Импульс материальной точки. Закон сохранения импульса - ВВЕДЕНИЕ. ФИЗИКА В ПОЗНАНИИ ВЕЩЕСТВА, ПОЛЯ, ПРОСТРАНСТВА И ВРЕМЕНИ

Цель: дать понятие импульса тела: изучить закон сохранения импульса, показать его практическое применение.

Ход урока

I. Анализ контрольной работы

II. Изучение нового материала

Второй закон Ньютона mа = F

Импульс - векторная величина.

Можно записать II закон Ньютона Δр = Ft

Понятие импульса было введено в физику французским ученым Рене Декартом (1596-1650).

Эксперимент 1

Две тележки, которые двигаются друг на друга. Пусть их скорости V₀₁ и V₀₂, а массы m₁ и m₂. Пренебрегая внешними силами (силой трения, тяжести и т. д.) данную систему тел считать замкнутой.

По III закону Ньютона

Получаем закон сохранения импульса

Суммарный импульс замкнутой системы тел остается постоянным при любых взаимодействиях тел системы между собой.

Все реальные системы не являются замкнутыми. Закон сохранения импульса выполняется для любых систем - будь то космические тела, атомы или элементарные частицы.

Большое значение имеет закон сохранения импульса для исследования реактивного движения.

Эксперимент 2

Надуйте детский резиновый шарик и отпустите. Шарик стремительно взовьется вверх.

Эксперимент 3

Пробейте банку гвоздем, а напротив отверстия сделайте еще одно, дырки должны быть косые. Налейте воду. Банка придет в движение.

Это примеры реактивного движения.

Реактивное движение - движение, возникающее при отделении от тела с некоторой скоростью какой-либо его части.

Важным примером реактивного движения является движение ракеты.

Отделяющейся частью тела (ракеты) при таком движении является струя горячих газов, образующихся при сгорании топлива. Струя газов в одну сторону, а ракета в противоположную.

III. Закрепление изученного

1. Что называют импульсом тела и минусом силы?

2. Запишите формулу импульса тела.

3. Какова единица измерения импульса тела в СИ?

4. Что такое замкнутая система?

5. Сформулируйте закон сохранения энергии.

6. Какое движение называют реактивным?

7. На каком законе основано реактивное движение?

8. От чего зависит скорость ракеты?

IV. Решение задач

1. Лыжник начал спуск по плоскому склону, наклоненному к горизонту под углом α = 30°. Считая, что коэффициент трения скольжения μ = 0,1, а ускорение свободного падения g = 10 м/с², вычислите скорость V, которую он приобретет через Т = 6 с. (Ответ: V = g(sin α - μ cos α) Т ≈ 25 м/с.)

2. При формировании железнодорожного состава три сцепленных между собой вагона, движутся со скоростью V₀ = 0,4 м/с, сталкиваются с неподвижным вагоном, после чего все четыре вагона продолжают двигаться в том же направлении с одинаковой скоростью V. Определите эту скорость, если массы всех вагонов одинаковы. (Ответ: V = 3/4 V₀ = 0,3 м/с).

3. На сортировочном узле железнодорожной станции вагон 1, движущийся со скоростью V₁ = 1 м/с, сталкивается и сцепляется с вагоном 2, движущимся в том же направлении со скоростью V₂ = 0,5 м/с. После сцепления оба вагона продолжают двигаться в одном направлении. При этом скорость вагонов сразу после столкновения равна V = 2/3 м/с. Определите отношение масс m₁/m₂ вагонов 1 и 2. (Ответ: )

4. Ядро, летевшее в горизонтальном направлении со скоростью V = 20 м/с, разорвалось на две части. Массы осколков m₁ = 10 кг и m₂ = 5 кг. Скорость меньшего осколка V₂ = 90 м/с и направлена так же, как и скорость ядра до разрыва. Определите величину V₁ скорости и направление движения большего осколка. (Ответ: направление оси X совпадает с направлением вектора V.)

Домашнее задание

П. 41,42; с. 109 задачи (1-2).

