за счет чего происходит реактивное движение
Физика. 10 класс
Конспект урока
Урок 12. Реактивное движение
Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:
1) практическое применение закона сохранения импульса;
2) реактивное движение, реактивная сила;
3) использование реактивного движения в природе и технике;
4) этапы исторического развития освоения космоса;
Реактивное движение – это движение тела, возникающее при отделении некоторой его части с определенной скоростью относительно него.
Реактивная сила – сила, возникающая при реактивном движении.
Особенность реактивной силы – возникновение без взаимодействия с внешними телами.
Скорость ракеты тем больше, чем больше скорость выбрасываемых газов и отношение массы топлива к массе ракеты.
Основная и дополнительная литература по теме урока:
Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 126 – 127;
Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс.-М.:Дрофа,2014. – С.47-48.
Открытые электронные ресурсы:
Теоретический материал для самостоятельного изучения
Движение тела, которое возникает при отделении с определённой скоростью какой-либо его части, называется реактивным.
Реактивное движение издревле существует в природе. Его для своего перемещения используют некоторые живые существа: кальмары, осьминоги, каракатицы, медузы и т.д. Они всасывают, а затем с силой выталкивают из себя воду, за счёт этого они движутся. Реактивное движение встречается и в быту. Примеры: движение резинового шланга, когда мы включаем воду, салюты и т.д.
Сила, с которой ракета действует на газы, равна по модулю и противоположна по направлению силе, с которой газы отталкивают от себя ракету:
При реактивном движении возникает сила, которая называется реактивной. Сила 
— это реактивная сила.
Особенностью реактивной силы является то, что она возникает без взаимодействия с внешними телами.
Согласно закону сохранения импульса: импульс вырывающихся газов равен импульсу ракеты.
Закон сохранения импульса позволяет оценить скорость ракеты.
Закон сохранения импульса для реактивного движения:
откуда скорость ракеты:
Скорость ракеты тем больше, чем больше скорость выбрасываемых газов и отношение массы топлива к массе ракеты. Эта формула справедлива для случая мгновенного сгорания топлива. На самом деле топливо сгорает постепенно, т.к. мгновенное сгорание приводит к взрыву.
Точная формула для скорости ракеты была получена в 1897 году К.Э. Циолковским.
Первую конструкцию ракеты для космических полётов предложил Константин Эдуардович Циолковский – русский учёный, основоположник теоретической космонавтики. Он обосновал использование ракет для полётов в космос, сделал вывод о необходимости использования многоступенчатых ракет.
Идеи Циолковского воплотил в жизнь советский учёный, инженер-конструктор С.П. Королёв. 4 октября 1957 года считается началом космической эры. В этот день конструкторский коллектив под руководством Королёва осуществил запуск первого искусственного спутника Земли.
12 апреля 1961 г. впервые в мире на орбиту Земли был выведен космический корабль, в котором находился лётчик-космонавт СССР Юрий Алексеевич Гагарин. Он открыл дорогу в космос. В космосе нельзя использовать другие двигатели, кроме реактивных, так как там нет опоры, отталкиваясь от которой космический корабль мог бы получить ускорение. Реактивные двигатели применяют для самолётов и ракет, не выходящих за пределы атмосферы, чтобы максимально увеличить скорость полёта.
Примеры и разбор решения заданий
1. Чему равна реактивная сила тяги двигателя, выбрасывающего каждую секунду 15 кг продуктов сгорания топлива со скоростью 3 км/с относительно ракеты?
Дано: m = 15 кг, v = 3 км/с = 3000 м/с, ∆t = 1 с. Найти F.
2. Из пороховой ракеты, летящей со скоростью 16 м/с, вылетают продукты сгорания массой 24 г со скоростью 600 м/с. Вычислите массу ракеты.
Дано: v₁ = 16 м / с, m₂ = 24 г = 0,024 кг, v₂ = 600 м/с. Найти m₁.
Запишем закон сохранения импульса для реактивного движения: m₁v₁ = m₂v₂, выразим массу ракеты: m₁ = m₂v₂ / v₁.
