Методична розробка теоретичного заняття на тему: «Закон збереження імпульсу.

Комунальний заклад  «Нікопольський фаховий медичний коледж» ДОР»

Методична розробка

теоретичного заняття

з предмету «Фізика і астрономія»

Тема: «Закон збереження імпульсу. Реактивний двигун»

Спеціальність 223 «Медсестринство»

Спеціалізація «Сестринська справа»

Курс І Семестр І

Кількість навчальних годин: 2

Викладач: Володимир АЛЕКСЕЕНКО

Методична розробка теоретичного заняття  

Предмет  «Фізика і астрономія»

Спеціальність 223 «Медсестринство»

Спеціалізація «Сестринська  справа»

Тема: «Закон збереження імпульсу. Реактивний двигун».

Курс   І  Семестр  І

Кількість навчальних годин: 2

1. Актуальність теми   Закони збереження енергії, імпульсу та моменту імпульсу відносяться до числа тих найбільш фундаментальних принципів фізики, значення яких важко переоцінити. До цих пір не було виявлено жодного явища, де б порушувались ці закони. Вони безпомилково діють і в області елементарних частинок, і в області космічних об’єктів, у фізиці атома і фізиці твердого тіла та являються одними з тих небагатьох загальних законів, які лежать в основі сучасної фізики. Важливим випадком практичного застосування закону збереження імпульсу є реактивний рух. Принцип реактивного руху лежить в основі роботи реактивних двигунів.               Реактивні двигуни, в першу чергу, потрібні не тільки для освоєння космічного простору, як ми зараз бачимо, а і використовуються у військовій техніці, яка працює на захист України наразі.

2. Результати навчання:

 Предметні компетентності:

 Природничо-наукова компетентність – опанування здібністю спостерігати і розуміти навколишній світ, орієнтуватись у ньому.

 Загальнокультурна компетентність – усвідомлення ролі науки фізики в житті людини, її вплив на навколишній світ, на промисловість та технології, усвідомлення наукової картини світу (поняття процесів, явищ, тіл, речовин).

 Навчально-пізнавальна компетентність – формування й опанування загальнонавчальних умінь та навичок: розв'язувати завдання, проводити дослідження, формувати короткий запис, користуватися формулами, проводити розрахунки, переводити фізичні величин в систему СІ, робити висновки й аналіз, опанувати вимірювальні вміння, уміти описувати явища й процеси.

 Інформаційно-комунікаційна компетентність – опанування уміннями самостійно відбирати, опрацьовувати і передавати необхідну інформацію фізичного характеру, працювати із комп’ютерними моделями фізичних об’єктів,  подавати отриману інформацію в різних видах – табличному, графічному, знаковому.

 Комунікативна компетентність – покращення володіння, умінь працювати в парі, групі, опанування різних ролей в залежності від місця в колективі.             

 Соціально-трудова компетентність – формування соціальної активності та функціональної грамотності: уміння брати на себе різні ролі в групі і колективі.

 Самоосвітня компетентність – опанування базового та поглибленого рівня навчання з фізики для розуміння навколишнього світу.

Знати:

• поняття імпульс тіла, імпульс сили;
• закон збереження імпульсу;
• закон збереження механічної енергії.

Вміти:

• розв’язувати задачі з застосуванням понять імпульсу;
• записувати та розв’язувати  рівняння закону збереження імпульсу та енергії, переводити фізичні величини в систему СІ.

Загальні компетентності:

• здатність застосування  отриманих знань  з даної теми  в майбутній  медичній практиці;
• здатність працювати автономно;
• здатність до пошуку, оброблення та аналізу інформації з різних джерел;
• здатність бути критичним та самокритичним;
• навички міжособистісної взаємодії;
• уміння працювати індивідуально та в команді;
• уміння підтримувати бесіду, давати відповіді на питання.

Методи і прийоми навчання: мозковий штурм, вирішення проблем, мікрофон, дискусія.

Методи контролю: попередній, поточний, періодичний.

3. План та організаційна структура заняття

4. Матеріали методичного забезпечення заняття

І. Підготовчий етап (10 хв.). Актуальність теми, мета та завдання.

Фронтальне опитування: 

1.     Яку фізичну величину називають силою?
2.     Яку фізичну величину називають масою?
3.     Сформулюйте другий закон Ньютона.
4.     Сформулюйте третій закон Ньютона.
5.     Які одиниці вимірювання імпульсу?
6.     Що таке імпульс тіла?
7.     Що ми знаємо про замкнуту систему?
8.     Сформулюйте закон збереження імпульсу

ІІ. Основний етап (65 хв.). Вивчення нового матеріалу.

