НАУЧНО_ - ПРАКТИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ

ТЕМА ИССЛЕДОВАНИЯ:

«РЕАКТИВНОЕ ДВИЖЕНИЕ»

АВТОР ПРОЕКТА:

САВЧЕНКО АНДРЕЙ ГЕННАДЬЕВИЧ,

УЧЕНИК 9 КЛАССА, МОУ ВАЛУЕВСКАЯ СОШ РЕМОНТНЕНСКОГО РАЙОНА,

РОСТОВСКОЙ ОБЛАСТИ.

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

ХАРЬКОВСКАЯ ГАЛИНА ПЕТРОВНА, УЧИТЕЛЬ ФИЗИКИ МОУ ВАЛУЕВСКАЯ СОШ.

2008/ 2009 учебный год

ВВЕДЕНИЕ.

ПРОБЛЕМА:

Выяснить, что является основой движения тел типа ракеты (т.е. основой космической механики-движения искусственных спутников Земли, космических кораблей и межпланетных станций)?

ЦЕЛИ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЫ:

Исследовать, что общего между законом сохранения количества движения и современной техникой?

ЗАДАЧИ:

Изучить историю развития реактивного движения. Смоделировать необходимую установку, для наглядного представления. Это позволит:

облегчить изучение темы учащимися,

развить интеллектуальное творчество учащихся,

воспитать патриотические качества у учащихся на примере русских ученых-первооткрывателей космонавтики

ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ: Реактивное движение.

Применение его в технике и природе.

ОГЛАВЛЕНИЕ:

I. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ:

1а. история реактивного движения.

1б. Джордано Бруно. Его роль в создании системы мира.

1в. Проект Кибальчиша.

2. Модель современной ракеты.

3. Виртуальные опыты.

Опыт №1 Тележка и пробирка.

Опыт №2 Движение тела переменной массы.

Опыт №3 Движение тела постоянной массы.

4. Роль современной космонавтики.

5. Законная гордость.

I I. ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА.

В свободную минуту.

Работа №1: Реактивная лодка.

Работа №2. Эфирная вертушка.

Работа №3. Изготовление ракеты.

I I I . ПРИЛОЖЕНИЯ.

I V. ЛИТЕРАТУРА.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ:

Закон сохранения количества движения, или, как его ещё называют, закон сохранения импульса, является одной из теоретических основ движения тел типа ракеты, а значит и одной из физических основ космической механики - движения искусственных спутников Земли (ИСЗ), космических кораблей и автоматических межпланетных станций (АМС).

1а. История реактивного движения.

Обращая свой взор в небо, предполагая о существовании далёких миров, человек создавал в своём воображении фантастические картины межпланетных и межзвёздных путешествий.

Мысли о проникновении человека в космическое пространство совсем недавно считались нереальными, а сточки зрения священнослужителей - вздорными, еретическими. И всё же полёт в космос стал реальностью потому, что ему предшествовал и, по-видимому, сопровождал его полёт фантазии. Когда человек фантазировал, придумывал ковры- самолёты, он тем самым в мыслях воссоздавал желаемое. Не будучи вооруженным необходимыми знаниями, не видя реальных путей для осуществления своей мечты, человек часто обращался к сверхъестественным силам, которые могли обеспечить межзвёздные путешествия.

1б.Дж. Бруно -… Но уже мысли о том, что ни Земля, ни Солнце не являются центром Вселенной, что у Вселенной вообще нет центра, так как число миров в ней бесконечно, что другие миры также обитаемы, как и Земля, никак фантастическими назвать нельзя. Здесь человек не обращался к сверхъестественным силам, а опирался исключительно на силу разума. И в знак того, что Джордано Бруно (а именно о нём идёт речь) принял смерть за истину, через триста лет после его смерти на пьедестале памятника были высечены слова: «Джордано Бруно - от века, который он предвидел». Джордано Бруно был сожжён инквизиторами заживо. У его ног в костре пылали написанные им книги. Джордано Бруно не строил проектов проникновения в космос, он только думал о нём.