Делаем расчёт: m₁ = (0,024 кг·600 м/с) / 16 м / с = 0,9 кг. Ответ: m₁ = 0,9 кг.
Реактивное движение в природе и технике
Содержание:
У многих людей само понятие «реактивного движения» крепко ассоциируется с современными достижениями науки и техники, в особенности физики, а в голове появляются образы реактивных самолетов или даже космических кораблей, летающих на сверхзвуковых скоростях с помощью пресловутых реактивных двигателей. На самом же деле явление реактивного движения намного более древнее, чем даже сам человек, ведь оно появилось задолго до нас, людей. Да, реактивное движение активно представлено в природе: медузы, осьминоги, каракатицы вот уже миллионы лет плавают в морских пучинах по тому же самому принципу, по которому сегодня летают современные сверхзвуковые реактивные самолеты.
История
С древних времен различные ученые наблюдали явления реактивного движения в природе, так раньше всех о нем писал древнегреческий математик и механик Герон, правда, дальше теории он так и не зашел.
Если же говорить о практическом применении реактивного движения, то первыми здесь были изобретательные китайцы. Примерно в XIII веке они догадались позаимствовать принцип движения осьминогов и каракатиц при изобретении первых ракет, которые они начали использовать, как для фейерверков, так и для боевых действий (в качестве боевого и сигнального оружия). Чуть позднее это полезное изобретение китайцев переняли арабы, а от них уже и европейцы.
Разумеется, первые условно реактивные ракеты имели сравнительно примитивную конструкцию и на протяжении нескольких веков они практически никак не развивались, казалось, что история развития реактивного движения замерла. Прорыв в этом деле произошел только в XIX веке.
Открытие
Пожалуй, лавры первооткрывателя реактивного движения в «новом времени» можно присудить Николаю Кибальчичу, не только талантливому российскому изобретателю, но и по совместительству революционеру-народовольцу. Свой проект реактивного двигателя и летательного аппарата для людей он создал сидя в царской тюрьме. Позднее Кибальчич был казнен за свою революционную деятельность, а его проект так и остался пылиться на полках в архивах царской охранки.
Позднее работы Кибальчича в этом направлении были открыты и дополнены трудами еще одного талантливого ученого К. Э. Циолковского. С 1903 по 1914 год им было опубликовано ряд работ, в которых убедительно доказывалась возможность использования реактивного движения при создании космических кораблей для исследования космического пространство. Им же был сформирован принцип использования многоступенчатых ракет. И по сей день многие идеи Циолковского применяются в ракетостроении.
Примеры в природе
Наверняка купаясь в море, Вы видели медуз, но вряд ли задумывались, что передвигаются эти удивительные (и к тому же медлительные) существа как раз таки с благодаря реактивному движению. А именно с помощью сокращения своего прозрачного купола они выдавливают воду, которая служит своего рода «реактивных двигателем» медуз.
Похожий механизм движения имеет и каракатица – через особую воронку впереди тела и через боковую щель она набирает воду в свою жаберную полость, а затем энергично выбрасывает ее через воронку, направленную взад либо в бок (в зависимости от направления движения нужного каракатице).
Но самый интересный реактивный двигатель созданный природой имеется у кальмаров, которых вполне справедливо можно назвать «живыми торпедами». Ведь даже тело этих животных по своей форме напоминает ракету, хотя по правде все как раз с точностью наоборот – это ракета своей конструкцией копирует тело кальмара.
Если кальмару необходимо совершить быстрый бросок, он использует свой природный реактивный двигатель. Тело его окружено мантией, особой мышечной тканью и половина объема всего кальмара приходится на мантийную полость, в которую тот всасывает воду. Потом он резко выбрасывает набранную струю воды через узкое сопло, при этом складывая все свои десть щупалец над головой таким образом, чтобы приобрести обтекаемую форму. Благодаря столь совершенной реактивной навигации кальмары могут достигать впечатляющей скорости – 60-70 км в час.
Среди обладателей реактивного двигателя в природе есть и растения, а именно так званный «бешеный огурец». Когда его плоды созревают, в ответ на самое легкое прикосновение он выстреливает клейковиной с семенами
Закон реактивного движения
Кальмары, «бешеные огурцы», медузы и прочие каракатицы издревле пользуются реактивным движением, не задумываясь о его физической сути, мы же попробуем разобрать, в чем суть реактивного движения, какое движение называют реактивным, дать ему определение.