План

1. Закон збереження імпульсу.
2. Реактивний рух у природі та техніці.
3. Реактивний  двигун. Принцип дії ракети. Космічні польоти та реактивний рух.

1. Закон збереження імпульсу.

 При вивченні взаємодії між тілами дією деяких сил можна знехтувати, оскільки вона не є суттєвою. В такому випадку таку систему тіл називають замкнутою, оскільки не враховують вплив інших тіл на дану систему. Наприклад: щеплення вагонів.

 В цьому випадку можна знехтувати впливом на вагони сили тяжіння та сили реакції опори, суттєвими є лише маси вагонів та їх швидкості, тому систему таких вагонів можна назвати замкнутими.

 Група об’єднаних за певною спільною ознакою тіл, які не діють на інші тіла або дія яких несуттєва за даних умов, називається замкнутою (ізольованою) системою.

 Поняття замкнутої системи – умовне і визначається завданнями, які ставляться перед дослідженням, умовами досліду,  рівнем розвитку експериментального чи теоретичного методу дослідження. Якщо система з певних міркувань вважається замкнутою, то з огляду на це вона не залишається поза природою, у ній без будь-яких змін діють усі фізичні закони, зокрема закони збереження.

  Закон збереження імпульсу - один із фундаментальних законів фізики,який стверджує, що у замкненій системі сумарний імпульс усіх тіл зберігається.

 Векторна сума імпульсів тіл, які входять у замкнену систему, залишається сталою:

 У замкненій системі тіл векторна сума імпульсів тіл до взаємодії дорівнює векторній сумі імпульсів тіл після взаємодії.

• При пружному ударі двох тіл, обидва тіла набувають нові швидкості.

• При непружном ударі тіла з`єднуються та після удару рухаються разом.

Запитання до учнів під час викладання нового матеріалу:

1. Як змінюється імпульс тіла, коли на нього діє сила?
2. Чи на однакову відстань можна кинути камінь уперед:

а) стоячи на землі;

б)  стоячи в ковзанах на льоду?

3. Чи може людина, яка стоїть на ідеально гладенькому горизонтальному крижаному майданчику, зрушити з місця, не спираючись гострими предметами на лід?

2. Реактивний рух у природі та техніці.

 Закон збереження імпульсу має широке практичне застосування. Цей закон дозволяє пояснити реактивний рух.

 Реактивний рух – це рух, що виникає, внаслідок відділення з певною швидкістю від тіла якоїсь його частини.

 Особливість цього руху полягає в тому, що прискорення чи гальмування тіла відбувається без будь-якої взаємодії з оточуючими тілами, тобто тіло набуває імпульсу в результаті того, що його маса постійно змінюється.

 Відповідно до закону збереження імпульсу загальний імпульс системи залишається незмінним і дорівнює нулю:

m_пv_п+ m_кv_{к =} 0 звідки v_к= - m_пv_п/ m_к

 Розглянемо основи реактивного руху на прикладі ракети.

У головній частині ракети (1) розташована кабіна космонавтів і прилади. На початку польоту маса цієї частини становить усього кілька відсотків від загальної маси ракети. Основна ж маса та об’єм ракети на початку польоту припадає на запас пального. У баках міститься пальне (2) та окиснювач (3), які через форсунки потрапляють у камеру згорання. За високої температури й великого тиску в камері згорання пальне перетворюється на газ (продукт згорання). Продукти згорання викидаються через сопла. Під час викидання продуктів згорання й утворюється реактивна тяга, що рухає транспортний засіб.

 Принцип реактивного руху широко використовується деякими живими організмами для переміщення в воді. Реактивний рух властивий восьминогам, кальмарам, каракатицям і медузам. Усі вони використовують для плавання реакцію (віддачу) струменя води, який викидається. У м'язах кальмара в результаті складних перетворень хімічна енергія переходить у механічну (в енергію руху).

 Багато хто з нас у своєму житті зустрічався під час купання в морі з медузами. У всякому разі, в Чорному морі їх багато. Але мало хто замислювався, що і медузи для пересування користуються реактивним рухом. Крім того, саме так пересуваються і личинки метеликів, і деякі види морського планктону. І найчастіше ККД морських безхребетних тварин при використанні реактивного руху набагато вище, ніж у техновиробів.