1в. Проект Кибальчиша. А вот Николай Иванович Кибальчич, сидя в тюрьме по политическим мотивам за причастность к убийству царя Александра, незадолго до казни закончил проект проникновения человека во Вселенную. «Находясь в заключении, за несколько дней до своей смерти я пишу этот проект. Я верю в осуществимость моей идеи. И эта вера поддерживает меня в моём ужасном положении. Если же моя идея после тщательного обсуждения учеными - специалистами будет признана исполнимой, то я буду, счастлив тем, что окажу громадную услугу Родине и человечеству. Я спокойно встречу тогда смерть, зная, что моя идея не погибнет вместе со мной, а будет существовать среди человечества, для которого я готов был пожертвовать своей жизнью. Поэтому я умоляю тех учёных, которые будут рассматривать мой проект, отнестись к нему как можно серьёзнее и добросовестнее и дать мне на него ответ как можно скорее…» Кибальчич ждал решения. Он не мог знать, что конверт…распечатают только через 37 лет, что только в 1916 г. узнают о нем ученые. Николай Иванович Кибальчич дал описание, чертежи и расчёты своего проекта, а это уже на грани мечты и реальности.

Кибальчич писал: «На платформе, где должны располагаться воздухоплаватели, на прочных опорах крепится большой цилиндр с сужающимся отверстием в нижней части. В цилиндре должна быть установлена спрессованная пороховая свеча. От её сгорания газы, накапливаемые в цилиндре, с силой будут вырываться в нижнее отверстие и, оказывая давление на верхнее дно цилиндра, будут поднимать всю установку вместе с воздухоплавателями» (См. приложение №1).

2а. Модель современной ракеты. Демонстрацию реактивного движения можно осуществить в комнате. Если надуть детский шарик и, не завязывая его, отпустить, не сообщая ему начальной скорости, то он сам приходит в движение по мере вытекания из него воздуха.

Современная ракета, выводящая на орбиту искусственный спутник Земли, не отличается от воздушного шарика по принципу действия. Вот только

ее масса составляет несколько тонн;

газы выбрасываются под давлением, которое реализуется в результате сгорания топлива (жидкий кислород + керосин);

оболочка из высокопрочных жаростойких материалов;

скорость истечения газов и их масса позволяет сообщать ракете большие скорости.

Согласно закону сохранения количества движения,

чем больше скорость истечения газов и

чем больше их масса (секундный расход), тем больше скорость поступательного движения ракеты зависит от скорости истечения газов (продуктов сгорания), а значит, и от секундного расхода массы, легко понять.(См. приложение №2)

3. Проведем следующие опыты:

3а. Виртуальные опыты.

ОПЫТ №1.Тележна и пробирка. При движении тела переменной массы.

На горизонтальной поверхности расположим тележку. На нее поместим в горизонтальном положении пробирку, закрытую пробкой. До тех пор пока пробирка закрыта пробкой, тележка неподвижна. По мере подогревания давление пара в пробирке увеличивается. Сила давления на пробирку и на стенки пробирки возрастает. После того как пробка вылетит «мгновенно», мы имеем такую ситуацию. (См. приложение №5).

Воспользуемся физическими формулами:

P=F/S - давление производимое на газ,

F=P*S- сила действующая на пробку со стороны газа,

S=П*D²/4-площадь поршня,

F=P*П*D²/4-расчетная формула силы, действующей на поршень и

приводящую установку в движение.

Ясно, что чем больше давление пара, тем больше

сила F;

ускорение тележки;

ее скорость.

Но ведь от давления пара зависит и скорость его истечения.

Мы еще раз убедились, что чем больше скорость истечения пара (газа), тем больше скорость движения реактивного устройства (См. приложение №3).

ОПЫТ №2.При движении тела постоянной массы без воздействия внешних сил их скорость не изменяется. В этом можно убедиться, выполнив соответствующие эксперименты или на основании анализа закона движения.

В самом деле,

F=ma=m (v_2-v₁)/t

Ft=m (v₂-v₁).

Но если F=0, то_{_}m(v₂-v₁)=0, т. е. v₂=v_1.

ОПЫТ №3.При движении тел переменной массы - скорость тела изменяется.

Количество движения тела по-прежнему сохраняется, а скорость возрастает при условии уменьшения массы из-за выброса продуктов сгорания. Если обозначить:

массу ракеты M₀ в начальный момент времени,

ее скорость в этот же момент через v₀ ,

m-масса ракеты в некоторый момент времени,

v- скорость ракеты в этот момент времени - будет зависеть от секундного расхода топлива: M₀v₀= m v,

v=M₀/m* v₀, т. к. m- (По мере сгорания топлива и истечения продуктов сгорания) убывает, поэтому v- возрастает(См. приложение №6).