Для начала можно прибегнуть к простому опыту – если обычный воздушный шарик надуть воздухом и, не завязывая отпустить в полет, он будет стремительно лететь, пока у него не израсходуется запас воздуха. Такое явление поясняет третий закон Ньютона, говорящий, что два тела взаимодействуют с силами равными по величине и противоположными по направлению.
То есть сила воздействия шарика на вырывающиеся из него потоки воздуха равна силе, которой воздух отталкивает от себя шарик. По схожему с шариком принципу работает и ракета, которая на огромной скорости выбрасывает часть своей массы, при этом получая сильное ускорение в противоположном направлении.
Закон сохранения импульса
Физика поясняет процесс реактивного движения законом сохранения импульса. Импульс это произведение массы тела на его скорость (mv). Когда ракета находится в состоянии покоя ее импульс и скорость равны нулю. Когда же из нее начинает выбрасываться реактивная струя, то остальная часть согласно закону сохранения импульса, должна приобрести такую скорость, при которой суммарный импульс будет по прежнему равен нулю.
Формула
где msvs импульс создаваемой струей газов, mрvр импульс, полученный ракетой.
Знак минус показывает, что направление движения ракеты и сила реактивного движения струи противоположны.
Применение в технике – принцип работы реактивного двигателя
В современной технике реактивное движение играет очень важную роль, так реактивные двигатели приводят в движение самолеты, космические корабли. Само устройство реактивного двигателя может отличаться в зависимости от его размера и назначения. Но так или иначе в каждом из них есть
Так выглядит реактивный двигатель.
Видео
И в завершение занимательное видео о физических экспериментах с реактивным движением.
Изучение реактивного движения на уроке физики в 9-м классе
Разделы: Физика
I. Оргмомент, приветствие учащихся
II. Проверка домашнего задания
1. Фронтальный опрос
У ребят на столах имеются карточки с большой буквой Р, маленькой буквой р и 0. Учитель начинает петь песенку, а учащиеся должны поднять карточку с большой буквой Р, если тело, о котором поётся в песенке, обладает большим импульсом, с маленькой буквой р, если импульс тела мал, и 0, если импульс тела равен нулю:
1.»Голубой вагон бежит, качается,
Скорый поезд набирает ход,
Ах, зачем же этот день кончается,
Лучше б он тянулся целый год».
2. «Трусишка-зайка серенький
Под ёлочкой скакал,
Порою волк, сердитый волк
Рысцою пробегал».
3. «Чижик-пыжик, где ты был?
На Фонтанке ножки мыл.
А потом я побежал,
Опять ножки замарал».
4. «В траве сидел кузнечик,
В траве сидел кузнечик.
Совсем как огуречик
Зелёненький он был».
5. «Пусть бегут неуклюже
Пешеходы по лужам,
А вода по асфальту рекой.
И не ясно прохожим
В этот день непогожий,
Почему я весёлый такой».
6. «Мы поедем, мы помчимся
На оленях утром ранним
И отчаянно ворвёмся
Прямо в снежную зарю».
7. «Я на солнышке лежу,
Я на солнышко гляжу.
Всё лежу и лежу,
И на солнышко гляжу».
Учитель: При выполнении этого задания вам понадобилась формула для импульса тела 
. Из этой формулы видно, что между массой и импульсом, а также между скоростью и импульсом существует прямая зависимость, т.е. чем больше масса и скорость тела, тем импульс тела больше.
2. Индивидуальная работа по карточкам
Записать закон сохранения импульса для каждого случая:
Вариант 1. На тележках стоят два мальчика разной массы. Отталкиваясь друг от друга, они разъехались на разные расстояния с разными скоростями.
Вариант 2. Мальчик движется на тележке со скоростью 
. С какой скоростью будет двигаться тележка, если мальчик спрыгнет с неё со скоростью 
по ходу движения.