 Кальмар є найкрупнішим безхребетним мешканцем океанських глибин. Він пересувається за принципом реактивного руху, вбираючи в себе воду, а потім з величезною силою проштовхуючи її через особливий отвір – «воронку», і з великою швидкістю рухається поштовхами назад. При цьому всі десять щупалець кальмара збираються у вузол над головою і він набуває обтічної форми. Переміщуючись реактивним способом кальмари можуть розвивати швидкість до 70 км/год і вискакувати з води на висоту 5-8 метрів.

 Морський молюск – гребінець, різко стискаючи створки раковини, ривками може рухатися, причому відкритим краєм раковини вперед. Мантія морського гребішка має особливу оторочку, яка направляє струю води до спини, де по обидві сторони від хрящової зв’язки вода викидається.

 Реактивний рух особливо важливе практичне значення має під час надання руху реактивним літакам і ракетам. Ракетні двигуни чудові тим, що здатні працювати не лише в повітрі, але й у безпові­тряному просторі, оскільки кисень, необхідний для горіння палива, входить до його складу. Тому вони використовуються для польо­тів у верхніх, дуже розріджених шарах атмосфери, для виведення на орбіту штучних супутників Землі, руху космічних кораблів.

 Запитання до учнів під час викладу нового матеріалу:

1. Який закон пояснює реактивний рух?          
2. Від чого відштовхується ракета, розганяючись у космосі?
3. Від чого залежить швидкість ракети?

3. Реактивний  двигун. Космічні польоти та реактивний рух.

 Реактивний двигун — це двигун, що перетворює хімічну енер­гію палива на кінетичну енергію газового струменя, при цьому двигун дістає швидкість у зворотному напрямі.

 Історична довідка. Прообразом сучасних реактивних двигунів можна вважати «кулю Герона», або «еоліпіл». Цей пристрій був створений у І ст. давньогрецьким математиком і механіком Героном з Александрії. Пара, що виходить із закріплених на кулі зігнутих трубочок (сопел), змушує кулю обертатися.

 Ракета – літальний апарат, який переміщується в просторі завдяки реактивній тязі, що виникає внаслідок відкидання ракетою частини власної маси.

 Ракетний двигун — різновид реактивного двигуна, у якому робоче тіло міститься в об'єкті. Практичне застосування мають переважно ракетні двигуни, у яких тяга створюється внаслідок спалювання палива, кисень для цього використовується з окиснювача. Ракетні двигуни приводять у дію ракети-носії космічних кораблів та ракетних снарядів. Даний тип двигунів використовує принцип протидії газам. Гази утворюються шляхом спалювання палива, яке може бути твердим або рідким.

 Із сопла ракети з величезною швидкістю вилітають продукти згоряння палива (розпечені гази) і, відповідно до закону збережен­ня імпульсу, ракета отримує найсильніший «поштовх» у проти­лежному напрямі:

 Які висновки можна зробити з формули?

• чим більша маса газу що вилітає тим більша і швидкість оболонки;
• чим більша швидкість газу що вилітає тим більша і швидкість оболонки;
• чим менша маса оболонки тим більша її швидкість.

 В реальних ракетах газ витікає з певною швидкістю – тому ракети рухаються з значно меншими швидкостями. Реальна швидкість ракети буде значно меншою, оскільки поблизу Землі спостерігається опір повітря, і паливо повністю згоряє не відразу, а поступово. При цьому маса ракети також зменшується поступово. Закони руху тіл змінної маси набагато складніші. Вони були досліджені вченими І. В. Мещерським і                                 К. Е. Ціолковським. 

Одні з перших рідинних реактивних двигунів були розроблені під керівництвом українського й радянського вченого, академіка В. П. Глушка. Реактивні двигуни його конструкції  забезпечували надійну роботу перших космічних апаратів.

12 квітня 1961 р. ракета-носій «Восток» вивела на орбіту космічний корабель «Восток», на борту якого був перший у світі космонавт Ю. О. Гагарін. Цей політ був здійснений за ініціативою та під керівництвом видатного конструктора С. П. Корольова (1907–1966), уродженця                      м. Житомира.

В 1962 році в космос відправився Павло Романович Попович – перший радянський космонавт з України, 4 в СРСР, 6 в світі.

В 1997 році в космос полетів перший  космонавт незалежної України Леонід Каденюк - 19 листопада 1997 року на борту американського корабля багаторазового використання «Колумбія», здійснив космічний політ як експериментатор, що тривав 15 діб 16 годин 35 хвилин 1секунду.

