінного руху:

                                                                               

Тестування:
1. Чому одно твір маси ракети m на прискорення її руху a за визначенням?
А. імпульсів.

Б. Силі.

С. Енергії.

Г. Швидкості.

 

Чому дорівнює імпульс ракети і пального до початку роботи двигунів?
А. 2mv.

 Б.-2mv.

В. Mv.

 Д. 0


3. Який великий російський вчений зміг довести, що тільки ракета, тобто апарат з реактивним двигуном, що використовує пальне і окислювач, розташовані на самому апараті, може подолати силу тяжіння?


А. Корольов.

Б. Ціалковскій.

В. Кибальчич.

Д. Гагарін.


4. Як називається двигун, перетворюючий хімічну енергію палива в кінетичну енергію газової струї, при цьому двигун набирає швидкість у зворотному напрямку?
А. Тепловий.

Б. Реактивний.

В. Електричний.

Д. Газовий.

 


5. Від чого залежить швидкість ракети?
А. Маси ракети.

Б. Маси газів.

В. Від сили тяжіння до Землі.

Д. Маси ракети і маси газів.

 

Завдання:

В.Г. Бар'яхтар, Ф.Я. Божинова  Фізика 10кл. Академічний рівень, підручник  для загальноосвітніх навчальних закладів Харків, Видавництво, 2010р. §31 - §32

 

Список використаних джерел

 [1]  В.Г. Бар'яхтар, Ф.Я. Божинова  Фізика 10кл. Академічний рівень, підручник  для загальноосвітніх навчальних закладів Харків, Видавництво, 2010р. §31 - §32

 [2]  Л.С.Жданов, Г.Д.Жданов. Физика для средних специальных учебных заведений, М.,  1997г.

[3]  С.І. Гончаренко.  Фізика 10кл., навчальний посібник для шкіл ІІІ ст. К., Освіта, 1998 р.

 [4]  Р.А.Гладков. Сборник задач и вопросов по физике для средних специальных учебных заведений, М.,  1988 г.

 [5]  Г.И.Рябовалов. Сборник дидактических заданий по физике, М.,  1985 г.

 [6] Л.Д.Ландау.  Физика для всех, М.,  1988 г.

 [7] Г.С.Лансберг. Элементарный учебник физики, М.,  1995 г.


Теги: Чикіна А.В., реактивний рух, імпульс
Навчальний предмет: Фізика
Переглядів/завантажень: 5802/318


Схожі навчальні матеріали:
Всього коментарів: 0
avatar