Дополнительный материал

С. П. Королев (1907-1966)

Теоретик космонавтики, конструктор, организатор

Сергей Павлович Королев родился 30 декабря 1906 г. (по новому стилю - 12 января 1907 г.) в Житомире. Его отец Павел Яковлевич был учителем словесности. После того как отца перевели в Киев, мать Сергея, Мария Николаевна вместе с ним уехали к ее родителям в Нежин. В 1916 году Мария Николаевна развелась с первым мужем, после чего вышла замуж за инженера Григория Михайловича Баланина. Их семья переезжает в Одессу.

В замечательном приморском городе прошли отрочество и юность Сергея.

В 1922 году пятнадцатилетний Сергей Королев пошел в двухгодичную профессиональную школу № 1, куда брали и подростков. Там преподавали очень сильные учителя. За 2 года Сергей получил настоящее среднее образование.

В 17 лет Королев уехал учиться в Киевский политехнический институт. К тому времени Сергей уже спроектировал свой первый планер, Проект легкомоторного двухместного самолета СК-И (но первым буквам его имени и фамилии) был построен и проходил летные испытания.

В 1929 г. Королев окончил МВТУ, получив профессию инженера-аэромеханика, а в 1930 он без отрыва от производства окончил Московскую школу летчиков.

В 1932 г. Сергей Королев женился на Ксении Винцентинц, с которой учился в Одессе. В этом же году Королев вместе с Цандером организует одну из первых в СССР ракетных организаций - группу изучения реактивного движения (ГИРД) при Центральном Совете Осоавиахима.

В 1933 г. открывается Реактивный научно-исследовательский институт (РНИИ). В него входят РИРД и Ленинградская Газодинамическая лаборатория (ГДЛ).

Сергей Павлович Королев был назначен заместителем начальника института. Через полтора года Королева по личному указанию Н. Бухарина освобождают от обязанностей зам. директора и направляют старшим инженером в группу. В 1938 г. это спасло Королева, когда начальник института Клейменов и Лангемах получили смертный приговор, а Королев - «всего лишь» срок.

В 1934 г. вышла первая и единственная книга Сергея Королева. Книга называлась «Ракетный полет в стратосфере».

В конце октября 1935 г. научно-технический совет РНИИ представил Королева к званию профессора по специальности «Крылатые и бескрылые ракеты». Но экспертная машиностроительная комиссия отклонила присвоение научного звания профессора.

В 1938 г. во время стендовых испытаний ракеты «212», Королев получает ранение в голову. Он долго лечился в Боткинской больнице.

Накануне 2-ой Мировой войны он участвует в создании самолета «ТУ-2». В 1957 г. Королев участвует в запуске первого искусственного спутника.

К. Э. Циолковский

В сочинениях К. Циолковского была развернута далекая программа оккупации мировых пространств. В его книгах предусмотрено (и не только для первых шагов) практически все: подготовка к полету, старт, сам полет, последующая многоплановая работа космонавтов. На удивление прозорливо, даже пророчески, расписаны поведение корабля и «пассажиров», маневры, условия, какие сбудутся по мере погружения в космос, режимы работ и т. д. Заглянул ученый и в дальние дали наступления на космос, когда начнется его обживание... Словом, написана подлинная «космическая энциклопедия», своего рода руководство к внеземному способу жизни.

Удивляет, сколь точно наш великий земляк определил не только общий контур прорыва в космос, но и его конкретные детали. Не случайно, что космонавты обращались к нему за разъяснениями, тщательно изучая его работы.

1961 год. В Московском Доме ученых - пресс-конференция. В набитом до краев зале держит речь первый космонавт Земли. Его спрашивают о том, насколько разошлись представления, которые он имел, с тем, что произошло в деле? «В книге Циолковского очень хорошо описаны факторы космического полета, и те факторы, с которыми я встретился, почти не отличались от описания», так ответил Ю. Гагарин, и далее, рассказывая о впечатлениях, особенно про невесомость, летчик засвидетельствовал: «Я просто поражен, как правильно мог предвидеть наш замечательный ученый то, с чем довелось встретиться, что пришлось испытать на себе!» К. Циолковский смоделировал даже ощущения, которые должны испытывать космонавты. Их подтвердил Ю. Гагарин.