4. Роль современной космонавтики. История реактивной техники и космонавтики неизменно связана с именами наших великих соотечественников К. Э. Циолковского и С. П. Королёва.

Практической космонавтике более 35 лет. Время меняет темп жизни, каждая эпоха характеризуется определёнными научными открытиями и их практическим использованием.

Современное состояние космонавтики, когда на орбитальных станциях в длительных космических полётах работают космонавты, когда по маршруту Земля - орбитальная станция курсируют пилотируемые и автоматические пассажирские и грузовые транспортные корабли, содержание работ, которые выполняют космонавты, позволяет говорить об исключительном народно-хозяйственном и научном значении практического освоения космоса.

Объективный и тщательный контроль за состоянием земной атмосферы возможен только из космоса. Искусственные спутники связи, космическая метеослужба, космическая геологоразведка и многое другое уже сейчас решают важные государственные вопросы и задачи.

Заметим, что из космоса впервые получены сведения о величине нефтяных пятен в океане, о том, как редеют джунгли в Амазонии, о загрязнении озера Байкал, об интенсивном наступлении пустынь на леса и степи.

А ведь ещё в 30-е годы Сергей Павлович Королёв писал: «На днях в одном журнале мне прямо сказали: «Мы избегаем печатать материал по ракетному делу, так как всё это лунные фантазии.… И мне большого труда стоило убедить, что это не так, что ракеты - это оборона и наука». В то же время были и ученые, считавшие идеи К. Э. Циолковского бредовыми, а полёт в космос - абсурдом. Страстно увлечённый своим делом, которое он всю жизнь считал делом государственным, С. П. Королёв убеждал не только и не столько словами, сколько практическими делами. В то время двигатель ОР-1 (опытный ракетный первый) Фридриха Артуровича Цандера развивал силу тяги 1,42 H. Это было начало истории победоносного шествия реактивных двигателей на летательных аппаратах. Уже в 1933 г. в присутствии всех специалистов группы исследования реактивных двигателей на жидком топливе сила тяги составила сначала 274,5 H, затем 372 Н, а через месяц при давлении в камере сгорания 13 атм. сила тяги составила 520 н.

А вот технические данные трехступенчатой ракеты-носителя космического корабля «Восток»:

- суммарная мощность двигателя установок 15 *10⁶ кВт;

- тяга одного двигателя 1 000 000 Н

- число двигателей 6;

- давление в камерах сгорания 5 - 6 МПа.

5. Законная гордость. Космический корабль «Восток» был выведен на орбиту ИСЗ 12 апреля 1961 г. с первым космонавтом мира Юрием Гагариным на борту.

Мы уже упоминали имя Николая Ивановича Кибальчича, уроженца Черниговской губернии, сына священника, не захотевшего продолжать дело своего отца, учившегося сначала в Петербургском институте путей сообщения, а затем в Медико-хирургической академии. Но ни инженером, ни врачом Н. И. Кибальчич не стал, он стал революционером. Вскоре после его казни молодой человек, всего на четыре года моложе Н. И. Кибальчича, принял от него эстафету покорения воздушного океана и космического пространства.

Константин Эдуардович Циолковский не был знаком с Н.И Кибальчичем, однако их можно считать родными братьями хотя бы потому, что оба они были верными сынами России, и потому, что оба были одержимы и проникнуты идеей освоения космического пространства. Великий труженик русской науки и техники К. Э. Циолковский является основоположником ракето - динамики. Он первый начал разрабатывать проекты летательных аппаратов для исследования мировых пространств.

Неоценимый по значимости вклад в развитие космонавтики в нашей стране внёс академик Мстислав Всеволодович Келдыш.

«Выдающийся учёный современности», «Учёный космической эры» - так были озаглавлены статьи в газетах о М. В. Келдыше. Вступление человечества в эру освоения космоса поставило перед учёными новые задачи, требовавшие немедленной разработки, мобилизации всего накопленного наукой опыта. Без теоретического фундамента, заложенного в предыдущие годы, не был бы возможен генеральный прорыв в космос, впервые осуществлённый нашей страной 4 октября 1957 г.

Титаническая мечта требовала гигантских усилий для своего воплощения. В развитие советской космической науки и техники М. В. Келдыш внёс выдающийся вклад. Он возглавил решающий участок работ в изучении и освоению космоса.