Вариант 3. Тело массой m1, движущееся со скоростью , сталкивается с неподвижным телом массой m2. Найти скорости тел после взаимодействия, если они стали двигаться как одно тело.
Вариант 5. Груз массой m падает на движущуюся тележку массой 2m
Вариант 6. Тележка массой 2m, движущаяся со скоростью 2
, догоняет такую же тележку, движущуюся в два раза медленней, после чего произошло сцепление тележек.
Вариант 7. Две тележки равной массы движутся навстречу друг другу с одинаковыми по модулю скоростями. После столкновения первая тележка остановилась. Найти скорость второй тележки.
Вариант 8. Пластилиновый шарик, летящий со скоростью , прилипает к стенке.
Вариант 9. Баба с воза – кобыле легче.
– При выполнении этого задания вам понадобилась формула для закона сохранения импульса: 
.
Эта же формула нам понадобится при объяснении нового материала
III. Объяснение нового материала
Учитель просит учащегося надуть резиновый шарик и отпустить его. Шарик приходит в движение (фото 1).
Учитель: За счёт чего шарик приходит в движение?
Учащиеся: Шарик приходит в движение за счёт того, что из него выходит воздух
Учитель: Движение шарика является примером реактивного движения, и вы правильно указали причину движения шарика. Прежде, чем вы попытаетесь сформулировать определение реактивного движения, мне бы хотелось спросить у вас, будет ли являться примером реактивного движения следующий случай: человек спрыгивает с тележки?
Демонстрируется опыт: ученик встаёт на легкоподвижную тележку, спрыгивает с неё. Тележка движется в противоположную сторону (фото 2).
Учащиеся высказывают своё мнение, учитель фиксирует мнения учащихся и их обоснования на доске.
Учитель: Что общего в первом и во втором опытах?
Учащиеся: Тележка и шарик пришли в движение, потому что от них что-то отделилось (ученик, воздух).
После этого учащиеся формулируют определение реактивного движения и сравнивают его с определением, написанным на закрытой части доски. Определение записывается в тетрадь: “Реактивное движение – это движение, происходящее за счёт отделения от тела с какой-то скоростью некоторой его части”.
Учитель просит учащихся привести примеры реактивного движения и обосновать свой выбор (движение осьминога в воде и др.)
Учитель: А возможно ли реактивное движение в вакууме (без всякой среды)? Шарик летал в воздухе, тележка двигалась по полу, а если среда будет отсутствовать, возможно ли реактивное движение?
Демонстрируется опыт: в пробирку наливается немного воды, она плотно закрывается пробкой и на двух нитях подвешивается к штативу. Пробирку нагревают на спиртовке или свечке, наблюдают пример реактивного движения: пробирка приходит в движение за счёт того, что из неё под давлением водяного пара вылетает пробка (фото 3).
Учитель: Что изменится, если бы этот опыт был проведён в космическом пространстве?
Учащиеся: Необходим другой способ нагревания пробирки, т.к. процесс сгорания топлива без кислорода происходить не будет. На остальное отсутствие атмосферы существенно не влияет. Как только сила давления водяного пара станет немного больше силы трения пробки о пробирку, пробка должна вылететь в одну сторону, а пробирка должна начать двигаться в противоположную сторону.
Учащиеся замечают, что и реактивное движение резинового шарика, и движение легкоподвижной тележки тоже могло бы происходить в вакууме.
После обсуждения учащиеся делают вывод, что для реактивного движения не нужна никакая среда, оно возможно и в вакууме. Эту особенность учащиеся записывают в тетрадь.
Учитель: А как можно изменить направление движения тела при реактивном движении?
Учащиеся вносят свои предложения. Для подтверждения правильности предположений демонстрируется опыт: сегнерово колесо подвешивают на длинных нитях к штативу, заполняют водой. Оно начинает вращаться за счёт того, что из него по изогнутым трубкам вытекает вода (фото 4).
Учащиеся делают вывод и записывают его в тетрадь: для того, чтобы тело при реактивном движении изменило направление своего движения, необходимо изменить направление движения отделяющейся от тела части.
Учитель: Принцип реактивного движения открыл К.Э. Циолковский – великий русский учёный и изобретатель, которого по праву считают основоположником ракетной техники (записывают в тетрадь).