Ничего удивительного, что и конструкторы, снаряжая космические ракеты, «расспрашивали» К. Циолковского. Так, предвидя серьезные стартовые нагрузки, он посоветовал укладывать космонавтов в жидкость. Отлично! В 1958 году американцы принялись искать, как уберечься от перегрузок. В современной литературе ничего подходящего. Тут и выручил русский мечтатель. По наброскам Циолковского в США сконструировали гидрокомбинезон весом в 326 килограммов. Залили водой, установили на центрифуге и провели испытания. Все точно: в такой «одежде» человек способен перенести тридцатикратные нагрузки в течение 30 секунд. Результаты легли в основу действующей на корабле конструкции. Нашла поддержку и другая мысль Циолковского - собирать испаряемую космонавтами воду и, охладив, снова запускать ее в дело.

Ракеты

Ракеты изначально использовались в качестве оружия. Сегодня эти мощные гигантские аппараты служат для полетов человека в космос и доставки на орбиту искусственных спутников и различного оборудования. Однако ракеты с боеголовками по-прежнему угрожают жизни на Земле.

Первые ракеты были запущены около 800 лет назад. В начале XIII в. их использовали китайцы против монголов. Как и в современном фейерверке, движущей силой китайских ракет служил пороховой заряд. Прикрепленные к копьям или стрелам ракеты представляли собой устрашающее оружие. Монголы были настолько потрясены, что создали свои собственные ракеты для войны с рабами. К середине XIII в. ракеты были и у арабов. Французские крестоносцы привезли их в Европу.

Ракеты в Европе

В 1429 г. французские войска под командованием Жанны д’Арк с помощью ракет отстояли Орман в сражении против британцев. Но вскоре ракеты были вытеснены более точным оружием - пушками.

Начиная с XVI в. ракеты использовались в праздничных фейерверках, сначала в Италии, а затем и в других европейских странах. И только в конце XVIII в. они вновь были применены в боевых действиях. В 1792 г. британские войска, воевавшие в Индии, подверглись обстрелу небольшими металлическими ракетами. Их эффективность оказалась настолько высокой, что полковник Конгрев решил создать ракетное оружие для британских войск. К 1804 г. он превратил простую ракету в крайне разрушительное оружие с фугасной или зажигательной боевой частью. Но точность попадания этого оружия оставалась низкой примерно до 1844 г., когда англичанин Уильям Хейл изобрел метод стабилизации: изогнутые лопатки в сопле заставляли ракету вращаться во время полета, что придало ей устойчивость.

Дальность полета

Дальность полета всегда была слабым местом ракет. Чтобы она летела дальше, можно увеличить размеры для размещения большего количества пороха или другого вида топлива. Но при этом возрастает вес ракеты, и становится труднее привести в движение, а дальность все равно остается ограниченной.

Решение данной проблемы предложил француз Фрезье, а осуществил английский полковник Боксер в 1855 г. Идея заключалась в последовательном соединении двух ракет. Когда задняя секция выгорала, пирозаряд отстреливал ее и воспламенял топливо передней секции. Эта многоступенчатая конструкция обеспечивала большую дальность полета, чем одноступенчатая ракета той же массы, так как лишь часть исходного реактивного снаряда должна была достичь цели.

Русский ученый Константин Циолковский осознал важность многоступенчатых ракет и уже в 1883 г. доказал, что с их помощью можно осуществлять полеты в космос. Но до полетов в космос было еще далеко, и ракеты использовались для других целей.

Во время первой мировой войны (1914-1918) Англия сбивала немецкие дирижабли неуправляемыми ракетами. После окончания войны, в результате неослабевающего интереса к ракетостроению, вызванного работами Циолковского, СССР первым официально поддержал развитие военной ракетной техники. В 1929 г. исследовательские работы начали проводиться в Ленинградской лаборатории газодинамики. В 1933 г. эта организация вместе с московской группой изучения реактивного движения (ГИРД) создала ракету с жидкостным ракетным двигателем (ЖРД), установившую рекорд высоты (5,6 км) в 1936 г. В 1927 г. группа немецких инженеров организовала Общество космических полетов. Под давлением нацистов эта организация была распущена в 1934 г., но отдельные ученые предложили свои исследования для военных целей. Так были заложены основы лидерства Германии в ракетной технике в ходе Второй мировой войны (1939-1945). Самым выдающимся немецким конструктором ракет в годы войны был Вернер фон Браун, создавший первую в мире баллистическую ракету «Фау-1», примененную для обстрела Англии в 1944-1945 гг.

