Урок физики в 10 классе Искусственные спутники Земли. Космические скорости

Конспект урока физики в 10 классе по теме:

"Искусственные спутники Земли. Космические скорости"

Задачи урока:

- Рассмотреть траекторию движения тел в гравитационном поле.

- Ввести понятие искусственного спутника Земли.

- Вычислить первую и вторую космические скорости.

Тип урока: урок усвоения новых знаний

Ход урока:

1. Организационный момент.

2. Изучение нового материала.

Из курса физики 9-го класса вам известно, что под действием силы гравитационного притяжения происходит движение Земли вокруг Солнца, движение спутников планет.

Как вы думаете, что необходимо сделать, чтобы тело стало искусственным спутником Земли? Какую скорость необходимо для этого развить телу? Прежде чем ответить на этот вопрос, давайте посмотрим небольшой кинофрагмент. (Демонстрируется фрагмент из кинофильма "Морозко", в котором главный герой подбрасывает дубинки разбойников, которые возвращаются спустя полгода).

А теперь, ребята, рассчитаем, возможно ли это. Если бросить тело с некоторой высоты, сообщив телу скорость V₀ в горизонтальном направлении, то тело упадет, двигаясь по траектории, вид которой парабола. Это в том случае, если поверхность Земли плоская, что допустимо при небольших скоростях тела и сравнительно небольших расстояниях. В действительности же Земля - шар, и с продвижением тела по его траектории поверхности Земли несколько удаляется от него. Можно подобрать такое значение скорости тела V_{0 ,} при котором поверхность Земли (из-за её кривизны) будет удаляться от тела как раз на столько, на сколько тело приблизится к Земле, благодаря притяжению к ней. В этом случае тело будет двигаться на постоянном расстоянии h от поверхности Земли, т.е по окружности радиуса (R₃+h).

Вычислим, какой скоростью должен обладать искусственный спутник Земли, чтобы он двигался по круговой орбите на высоте h над поверхностью Земли. На больших высотах воздух сильно разряжен и оказывает незначительное сопротивление движущимся телам. Будем считать, что на спутник действует только гравитационная сила, направленная к центру Земли.

М - масса Земли

m - масса спутника

R - радиус Земли

h - высота спутника над поверхностью Земли.

Эта сила сообщает спутнику центростремительное ускорение :

Но по второму закону Ньютона : Отсюда:

Или:

То есть, имеем выражение для скорости:

Из формулы видно, что: а) скорость спутника зависит от его высоты над поверхностью Земли; б) скорость не зависит от массы спутника.

Спутником может стать любое тело, если ему сообщить на данной высоте необходимую скорость, направленную перпендикулярно радиусу Земли.

Скорость, которую необходимо сообщить телу, чтобы оно стало спутником планеты называется первой космической скоростью.

Выводы:

1. Скорость спутника зависит от его высоты над поверхностью Земли

2. Скорость не зависит от массы спутника

Если принять h = 0, то вблизи поверхности Земли:

И тогда:

Первая космическая скорость равна = 7,9 км/с.

Если скорость тела будет выше первой космической, то сила гравитации Земли удержит её, но спутник будет двигаться по эллиптической орбите. При дальнейшем увеличении скорости запуска, тело все дальше удаляется от Земли, при этом эллиптическая орбита существенно вытягивается.

Наконец найдется такая скорость, начиная с которой тело способно вырваться в космическое пространство, преодолев притяжение Земли, т.е оно удалится от Земли на бесконечное большое расстояние. (Траектория параболическая.)

Если космическому телу нужно преодолеть силы притяжения Солнца, то ему необходимо двигаться со скоростью свыше 16,6 км/с. Траектория движения такого тела будет гипербола.

3. Решение задач.

1. На какой высоте от поверхности Земли сила тяжести, действующая на тело, уменьшится в 4 раза?

2. Какую скорость должен иметь искусственный спутник, чтобы обращаться по круговой орбите на высоте 400 км над поверхностью Земли?

3. Определить массу земного шара, зная её радиус и ускорение свободного падения.

4. Определить чему равно ускорение свободного падения на высоте равной половине радиуса Земли.

4. Подведение итогов урока.

1. Какую скорость называют первой космической?

2. Что вы можете сказать о траектории движения этого тела?

3. Как вычислить вторую космическую скорость?

4. От каких величин зависит ускорение свободного падения?

5. Домашнее задание.

Параграф 34-35, подготовить рефераты и сообщения по темам: " Константин Циолковский - отец русской космонавтики", " Цандер - изобретатель реактивных двигателей", " Непризнанный гений - Ю. Кондратюк", "Перспективы развития космонавтики".