Восемнадцатый Международный конгресс по астронавтике утвердил день 4 октября 1957 г. началом космической эры. Первый спутник «говорил по-русски». «Нью-Йорк таймс» писала: «Этот конкретный символ будущего освобождения человека из-под власти сил, приковывающих его к Земле, создан и запущен советскими учёными и техническими специалистами. Все на Земле должны быть благодарны им. Это подвиг, которым может гордиться всё человечество».

В то время не называли имя дважды Героя Социалистического Труда, академика, Главного конструктора космических кораблей Сергея Павловича Королёва. Сегодня о нём знает каждый.

М. В. Келдыш, умевший по достоинству оценивать людей, сказал о нём: «С именем С. П. Королёва навсегда будет связано одно из величайших завоеваний науки и техники всех времён - открытие эры освоения человечеством космического пространства». Сам же выдающийся учёный и гениальный конструктор С. П. Королёв, размышляя о первых космических стартах, писал: «С чего началось это большое и сложное дело? Некоторые, отвечая на этот вопрос, вспоминают о вековой мечте человека взлететь над землёй, покорить воздушный океан, разгадать тайны далёких звёзд. Другие связывают эти мечты с изумительными по своей гениальности работами К. Э. Циолковского, в которых фантастика сочеталась с научными обоснованиями. Третьи исходят из практических работ наших учёных и техников, создавших первые летательные аппараты, первые ракетные двигатели и т. д. Не будем спорить, кто из них стоял к истине. На наш взгляд, всё это звенья единого цепи, единого замысла о покорении космоса, воплощенного в жизнь всем советским народом.

Создание огромных, весом в десятки тонн, межпланетных кораблей с экипажем, состоящим из нескольких человек, позволит осуществить длительные (около двух-трех лет) космические полёты. А далее... Впрочем, сейчас трудно предаваться мечтам, ибо бывает и так, что жизнь опережает мечту. Ясно лишь одно: космонавтика имеет безграничное будущее. Её перспективы беспредельны, как сама Вселенная».

12 апреля 1961 г. впервые советский человек Юрий Алексеевич Гагарин на космическом корабле «Восток» массой 4730 кг совершил космический рейс.

Потом были другие «Востоки».

А 12 октября 1964г. началась эпоха «Восходов», которые по сравнению с «Востоками» имели новые кабины, позволяющие космонавтам впервые осуществлять полеты без скафандров, новое приборное оборудование, улучшенные условия обзора, улучшенные системы мягкой посадки: скорость приземления практически доводилась до нуля.

В марте 1965 г. впервые человек вышел в открытый космос. Алексей Леонов летел в космосе рядом с космическим кораблём «Восход-2» со скоростью 28 000 км/ч.

II. Исследовательская работа.

Я хочу поделиться теми исследованиями, которые проводились мною и ребятами из объединения «Смотри в корень» по теме «Реактивное движение. Импульс ». В конце 2007-2008 учебного года, в нашей школе проводилось мероприятие нашим объединением, на которое были приглашены учащиеся младших классов. На нем мы показывали опыты, рассказывали принцип действия и объясняли, почему возможен данный опыт. Как выяснилось позже, многое из увиденного младшие ребята повторяли дома. Они увлеклись тем, что мы им показали.

1. В свободную минуту.

Исследование №1:

Реактивная лодка.

Я сконструировал лодку, которая может перемещаться по воде без помощи человека. Что она собой представляет? Лодка изготавливается из плотной бумаги. На ней укреплено (с помощью металлической проволоки) гусиное яйцо. Предварительно его необходимо освободить от содержимого, используя шприц. Яйцо частично наполняю водой. С одной стороны яйцо имеет отверстие. В него введена трубка (часть авторучки), которая опускается в «реку». Под яйцом помещается свечка (с металлическим основанием - устойчивее!). Итак, поджигаю свечку, закипает вода в яйце, пар выходит через трубку в воду-«реку» и лодка начинает перемещаться!

Этот опыт был подхвачен малышами. Особенно, когда на улице после весеннего дождика так много огромных луж!!!(См. приложение №4).

Исследование №2:

Эфирная вертушка.