 Після російського вторгнення в Україну 2022 року, Україна запровадила ракетну програму. Ракетна програма України - комплекс відновлювальних дій щодо ракетного потенціалу України, яка активно впроваджується й розроблюється після початку військової агресії Росії. Є стратегічним чинником до військової безпеки України після втрати ядерного статусу України. Україна має все необхідне для виробництва ракет - у тому числі розробку корпусу, бойової частини, пускової установки і системи управління, тверде ракетне паливо. Потенціал виробництва у тому, що Україна виробляє сама всі складові бойових ракет, що у свою включає повний цикл виробництва.(див. Додаток 2).

Запитання до учнів під час викладання нового матеріалу:

1. Чому ракета може рухатись у вакуумі?
2. Чи є реактивним рух гвинтового літака?
3. Чому для запуску космічних кораблів з поверхні Землі вико­ристовують багатоступеневі ракети?

Узагальнення та систематизація знань:

 Розв’язок задач:

1. Від двоступінчатої ракети загальною масою 1,00 m у момент досягнення швидкості 171 м/сек відокремився її другий ступінь масою 0,40 m, швидкість якого при цьому збільшилась до 185 м/сек. Зайти, з якою швидкістю почав рухатися перший ступінь ракети. Швидкості зазначені відносно спостерігача, який перебуває на Землі.
2. Із залізничної платформи, що рухається з швидкістю 9 км/год, вистрілили з гармати. Загальна маса  платформи з гарматою 20 m, маса снаряда 25 кг, його початкова швидкість 700 м/сек. Яка буде швидкість платформи у момент пострілу, якщо напрям пострілу збігається з напрямом руху платформи? Протилежний напрям руху платформи?

ІІІ. Заключний етап (5хв.).

Виставлення оцінок.

Критерії оцінювання  (Додаток 1).

Домашнє завдання:

1. Опрацювати матеріал підручника: Коршак Е.В. Фізика 10 кл., §28-30.
2. Розв’язати задачі:

а) Модель ракети має масу 200 гр. Маса пороху в ній дорівнює 50 гр. Розрахувати швидкість ракети, вважаючи, що гази миттєво вириваються з сопла ракети зі швидкістю 100 м/с. 

б) Снаряд вилітає з гармати  під кутом 0°  до горизонту з початковою швидкістю 800 м/с. Визначити початкову швидкість відкату у гармати, якщо маса снаряду дорівнює 10 кг., а маса гармати 500 кг.

Література:

Навчальна

Основна:

• Коршак Е.В., Ляшенко О.І., Савченко В.Ф. Фізика 10 клас.- Київ, «Генеза», 2011.- 191 с.
• Божинова Ф.Я., Каплун С.В., Кірюхіна О.О. Лабораторні работи 10 клас. –Харків: «Ранок», 2014 - 48с.

Додаткова:

• Гончаренко С.У. Фізика: Підруч. для 9 кл. серед. загальноосв. шк.- К.: Освіта, 2002. 
• Демкович В.П. Збірник задач з фізики для 10-11 класу. – К.,2004.
• Римкевич А.П., Римкевич П.А. Збірник задач 9-11кл.- Київ, 2011.- 176 с.
• Жданов Л.С., Жданов Г.Л. Фізика. Підручник для середніх спеціальних навчальних закладів. – К.: Высшая школа, 1983.
• https://uk.wikipedia.org/wiki/Ракетні_війська

 Методична

Основна:

• О.В. Антикуз. Усі уроки фізики 10 клас – Харків: «Основа», 2018. - 224с.

Додаткова:

• Журнал «Фізика в школах України». - Харків: «Основа».

Додаток 1

Критерії оцінювання навчальних досягнень студентів

1. Види оцінювання.

Основними видами оцінювання є: поточне; тематичне; підсумкове за семестр, перший і другий рік навчання та навчально-польові заняття (збори).

Поточне оцінювання здійснюється на всіх етапах навчальної діяльності у формах: опитування студентів на предмет засвоєння навчального матеріалу; тестового контролю; виконання студентами   письмових робіт; створення навчальних комп'ютерних (та іншого виду) моделей, навчальних макетів. Необхідність поточного оцінювання визначає викладач.

Тематичне оцінювання є обов'язковим для кожного розділу, оскільки основною структурною одиницею предмета є тема. Оцінка за тему виставляється шляхом узагальнення поточних оцінок за тему з урахуванням оцінок за виконання нормативних прийомів і вправ, письмових робіт, за створені навчальні моделі (макети).

Додаток 2

Проєкти та розробка ракетних систем України