IV. Работа с учебником
В §23 учащиеся находят информацию о К.Э. Циолковском, основные моменты конспектируют в тетрадь:
– разработал теорию движения ракет,
– вывел формулу для расчёта их скорости,
– предложил использовать многоступенчатые ракеты.
V. Доклад учащегося
С Калугой и Калужским краем связана почти вся сознательная жизнь великого русского ученого, основоположника теории реактивного движения и межпланетных сообщений, одного из теоретиков авиации и воздухоплавания, писателя-фантаста, основоположника космонавтики, всю жизнь стремившегося «хоть немного продвинуть человечество вперед», – Константина Эдуардовича Циолковского.
В 1880 году 23-летним юношей начал он свою трудовую деятельность в Боровском уездном училище в качестве учителя арифметики и геометрии. Здесь же, в Боровске, началась серьезная научная работа Циолковского. В 1883 году он работает над рукописью «Свободное пространство», в которой впервые высказывает мысли о возможности покорения космического пространства с помощью реактивного прибора.
Одновременно Константин Эдуардович занимался вопросами воздухоплавания. Результатом долгих раздумий, исканий и расчетов явилась его большая работа «Теория и опыт аэростата». Эта работа – первый в мире труд о дирижабле переменного объема с металлической оболочкой.
В 1892 году, после 12-летней работы в Боровском уездном училище, он как талантливый преподаватель был переведен в Калужское уездное училище. В 1894 году Циолковским была написана повесть «Грезы о Земле и небе и эффекты всемирного тяготения», в которой он высказал свои соображения по проблеме сообщений в мировом пространстве и возможности создания искусственных спутников Земли.
За период с 1898 по 1902 год Константин Эдуардович опубликовал 16 статей по вопросам воздухоплавания и аэродинамики, а также закончил работу «Исследование мировых пространств реактивными приборами». В этой книге ученый говорил о способах осуществления космического полета с помощью ракеты, приводил вычисления, подтверждающие возможность постройки такой ракеты. В 1932 году за заслуги в развитии науки и техники К.Э.Циолковский был награжден орденом Трудового Красного Знамени.
Умер Циолковский 19 сентября 1935 года. Ученого похоронили в одном из самых любимых мест его отдыха – городском парке. 24 ноября 1936 года над местом захоронения был открыт обелиск авторы – архитектор Б.Н. Дмитриев, скульпторы И.М. Бирюков и М.А. Муратов.
Примером реактивного движения является и движение космической ракеты.
– Суть многоступенчатой космической ракеты заключается в том, что после того, как топливо и окислитель первой ступени (часть ракеты, кроме головной части) будут полностью израсходованы, эта ступень автоматически отбрасывается, и в действие вступает двигатель второй ступени и т.д.
Учитель: Применим закон сохранения импульса для реактивного движения ракеты в случае мгновенного выброса через реактивное сопло некоторой массы газа mг со скоростью 
.
VI. Работа у доски
Желающий вызывается к доске, записывает закон сохранения импульса в общем виде:
и применяет его для реактивного движения ракеты.
Ученик: Предположим, что начальная скорость ракеты и начальная скорость истечения газов равна нулю:
Находим проекции векторов на ось оу :
.
Скорость ракеты находим по формуле:
Учитель: В действительности же для реального полёта ракеты расчёт получается более сложным, так как происходит непрерывное (или пульсирующее) истечение газов и постепенное изменение массы оболочки ракеты.
VII. Закрепление и обобщение нового материала
Фронтальный опрос учащихся.
– За счёт чего происходит реактивное движение?
– Что такое реактивное движение?
– Каковы особенности реактивного движения?
– Из какой формулы можно найти скорость ракеты при реактивном движении?
VIII. Домашнее задание
– § 23, упр. 22 (2), придумать пример реактивного движения.
IX. Подведение итогов урока
Литература для учащихся:
1. Космодемьянский А.А. Циолковский К.Э. (М., “Наука”, 1976)
2. Арлазоров А. Циолковский К.Э. (М., “Молодая гвардия”, 1963).