Применение реактивного движения

(на примере межконтинентальной баллистической ракеты)

В течение многих веков человечество мечтало о космических полетах. Писатели- фантасты предлагали разнообразные средства для достижения этой цели. В XVII веке появился рассказ французского писателя Сирано де Бержерана о полете на Луну.

Но ни один ученый, ни один писатель-фантаст за многие века не смог назвать средства, позволяющего улететь человеку в космос. Это смог осуществить русский ученый Константин Эдуардович Циолковский (1857-1935). Он показал, что единственный аппарат, способный преодолеть силу тяжести - это ракета, т. е. аппарат с реактивным двигателем, использующим горючее и окислитель, находящиеся на самом аппарате.

Реактивный двигатель - это двигатель, преобразующий химическую энергию топлива в кинетическую энергию газовой струи, при этом двигатель приобретает скорость в обратном направлении. На каких же принципах и физических законах основывается его действие?

Каждый знает, что выстрел из ружья сопровождается отдачей. Если бы вес пули равнялся бы весу ружья, они бы разлетелись с одинаковой скоростью. Отдача происходит потому, что отбрасываемая масса газов создает реактивную силу, благодаря которой может быть обеспечено движение, как в воздухе, так и в безвоздушном пространстве. И чем больше масса и скорость истекающих газов, тем большую силу отдачи ощущает наше плечо, чем сильнее реакция ружья, тем больше реактивная сила. Это легко объяснить из закона сохранения импульса, который гласит, что геометрическая (т. е. векторная) сумма импульсов тел, составляющих замкнутую систему, остается постоянной при любых движениях и взаимодействиях тел системы.

Как выглядит в общих чертах современная ракета сверхдальнего действия? Это многоступенчатая ракета, в головной части ее размещается боевой заряд, позади него - приборы управления, баки и, наконец, двигатель. В зависимости от топлива стартовый вес ракеты превышает вес полезного груза в 100-200 раз! Поэтому весит она много десятков тонн, а в длину достигает высоты десятиэтажного дома.

Конструкция ракеты должна отвечать ряду требований. Очень важно, чтобы сила тяги проходила через центр тяжести ракеты. В этом случае, если не выполнить этого условия, то ракета может отклониться от заданного курса или даже начать вращательное движение.

Каждая ступень ракеты работает в совершенно различных условиях, которые и определяют ее устройство. Мощность каждой следующей ступени и время ее действия меньше, поэтому и конструкция может быть проще.

В настоящее время двигатели баллистических ракет преимущественно работают на жидком топливе. В качестве горючего обычно используют керосин, спирт, гидразин, анилин, а в качестве окислителей - азотную и хлорную кислоты, жидкий кислород и перекись водорода. Очень активными окислителями являются фтор и жидкий озон, но из-за крайней взрывоопасности они пока находят ограниченное применение.

Наиболее ответственной частью ракеты является двигатель, а в нем - камера сгорания и сонло. Здесь используются особо жаропрочные материалы и сложные методы охлаждения. Достаточно сложны и остальные агрегаты. Например, насосы, которые подавали горючее и окислитель к форсункам камеры сгорания, уже в ракете ФАУ-2 были способны перекачивать 125 кг топлива в секунду. В ряде случаев вместо баллонов применяют баллоны со сжатым воздухом или каким-нибудь другим газом, который вытесняет горючее из баков и гонит в камеру сгорания.

Запускается ракета со специального стартового устройства. Стартуя вертикально, ракета наклоняется и описывает почти эллиптическую траекторию.

Данное описание ракеты соответствует уровню развития науки и техники 60-х годов. Однако это общие свойства, присущие всем ракетам.