Налили в пробирку 8-10 см³ эфира (в нижнюю часть ее насыпали немного дроби для утяжеления). Пробирку закрыли пробкой, через которую пропущены две загнутые стеклянные трубки (или изогнутые использованные стержни для ручек), и опустили в теплую воду, налитую в стакан. Температура воды должна быть около 50⁰C. В воде эфирная вертушка плавает, как поплавок. Эфир нагревается и закипает. Пары эфира, выходящие из трубок, можно поджечь (в присутствии учителя). Пробирка вращается вместе с пламенем. Опыт очень наглядно демонстрирует реактивное движение.

Что я (и не только я!) узнал, проведя такое исследование?

Во-первых,

я впервые выяснил для себя: что такое эфир;

какой он имеет запах;

какая его температура кипения (меньше 50 ⁰C!!!);

быстро испаряется (потому, так сильно и пахнет!);

его пары, при выходе из трубки, можно увидеть (даже не поджигая их!)

Во- вторых,

я почувствовал себя исследователем

получил удовлетворение от проведения эксперимента и полученного результата)

Исследование №3:

Пластиковая бутылка - изготовление ракеты.

В наше время остается не воспользованной использованная пластиковая бутылка. Это дешевое сырье, которое можно использовать. Тем более что во всем мире финансовый кризис. И стоит задуматься, как помочь себе и своей школе в этот момент. Мы используем на уроке физики пластиковую бутылку, как материал для изготовления приборов. Я покажу на примере данной темы, какое можно найти ей применение.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ:

При проведении эксперимента я еще раз убедился в том, что физика действительно является лидером современного естествознания и фундаментом научно-технического прогресса и оснований для этого достаточно. Физика в большей мере, чем любая из естественных наук, расширила границы человеческого познания. Предложенный, в данной работе, физический эксперимент вполне доступен для демонстрации на уроке физики. Используя наглядность, тема будет понята каждым учеником. Это позволит осознанно решать вычислительные задачи.

ЛИТЕРАТУРА:

А. С. Иванов А. Т. Проказа «Мир механики и техники», Москва, «Просвещение», 1993.

Л. А. Горев «Занимательные опыты по физике», Москва, «Просвещение», Москва, 1977.

Ю. А. Храмов «Физики» Биографический справочник, Москва, «Наука»,1983.

Эрик Роджерс «Физика для любознательных», том 2, Москва, «Мир», 1970.

ПРИЛОЖЕНИЯ:

Приложение №1

Приложение №2

П риложение №3

Приложение №4

Приложение №5

Приложение №6

ОТЗЫВ НАУЧНОГО РУКОВОДИТЕЛЯ:

Работа имеет практический и теоретический интерес. Показано, как можно излагать тему «Реактивное движение» взглядом ученика. Увидели что, все гениальное - просто. При изучении в темы «температура кипения жидкости» можно также использовать эксперимент, предложенный в опыте с эфирной вертушкой. Работа выполнена подробно, с учетом всех необходимых элементов исследования. В работе делаются ссылки на результаты, полученные при исследованиях учеными.

РЕЦЕНЗИЯ:

Характеристика работы:

Работа представляет собой реферативно-экспериментальная. В Основе работы лежит изучение научно- популярной литературы, наблюдение, анализ, синтез, проведение эксперимента, разработка проекта, моделирование. Исследование нацелено на обработку самостоятельно полученного результата, полученного в связи с моделированием экспериментального исследования.

Достоинства работы:

Выбранная тема соответствует возрасту учащегося. Он осознанно идет к проведению эксперимента. Материал доступно изложен. Содержание эксперимента понятно, интересно и познавательно для сверстников. Воспитывает патриотические качества личности учащегося. Вовлекает обучающихся детей в учебно-исследовательскую деятельность.

Недостатки работы:

Четко обосновывать выбор исследовательских методов. Больше приводить примеров из жизненных ситуаций по теме. Как в художественной литературе обозначена данная проблема?

Рекомендации:

Работа интересная. Ее можно использовать на уроках физики, как познавательную, расширяющую границы учебника. Продолжить в дальнейшем разрабатывать физический эксперимент в «домашних условиях» т. к. он позволяет лучше понять, те непростые законы, которые мы предлагаем ученику сегодня. Не всегда в школе можно смоделировать любой эксперимент. Внеклассная деятельность учащегося побуждает к полной самоотдаче и самореализации, поэтому необходимо продолжить участие во внеклассной работе. Это способствует облегчению учебного познавательного процесса за счет внесения элементов творчества в обязательный труд. При устранении этих недостатков можно будет говорить о гармонизации развития личности в системе преемственной деятельности учителя и ученика.

21